Установка для поточной варки птичьих потрохов эндогенным нагревом Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 637.52.37

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВАРКИ МЯСНОГО ФАРША С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНДОГЕННОГО НАГРЕВА

SUBSTANTIATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF COOKING OF MINCEMEAT WITH THE USE OF INTERNAL HEATING

Т. М. Григорьева T. M. Grigoryeva

ФГОУВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»,

г. Чебоксары

Аннотация. Приведены методика обоснования и расчет технологических параметров варки измельченных птичьих потрохов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты.

Abstract. The technique of substantiation and calculation of technological parameters of cooking of crushed bird's giblets in the electromagnetic field of microwave frequency is given.

Ключевые слова: электромагнитное поле сверхвысокой частоты, удельная мощность, напряженность электрического поля, диэлектрические параметры, производительность.

Keywords: еlectromagnetic field of microwave frequency, specific capacity, intensity of electric field, dielectric parameters, productivity.

Актуальность исследуемой проблемы. С увеличением производства потрошеной птицы встает вопрос о рациональном использовании субпродуктов. В настоящее время в Чувашской Республике птичьи потроха объемом более 200 т в год реализуются без переработки. Производство изделий из птичьих потрохов с использованием современной энергосберегающей технологии является актуальной задачей.

Материал и методика исследований. Исследования проводились с использованием теории процесса тепло-, массообмена, основных положений теории машин и механизмов, теории дифференциального и интегрального исчисления. При экспериментальных исследованиях применялся метод активного планирования многофакторного эксперимента. Обработка экспериментальных данных выполнялась с использованием компьютерных программ «Microsoft Excel» и «Statistic».

Результаты исследований и их обсуждение. Расчет удельной мощности для варки измельченного мясного сырья. Подводимая удельная мощность идет на нагрев сырья и испарение влаги. При затратах тепла только на нагрев удельная мощность, подводимая к нагреваемому материалу, может быть выражена [1]:

AT 1

УД ~ Р'с 'Ат ‘ Пт , Вт/м3, (1)

где р - плотность измельченных потрохов, кг/м3 (1042.. .1096 кг/ м3);

Руд = = 12469 ,55 кВт/м3 , или 12,47 Вт/см3.

с - удельная теплоемкость материала, кДж/кг °С (3,58 кДж/кг0С);

А Т - приращение температуры сырья (°С) за промежуток времени Ат (с);

А Т /А т = 110/48= 2,27 °С/с; Л т - термический КПД (0,67).

Необходимая удельная мощность для нагрева сырья составляет:

Руд = 1070 '3,58 ' 2,27 ■ = 12978 кВт/м3 или 13 Вт/см3.

0,67

Удельная мощность, расходуемая на испарение влаги, определяется по выражению [1]:

г ■ АМ

УД = ЛТаТ , (2)

где Г - скрытая теплота испарения при данной температуре нагрева, кДж/кг (Г = 2258 кДж/кг);

АМ /А т - скорость испарения кг/м3-с.

Из предварительных исследований выявили, что в процессе варки фарша массой 52 г и объемом 48,6-10-6 кг/м3, испаряется 18 г влаги. Отсюда скорость испарения влаги из фарша составляет АМ /А т =18-10-3/(48,6-10-6-100) = 3,7 кг/м3-с.

Тогда удельная мощность, расходуемая на испарение влаги, составляет:

2258 ■3,7 0,67

Следовательно, с целью снижения удельных энергетических затрат на варку сырья в рабочей камере необходимо исключить процессы испарения влаги. К тому же технология производства вареного фарша предусматривает сохранение всех компонентов исходного сырья, в том числе и влаги. Ограничение процесса испарения влаги из сырья возможно, если оно варится внутри радиопрозрачного трубопровода.

Обоснование диаметра мясопровода. Для оптимизации эффективного внутреннего диаметра мясопровода необходимо определить коэффициент затухания энергии электромагнитного излучения через электрофизические параметры фарша из потрохов. Значение коэффициента затухания зависит от длины волны и электрофизических параметров измельченных птичьих потрохов, но не зависит от толщины слоя [1]:

а = ж ■ 4ё ■ tg 3 /к , 1/ см , (3)

где X - длина волны, см (12,24 см); е - диэлектрическая проницаемость и tgё - тангенс угла диэлектрических потерь измельченных птичьих потрохов при частоте 2450 МГц.

Ниже проанализируем диэлектрические параметры измельченных птичьих потрохов (рис. 1).

Эмпирические выражения диэлектрических характеристик измельченных птичьих потрохов от частоты следующие: е = 57,706х-8Е-05;/, tg 5= 0,6896-е- 0,0003;/.

Из графиков определяем, что при температуре 20 °С: е = 48, tgS = 0,35. Тогда значение коэффициента затухания равно:

а = 3 ,14 ■ л/4^ ■ 0 ,35 /12 ,24 = 0 ,62 , 1/см .

Отсюда определяем глубину проникновения электромагнитных излучений, на которой энергия уменьшается в 2,73 раза (е). Внутренний диаметр мясопровода рекомендуется принимать менее этой глубины проникновения.

Рис. 1. Диэлектрические характеристики измельченных птичьих потрохов в зависимости от частоты при температуре 20 °С:

1 - диэлектрическая проницаемость; 2 - коэффициент потерь;

3 - тангенс угла диэлектрических потерь

Глубина проникновения, на которой энергия уменьшается в е раз, составляет г = 1/2 - а = \/2 0,62 = 0,81 см. Исходя из этого, диаметр диэлектрического мясопрово-да, в котором происходит перемещение сырья в процессе его варки, принимаем равным

1,6 см. Тогда объем, находящийся в диэлектрическом мясопроводе и подвергающийся эндогенному нагреву, составляет V = л -0,812-30 = 62 см 3, а удельная мощность -Руд = 800 /62 = 13 вт/г.

Но для продукта круглого поперечного сечения, где диаметр соизмерим с рабочей длиной волны (0,1-Х = 0,1 • 12,24 см = 1,224 см), особенно, если диэлектрическая проницаемость птичьего фарша велика и равна 48, а фактор потерь - 16,8, нагрев по сечению может быть неравномерным. Поэтому мясопровод следует располагать в объемном резонаторе с учетом пучности потока электромагнитных излучений, т. е. с учетом длины волны.

Удельные диэлектрические потери можно определить и через диэлектрические параметры сырья по формуле [1]:

Е2 -е0 -г -а • tg8 4- л

где f - частота электромагнитного поля, Гц (2450 МГц); г - относительная диэлектрическая проницаемость фарша из птичьих потрохов (48); ^ $ - тангенс угла диэлектрических потерь материала (0,35); к - фактор диэлектрических потерь (16,8); Е - напряженность электрического поля в материале В/м.

Из выражения (4) видно, что мощность, выделяющаяся в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, зависит только от его диэлектрических характеристик и параметров электрического поля (частоты и напряженности электрического поля в сырье) и не зависит от теплопроводности сырья, которая у диэлектриков, как правило, имеет низкие значения. Эта особенность является существенным отличием и преимуществом диэлектрического нагрева, позволяющим значительно ускорить процесс нагрева сырья по сравнению с любым другим традиционным видом нагрева.

Из формул (1) и (4) определяем необходимую напряженность электрического поля:

Руд =------------------------------^-—, Вт/м3 (4)

Е =

4 -Я ■ Руд

--------------ГГ , В/м, (5)

є0 -є - а> - tgo

4 - 3,14 -13 -106

Е — л----------12----------------------6-------— 8,45 , кВ/м или 84,5 В/см.

V 8,85 -10 12 -48-2-3,14-2450 -106 -0,35 ’ ’

Для обеспечения такой напряженности необходимо уменьшить объем резонаторной камеры. Поэтому используем 2 блока СВЧ-генератора, а резонаторную камеру поделим перегородкой пополам. В этом случае добротность резонаторной камеры увеличивается и увеличивается напряженность электрического поля. Одновременно это позволит увеличить производительность установки. Она составляет в пределах 10 кг/ч:

„ 2-62-3600

О —---------— 9,3 кг/ч

48-1000

Скорость передвижения сырья в радиопрозрачном мясопроводе составляет:

^ ^ трубопрово да

— 30/4-8 — 0,63 см/с.

Потребляемая мощность двух СВЧ-генераторов для варки фарша составляет:

Р - V

Р1 — , Вт, (6)

// Т

п „ 12978 -6,2-10 5 „

Р — 2----------0^7-------— 2,4 кВт.

Используя 2 генератора общей мощностью 2400 Вт, можно сварить фарш массой 10 кг за 1 час.

Резюме. Установлено, что при воздействии электромагнитного поля с частотой 2450 МГц и напряженностью 80...100 В/см, полезной мощностью источников энергии

1,6 кВт, обеспечивающих производительность установки 10.15 кг/ч, происходит варка измельченных птичьих потрохов при превышении температуры на 80...110оС со скоростью 1.2,27 оС/с.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гинзбург, А. С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности / А. С. Гинзбург. - М. : Агропромиздат, 1985. - 336 с.

2. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов / под ред. И. А. Рогова. - М. : Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 288 с.