Теоретическое обоснование повышения эффективности и качества копчения сельскохозяйственных продуктов в электрокоптилке Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.37:631.5

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА КОПЧЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ В ЭЛЕКТРОКОПТИЛКЕ

А.Г. ВОЗМИЛОВ, доктор технических наук, профессор

П.С.РУСИН, аспирант Челябинская ГАА

Н.И. СМОЛИН, кандидат технических наук, доцент Ю.Н. ВАРФАЛОМЕЕВ, старший преподаватель Тюменская ГСХА E-mail: [email protected]

Резюме. В статье рассмотрены теоретические аспекты расчета основных параметров установки электрокопчения, обеспечивающих повышение эффективности и качества копчения сельскохозяйственных продуктов за счет предварительной очистки дымовоздушной смеси от крупных частиц и более равномерного распределения мелкодисперсной части данной смеси на продукты копчения. Рассмотрены особенности процесса зарядки и осаждения на продукт копчения частиц дымовоздушной смеси в зависимости от их размера и скорости воздушного потока. Ключевые слова: электрокопчение; дымовоздушная смесь; электрокоптилка; равномерность распределения частиц, снижение энергозатрат.

К числу наиболее эффективных и перспективных способов копчения сельскохозяйственных продуктов относятся технологии на основе использования электрических полей. Их преимущества перед традиционными заключаются в том, что продолжительность горячего копчения сельскохозяйственной продукции сокращается в 2-3 раза, холодного - минимум в 10 раз. Это дает возможность создавать установки непрерывного действия и полностью механизировать процесс [2], в связи с чем увеличивается выход продукции, достигается значительная экономия сырья, возрастает производительность труда [1], а удельные энергозатраты (электрическая энергия, тепловая энергия и др.) снижаются в 1,5 раза и более [4].

К недостаткам существующих электрокоптильных установок относится неравномерное осаждение частиц дыма по поверхности продукта копчения.

Процесс копчения в электрокоптилке можно разделить на три основные стадии: зарядка частиц дымовоздушной смеси; движение заряженных частиц к продукту; осаждение и поведение заряженных частиц на продукте.

Зарядка частиц в электрическом поле коронного разряда происходит вследствие осаждения на поверхности частиц ионов из объема окружающего их газа. Это происходит в результате «бомбардировки» ионами, движущимися по направлению силовых линий электрического поля («ударная» зарядка) и осаждения ионов, участвующих в диффузионном движении («диффузионная» зарядка).

Практически во всем диапазоне напряженностей, встречающихся в реальных аппаратах ЭИТ (1...5 кВ/ см), для частиц r >2 мкм их заряд можно определить по формуле Потенье [6]:

= 4кепЕг28 ■-

eN0bt

Я = ЯП

nbeN0t

4ке0 +nbeN0t

4ne0 +nbeN0t

(1)

где е0 - электрическая постоянная, Ф/м; Ек - напряженность электрического поля коронного разряда в области нахождения частицы, В/м; г - радиус частицы, м; е - величина заряда электрона, е = 1,6 х 10-15 Кл; ? - время зарядки частиц, с; 5 = 1 + 2(е - 1)/(е - 2) - коэффициент, учитывающий диэлектрические свойства частиц; е - относительная диэлектрическая проницаемость вещества частицы.

При выражение (1) примет следующий вид:

„2

q = 4яе08£'*г

(2)

Анализ уравнения (2) показывает, что величина заряда частицы зависит от ее радиуса г, диэлектрических свойств 5 и напряженности Ек. Интенсивность зарядки частицы во времени зависит от подвижности и начальной концентрации ионов.

На заряженную частицу дымовоздушной смеси в электрокоптилке действуют следующие силы:

=Fg +Fk+FE +FC +Рэл.е,

(3)

где ^ - сила тяжести; ^ - сила, обусловленная взаимодействием электрического поля и заряда частицы (кулоновская сила); РЕ - сила, обусловленная неравномерным распределением напряженности электрического поля;- сила сопротивления среды движению частицы; - сила электрического ветра.

Известно [2, 3, 5], что при расчетах движения заряженных частиц практически достаточно учитывать силу электрического поля ^, которую уравновешивает сила сопротивления среды.

Величина силы ^, обусловленная взаимодействием электрического поля и заряда частиц дымовоздушной смеси (кулоновская сила), определяется из соотношения:

Fk = Eq (4)

Это одна из основных сил в электрофильтре.

Сила сопротивления среды движению частицы Fc в воздухе при обычных атмосферных условиях определяет установившуюся скорость движения частицы. Согласно закону Стокса, действительному для частиц диаметром от 2 до 50 мкм, при обычной скорости их движения в электрокоптилке относительно газа она равна:

^ =6к-\L-r-W, (5)

где ц - коэффициент динамической вязкости газа, Н-с/м2; W- скорость дрейфа частиц под действием поля у осадительного электрода, м/с [6].

Приравняв правые части уравнений (4) и (5), получим:

W =

Eq

(6)

6я • ц г

Один из основных путей интенсификации осаждения частиц в электрокоптилке - увеличение электри-

ческой силы Рк, которая зависит от напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке и величины заряда частиц (4). Величина напряженности электрического поля в зоне осаждения выбирается исходя из электрической прочности межэлектродного промежутка. Поэтому целесообразно изучить возможность повышения напряженности электрического поля в зоне осаждения мелкодисперсного аэрозоля.

При использовании традиционного электрокопчения крупные частицы осаждаются в основном на нижней части продукта, а мелкодисперсная часть аэрозоля неравномерно оседает по его поверхности (рис. 1). Для получения качественного продукта частицы мелкодисперсной фракции аэрозоля дымовоздушной смеси должны распределяться равномерно по всей поверхности продукта.

Цель наших исследований - изучить вопросы равномерности осаждения мелкодисперсной части аэрозоля дымовоздушной смеси по поверхности продукта копчения и предварительной очистки коптильного дыма от крупных частиц (сажи).

Условия, материалы и методы. Для равномерного распределения мелкодисперсной части аэрозоля дымовоздушной смеси необходимо создать электрическое поле в межэлектродном промежутке с переменной напряженностью по высоте электрокоптилки и устройство, позволяющее осуществлять предварительную очистку смеси от крупных частиц (рис. 2) [7].

Напряженность электрического поля как известно определяется по формуле [6]:

и

Е =

<1

(7)

Величину б согласно рис. 2 можно определить по выражению:

б=б, +Аб

(8)

Рис. 1. Принцип действия установки электрокопчения УЭК-1 и картина осаждения частиц дымовоздушной смеси по высоте установки: 1 - коронирующий отрицательный электрод; 2 - рыба (продукт копчения); 3 - источник высокого напряжения; 4 - частица дыма.

Учитывая, что б=%1,а) для значения Аб можно записать:

Аб = I ^ап(а) (9)

где tan(а) - тангенс угла отклонения коронирующего электрода от вертикали.

При подстановке выражений (8) и (9) в (7) получим:

Е =

и

(10)

с11 + Ыап{ а)

Подставив выражение (10) в (6) получаем аналитическое уравнение для определения скорости дрейфа частиц в зависимости от угла а

Рис. 2. Схема расположения коронирующих электродов опытной установки и картина осаждения частиц дымовоздушной смеси для нее: 1 - коронирующий игольчатый электрод; 2 - заземленный электрод (продукт копчения); 3 - дополнительный заземленный электрод для предварительной очистки дымовоздушной смеси от крупных частиц.

и

--------------<7

_ (1-у +1 • tan(a)

6к ■ ¡1

(11:

Эффективность осаждения частиц коптильного дыма на поверхность продукта в этом случае можно определить по известному выражению Дейча [6]:

Л,=1-е

/•ж

с1-и

(12)

где I - длина продукта, м; W - скорость дрейфа частиц к поверхности продукта в зоне осаждения, определяемая по формуле (11), м/с; б - межэлек-тродное расстояние в зоне осаждения, м; и - скорость потока дымовоздушной смеси внутри коптильной камеры, м/с.

Равномерность осаждения частиц на продукте копчения оценивали с помощью коэффициента вариации

(13)

где V - коэффициент вариации, а - среднее квадратичное отклонение, X- средняя величина показателя.

Результаты и обсуждение. Зависимость эффективности осаждения частиц коптильного дыма от характера изменения напряженности по выражению (10), свидетельствует, что при постоянной напряженности электрического поля в коптильной камере 66 % частиц размером 0,08 мкм, составляющих основную фракцию дыма, оседают на дополнительном электроде и только 34 % приходится на поверхность продукта (рис. 3). То есть имеет место значительная неравномерность осаждения частиц по длине продукта. В то же время при переменной напряженности на дополнительном электроде оседают только 38 % частиц, что обеспечивает большую равномерность осаждения частиц на продукте и соответственно лучшее его качество. Поэтому дальнейшие расчеты мы проводили для опытной установки, обеспечивающей Е^эг.

Анализ зависимости эффективности осаждения частиц дымовоздушной смеси от их размера и скорости движения потока этой смеси показывает, что частицы размером г > 1 мкм при скорости движения

Высота коптильной

О 0,05 ОД 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 камеры, м

Рис. 3. Зависимость эффективности осаждения частиц п от характера изменения напряженности Е: - Е = var, -

E = const.

дымовоздушной смеси и = 0,002 м/с практически с эффективностью 100 % осаждаются на дополнительном электроде (рис. 4). При увеличении скорости движения дымовоздушной смеси (на примере частиц r > 0,08 мкм), количество частиц, осаждаемых на поверхности продукта копчения, возрастает. Больше всего частиц такого размера осаждаются на поверхности продукта при скорости и = 0,002 м/с.

Зависимости количества осажденных частиц по высоте установки для частиц разных размеров свидетельствуют, что на дополнительном электроде осаждается до 70 % частиц размером r = 0,2 мкм, 51,4 % частиц размером r = 0,12 мкм и 34,4 % частиц размером r = 0,07 мкм.

Коэффициент вариации для частиц размером r = 0,2 мкм составил 57,16 %, r = 0,12 мкм - 28,92 % и r = 0,07 мкм - 12,85%.

Таким образом, использование экспериментальной установки [7] позволяет осуществлять эффективную предварительную очистку дымовоздушной смеси от крупных частиц и равномерно осаждать мелкодисперсную часть аэрозоля по продукту копчения, что обеспечивает повышение его качества.

Выводы. Процессы осаждения частиц дымовоздушной смеси, протекающие при электрокопчении, подчиняются основным законам электрогазодинамики.

Теоретически обосновано повышение эффективности и качества копчения сельскохозяйственных продуктов в электрокоптилке, путем использования дополнительного электрода, осуществляющего эффективную предварительную очистку частиц, и рациональной коронно-разрядной системы, обеспечивающей равномерное осаждение мелкодисперсной части аэрозоля на продукте копчения.

120

* 100

о -I-------------------------------------------------

Высота коптильной

0 0,05 ОД ОД 5 ОД 0,25 0,3 0,35 0,4 камеры, м

Рис. 4. Зависимость эффективности осаждения частиц П от их размера г и скорости движения потока дымовоздушной

смеси: - г = 1 мкм, и = 0,002 м/с; -■-------г= 0,08 мкм, и =

0,002 м/с; —а— г = 0,08 мкм, и = 0,0015 м/с; -*— г = 0,08 мкм, и = 0,001 м/с.

Рис. 5. Зависимость количества осажденных частиц дымовоздушной смеси (в %) на дополнительном электроде и поверхности продукта копчения от их размера г: а) г = 0,2 мкм,б) г = 0,12 мкм,в) г = 0,07 мкм.

Литература.

1. Воскресенский Н.А. Посол, копчение и сушка рыбы. - М.: Пищевая промышленность, 1966.

2. Рогов И.А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. - М.: Агропромиздат, 1988.

3. Воскресенский Н.А. Электрокопчение и перспективы использования этого способа в рыбной промышленности//Рыбное хозяйство, № 5, 1956

4. Мезенова О.Я., Ким И.Н., Бредихин С.А. Производство копченых пищевых продуктов. - М.: Колос, 2001.

5. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. - М.:Химия,1967.- 344 с.

6. Верещагин И.П. и др. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. - М., Энергия, 1974.- 480с.

7. Пат. 88913 Российская Федерация, МПКА23В 4/056(2006.01). Электрокоптильнаяустановка. Н.Н. Смолин, А.Г. Возми-лов, Ю.Н. Варфоломеев, С.Е. Быкова; заявитель и патентообладатель ФГбОу ВПО ЧГАА № 2009113780/22; заявл. 13.04.2009; опубл. 27.11.2009, Бюл. № 33.

THEORETICAL JUSTIFICATION OF EFFICIENCY AND QUALITY OF AGRICULTURAL PRODUCTS

SMOKING IN THE ELECTRIC FUMATORY A.G. Vozmilov, P.S. Rusin, N.I. Smolin, Yu.N. Varfalomeev

Summary. The article discusses theoretical aspects of calculation of the main parameters of the electric fumatory ensuring the increase in efficiency and quality of agricultural products smoking through the coarse purification of air-flue mixture of large particles and the more even distribution of the fine-dispersed part of this mixture on smoking products. The peculiarities of charging and sedimentation of air-flue mixture particles on the smoking product, depending on their sizes and air-flow rate, are distinguished.

Key words: electric smoking, air-flue mixture, electric fumatory, particle distribution evenness, power inputs decrease.