CC BY
7
УДК 621.565.9
Воздушный турбохолодильный агрегат для быстрого замораживания растительной продукции во флюидизационном слое
Д-р техн. наук K.II. ВЕНГЕР, канд. техн. наук O.A. ФЕСЬКОВ, Г.Б. ШАХМЕЛИКЯН
Московский государственный университет прикладной биотехнологии (МГУПБ), канд. биол. наук Н.С. ШИШКИНА ГНУ ВНИИ консервной и овощесушильной промышленности
On the basis of the air turborefrigerating unit (VTHA) an experimental plant was manufactured, which allowed obtaining of the experimental data on the process parameters of fluidized freezing for a wide range of plant products in the air temperature range of-60. ..-64 C and its flow rate 5... 25 m/s. The results of quality study, proving the technological efficiency of the obtained process parameters of freezing of these products, were obtained. The design of the fluidized freezing apparatus with VTHA has been developed, for which a patent of RF was issued.
В Институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова на базе воздушного турбохол од ильного агрегата (ВТХА) была изготовлена опытная установка, позволившая провести исследования процесса замораживания продукции растительного происхождения во флюидизационном слое.
Исследования проводил ись совместно со специалистами НИИ механики под руководством канд. техн. наук А.П. Викулова.
Основные преимущества В'ГХА: использование экологически безопасного хладагента (атмосферный воздух), атак-
18 20
-If-
Из атмосферы В
Рис. I. Принципиальная схема опытной скороморозильной установки на базе воздушного турборефрижераторного агрегата:
I — фильтр; 2 — винтовой маслозаполненный холодильный компрессор; 3 — концевой холодильник;
4 - масловлагоотделитель; 5 — блок осушки; 6 — рекуперативный теплообменник;? — турбодетандер;
8 — масляный теплообменник; 9 — холодильная камера; 10 — тележка; 11 — гибкий трубопровод;
12 — расширительный канал; 13 — флюидизационное устройство; 14 — сетчатый поддон; 15 — шкала измерения высоты флюидизации; 16 — продукт; 17 — стол с контрольно-измерительной аппаратурой;
18 — прибор — измеритель температуры и тепловых потоков; 19 — термопары и датчики тепловых потоков; 20 — портативный компьютер; 21 — электронный анемометр
же возможность получения низкотемпературного воздуха (-60...—120 °С) в интервале скоростей 5.. .25 м/с.
Опытная установка (рис. 1) состоит из винтового холодильного компрессора, блока осушки сжатого воздуха, турбодетандера с масляным агрегатом, холодильной камеры и контрольно-измерительной системы.
Атмосферный воздух, всасываемый через фильтр 1, сжимается винтовым маслозаполненным компрессором 2 и нагнетается в концевой холодильник 3, где охлаждается проточной водой, после чего направляется во влагомаслоотделитель 4. Очищенный от крупнодисперсной взвеси масла и воды воздух поступает в блок осушки 5, где окончательно осушается с помощью гранулированных адсорбентов, затем в рекуперативном теплообменнике 6 охлаждается обратным потоком воздуха от турбодетандера и поступает в решетки направляющего аппарата турбинной ступени турбодетандера 7, где его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. На лопатках рабочего колеса происходит изменение момента количества движения, и кинетическая энергия струи воздуха преобразуется в механическую энергию, воспринимаемую нагрузочным устройством, происходит адиабатическое расширение воздуха с отдачей внешней работы и понижением его температуры вдиапазоне (—60...—120 °С). Турбодетан-
дер снабжен отдельной масляной системой с масляным теплообменником 8.
После турбодетандера общий поток холодного воздуха разделяется на два: основная часть направляется в холодильную камеру 9, а другая, минуя холодильную камеру, дросселируется в регулирующем вентиле (с целью выравнивания давлений) и, смешиваясь с потоком воздуха, отводимого из камеры, поступает в рекуперативный теплообменник 6, где забирает тепло от предварительно охлаждаемого воздуха перед детандером.
В холодильной камере 9на технологической тележке 10 смонтировано специальное флюидизационное устройство 13, основным элементом которого является днище, образованное сетчатым поддоном 14. Внизу короба имеется расширительный канал 12, к которому подведен гибкий трубопровод 11 для подачи низкотемпературного воздуха от турбодетандера 7.
Благодаря создаваемой в турбодетандере 7 скорости струи подаваемого воздуха, контролируемой электронным анемометром 21, штучные продукты /бприобретают подвижность во флюидизационном слое, высота которого фиксируется по специальной шкале 15 в коробе флюиди-зационногоустройства Л?(см. рис. 1).
Отработанный воздух с температурой —30 °С отводится из камеры 9через специальный канал в рекуперативный
Таблица 1
Массогабаритные характеристики исследуемых пищевых продуктов
Класс про- дукта Наименование продукта Эквивалентный диаметр единицы продукта <15, мм Средняя масса ед иницы продукта тм, г Плотность продукта р, кг/м3 Насыпная плотность продукта рн, кг/м3 Порозность насыпного слоя ео
Клюква 8...14 1 1080 500 0,54
Черника 10...12 1 1060 550 0,48
Голубика 10...14 1,2 1050 560 0,47
Смородина 8...14 1 1070 560 0,48
п Земляника 20...30 8,5 1070 560 0,48
4 Вишня 16...19 3 1030 560 0,46
Сливы 16...28 12 1070 640 0,4
Яблоки 12...14 1Д 1070 590 0,45
Киви 14...17 2 1080 560 0,48
Ананасы 18...24 3,6 1070 670 0,37
Іорошек 8...10 1,2 1020 750 0,26
Картофель 12...14 1,1 1060 670 0,37
п5 Морковь 12...14 1,1 1080 640 0,41
Свекла 12...18 1,8 1075 640 0,4
Огурцы 20...24 5,2 1090 640 0,41
Шампиньоны 22...26 8,5 1060 670 0,37
со, м/с
■ высота насыпного слоя Нм
б)
Нф/ мм
140
120
100
80
60
40
20
о
«о, м/с
Картофел ■ высота насыпного слоя Ннас, мм
в)
Рис. 2. Гистограммы зависимости высоты флюидизационного слоя Нф от скорости воздушных потоков шв и высоты насыпного слоя Ннцс при замораживании ягод (а),
плодов (б), овощей (в)
теплообменник 6, либо удаляется в атмосферу. При этом в случае повторного использования воздух дополнительно очищается и осушается. Нагретый воздух обратного потока из теплообменника 6 вновь направляется на всасывание в компрессор 2, необходимая подпитка которого осу-
ществляется через фильтр низкого давления 1.
В качестве объектов замораживания была использована растительная продукция классов П4 (плоды, ягоды) и П5 (овощи) по классификации [I]:
• класс П4: клюква, черная смородина, черника, голубика, яблоки, ананасы, киви, земляника садовая, вишня кислая, сливы;
• класс П5: картофель, морковь, свекла, шампиньоны, огурцы.
Технология подготовки растительной продукции к замораживанию соответствовала общепринятым рекомендациям (ТУ, ТИ, ВНИИКОП). При этом резаные картофель и морковь замораживали после мойки, очистки, резки на кубики с гранями 10... 15 мм, бланширования и предварительного охлаждения до температуры 20...22вС.
Основные массогабаритные характеристики рассматриваемых объектов приведены в табл. 1. В качестве характерного размера рассматриваемых объектов был принят эквивалентный диаметр с1ЭУ определяемый как диаметр шара с объемом, равным объему единицы продукта. Поскольку штучные продукты одного наименования имеют различные габаритные размеры, в таблице указан диапазон этой величины.
Порозности насыпного слоя продукции определяли как:
ео=1-(рн/р). (1)
Исследования проводили при температуре подаваемого детандером воздуха гср = —60...—64 °С и скорости воздушного потока в интервале сов = 5...25 м/с. В задачу исследований входило измерение высоты подвижного флю-
Таблица 2
Процессные параметры замораживания во флюидизационном слое растительной продукции
исследуемого ассортимента
Наименование продукта Параметры продукта Параметры воздуха П родолжительность замораживания до 1= -18 *С X, мин Линейная скорость замораживания £0,10*, м/с
Эквив. диаметр , мм Высота флюиди-зационного слоя Нф, мм Темпера- тура *С Скорость со,, м/с
Картофель 12 40...50 -62 10 6,2 50
Земляника 24 30...45 -64 10 7,7 40
Черника 12 40...50 -61 15 2,7 95,2
Голубика 14 20...25 -63 7,5 3,6 49,4
Сливы 16 30...40 -62 10 13,8 13,3
Киви 14 30...35 -61 15 10,2 13,6
Ананасы 18 45...55 -60 20 14,5 11,7
Свекла 18 О О гГ -61 10 18 10
Морковь 14 30...45 -60 10 12 12,1
Шампиньоны 22 35... 40 -62 10 8,5 30,6
Огурцы 20 30...40 -62 10 23,2 8,6
идизационногослоя Нф исследуемых пищевых продуктов.
Результаты исследований, представленные гистограммами (рис. 2), позволяют определить условия организации флюцдизационно-го замораживания с использованием ВТХА для заданного вида растительной продукции.
Следующий этап исследований был связан с определением продолжительности и скорости замораживания растительной продукции.
Получены графические зависимости температурного поля (термограммы), на базе которых определена продолжительность процесса т до среднеобъемной температуры /у. Линейную скорость сол замораживаемого продукта определяли из соотношения
(дп = Ь/хь (2)
где £ - определяющий размер продукта (¿э/2),м;
Хх — время, в течение которого температура изменяется от криоскопической на поверхности до криоскопической в центре продукта.
В табл. 2 представлены процессные параметры замораживания низкотемпературным воздухом от ВТХА во флюидизационном слое растительной продукции исследуемого ассортимента.
Полученные значения сол соответствуют ре-
Таблица 3
Результаты органолептической оценки по отдельным показателям качества замороженной растительной продукции после 7 мес хранения
Наименование продукции Вариант замора- живания Усредненные данные оценки органолептических показателей, баллы Общая оценка
Внешний вид Окраска Консис- тенция Вкус Аромат
внешняя срез
Картофель, резанный кубиками бланшир. Исходное 5 5 5 4,8 5 5 4,97
К 4 4 4 3 3 3 3,5
Оп 5 5 5 4,5 5 5 4,92
Морковь, резанная кубиками бланшир. Исходное 5 5 5 5 5 4,5 4,92
К 3,5 4 4 3 4 3,5 3,66
0„ 5 5 5 5 5 4 4,83
Огурцы свежие резаные Исходное 5 5 5 5 5 5 5
К 3,5 4 3 3 2 3,5 3.17
оп 4,5 5 4 4 3,5 4,5 4,25
Земляника садовая свежая Исходное 4,5 5 4,5 4,5 5 4,5 4,66
К 3,5 3,5 3,5 3,5 5 3 3,75
0п 4,5 4,5 4,5 4,5 5 4,5 4,58
Клюква свежая после хранения Исходное 3,5 3,5 3,5 4.5 4 4 3,83
К 3 3 3,5 4 4 4 3,58
оп 3,5 3,5 3,5 4 4 4 3,77
Таблица 4
Влияние способа замораживания на физиолого-биохимические показатели дефростированной растительной продукции
Наименование Сухие вещества, % Сухие растворимые вещества, % Влагоотдача при щадящей нагрузке, %
продукции Оп К оп К К
Картофель 17,5 17,3 4,7 3,45 29,7 33,3
Морковь 10,62 10,08 11,45 9,23 53,1 55,6
Огурцы 5,89 5,45 6,62 4,1 63,7 64
Клюква 12,78 12,74 8,3 8,0 55,8 56,2
Земляника садовая 8,85 7,74 8,3 8,05 42,7 43,9
комендованным Международным институтом холода (МИХ) для быстрого и сверхбыстрого замораживания данной продукции.
Важным этапом исследований было установление технологической эффективности полученных процессных параметров при замораживании растительной продукции.
Специалистами ГНУ ВНИИ консервной и овощесушильной промышленности проведена оценка качества растительной продукции, замороженной во флюидизационном слое на опытной установке. В качестве объектов замораживания использовали картофель, морковь, огур-
цы, землянику садовую, клюкву. Режимы замораживания и процессные параметры данных продуктов см. в табл. 2.
Контрольные партии сырья А'замораживали в неподвижном слое в традиционной холодильной камере при температуре воздуха —25 °С и скорости потока 3 м/с. Замороженную продукцию упаковывали в пакеты из пищевого полиэтилена емкостью по 0,5 кг, после чего хранили в течение 7 мес в камере при температуре —18 °С.
После 7 мес хранения опытные образцы 0П показали более высокий уровень сохранения органолептических показателей, чем контрольные (табл. 3). Так, замороженные картофель и морковь имели органолептическую оценку в опытном варианте 4,8...4,92 балла, что составило 98,2 — 98,9 % от исходного уровня, а в контрольном варианте — 70,4 — 74,4 % от исходного.
При этом опытные образцы картофеля и моркови полностью сохраняют показатели внешнего вида, окраски, консистенции и вкуса (5 баллов). Контрольные же образцы этих овощей имеют оценку по указанным показателям на уровне 3...4 баллов (60 — 80 % от исходного уровня). Высокие органолептические показатели отме-
Рис. 3. Общий вид флюидизационного скороморозильного аппарата: а - продольное; б — поперечное сечение; в - воздухораспределительное устройство; А, Б, В - модули скороморозильного аппарата; 1 - теплоизолированный корпус; 2 - конвейер; 3 - несущая рама; 4 - боковое защитное ограждение конвейера; 5 - направляющие салазки; 6 — натяжное устройство; 7— привод конвейера; 8- опоры; 9 - воздухораспределительное устройство; 10 - подводящий патрубок;
II — расширительный канал; 12 - плоские прямоугольные сопла; 13 - направляющие пластины; ¡4 - изогнутый потолочный элемент; 15 - вытяжное устройство; 16, 17— окна загрузки/выгрузки
Геометрические характеристики воздухораспределительных устройств разработанного типоразмерного ряда
Рабочая ширина конвейера В„, мм ' Габаритные размеры воздухораспредел и-тельного устройства U * Vмм Габаритные размеры сопел 1с х bt, мм Количество плоских прямоугольных сопел пс
1100 995 х 1000 14 х 1000 10
900 990 х 800 18 х 800 10
700 987 х 600 24 x 600 10
500 980 х 400 25 х 400 14
чены и у опытных образцов 0„ ягод земляники садовой и клюквы (см. табл. 3).
В результате исследований установлено, что замороженная в опытном варианте Оп растительная продукция характеризуется придефростации, несколько меньшей, чем в контрольном К, влагоотдачей при щадящей нагрузке 500 г/см2, что свидетельствует о лучшей сохранности структуры растительного сырья (табл. 4).
В опытном варианте после замораживания выявлено более значительное снижение микробиологической об-семененности растительного сырья, чем в контрольном. Количество жизнеспособных спор бактерий в опытном варианте замораживания было меньше у картофеля в 10 раз, у моркови — в 1,6 раза, у огурцов — в 3,2 раза, у земляники — в 5 раз. Количество жизнеспособных спор плесневых грибов сокращалась в опытном варианте в 2 — 3,4 раза по сравнению с контрольным.
Проведенные исследования показали, что быстрое замораживание растительной продукции низкотемпературным (на уровне —60 “С) воздухом от ВТХАво флювдиза-ционном слое обеспечивает сохранение в течение 7 мес высокого ее товарного и органолептического качества, а также пониженный уровень микробиологической обсе-мененности.
Исследования показали работоспособнбсть опытной установки в целом, а также ее ответственного узла — флю-идизационного устройства.
На основе полученных результатов была разработана конструкция флюидизационного скороморозильного аппарата, на которую получен патент РФ [2] (рис. 3).
Предлагаемый аппарат состоит из трех модулей — флюидизационного подмораживания А, замораживания Б, домораживания В. Подлежащий замораживанию продукт после предварительной обработки располагается на конвейере 2 со стороны окна загрузки 16. С помощью привода /обеспечивается перемещение продукта на конвейе-
ре, вследствие чего он последовательно поступает в модули аппарата А, Б и В. Через подводящий патрубок 10 и расширительный канал II низкотемпературный воздух от ВТХА подается в воздухораспределительное устройство 9, откуда через плоские прямоугольные сопла 12 и направляющие пластины 1J он распределяется по площади конвейера 2 модуля А. Потоки воздуха проходят через сетку конвейера 2со скоростью, позволяющей подсушить и подморозить продукт во взвешенном (флюидизацион-ном) состоянии, исключая возможность адгезии. Затем подмороженный продукт поступает в модуль замораживания Б, где воздушные потоки продольно обтекают его, обеспечивая замораживание до криоскопической температуры в центре. В модуле В благодаря изогнутому потолочному элементу 14и вытяжному устройству /5проис-ходит перемешивание потоков воздуха, идущих из модуля Б над конвейером и между его ветвями, чем обеспечивается интенсивное домораживание с выравниванием температуры продукта до заданной среднеобъемной. Через вытяжное устройство 75 воздушный поток отводится из аппарата. Замороженная продукция выходит через окно выгрузки 17, после чего упаковывается и направляется на хранение в холодильную камеру.
Разработан типоразмерный ряд воздухораспределительных устройств в зависимости от рабочей ширины конвейера скороморозильного аппарата Вт> основные геометрические характеристики которых приведены в табл. 5.
Все вышеизложенное доказывает перспективность использования для быстрого замораживания растительной продукции ВТХА, позволяющего одновременно обеспечить низкую температуру и высокую скорость воздуха, необходимую для организации флюидизационного слоя, тогда как в традиционных флюидизационных скороморозильных аппаратах подача воздуха осуществляется высоконапорными вентиляторами, а для обеспечения низкой температуры воздуха (порядка —30 'С) используется холодильная машина.
Список литературы
1. Венгер K.II., Пчелинцев С.А., Феськов O.A. Классификация объектов быстрого замораживания в морозильных аппаратах // Вестник МАХ. 2001. Вып. 1.
2. Патент РФ № 227X337«Скороморозильный флюиди-зационный аппарат»/A.A. Антонов, К.П. Венгер, А.Ш. Кобулашвили, Г.Б. Шахмеликян, O.A. Феськов, опубл. в БИ ФИПС № 17 от 20.06.05.
