Дослідження процесів охолодження яловичини в напівтушах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження процесів охолодження яловичини в напівтушах

Стаття присвячена моделюванню процесів охолодження м'яса яловичини у напівтушах з метою визначення теплотехнічних та технологічних характеристик для проектування та експлуатації холодильних камер виробничих холодильників м'ясопереробних підприємств. Математична модель сформована у вигляді нелінійної крайової задачі теплопровідності та апробована на результатах чисельних експериментальних даних.

Вирішення продовольчих проблем сьогодні знову набуло глобального екологічного та соціально-економічного характеру на тлі суттєвого зниження врожаїв сільськогосподарських культур та їх використання для вирішення енергетичних проблем. Не тільки значні, до 30 %, втрати об'ємів харчової сировини, а й низький рівень збереження її харчової цінності та якості сьогодні все ще характерні для холодильних технологій в більшості держав. Ця проблема актуальна й для підприємств м?ясопереробної галузі України, яка переживає структурну перебудову, пов'язану зі значним зменшенням поголів'я худоби, втратою експортного потенціалу та світових ринків, відсутністю планового розвитку, низькою споживчою спроможністю населення відносно значної собівартості сировини та якісного м'ясного продукту. На тлі цих проблем продовольчої безпеки держави виробничі підприємства залишились без координуючого загальнодержавного центру, який міг би забезпечувати їх технологічний, технічний та економічний розвиток, упроваджувати нові технологічні процеси, визначати вузькі місця та напрямки наукових досліджень, відслідковувати світові тенденції, які обумовлюють подальший розвиток галузі у цілому.

Однією з характерних рис сьогодення є збільшення відносної частки виробництва охолодженого м'яса, у тому числі і яловичини, як найціннішого та найбільш екологічно чистого джерела білків у харчовому раціоні. Не зважаючи на те, що традиційні процеси охолодження м'яса (швидкий та прискорений способи) обумовлені вимогами нормативно-технічної документації (НТД) ще з 1981 р., на виробничих холодильниках до сих пір реалізуються різноманітні холодильні технології, які як і регламентовані потребують суттєвого удосконалення та дослідження. Передумов для цього багато. Так:

1. Традиційно реалізуються процеси циклічної холодильної обробки, в яких складно досягти узгодження між тепловим навантаженням від об'єкту охолодження та холодовидатністю установленого обладнання. Ця неузгодженість обумовлює порушення технологічних регламентів і, як наслідок, надмірні втрати продукту від усушки, погіршення його якості та харчової цінності, збільшення енергоємності процесу та капіталоємності холодильників і систем охолодження;

2. Суттєвих змін зазнала сировинна база. Перш за все, це вагові кондиції, породи та вік тварин, які йдуть на переробку, що обумовлює компонентний склад сировини та його теплофізичні властивості, а все це в цілому визначає особливості процесу тепломасообміну під час охолодження;

3. З моменту розробки технологічних інструкцій процесів холодильної обробки суттєво змінились можливості його апаратного забезпечення, техніко-економічні характеристики повітроохолоджувачів та холодильних систем у цілому, що дозволяє по-іншому реалізувати відвід теплоти від об'єктів охолодження, інтенсифікувати ці процеси;

4. Відновились та посилились наміри деяких виробників до збереження якості та харчової цінності сировини і готової продукції, як то було 20 ч 30 років тому. Частина споживачів почала віддавати перевагу саме якісній продукції;

5. Необхідність підвищення продуктивності праці та зниження собівартості продукції стали пріоритетними задачами організації виробництва, які можуть бути вирішені завдяки упровадженню комплексних автоматизованих систем керування та моніторингу технологічними процесами. Для цього необхідні знання динаміки процесів у залежності від умов їх проведення та характеристик об'єктів охолодження.

Таким чином, нові знання про особливості тепломасообміну в процесах холодильної технології м'яса в напівтушах є запорукою вирішення низки важливих технологічних, економічних та екологічних задач продовольчої безпеки держави. Якщо вважати, що з точки зору очікуваного рівня збереження якості, гальмування за допомогою штучного холоду біохімічних реакцій та розвитку популяцій мікроорганізмів режимні параметри холодильної обробки м'яса на сьогоднішньому рівні розвитку науки і техніки у першому наближенні визначені, то вдале поєднання цих параметрів з оптимальною організацією виробничого процесу, ефективним використанням енергетичних і трудових ресурсів та собівартістю у цілому - задача є не з простих. Іноді вибір та оцінка технології не проводиться зовсім, а іноді проводиться тільки з метою мінімізації енерговитрат чи втрат від усушки без органолептичних оцінок продукту, без детального аналізу наслідків біохімічних реакцій в сировині, розвитку популяцій мікроорганізмів, холодового скорочення м'язів. Деколи дослідники та виробники зовсім не враховують, що вартість втрат сировини та її якості, як мінімум, на порядок переважає вартість витрат електроенергії на виробництво холоду.

За останні десятиріччя затвердились та одержали реалізацію ідеї інтенсифікації процесів холодильної обробки, оскільки діючі технології ще не відповідають рівню, який визначено технологами за критеріями збереження якості продукту. Переваги потокових методів термічної обробки м'яса в напівтушах поки що реалізуються з використанням тільки режимів попереднього охолодження чи попереднього заморожування і не можуть легко реалізуватись при організації холодильної обробки в типових будівельних рішеннях холодильників. Проте інтенсифікацію процесів холодильної обробки можливо реалізовувати і в камерах циклічного завантаження існуючих холодильників, не використовуючи нових підходів до їх проектування. Для цього необхідно мати результати досліджень процесів теплообміну для пошуку енергоресурсозберігаючих ефектів та для упередження підморожування м'яса, що призводить у подальшому до втрати його товарних ознак, цінності та якості.

Результатів детальних досліджень температурних профілів об'єктів охолодження, закономірностей їх формування в часі, динаміки змін теплових потоків з поверхні, тривалості процесів холодильної технології у залежності від вагових кондицій худоби, компонентного складу сировини, її теплофізичних властивостей, способів і режимів холодильної обробки в літературі наведено дуже мало. Навіть діючий збірник технологічних інструкцій [1], який узагальнює багаторічний науковий та виробничий досвід і направлений на стимулювання удосконалення технологій, регламентує тільки два режими (швидкий і прискорений) охолодження для напівтуш яловичини вагою 80 кг, та й то не визначеної категорії. Прискорений - за температури повітря 0°С та швидкості його руху на рівні стегна напівтуші >0,5 м/с, та швидкий - відповідно мінус 3°С, >0,8 м/с. З іншого боку, усім відомі протиріччя між традиційними методиками розрахунку теплового навантаження в процесах холодильної обробки та можливістю реалізації розрахункових режимів у реальних виробничих умовах.

Таким чином, якщо мати за мету одержання достовірних баз даних щодо характеристик процесів охолодження, то вирішити це завдання можливо тільки шляхом науково обгрунтованого математичного моделювання, оскільки експериментальні дослідження не можуть охопити усю різноманітність умов та об'єктів охолодження за своєю складністю і економічною недоцільністю. Науковою школою проф. В. П. Оніщенка розроблена інтерполяційна одномірна крайова задача теплопровідності в процесах холодильної обробки тіл неправильної геометричної форми, яка має вид [2,3,4] :

; ; .

де: Г - коефіцієнт форми, безпосередньо зв'язаний з характерним розміром R, теплообмінною поверхнею S та об'ємом V об'єкту охолодження.

Ефективна теплоємність Се(Т) враховує теплові ефекти, які пов'язані з фазовими переходами води та жиру. Координата R1 є характерним розміром внутрішньої порожнини об'єкта охолодження, а R2 відповідно зовнішньої поверхні. Якщо продукт є суцільним тілом, то R1=0, а гранична умова для координати R1 перетворюється в умову другого роду . Така крайова задача апроксимована системою алгебраїчних рівнянь, що ефективно розв'язуються чисельно з використанням алгоритму "прогноз-корекція". Характерною особливістю алгоритму є локальне усереднення теплофізичних властивостей об'єкта охолодження навколо кожного окремого вузла інтегрування. Модель дає результати розрахунків температурних полів та теплових потоків у режимі реального часу.

Результати моделювання та прогнозування характеристик процесів холодильної обробки за цією методикою апробовані на різних об'єктах дослідження чисельними експериментальними даними представників наукової школи та даними експериментів інших дослідників.

Отримані похибки моделювання експериментальних досліджень свідчать, що математична модель може використовуватись для прогнозування характеристик процесів із достовірністю очікуваних результатів у межах похибок, що вимагають технологічні регламенти виробничих процесів та складання бази даних для технологів, які реалізують процеси холодильної обробки м'яса в напівтушах. Рівень сучасної обчислюваної техніки відкриває нові можливості для реалізації поставлених завдань.

Використовуючи модель, автори провели теоретичні дослідження характеристик процесів охолодження м'яса яловичини в напівтушах, результати яких дозволили інформаційно забезпечити як спеціалістів технологів та логістики, так і спеціалістів з програмування систем автоматизованого керування холодильним обладнанням. Під час моделювання характерний розмір R чи д=2R об'єкта дослідження розраховувався по формулі Христодуло-Дивакова:

де: m - маса напівтуші, кг; C - стала, де С = 0,047 для напівтуш яловичини, С = 0,048 чиС = 0,044 для напівтуші свинини.

Величина поверхні теплообміну (м2) для напівтуші:

Рис. 1 Залежність тривалості процесу охолодження напівтуш яловичини вагою 80 кг від температури та швидкості охолоджуючого повітря на рівні стегна

Рис. 2 Залежність тривалості процесу охолодження напівтуш яловичини вагою 100 кг від температури та швидкості охолоджуючого повітря на рівні стегна

Рис. 3 Залежність тривалості процесу охолодження напівтуш яловичини вагою 120 кг від температури та швидкості охолоджуючого повітря на рівні стегна

Рис. 4 Залежність тривалості процесу охолодження напівтуш яловичини від їх маси під час швидкого та прискореного способів охолодження

Рис. 5 Залежність середньомасової температури напівтуші яловичини першої категорії від її маси в кінці регламентованої тривалості процесу охолодження згідно вимог „Збірника технологічних інструкцій з охолодження, заморожування, розморожування та збереження м'яса та м'ясопродуктів на підприємствах м'ясної промисловості”(1981 р.)

Рис. 6 Зміна питомого теплового потоку з поверхні напівтуші яловичини m=80 кг протягом процесу охолодження для різних режимів

У залежності від породи тварин та їх особливостей коефіцієнт геометричної форми напівтуші складає 0,96ч0,72, та для модельних розрахунків було вибрано значення Г = 0,7857, за умови загально прийнятого коефіцієнту Ц = 0,56 для розрахунку тривалості процесу охолодження напівтуші через розрахункове значення цієї ж величини для нескінченої

пластини. Деякі результати прогнозування подано в графічній та табличній формі, що дозволяє провести оцінку впливу характеристик охолоджуючого середовища (t, v) та вагових кондицій худоби на характеристики процесів охолодження.

Характеристики процесів охолодження напівтуші яловичини (масою 80, 100, 120 кг) під час реалізації прискореного (ліворуч) та швидкого (праворуч) способів

Таблиця 1

Таблиця 2

Висновки

яловичина холодильник виробничий

Наведених результатів достатньо щоб порушити питання про необхідність та можливість інтенсифікації процесів охолодження м'яса в напівтушах. У зв'язку з цим нормовані НТД режими потребують перегляду та не можуть при цьому бути визначені „взагалі”, без урахування специфіки виробництв, їх видатності, технологічного циклу та ін. Сьогодні регламент процесів охолодження повинен бути індивідуальним для конкретного виробника і такий підхід повинен бути затверджений на рівні НТД України, як складова системи технологічного контролю та моніторингу виробничого процесу на холодильнику.

Література

1. Сборник технологических инструкций по охлаждению, замораживанию, размораживанию и хранению мяса и мясопродуктов на предприятиях мясной промышленности. - ВНИКТИхолодпром. - 1981. - 68 с.

2. Чумак И.Г., Шахневич В.И., Онищенко В.П., Гордиенко А.В., Вязовский В.П., Чумак Н.И. Экономия энергоресурсов и сокращение потерь продукции при холодильной обработке.- Киев:Урожай,1990.- 168 с.

3. Onishenko V.P.,Vjazovsky V.P.,Gnatiuk P.G. The calculation of the processes of refrigeration tеchnology at the foodstuff processing on the processing line //Proceedings of the XVIII- th International Congress of Refrigeration, Montreal, Quebec, Canada,August 10 -17,1991.- Paris: IIR,1991.-Vol.3.- pp.1947- 1950 (Report N 385).

4. Холодильные установки. Проектирование: Учебное пособие / И.Г. Чумак, А.Ю. Лагутин, В.П. Чепурненко С.Ю. Ларьяновский, Н.И. Чумак, В.П. Кочетов, В.П. Онищенко. Под ред. И.Г. Чумака.- 3е изд., пер. и доп.- Одесса: Друк.-2007.-480 с.

Размещено на Allbest.ru