Наукові основи процесів та апаратів холодильної технології харчових продуктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська державна академія холоду

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

НАУКОВІ ОСНОВИ ПРОЦЕСІВ ТА АПАРАТІВ ХОЛОДИЛЬНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ

Спеціальність 05.18.14 - Холодильна технологія харчових продуктів

Оніщенко Володимир Петрович

ОДЕСА - 2001

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант роботи - заслужений діяч науки України, доктор технічних наук, професор Чумак І.Г., ректор Одеської державної академії холоду.

Офіційні опоненти: д.т.н., професор Федорів Володимир Гаврилович,

Український державний університет харчових технологій,

професор кафедри;

д.т.н., професор Загоруйко Василь Онисимович,

Одеський державний морський університет, професор кафедри;

д.т.н., професор Павлюк Раїса Юр'ївна,

Харківська державна академія технології та організації

харчування, завідувач кафедри.

Провідна установа - Одеська державна академія харчових технологій

Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться << 12 >> березня 2001 р. о 11.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.087.01 в Одеській державній академії холоду (ОДАХ) за адресою: м. Одеса, вул. Дворянська 1/3, Україна, 65026.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ОДАХ.

Автореферат розіслано 31 січня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої

ради, д.т.н., професор В.І. Мілованов

АНОТАЦІЇ

Оніщенко В.П. Наукові основи процесів та апаратів холодильної технології харчових продуктів. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.14 - Холодильна технологія харчових продуктів. - Одеська державна академія холоду, Одеса, 2000.

Дисертацію присвячено розробці наукових основ холодильної технології, необхідних для проектування процесів та апаратів потокової холодильної обробки харчової сировини та продуктів в умовах промислових холодильників, з вирішенням задач енерго- та ресурсозбереження.

У роботі розвинені узагальнені моделі для опису процесів охолодження, заморожування, розморожування різної харчової сировини (м'ясної, рибної) та продуктів, тепловологісних процесів, що реалізуються в камерах холодильників, окремих тунелях та апаратах потокової холодильної обробки. Апробація математичних моделей проведена на численному експериментальному матеріалі. Розроблено методики проектування потокових апаратів та тунелів холодильної обробки з узгодженням цілей холодильної технології та можливостей охолоджуючих систем. Апробація розроблених методик проведена шляхом модернізації охолоджуючих систем, техніко-технологічної експертизи багатьох діючих промислових холодильників, проектування спірального потокового швидкозаморожувального апарата.

Ключові слова: м'ясна сировина і продукти, потокова холодильна обробка, тепловологісні процеси, втрати маси, моделювання, проектування.

Oнищенко В.П. Научные основы процессов и аппаратов холодильной технологии пищевых продуктов. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.18.14 - Холодильная технология пищевых продуктов.- Одесская государственная академия холода, Одесса, 2000.

Диссертация посвящена разработке научных основ холодильной технологии, необходимых для проектирования процессов и аппаратов поточной холодильной обработки пищевого сырья и продуктов в условиях промышленных холодильников, с решением задач энерго- и ресурсосбережения.В процессе решения поставленных задач разработаны:

- методика прогнозирования значений теплопроводности разных видов мясного сырья, модельного вещества - тилозы в зависимости от температуры, которая согласована с методиками расчета эффективной теплоемкости, плотности, энтальпии, доли вымороженной воды. Для мяса кур, рыб, а также для тилозы расчетные соотношения по всему комплексу теплофизических характеристик получены впервые;

- показано впервые, что краевая интерполяционная, одномерная, нестационарная задача теплопроводности (интерполяционный коэффициент - коэффициент геометрической формы объектов холодильной обработки как тел неправильной геометрической формы введен в оператор дивергенции) описывает, с погрешностью на уровне погрешности экспериментальных данных, не только величины продолжительности процессов, но и температурные поля, тепловые потоки, поля долей вымороженной воды, значения среднеэнтальпийных температур в режиме реального времени процессов холодильной обработки. Решение краевой задачи, при условии произвольного изменения температуры и скорости движения охлаждающей среды во времени, построено в терминах модифицированных специальных функций Михайлова М.Д. (процессы охлаждения), в рамках специальной конечно-разностной схемы с локальным усреднением теплофизических свойств в окрестности каждого узла интегрирования (процессы замораживания и размораживания). Апробация разработанных решений проведена на обширном экспериментальном материале для процессов холодильной обработки говядины, свинины (полутуши, отдельные куски), тушек кур, отдельных рыб, разных геометрических форм из тилозы. Определена роль эффектов локализации теплоты (режимов с обострением) при формировании во времени характеристик процессов замораживания и размораживания пищевого сырья;

- термодинамическая теория тепловлажностных процессов, апробированная на примере моделирования процессов формирования во времени величин потерь массы (усушки) пищевого сырья при его холодильной обработке, растворимости воды в воздухе при разных значениях давлений (изобарно-изотермические процессы), испарительного охлаждения листовых овощей и формирования разности температур сухого и мокрого термометров (изобарно-изоэнтальпийные процессы). Для реализации соотношений термодинамической теории тепловлажностных процессов разработано уравнение состояния влажного воздуха в рамках уравнения состояния с вириальными коэффициентами и термодинамической теории возмущений;

- методика проектирования туннелей, аппаратов поточной холодильной обработки пищевого сырья и продуктов.

Апробация разработанных методик проведена путем модернизации охлаждающих систем, технико-технологической экспертизы многих действующих промышленных холодильников мясокомбинатов, проектирования спирального поточного скороморозильного аппарата.

Ключевые слова: мясное сырье и продукты, поточная холодильная обработка, тепловлажностные процеси, потери массы, моделирование, проектирование.

Onistchenko V.P. Scientific fundamentals of processes and apparatus of refrigeration technology of foodstuffs. - The manuscript. Thesis for a doctor of engineering science's degree by speciality 05.18.14- Refrigeration technology of foodstuffs. - Odessa State Academy of Refrigeration, Odessa, 2000.

The subject of the thesis is the development of scientific foundations of refrigeration technology which can be used for designing processes and apparatus of stream refrigeration processing of food raw materials and foodstuffs, in conditions of industrial refrigerators, solving the problems of energy- and resources saving. These problems having been solved, the following results were obtained:

- the method of predicting temperature dependence of values of heat conductivity of meat raw materials of different species and the tylose - model substance, in the agreement with the methods of calculation of the effective heat capacity, and density, and enthalpy, and the frozen-out water fraction. Calculated interrelations on all complex of thermophysical characteristics of the hens, fishes, and tylose were obtained for the first time;

- it is shown for the first time, that the interpolating one-dimensional non-stationary boundary problem of a heat conductivity (the geometrical form coefficient of refrigeration processing objects, considered as bodies with irregular forms, is placed as the interpolation coefficient in the operator of a divergence) describes, within the experimental data error, not only the duration of processes, but also temperature fields, and heat flows, and frozen-out water fraction fields, and mean-enthalpy temperature values in “real-time regime” of refrigeration processing. Solution of the boundary value problem is obtained in the terms of modified special Mihailov M.D. functions (cooling processes), under condition of arbitrary variation of temperature and cooling medium velocity, and within the frames of special finite-difference scheme with the local averaging of thermophysical properties in the vicinity of each point of integration (freezing and thawing processes). Approbation of the obtained methods is made with the use of numerous experimental data on refrigeration processing of beef, and pork (half-carcasses, and single pieces), carcasses of hens, fishes, and various geometric tylose forms. The role of the heat localization phenomena (regimes with a peaking) is forming the characteristics of processes of food raw materials freezing and thawing;

- thermodynamic theory of heat-and- moisture processes is checked by modelling the processes of mass losses of food raw materials during refrigeration, and solubility of water in air at various pressures (isobar-and-isotherm process), and evaporation cooling of leaf vegetables, and the forming the difference of temperatures of dry and wet thermometers (isobar-and-isoenthalpy process).

The equation of state of moist air is obtained on the base of thermodynamic perturbation theory and the virial equation to implement the relations of thermodynamic theory of heat-and- moisture processes;

- the method of designing tunnels and apparatus for the stream refrigeration processing of food raw materials and foodstuffs.

Approbation of the obtained methods is carried out by modernization of cooling systems, and technique-and-technological expertise of various industrial refrigerators of meat-processing factories, and designing of spiral fast-freezing stream apparatus.

Keywords: meat raw materials and foodstuffs, stream refrigerating processing, heat- and moisture processes, mass losses, simulation, designing.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

холодильник промисловий харчовий

Вирішення продовольчих проблем людства стало сьогодні проблемою глобального екологічного характеру. На тлі падіння врожаїв сільськогосподарських культур альтернативою стають задачі зменшення втрат зібраного врожаю, бо, за різними оцінками, втрати харчової сировини сягають 30% від загального обсягу її виробництва, а для плодоовочевої сировини - до 40%. Холодильні технології мають відіграти життєво важливу роль у зменшенні цих втрат, паралельно із зменшенням витрат електроенергії на одиницю виробленої продукції.

Актуальними є ці ж проблеми для м'ясо- та рибопереробних галузей агропромислового комплексу України. На промислових холодильниках реалізуються холодильні технології, розроблені у 50-60 рр., витрати електроенергії в два-три рази перевищують необхідні значення, супроводжуються високими значеннями втрат від усушки, мікробіологічного псування тощо. Основною причиною цих недоліків є виконання процесів холодильної обробки в камерах циклічного завантаження, де неможливо досягти узгодження між тепловим навантаженням від охолоджуваного продукту та холодовидатністю встановленого теплообмінного обладнання. Таке узгодження і відповідно вирішення задач енергозбереження та зменшення втрат маси продуктів від усушки досягається при організації поточної холодильної обробки, коли холодильна обробка та транспортування продукції вздовж камер (тунелів) виконуються одночасно. Вирішенню теплофізичних, тепломасообмінних задач, а звідси і задач проектування процесів та тунелів, апаратів потокової холодильної обробки м'яса, риби та продуктів з них присвячено дану роботу. Серед великої кількості вчених, що плідно працювали в рамках окреслених проблем, зокрема тих, на наукові результати яких ми спирались при виконанні задач цієї роботи, необхідно назвати такі імена: Алямовський І.Г., Бражников О.М., Головкін М.О., Гоголін А.А., Жадан В.З., Загоруйко В.О., Ільїнський Д.М., Кесельман П.М., Латишев В.П., Рютов Д.Г., Чумак І.Г., Чижов Г.Б., Шеффер О.П., Фікіїн А.Г., Федорів В.Г., Bailey C., Cleland A.C., James S., Levy F., Lorentzen G., Merkel F., Riedel L., Tamm W.

Розв'язання задач цієї роботи проводилось шляхом теоретичних та експериментальних досліджень у лабораторних і промислових умовах:

в рамках загального плану науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт Мінм'ясомолпрому (Держагропрому) УРСР, конкретно - галузевою науково-дослідною лабораторією охолоджуючих систем промислових холодильників при Одеській державній академії холоду (ОДАХ) в період 1975-1992 рр., наприклад: за темою “Вишукати, дослідити і розробити методи та системи охолодження, що забезпечують створення оптимальних умов холодильної обробки та збереження м'ясних і молочних продуктів”, що виконана в 1985 р., № держреєстрації 01824066180; за темою “ Дослідити та розробити нові промислові охолоджуючі системи підприємств харчової промисловості з метою зниження втрат сировини, енерговитрат та екологічного забруднення довкілля”, що виконана в 1992 р., договір № 9207 між ОДАХ та УкрНДІм'ясомолпромом, № держреєстрації 010910040642;

в рамках проекту 03.13.00/060 - “Крига” за темою “Створення ресурсо- і енергозберігаючих технологій холодильної обробки харчових продуктів тваринного та рослинного походження”, що виконувався у 1993-1996 рр. згідно з наказом Державного комітету з науки та технологій України від 03.08.1993 р.;

в рамках науково-технічної програми Української академії аграрних наук (УААН) на 1996 - 2000 рр. “Промислові біотехнології для АПК”, підпрограма “Системи охолодження і комплексного теплохолодозабезпечення переробки і зберігання сільськогосподарської продукції”, що виконувалась Інженерно-технологічним інститутом “Біотехніка” (м. Одеса) УААН у період 1996 - 2000 рр., № держреєстрації 0197U009968;

в рамках госпдоговірних робіт між ОДАХ та м'ясокомбінатами в містах Первомайськ, Стрий, Ужгород, Мукачево, Полтава, Вознесенськ, Миколаїв, Херсон, Нова Каховка, Дніпропетровськ, Чернівці, Тернопіль, Прилуки, Мелітополь, Черкаси, Кам'янець-Подільський та інших, у період 1975-2000 рр., в яких вирішувались питання модернізації охолоджуючих систем холодильників та техніко-технологічної експертизи, спрямованої на зменшення витрат енергії та втрат маси м'яса від усушки.

При виконанні цих робіт автором, на базі розроблених ним математичних моделей, розв'я- зувались задачі математичного моделювання процесів охолодження та заморожування м'яса в умовах конкретного промислового холодильника, розробки технічних та технологічних рішень чи пропозицій з модернізації охолоджуючих систем, проведення в лабораторних чи в промислових умовах контрольних дослідів за режимами холодильної обробки та втратами від усушки, розроблювались алгоритми, розрахункові процедури та проводились розрахунки з аналізу показників виробництва м'яса за тривалі відрізки часу, узагальнення результатів та розробка тепломасообмінної частини при проектуванні тунелів (камер) потокової холодильної обробки м'яса, риби тощо.

Метою роботи є створення наукових основ холодильної технології харчових продуктів, необхідних для проектування процесів та апаратів потокової холодильної обробки харчової сировини та продуктів в умовах промислових холодильників, з розв'язанням задач енерго- та ресурсозбереження. Конкретними об'єктами досліджень тут стали процеси та системи охолодження, заморожування, розморожування м'яса, риби, а також тепловологісні процеси формування втрат їх маси від усушки. На цьому тлі об'єктами досліджень виступають і сама м'ясна та рибна сировина, холодоносій - вологе повітря, теплофізичні властивості (рівняння стану) яких є невід'ємною компонентою задач проектування і процесів, і апаратів холодильної технології.

Досягнення поставленої мети обумовило формулювання та розв'язання таких окремих задач:

аналіз існуючих в літературі методів, технологій холодильної обробки м'ясної, рибної сировини та продуктів в напрямку виявлення нових шляхів, що ведуть до зменшення питомих витрат електроенергії та втрат маси сировини від усушки;

розробка методів розрахунку всього переліку характеристик процесів холодильної обробки об'єктів з харчової сировини в режимі реального часу процесів, тобто температурних полів, теплових потоків, полів частки вимороженої води, середньооб'ємних, середньоентальпійних значень температур тощо, а не тільки загальної тривалості процесів, як це має місце в існуючих сьогодні методиках. При цьому необхідний перелік має бути повним і для розв'язання задач розрахунку величин втрат маси сировини від усушки;

розробка крайової нестаціонарної задачі теплопровідності для тіл неправильної геометричної форми (напівтуші яловичини, свинини; тушки курей з внутрішньою порожниною; різні рибні форми; харчова сировина, упакована в плівки, різної геометричної форми; піраміди, кулі, яйцевидні форми тощо, виготовлені з тилози), що моделює температурні поля в них, теплові потоки в режимі реального часу;

розробка рішень крайової нестаціонарної задачі теплопровідності відповідно до умов процесів охолодження, заморожування, розморожування об'єктів неправильної геометричної форми при довільних змінах параметрів охолоджуючого середовища в часі;

проведення експериментальних досліджень геометрії тушок курей різної маси, побудова кореляційних співвідношень для подальшого розрахунку теплообмінних характеристик;

розробка методів та розрахункових процедур для теплофізичних властивостей м'яса курей, риб, тилози в залежності від температури та з урахуванням даних про динаміку протікання фазових перетворень в них;

проведення експериментальних досліджень динаміки формування температурних профілів, теплових потоків з поверхні для таких об'єктів холодильної обробки, де відповідних літературних даних недостатньо для апробації розроблених алгоритмів;

проведення детальної апробації розроблених рішень та реалізуючих їх чисельних алгоритмів, процедур шляхом зіставлення розрахункових та експериментальних даних за теплофізичними властивостями, температурними полями, тепловими потоками, тривалістю процесів в рамках єдиного підходу при моделюванні процесів холодильної обробки об'єктів різної геометричної форми з різної сировини. При позитивних результатах апробації необхідно відповісти і на питання про те, чому існуючі в літературі методи моделювання процесів заморожування не дають навіть можливості надійного прогнозування значень тривалості процесів;

проведення детальних досліджень процесів попереднього охолодження та попереднього заморожування в напрямку розробки методики розрахунку теплових навантажень на охолоджуюче обладнання при реалізації цих процесів в потокових охолоджуючих системах (тунелях);

розробка термодинамічної теорії тепловологісних процесів для розрахунку значень втрат маси неупакованої харчової сировини при її холодильній обробці;

проведення експериментальних досліджень втрат маси харчової сировини від усушки в лабораторних та промислових умовах, з вимірюванням тих характеристик тепловологісного процесу, що необхідні для апробації розробленої термодинамічної теорії;

розробка рівняння стану вологого повітря, регульованих газових середовищ як газових сумішей змінного складу в тепловологісних процесах, з введенням у перелік термодинамічних властивостей цих об'єктів тепловологісних похідних, що кількісно визначають зміни калоричних властивостей та вологовмісту охолоджуючих середовищ (діапазон температур 173-700 К та тиск до 5 МПа);

проведення достатньо повної апробації розробленої термодинамічної теорії тепловологісних процесів шляхом зіставлення розрахункових та експериментальних даних з характеристик різних (політропних) тепловологісних процесів;

розробка тепловологісної моделі, відповідних розрахункових алгоритмів для проектування тунелів поточної холодильної обробки харчової сировини.

Розв'язання сформульованих задач досягнуто при використанні таких методів досліджень:

побудову рівняння стану вологого повітря, газових сумішей як охолоджуючих середовищ виконано в рамках теоретично обгрунтованого рівняння стану з віріальними коефіцієнтами та термодинамічної теорії збурень в статистичній фізиці рідкого та газового стану речовини;

побудову напівемпіричних розрахункових співвідношень для теплофізичних властивостей харчової сировини проведено на базі стандартизованих даних для води, льоду, з урахуванням сучасних даних про динаміку фазових перетворень вода-лід, лід-вода, з детальною апробацією співвідношень на прикладі зіставлення з літературними експериментальними даними для різної харчової сировини, різного її складу;

крайову нестаціонарну задачу теплопровідності, що моделює процеси охолодження, заморожування та розморожування об'єктів неправильної геометричної форми з харчової сировини при довільних змінах в часі характеристик охолоджуючого середовища, сформульовано на базі одновимірної інтерполяційної крайової задачі, з інтерполяційним параметром, що характеризує геометрію об'єкта холодильної обробки як співвідношення між його об'ємом, теплообмінною поверхнею та характерним розміром. При цьому використано методи математичного або чисельного розв'язання відповідних задач, що дозволяють коректно одержувати значення теплових потоків як похідних температурних полів. На рівні лінійних задач охолодження така можливість досягнута за рахунок формулювання розв'язку у вигляді інтегральних рівнянь з ядрами на основі нових спеціальних функцій (на відміну від розв'язків у вигляді класичних рядів Фур'є). Для процесів заморожування чи розморожування відповідна нелінійна крайова задача розв'язувалась чисельно з використанням процедури локального усереднення значень теплофізичних властивостей харчової сировини в околі кожного вузла інтегрування. Апробація розроблених розв'язань та реалізуючих їх алгоритмів проведена шляхом зіставлення з власними експериментальними даними та експериментальними даними інших авторів;

експериментальні дослідження проведено з використанням сучасних приладів, в рамках стандартизованих методик, проаналізовано узгодження одержаних результатів з даними інших авторів;

розробка нової термодинамічної теорії тепловологісних процесів проведена в класичних термінах теорії кондиціювання повітря, без суперечностей із стандартами в цій галузі. Апробація теорії проведена не тільки в рамках головних для цієї роботи процесів формування втрат від усушки, а й зіставленням із стандартизованими та експериментальними даними з формування різниці температур сухого й мокрого термометрів у повітрі, розчинності води в газах під тиском, температурних ефектів при швидкому охолодженні листових овочів в атмосфері зниженого тиску;

розроблені нові методи проектування тунелів потокової холодильної обробки не суперечать діючим технологічним інструкціям, стандартам у галузі проектування охолоджуючих систем промислових холодильників.

Одержані в роботі нові наукові результати дозволяють сформулювати та висунути до захисту такі наукові положення:

1.Протікання процесів заморожування чи розморожування харчової сировини, в основному, визначається ефектом локалізації теплоти в об'єктах холодильної обробки, який проявляється як результат взаємодії тепловиділень при фазових перетвореннях вода-лід та граничних умов теплообміну (режими із загостренням для рівнянь параболічного типу).

Це наукове положення розкриває основний недолік розроблених іншими авторами методів розрахунку характеристик процесів заморожування харчових продуктів, а саме: в математичних моделях не розв'язувалось диференційне рівняння теплопровідності (відповідні апроксимаційні розв'язки не задовольняли аксіомі збереження енергії); теплота фазових перетворень враховувалась двічі - в значеннях теплоємності продукту та в граничних умовах Стефана, Лейбензона тощо; лінійні, а, тим більше, і квадратичні, дробові наближення для температурного поля продукту не відображали складні, реальні температурні профілі та їх зміни в часі. Вперше в даній роботі нелінійна, коректна постановка математичної моделі процесів заморожування, розморожування, врахування деталей залежності теплофізичних властивостей харчової сировини від температури, її складу та динаміки фазових перетворень, відхід від традиційного трактування цих процесів як задач Стефана дозволили досягти суттєво кращих результатів щодо опису та прогнозування характеристик процесів, використати їх для розв'язання задач проектування.

2.Формування втрат маси неупакованої харчової сировини, продуктів від усушки при холодильній обробці визначається двома головними факторами - динамікою відведення (підведення) теплоти в процесі обробки та здатністю охолоджуючого повітря засвоювати вологу.

Це наукове положення обгрунтовано розробленою автором вперше, коректно і послідовно, термодинамічною теорією тепловологісних процесів, апробація якої проведена на розширеній базі експериментальних даних, одержаних автором та іншими науковцями в лабораторних та промислових умовах. У цій розробці дістали подальший розвиток роботи проф. В.З.Жадана з прогнозування втрат від усушки при холодильній обробці, зберіганні м'яса та плодоовочевої сировини. Здатність охолоджуючого повітря засвоювати (розчиняти) вологу визначається параметрами його термодинамічного стану та витратами. Це зумовило детальну розробку в цій роботі рівняння стану вологого повітря та близьких до нього газових сумішей.

Практичне значення одержаних наукових результатів полягає в тому, що розроблені наукові основи процесів та апаратів холодильної обробки є базою для проектування систем їх потокової холодильної обробки в тунелях, швидкозаморожувальних апаратах, що дозволяють ефективно розв'язувати задачі енерго- та ресурсозбереження на промислових холодильниках, при проектуванні нових чи модернізації діючих охолоджуючих систем. Це досягається шляхом більш точного розрахунку теплових навантажень на охолоджуюче обладнання, стабілізації цього теплового навантаження в часі при використанні потокових охолоджуючих систем, підбору холодовидатності обладнання відповідно до значень теплового навантаження, досягнутої можливості розробки та ефективної роботи систем технологічного контролю процесів холодильної обробки сировини, розробки методів контролю втрат маси сировини від усушки та вибору режимних характеристик процесів холодильної обробки, які забезпечують зменшення таких втрат.

Результати роботи впроваджені на багатьох холодильниках м'ясокомбінатів України в рамках держбюджетних та госпдоговірних робіт, проектів, що зазначені вище. Розроблені норми усушки парного м'яса - яловичини молодих тварин при його холодильній обробці, норми усушки різних категорій м'яса при його доморожуванні в камерах холодильників, які затверджені та введені в дію Головм'ясопромом Мінсільгосппроду України в 1994-1995 рр. Розроблено керівний документ “Методические указания. Проектирование туннелей для холодильной обработки мяса в потоке“ (РДМУ 49.54-85), який затверджено Міністерством м'ясної та молочної промисловості СРСР і введено в дію з 01.01.1985 р.

Особистий внесок автора в одержанні наукових результатів роботи полягає в тому, що ним розроблено основні математичні моделі досліджених процесів, виконано розв'язання всіх сформульованих математичних і теплофізичних задач, розроблено методику проектування систем потокової холодильної обробки, розроблено основи методики проведення техніко-технологічної експертизи холодильників м'ясокомбінатів та нормування втрат від усушки відповідно до конкретних умов холодильної обробки на них, проведено необхідні експериментальні дослідження в лабораторних та промислових умовах, їх обробку та всі розрахунки з апробації математичних моделей, узагальнено результати досліджень та сформульовано наукові результати робіт, створено всі необхідні пакети розрахункових процедур. Ряд наукових результатів одержано у співпраці з аспірантами автора: к.т.н. Желіба Ю.О. - дослідження процесів холодильної обробки тушок курей; к.т.н. Головський С.Є. - дослідження процесів холодильної обробки упакованої в плівки яловичини; к.т.н. Чумак Н.І. - дослідження процесів формування втрат маси м'яса від усушки. Ідеї, результати досліджень наукового консультанта цієї роботи проф. І.Г.Чумака відносно процесів однофазного заморожування м'яса, доцільності організації процесів попереднього охолодження та попереднього заморожування дістали в цій роботі подальший розвиток та впровадження в методиках проектування, при модернізації охолоджуючих систем конкретних підприємств.

Апробація результатів дисертації досягнута шляхом їх обговорення на більш ніж 30 наукових конференціях, зокрема: на Всесоюзних науково-технічних, науково-практичних конференціях з холоду та його використання в переробних галузях АПК (Ташкент, 1977; Ташкент, 1985; Ленінград, 1986; Кишинів, 1987; Угліч, 1988; Одеса, 1989; Санкт-Петербург, 1991); на Всесоюзному семінарі з проблем зменшення втрат харчової продукції (Калінінград, 1983), на республіканських і міжнародних науково-технічних конференціях з нових технологій, обладнання, ресурсозбереження в АПК (Київ, 1989; Київ, 1991; Київ, 1993); на Міжреспубліканській науково-практичній конференції з удосконалення холодильної техніки та технологій переробки сільгосппродукції (Краснодар, 1992); на Всесоюзному семінарі щодо застосування мікропроцесорних засобів та міні-ЕОМ у м'ясній та молочній промисловості (Москва, 1983); на IX Міжнародній конференції з удосконалення процесів, апаратів хімічних, харчових, нафтохімічних виробництв (Одеса, 1996), на Міжнародній науково-технічній конференції “Холод и пищевые производства” (С.- Петербург, 1996); на Всесоюзному колоквіумі “Процессы и аппараты пищевых производств” під керівництвом акад. М.М. Ліпатова, засідання №118 від 26.10.1990 р.; на Науковій сесії “35 години ВИХВП” (Пловдив, 1988); на Міжнародній науково-технічній конференції “Хладильна обработка на мясо и месните произведения” (Софія, 1979); на 26 Європейському конгресі робітників м'ясної промисловості (Colorado, 1980); на 31 Європейському конгресі робітників м'ясної промисловості (Sofia, 1987); на конференціях Міжнародного Інституту Холоду (IIR), комісії В2, С2, D1, D2/3 (Dresden, 1990; Istanbul, 1994; Bordeaux, 1996; Sofia, 1999); на Міжнародних конгресах з холоду (Montreal, 1991; The Hague, 1995; Sydney, 1999).

Публікації про результати дисертаційної роботи налічують 96 найменувань, основні з них: 4 монографії у співавторстві; 14 статей в періодичних фахових журналах; 8 брошур (статей) видання Центрального АгроНДІТЕІ м'ясної та молочної промисловості (Москва); 45 публікацій у вигляді доповідей, тез доповідей у збірниках наукових праць республіканських, всесоюзних, міжнародних семінарів, конференцій, конгресів; 3 авторських свідоцтва на винахід, 3 нормативно-технічні документи.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи - 415 с., включаючи 61 рисунок, 26 таблиць, 548 найменувань бібліографії на 32 с. та шести додатків на 53 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, відображено зв'язок роботи з науковими програмами, темами, сформульовано мету та конкретні задачі проведених досліджень, дано характеристику застосованим методам досліджень. Наведені наукові положення, що узагальнюють одержані наукові результати, дані про публікації та апробацію результатів досліджень, їх практичну значимість.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану моделювання і проектування процесів та апаратів холодильної обробки харчової сировини і продуктів в умовах камер, тунелів холодильників. Результати аналізу приводять до висновку, що необхідний розвиток технологій холодильної обробки харчової сировини, поряд із вирішенням задач енерго- та ресурсозбереження, можливо реалізувати в рамках технологій потокової холодильної обробки. Але розв'язання загальної задачі проектування процесів та охолоджуючих систем потокової холодильної обробки харчової сировини потребує формулювання та вирішення ряду конкретних наукових задач експериментального та теоретичного плану. Перелік цих задач наведено у висновках до розділу.

Другий розділ присвячено побудові напівемпіричних співвідношень для розрахунку теплофізичних характеристик (ефективна теплоємність Се(Т), густина r(Т), теплопровідність l(Т), ентальпія і(Т), частка вимороженої води w(Т) ) харчової сировини в залежності від температури Т, спираючись на знання таких залежностей для окремих компонент. Об'єктами досліджень були м'ясо яловичини, свинини, курей, риб та модельна синтетична речовина - тилоза, які розглядались як суміші (вода, лід, жир, суха частина, нерозчинені гази) ізольованих компонент. Склад харчової сировини визначався початковими значеннями вологовмісту, жировмісту та динамікою зміни частки вимороженої води, частки нерозчинених газів зі зміною температури. Опис залежностей густини та ефективної теплоємності проведено в рамках адитивних співвідношень, що апробовані в роботах В.П. Латишева для м'яса яловичини, свинини, інших продуктів. Для опису теплопровідності було апробовано п'ять різних перколяційних моделей (Г.Н. Дульнев, В.В. Новіков) з урахуванням можливих механізмів переносу теплоти в капілярних каналах.

Найбільш прийнятні результати в рамках їх зіставлення з експериментальними даними для яловичини, свинини продемонструвала так звана модель комбінованого перерізу елементарних комірок. Остаточно значення теплопровідності розраховуються в три етапи:

1) розраховуються ефективні теплопровідності Li , і=1,5 середовищ, що в об'єкті охоплюють кожну і-ту компоненту (модель переносу теплоти в шаровому середовищі з компонентами, що паралельні потокові теплоти) за формулою

(1)

де Vj - об'ємні концентрації компонент (крім і-того), перенормовані до одиниці;

2) розраховуються теплопровідності Кі бінарних підсистем, що складаються з і-тої компоненти (lі , Vi) та компоненти (Li , m=1-Vi) за формулою

,(2)

де n=lі/Li;

3) розраховується ефективна теплопровідність всієї системи

.(3)

Проведені розрахунки за формулами (1)-(3) показали, що експериментальні дані з теплопровідності яловичини та свинини описуються з похибкою близько 10-15%. Досягти менших значень похибки не вдалося, бо самі експериментальні дані різних авторів “розлітаються” з похибкою не меншою, ніж 10%.

Для м'яса курей, риб, а також тилози розрахункові співвідношення для всього комплексу необхідних теплофізичних характеристик одержано нами вперше. Відносно тушок курей також одержано кореляційні співвідношення між їх масою та геометричними розмірами.

Одержані результати реалізовані у вигляді пакета комп'ютерних процедур.

Третій розділ присвячено розробці математичної моделі процесів охолодження об'єктів з харчової сировини як тіл неправильної геометричної форми, з різним співвідношенням об'єму V, величини теплообмінної поверхні S та характерного розміру R.

Додатково приймається також, що зміни в часі температури Тс(t) та швидкості руху (коефіцієнта тепловіддачі a (t)) носять довільний характер. Головна мета розробки - опис температурних полів, значень теплових потоків у режимі реального часу процесів охолодження.

Геометрична форма об'єктів холодильної обробки характеризується коефіцієнтом [0, 2], який розраховується за формулою

; .(4)

Якщо не використовувати локальних значень коефіцієнтів тепловіддачі, а тільки їх усереднені по поверхні (по кутових координатах) теплообміну значення, то слід математичну модель побудувати на базі одновимірного рівняння теплопровідності.

При цьому досягається узагальнення оператора дивергенції цього рівняння з використанням коефіцієнтa геометричної форми Г, а необхідна математична модель набирає вигляду інтерполяційної крайової задачі

Індекси 1,2 у цій задачі відносять відповідні величини до двох поверхонь теплообміну - зовнішньої та внутрішньої. Наприклад, внутрішня поверхня теплообміну (порожнина) має місце в еліпсоїді з порожниною, що моделює геометрію курки, упакованої в плівку чи обжату металевою касетою. При аналізі суцільних, без внутрішньої порожнини, тіл a1=0 та R1=0, точка х=R1=0 виступає в ролі точки симетрії температурного поля, що виникає за рахунок усереднення всіх величин, починаючи з a, ТС по зовнішній поверхні (кутових координатах) теплообміну. При сталих значеннях теплофізичних характеристик (С, r, l) та коли зміна в часі величин a1(t), a2(t), ТС1(t), ТС2(t) є довільною, розв'язання крайової задачі не може бути проведено повністю аналітичним шляхом, необхідно використати наближені чисельні методи. Наприклад, використаємо в часі t скінченно-різницеву схему, а за координатою х - аналітичне інтегрування одержаної задачі. Виберемо вузли скінченно-різницевої схеми з довільно-змінним кроком h(к):

,

,

Якщо далі ввести позначення b=2 С r / (h(k) l), то розв'язання відповідної крайової задачі знаходиться в термінах спеціальної функції вигляду:

Mn(z)=1+.(9)

Ми назвали її модифікованою функкцією Михайлова відповідно до функції Михайлова М.Д. Коли Г=0; 2, ці функції вироджуються в елементарні, а саме в

.

При Г=1 одержуємо М0(z)єІ0(z), де І0(z) - модифікована функція Бесселя I роду нульового порядку. Саме розв'язання скінченно-різницевого аналогу рівняння теплопровідності знаходиться методом фунцій Гріна і має вигляд

(10)

Fk(x)= -

Сталі А, В в (10) знаходяться за умов задовільнення граничних умов (7), (8). Заздалегідь необхідно виписати вирази для та , значення яких потрібно розраховувати на кожному кроці (в часі) інтегрування крайової задачі. Перша похідна необхідна і для розрахунку теплових потоків, розрахункового контролю значень температури поверхні об'єктів охолодження. Реалізація одержаного розв'язку проведена шляхом розробки спеціальних комп'ютерних процедур, що дозволило одержувати поля значень Тк+1(х), , та інші величини на кожному кроці інтегрування в часі.

Для апробації розробленої математичної моделі та реалізуючих її розрахункових процедур ми використали літературні експериментальні дані з температурних полів, теплових потоків, тривалості процесів охолодження харчової сировини (напівтуші яловичини та свинини, окремі риби). Також проведено власні експериментальні дослідження, об'єктом яких були четвертини яловичини масою близько 50 кг. Їх охолодження було реалізовано в кліматермокамері ILKA KTK-3000. Температури охолоджуючого повітря були близько значень +2 °С, 0 °С, -2 °С, а швидкості руху - близько 1.5 м/с. Необхідні значення температур вимірювались мідь-константановими термопарами, а швидкість руху повітря біля поверхні стегнової частини вимірювалась за допомогою багатоточкового анемометра з чутливим елементом на основі мідь-константанової диференціальної термопари. Похибка вимірювань швидкості близько ±5%, а температури ±0.05 °С, але тут ніяк не враховано похибку віднесення координати точки вимірювання. З урахуванням останньої похибку вимірювань температури слід збільшити на порядок.

Зіставлення розрахункових та експериментальних даних показало, що опис температурних профілів об'єктів охолодження в режимі реального часу процесів досягається в межах похибки експериментальних даних, тобто з похибкою близько ±1 °С по температурних полях і 10-15 % по теплових потоках. Таким чином, розроблена математична модель дозволяє аналізувати процеси охолодження харчової сировини різної геометричної форми. Розроблені алгоритми розрахунку використано для детального аналізу процесів попереднього охолодження напівтуш яловичини, свинини, що в практичному відношенні важливо для проектування охолоджуючих потокових систем м'ясокомбінатів.

Четвертий розділ присвячено дослідженню та математичному моделюванню процесів заморожування та розморожування харчової сировини різної геометричної форми включно і різні геометричні форми із тилози. Як математична модель цих процесів вибрана інтерполяційна крайова задача (5)-(8) в її нелінійній постановці, тобто ми відмовились від традиційного використання тут трактування процесів заморожування чи розморожування харчової сировини як процесів з рухомою границею розділу фаз (задача Стефана). Область інтегрування задачі (5)-(8) являє собою прямокутник (при кінцевих значеннях тривалості процесу) і тому чисельне розв'язання цієї задачі може бути проведено на сітці вузлів:

, ,

,

Окіл “еfgh” для i, j-того вузла інтегрування подано схематично на рис.1.

Наступне застосування класичних шаблонів (типу схеми Ніколсона та інших) для скінченно-різницевої апроксимації рівнянь (5)-(8) виявилось неефективним, оскільки, стосовно процесів заморожування та розморожування, не досягалось ефективне врахування залежності теплофізичних властивостей харчової сировини від температури. Тому усереднення значень теплофізичних властивостей проведено нами локально, в околі кожного окремого вузла інтегрування, в рамках виконання рівняння (5) у вигляді співвідношення:

(11)

Підстановка виразів, одержаних в результаті скінченно-різницевої апроксимації (11) в (5), веде до його апроксимації наступною системою лінійних алгебраїчних рівнянь:

(12)

Одностороння скінченно-різницева апроксимація граничних умов (7), (8) доповнює систему (12) ще двома рівняннями, а рішення системи одержано методом прогонки, починаючи із заданого температурного поля Ті,0, ( відповідно до (6)). Температурні поля в наступні моменти часу обчислюються за співвідношенням

(13)

при цьому вирази для обчислення коефіцієнтів прогонки Мij, Kij одержуються шляхом прямої підстановки (13) в (12).

Оскільки обчислення локально усереднених значень теплофізичних властивостей потребує знання температурних полів на трьох сусідніх проміжках часу j-1, j, j+1, то розрахунки в цілому проводились у режимі “прогноз-корекція”. Розрахований температурний профіль TijєT(xi, tj) тепер може бути використано для розрахунку теплових потоків, а також середньооб'ємного значення ентальпії об'єкта холодильної технології в j-ий момент часу

.(14)

Після цього можливо обчислити середньоентальпійну температуру Te(tj) об'єкта охолодження як корінь рівняння

E(Te)=E(tj) (15)

та товщину у промороженого прошарку об'єкта заморожування (від поверхні) чи розморожування (від центра) як корінь рівняння

T(R2-y, tj)=TCR (16)

Розроблений чисельний алгоритм, як показала його реалізація, демонструє усталену збіжність ітерацій та прийнятні значення похибок при розрахунках температурних полів, теплових потоків конкретних об'єктів заморожування чи розморожування. При цьому число кроків N за координатою дорівнювало 60-100, а крок t в часі 3-10 с.

З метою апробації розробленої математичної моделі та реалізуючих її розрахункових процедур ми використали літературні експериментальні дані по температурних полях, теплових потокахм, тривалості процесів заморожування та розморожування харчової сировини (напівтуші яловичини та свинини, тушки курей, окремі риби та куски яловичини, упаковані та неупаковані в плівки). Також проведено власні експериментальні дослідження, об'єктом яких були процеси заморожування тушок курей та кусків яловичини. Їх заморожування було реалізовано в кліматермокамері ILKA KTK-3000 та в охолоджувальній камері НС 700/50. У першій досягались температури до мінус 20 °С та швидкості охолоджуючого повітря до 4.5 м/с, а в другій - температури до мінус 45 °С та швидкості до 3 м/с. Методика вимірювань температур (в об'єктах та охолоджуючого повітря), швидкостей руху повітря в загальних рисах така сама, як і в наших дослідженнях процесів охолодження. Характеристики процесів розморожування розраховувались в рамках припущення, що одержані ( І.О.Рогов, В.Н.Кулагін) методом ЯМР дані для частки вимороженої води при розморожуванні яловичини (вологовміст 0.741) характерні і для процесів розморожування риб, тилози, яловичини різних категорій.

Зіставлення розрахункових та експериментальних даних проведено на численному експериментальному матеріалі, одержані значення відхилень такі самі, як і для процесів охолодження, включаючи процеси розморожування, хоч розрахунки характеристик останніх носять прогнозний характер. На прикладі процесів заморожування та розморожування, тривалість яких в експериментах різних авторів визначалась як час досягнення заданих значень температури в псевдоцентрі об'єктів, показана некоректність такого визначення з енергетичних позицій, обгрунтована необхідність використання для визначення тривалості процесів значень середньоентальпійної температури. Таким чином, розроблена математична модель процесів заморожування та розморожування демонструє збіжність з експериментальними даними в режимі реального часу для різних видів харчової сировини, в різних її геометричних формах. Досягнуті позитивні результати апробації математичної моделі по температурних полях Т(x,t) та теплових потоках підтверджують коректність моделі відносно врахування динаміки тепловиділень за рахунок перетворень вода-лід, лід-вода (тільки один раз в значеннях ефективної теплоємності), відносно відмови від використання фізичної трактовки задач заморожування та розморожування як задач з рухомою границею розділу фаз. Але розрахункові та експериментальні дані з динаміки просування границі температур початку кристалізації води (див. (16)) звертають увагу на немонотонний характер зміни в часі швидкості цього просування. Більш детальний аналіз одержаних результатів зі змін опуклості на вгнутість, знову вгнутості на опуклість в температурних профілях Т(х, t), t=Const (див.рис.2) приводить до висновку про важливу роль властивостей оператора дивергенції рівняння теплопровідності, а в цілому - про роль ефектів локалізації теплоти (режимів з загостренням в задачах з рівняннями параболічного типу) при формуванні температурних полів, теплових потоків, полів частки вимороженої води та тривалості самих процесів заморожування та розморожування харчової сировини. Тому розроблена математична модель відповідає всім вимогам для подальшого вирішення задач проектування потокових систем заморожування та розморожування харчової сировини.

У п'ятому розділі дисертації викладено методи та результати побудови рівняння стану вологого повітря як основного холодоносія та середовища протікання тепловологісних процесів в камерах, тунелях холодильної обробки харчових продуктів та сировини. Оскільки вологе повітря чи інші регульовані газові середовища в тепловологісних процесах є газовими сумішами змінного складу, до рівняння стану необхідно висунути підвищені вимоги - воно має бути теоретично обгрунтованим, щоб забезпечити достатньо точне обчислення термодинамічних властивостей на рівні похідних термодинамічних потенціалів по температурі, вологовмісту чи концентрації інших компонент суміші. Тому для побудови такого рівняння ми вибрали рівняння стану з віріальними коефіцієнтами в діапазоні температур 173-700 К та тисків до 5 МПа. Вважається, що повітря містить в собі такі компоненти як N2, O2, Ar, CO2, H2O, а міжмолекулярна взаємодія між ними описується модельним потенціалом Ф(R) Леннарда-Джонса із параметрами ?(Т) та ?(Т), що залежать від температури. Залежності ?(Т) та ?(Т) виділялись нами за умов опису експериментальних даних для всього комплексу термодинамічних властивостей чистих компонент, а параметри неоднорідних взаємодій обчислювались за правилами комбінування Бьорда-Спотца-Гіршфельдера. Щоб звузити коридор можливих залежностей ?(Т) та ?(Т), одержати їх більш “фізичні” значення, була висунута додаткова вимога відносно залежностей у(?), е(?) щодо опису термодинамічних властивостей чистих компонент не тільки в газовому, а й в рідинному станах. При цьому виділення залежностей у(?), е(?) проводилось в рамках рівняння стану з віріальними коефіцієнтами (з урахуванням п'ятого віріального коефіцієнта в області газового стану) та термодинамічної теорії збурень ( в області рідинного стану та густого флюїду). Для забезпечення відносної простоти обчислень, збіжності інтегралів в теорії збурень розроблено її варіант, коли всі розрахункові співвідношення сформульовані в просторі хвильових векторів, тобто в рамках інтегрального перетворення Фур'є

, (17)

де n - частинкова густина. Кінцеве розрахункове співвідношення для енергії Гельмгольця в термінах функції

,(18)

та структурного фактора системи S0(h,q) в наближенні Перкуса-Євіка має вигляд

.(19)

Індекс “0” відносить відповідні величини до базової системи твердих сфер, Т*=kT/e(T).

Права частина цього виразу залежить від густини через параметр упаковки ?, а від температури - явно і неявно через ? (залежність від температури діаметра твердих сфер d(T)) та параметрів ?(Т),

е(?)). Тому провести диференціювання (19) для одержання явних виразів для всіх термодинамічних властивостей достатньо просто. Наприклад, рівняння тиску має вигляд

.(20)

Серед інших аспектів побудови рівняння стану вологого повітря слід виділити проведений нами детальний аналіз даних та одержання розрахункових співвідношень для ідеально-газової теплоємності компонент з урахуванням досліджень останніх років, розрахунок 80 коефіцієнтів розкладу третього віріального коефіцієнта в ряд по Т*, зіставлення розрахункових та експериментальних літературних даних за другими та третіми віріальними коефіцієнтами чистих компонент та їх бінарних сумішей, сухого повітря. В цілому, для опису термодинамічних властивостей вологого повітря у вибраному діапазоні параметрів стану, з похибками на рівні похибок експериментальних даних, достатньо урахування другого, максимум третього віріальних коефіцієнтів. Виділені в роботі залежності ?(Т) та ?(Т) забезпечують похибку в ±1 см3/моль в обчисленні другого віріального коєфіцієнта однорідних взаємодій та ±3-7 см3/моль для неоднорідних взаємодій. Розроблений пакет комп'ютерних процедур забезпечує розрахунок всього комплексу термодинамічних властивостей вологого повітря та інших сумішей довільної концентрації із тих самих компонент.

Шостий розділ присвячено розробці та апробації термодинамічної теорії тепловологісних процесів як процесів взаємодії вологого повітря з поверхнею вологовміщуючого капілярно-пористого тіла. Серед таких процесів в роботі розглянуто (на загальній основі) процеси формування втрат маси харчової сировини під час її холодильної обробки (усушка), розчинності води в повітрі в залежності від його температури та тиску (газова екстракція), формування різниці температур сухого та мокрого термометрів, вакуум-випаровувального охолодження листових овочів. Кількість вологи, яку засвоїло вологе повітря масою m в елементарному тепловологісному процесі, може бути розрахована через вирази для повного диференціала його питомої ентальпії, які записані через незалежні змінні стану вологого повітря - тиск P, температуру T, вологовміст d або P, d та відносну вологість j :

...