Взаимосвязь технологических и конструктивных факторов процесса паровакуумной дефростации Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

664.951.037.59

ВЗАИМОСВЯЗЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ ПРОЦЕССА ПАРОВАКУУМНОЙ ДЕФРОСТАЦИИ

А.С. ГОРЛАТОВ

Калининградский государственный технический университет

В ряду процессов обработки пищевых продуктов наиболее высокую категорию сложности имеют технологические процессы с использованием вакуума как среды для воздействия на обрабатываемый материал. К ним относятся, как правило, синтезированные технологические процессы — паровакуумная дефростация, сублимационная сушка, молекулярная дистилляция и др. Характерно, что повышение эффективности таких процессов возможно лишь путем устранения противоречий между сложностью непосредственно технологического процесса и недостаточным уровнем совершенства оборудования для его осуществления.

Анализ отечественной и зарубежной литературы в области синтезированных технологических объектов показал, что большинство работ содержат результаты, полученные при исследовании процессов без учета их глубинной связи со средствами реализации. Если не учитывать влияние конструктивных факторов (размеров, формы, компоновки) взаимосвязанных систем на технологические параметры процесса, то исключается возможность заметного повышения эффективности функционирования таких объектов.

Следует отметить, что создание высокоэффективных синтезированных технологических объектов представляет значительные трудности, поскольку влияние геометрии и взаимной компоновки систем на показатели осуществляемых процессов изучено недостаточно. Отсутствуют экспериментально обоснованные пути интенсификации таких процессов в функции конструктивных параметров. Нельзя не учитывать и тот факт, что в технологических объектах с вакуумными системами влияние последних на эффективность реализуемых процессов во многих случаях является определяющим.

Это обусловливает необходимость выявления конструктивных факторов, существенно влияющих на эффективность перспективного для рыбообрабатывающей отрасли процесса паровакуумного размораживания, и разработки оборудования для его реализации.

В соответствии с отраслевым стандартом (ОСТ 15-228-85. Оборудование рыбообрабатывающее. Термины и определения), термин ’’дефростер” обозначает установку для размораживания рыбы или морепродуктов. Паровакуумные дефростеры в общем случае содержат взаимосвязанные системы вакуумирования, парообразования, размещения продукта и удаления конденсата [1]. Их работа основана на использовании скрытой теплоты парообразования при конденсации водяных паров на поверхности замороженных продуктов в условиях разреженной среды. Достоинством, на реализацию которого направлено совершенствование паровакуумных дефростеров, является возможность передачи размораживаемому продукту большого коли-

чества тепловой энергии пара-теплоносителя [1 — 7].

Фактическое количество тепла в единицу времени, переданного продукту при паровакуумном размораживании, соответствует выражению

*<2 = ^с« - = ^см - +

+ КЦрп - рп )йР = ажиж - ?вр)<^,

(1)

где

/г

^см’^пр’

К

(Р-Р.')

Рп< Ри

коэффициент теплопередачи; температура соответственно парогазовой смеси, размораживаемого продукта и пленки жидкости на границе фаз;

площадь поверхности теплопередачи;

коэффициент теплоотдачи от не-конденсирующихся газов к пленке жидкости;

коэффициент массопередачи; движущая сила процесса массооб-мена;

парциальное давление пара в камере и у поверхности продукта; аж — коэффициент теплоотдачи через пленку конденсата.

Относительное количество переданного продукту тепла составит

<2/0, =13, (2)

где Q — количество тепла, соответствую-

щее выражению (1); фп — количество тепла, аккумулируемого паром-теплоносителем;

/? — отношение величин @ и <3П, полученных при одинаковых массах пара-теплоносителя, 0</?<1.

В известных паровакуумных дефростерах показатель/? близок к значению 0,4. Это говорит о том, что непосредственно на процесс размораживания расходуется не более 40% тепловой энергии паратеплоносителя. Величина /? может служить показателем, определяющим уровень совершенства паровакуумного дефростера. Увеличение /? — это не только повышение КПД установки, уменьшение цикла размораживания и повышение производительности, но и более высокое качество конечного продукта.

Меры увеличения показателя /3 при постоянной массе загружаемого продукта могут быть как технологического, так и конструктивного характера. Важно, чтобы они способствовали более полной отдаче теплоты от пара низкой температуры поверхности размораживаемого продукта. Однако это усложняется рядом факторов, наиболее важными из которых являются наличие неконденсирующих-ся газов в камере, угол наклона потока пара к поверхности продукта и характер образования пара-теплоносителя.

Пути совершенствования паровакуумного дефростера циклического действия [8], предназначенного для размораживания рыбы в стандартных блоках, рассмотрим под углом зрения возможного повышения его производительности.

С|

раз*

где

0

рата

праг

ями

пол<

др.)|

про)

П0В(

3|

сущ

дик

увел

ЦИК

зав

Н01 С К!

нш

ема

пар

бьп

ли»

че*

ме:

чис

нос

отв

жа<

сл^

стр\

вен!

.59

[1-

!Ме-раз-► |(0 аро-иого [ на

)еда-

не-

анке

сооб-

Ьме-

[ерез

эдук-

(2)

гвую-

уемо-

1. п°-[ассах

пока-

0 ТОМ,

вания пара-пока-|ва па-это не пение зводи-

!ЧНОГО

янной :К тех-ктера. одной повер-<0 это кными ющих-тара к [ия па-

iro де-(назна-

фТНЫХ

)ЖНОГО

Суточную производительность дефростера G выразим формулой

G = ®М/Тр • пМ, (3)

где © — фонд рабочего времени дефростера

в интервале суток;

М — масса продукта, загружаемого в аппарат;

Гр — период рабочего цикла дефростера; п — число рабочих циклов за время 0, п = 0/Тр.

Следует отметить, что в технологических аппаратах продолжительность обработки продукта, как правило, связана с качественными его изменениями под воздействием различных энергетических полей (тепловых, вакуумных, центробежных и др.). Это в сравнении с машинной обработкой продукта удлиняет рабочий цикл и усложняет пути повышения производительности аппаратов.

Зависимость (3) показывает, что при 0 = const существует несколько путей повышения производительности дефростера. Одним из них является увеличение массы продукта, обрабатываемого за цикл размораживания.

Из выражения (3) следует, что при Тр = const зависимость G от массы продукта является линейной. Повышение G в функции массы связано либо с конструктивными изменениями, либо с увеличением коэффициента полезного использования объема аппарата. Применительно к существующим паровакуумным дефростерам такая задача может быть решена одним из следующих способов: увеличением диаметра (периметра) аппарата, увеличением длины камеры, уменьшением расстояния между блоками, различными сочетаниями перечисленных способов. Иными словами, возможность изменения аргумента М обеспечивается соответствующим увеличением числа блоков, загружаемых в аппарат за цикл размораживания. Исследованиями установлено, что взаимосвязь конструктивных и технологических факторов существенно влияет на характер функции G = f(Tp, М).

График, характеризующий повышение производительности дефростера в функции массы размораживаемого продукта, представлен на рисунке. График является результатом статистической обработки технических данных по 23 зарубежным паровакуумным дефростерам. Оси абсцисс и ординат характеризуют изменение удельных значений соответственно массы продукта пг и производи-

тельности аппарата g. Значения удельных характеристик соответствуют выражениям

m = М/I, g - G/1, (4)

где I — длина дефростера.

Введением удельных значений m и g исследуемые дефростеры были приведены к одинаковым условиям, при которых рассматривалась производительность, приходящаяся на единицу длины камеры.

Из рисунка видно, что при изменении массы загружаемого в аппарат продукта от ml до т2 производительность дефростера повышается линейно от gj до g2 [3]. Такое изменение g получено при п = 1 и минимальном достигнутом времени рабочего цикла = 60 мин. Следовательно,

участок 1-2 кривои соответствует выражению (3) при 7" (min) = const и является благоприятным с точки зрения возможного повышения и.

На участке 2-3 кривой рост производительности дефростера замедляется. В результате при значении аргумента, равном тпъ, обеспечивается производительность gc вместо g3, возможной при линейном изменении функции. В интервале изменения массы продукта от т2 до т3 фактический прирост производительности составляет

Д£Ф = (g3 ~ g2) ~ (ffs ~ Sc) = 8C~ g2> (5)

ще (g3~g2) —повышение производительности, возможное при линейном изменении функции;

(g3~gc) — уменьшение производительности.

Очевидно, что на участке 2—3 повышение производительности в функции массы сопровождается некоторым увеличением Г . Это приводит к уменьшению величины п = 60/ Тр, влияющей на угол наклона прямой к оси абсцисс.

Увеличение продолжительности рабочего цикла следует рассматривать как негативный результат технических решений, связанных с увеличением массы размораживаемого продукта. Такой результат может быть следствием возрастания гидравлических сопротивлений движению парогазовой смеси и ухудшения при этом условий передачи энергии от пара-теплоносителя к поверхности размораживаемого продукта. Как показал анализ, увеличение Т в дефростерах, которые по производительности вписываются в интервал 2-3, связано с увеличением времени размораживания продукта при практически не изменяющейся продолжительности операций обслуживания дефростера.

Величина п, уменьшаясь в интервале увеличения массы продукта от т2 до т3, на границе интервала (точка С) достигает значения, при котором прирост производительности становится нулевым. Точка С характеризует такое состояние системы, когда увеличение массы обрабатываемого продукта приводит к равнозначному увеличению периода рабочего цикла.

Очевидно, что абсцисса точки С определяет собой предел возможного повышения производительности дефростера в условиях, когда технологические факторы непосредственно процесса размораживания находятся в противоречии с конструктивными факторами применяемого оборудования.

Существует также возможность повышения производительности аппарата путем уменьшения времени рабочего цикла при М = const. Период Т паровакуумного дефростера циклического дейст-

вия в общем случае можно представить выражением

Т =. X + Т + Т + Т + X + г +г

1 р *3 Г В р.п Д Н.г В

Г

(6)

где тз — продолжительность загрузки в ка-

меру тележек с замороженным продуктом;

гг — продолжительность герметизации камеры;

гв — продолжительность вакуумирова-ния камеры до рабочего остаточного давления;

— продолжительность размораживания продукта паром при разрежении;

гд — продолжительность девакуумиро-

; вания камеры до атмосферного дав-

ления;

гнг-—продолжительность нарушения ' герметичности камеры;

гвп — продолжительность выгрузки из камеры тележек с размороженным продуктом.

Наиболее продолжительной операцией технологического процесса является размораживание продукта. Следовательно, задачу уменьшения продолжительности рабочего цикла целесообразно решать в направлении интенсификации процесса размораживания.

Анализ развития паровакуумных дефростеров показывает, что в последние годы оно идет по пути создания устройств, обеспечивающих эффективную отдачу тепловой энергии пара размораживаемому продукту [6-9]. Определяющей причиной такого развития дефростеров является возможность создания условий для уменьшения продолжительности размораживания и повышения производительности .

Выражение (3) представим в виде

О = ЭМ/( грп + год), (7)

где год — продолжительность обслуживания дефростера (вспомогательное время), численно равная правой части неравенства

г >>г+г+г+г+т + г (8)

р.П 3 Г В Д Н.Г В.П ' 7

Величина год аналогична продолжительности холостого хода в машине циклического действия. Посредством выражения (7) можно оценить уровень развития технологического процесса и определить момент начала совершенствования вспомогательных операций по обслуживанию дефростера.

Еще одним путем повышения производительности дефростера может быть уменьшение продолжительности вакуумирования камеры до рабочего остаточного давления. Продолжительность начальной откачки аппарата является весомой составляющей периода рабочего цикла. Опыт показывает, что величина гв достигает 10% по сравнению с продолжительностью операции размораживания продукта.

Проведенный анализ свидетельствует, что при создании паровакуумных дефростеров вопрос обеспечения равномерного отсоса неконденсирующих-ся газов практически не решался. В известных дефростерах для установления и поддержания необходимых остаточных давлений используются приемы откачки, характерные для статических ва-

куумных систем с сосредоточенными объемами. Однако локальная откачка газов (через один выходной патрубок) в динамических вакуумных системах с распределенным объемом, типа вакуумных дефростеров, обеспечивает поддержание на заданном уровне лишь общего остаточного давления. Это приводит к появлению в рабочей камере дефростера застойных зон и не способствует равномерной подаче и распределению пара в зону конденсации.

Для стабильного поддержания в камере дефростера рабочего остаточного давления и исключения неоправданных запасов производительности средств вакуумирования важно знать величину ошибки, возможной при определении необходимой быстроты действия вакуум-насоса.

При установившемся режиме откачки быстрота действия насоса 5Н является функцией двух переменных

5Н = /(Б, и), (9)

где 5 — эффективная быстрота откачки па-

рогазовой смеси, необходимая для поддержания в камере остаточного давления на рабочем уровне; и — проводимость вакуумных трубопроводов.

Расчетная зависимость для 5Н имеет вид [7]

8Я = Би/Ш - 8). (10)

Полный дифференциал функции (9) выразится дБ дБ

в виде с/5„ = —— + —— сШ.

* дБ ди

После замены знаков дифференциала знаками первичных ошибок Д5 и Д С/, которые имеют место при оценке аргументов 5 и £/, получено дБи дБи

Д5„ = —— Д5 + —Ди. Частные производные дд ди

при ошибках Д5 и ДСУ соответственно представ-

дБ

/

д

дБ

Би

и-Б

= ичи - Б)2

Би

= - Б2/(Ц - Б)2. В результате

ляют _ д

ди ди [и-Б)

получено выражение

АБЯ = (и2АБ - Б2Аи)/Ш - Б)2, (11)

где Д5Н — максимально возможная ошибка в определении быстроты действия насоса при значениях первичных ошибок Д5 и АІІ в оценке номинальных значений величин Б я II.

Необходимая быстрота действия вакуум-насоса составит

^н(а) ~

Д5Н, (12)

где 5Н — быстрота действия насоса, соответствующая номинальным значениям величин 5 и Ц;

А8Н — погрешность, вычисленная по формуле (11).

Компоновки известных паровакуумных дефростеров не содержат конструктивных решений, ощутимо способствующих уменьшению гидравлических сопротивлений движению парогазовой смеси. Можно видеть, что гидравлические сопротивления растут вместе с повышением производительности дефростеров и, соответственно, с повышени-

1999

ІМИ.

вы-

сис-

ных

дан-

ЇИЯ.

! ДЄ-вно-кон-

фро-

юче-

ости

шну

рди-

■рота

пере-

(9)

и па-и для ІНОГО

опро-

п

(10) зится

зками

|МЄСТО

учено

Ьдные

дстав-

и

пьтате

(11)

ябка в іствия

1ИЧНЫХ

номи-5 и и. |насоса

(12)

зответ-

іачени-

ю фор-

дефро-иений, іравли-ой сме-іротив-дитель-

ЗІШЄНИ-

ем коэффициента загрузки или полезного использования объема рабочей камеры.

Характер образования пара-теплоносителя в вакуумной камере дефростера оказывает влияние не только на процесс передачи тепла, но и на качество размораживаемого продукта. Подача пара извне прямым вдуванием в камеру размораживания или пропусканием через слой воды при постоянной температуре, характерная для первых вакуумных дефростеров, имеет существенные недостатки. В установках с прямым расширением пара наблюдается неравномерность размораживания и частичная ’’проварка” продукта. Кроме того, непосредственная подача пара в вакуум (дросселирование) сопровождается потерями тепловой энергии на снижение его температуры соответственно давлению насыщения. Пропускание греющего пара через слой воды позволяет избежать местных перегревов продукта. Однако такая подача пара, как и процесс дросселирования его, не обеспечивает равномерного распределения тепловой энергии в объеме рабочей камеры.

В плане обеспечения равномерной откачки не-конденсирующихся газов и уменьшения гидравлических сопротивлений заслуживают внимания дефростеры с симметрично направленным отсосом парогазовой смеси [8—9]. Каждый такой дефростер содержит вертикальную пустотелую плиту со сквозными отверстиями в стенках, которая посредством трех выходных патрубков соединена с вакуум-насосом. При работе дефростера неконденсиру-ющиеся газы перемещаются в направлении движения пара (от периферии к средней части камеры), достигают плиты и через отверстия в ее стенках и выходные патрубки откачиваются вакуум-насосом. Такая конструкция дефростера исключает возможность образования в объеме рабочей камеры застойных зон неконденсирующихся газов, что позволяет вести процесс размораживания при постоянных значениях парциального давления пара.

В известных зарубежных дефростерах пар-теплоноситель подается в верхнюю часть рабочей камеры либо генерируется в нижней ее части. Это не способствует равномерному распределению тепловой энергии в объеме камеры и по участкам поверхности размораживаемого продукта. Более благоприятные условия для равномерного распределения пара обеспечиваются в указанных выше дефростерах. Каждый из них содержит кипятильное приспособление, состоящее из двух парообразующих блоков, расположенных на боковых стенках камеры. Расстояние от поверхности парообразования до поверхности размораживаемого продукта в таких дефростерах оказывается минимальным, а путь пара между этими поверхностями в любой части камеры оказывается прямым.

Симметричное размещение парообразующих блоков относительно пустотелой плиты с перфорированными боковыми стенками позволяет интенсифицировать процесс передачи тепловой энергии пара размораживаемому продукту. В результате уменьшается время рабочего цикла и повышается производительность дефростера. Расчет параметров пустотелой плиты с перфорированными стенками применительно к паровакуумным дефростерам приведен в работе [10].

ВЫВОДЫ

1. Анализ работы известных паровакуумных дефростеров позволил выявить конструктивные факторы, существенно влияющие на интенсификацию размораживания, качество конечного продукта и энергозатраты на осуществление процесса.

2. Выделены конструктивные особенности разработанных паровакуумных дефростеров, в которых нет или сведены к минимуму недостатки, характерные для известных паровакуумных установок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горлатов А.С. Тенденции развития установок для дефро-стации продуктов в вакууме // Технол. процессы и оборудование рыбообрабатывающих предприятий Западного бассейна: Сб. науч. тр. КТИРПХ. — Калининград, 1978. — Вып. 76. - С. 34-39.

2. Горлатов А.С. Анализ рабочего цикла паровакуумного дефростера / Пути экономии ресурсов при технол. обработке рыбы и морепродуктов / / Тез. докл. науч.-техн. конф. НТО. — Калининград: ГОНТИ, 1987. — С. 23-27.

3. Горлатов А.С. Пути совершенствования иаровакуумных дефростеров / Процессы и аппараты пищевых производств, их интенсификация и управление: Межвуз. сб. науч. тр. ЛТИХП. — Л., 1988. — С. 9-13.

4. Горлатов А.С. Выявление определяющих факторов паровакуумного размораживания рыбы / Холодильная техника и технологии. Перспективы в области получения и использования холода / / Тез. докл. Всерос. семинара с между-нар. участием. — Краснодар, 1998. — С. 32-33.

5. Трухин Н.В. Сравнительная оценка способов дефростации мороженой рыбы: Обзорн. информ.. Сер. Обработка рыбы и морепродуктов. — М.: ЦНИИТЭИРХ, 1973. — Вып. 2.

6. Стефановский В.М. Размораживание рыбы. — М.: Агро-промиздат, 1987. — 190 с.

7. Горлатов А.С. Совершенствование синтезированных технологических процессов. — Калининград: УОГІ КГТУ, 1997. — 118 с.

8. А.с. 520965 СССР, МКИ А 23 В 4/06. Устройство для дефростации пищевых продуктов / А.С. Горлатов, А.С. Подарящий. — Заявл. 12.06.74. — Опубл. в Б.И. — 1976. — № 26.

9. А.с. 602155 СССР, МКИ А 23 В 4/06. Устройство для дефростации пищевых продуктов / А.С. Горлатов, А.Н. Апыхтин, Н.Д. Баюра. — Заявл. 18.12.75. Опубл. в Б.И. — 1978. — № 14.

10. Горлатов А.С. Расчет технологических вакуумных систем с перфорированными диафрагмами / Совершенствование пищевых производств с использованием холода: Сб. науч. тр. КГТУ. — Калининград, 1998. — С. 91-100.

Кафедра пищевых и холодильных машин

Поступила 07.04.99 г.