Размещено на http://www.allbest.ru/

Розділ 1 (2, 3, 4). Холодильна техніка (Енергетика, Нові технології, Автоматика)

____________________________________________________________________________________________________

Математичне моделювання характеристик процесів охолодження свинини у напівтушах

ВСТУП

Проблеми продовольчої безпеки держави сьогодні мають ознаки глобального екологічного та соціально-економічного ризику на тлі суттєвого зниження чисельності поголів'я худоби у фермерських і приватних господарствах та зниження реальних доходів населення. Проте можливість швидкого відновлення саме кількості поголів'я свинини за рахунок сучасних технологій вирощування, на відміну від великої рогатої худоби, за хороших урожаїв зернових в нашій державі дає надію на досить швидке вирішення глобальних завдань продовольчої безпеки. Та сьогодні важливі не тільки проблеми відновлення об'ємів виробництва м'ясної сировини та кінцевої продукції, а й рівень збереження їх харчової цінності та якості на шляху до кінцевого споживача.

Удосконалення технологій виробництва охолодженого м'яса на підприємствах м?ясопереробної галузі України, які переживають кризу, майже не проводиться. Виробничі підприємства залишились без координуючого наукового 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 розвитку ринку м'ясної продукції також є збільшення відносної частки загального виробництва охолодженого м'яса, у тому числі і свинини, як цінного, та за ряду умов, екологічно чистого джерела білків у харчовому раціоні. Це обумовлено не тільки економічними та енергетичними чинниками, а й наслідком втрат експортного потенціалу та розвитку логістичних ринкових технологій. Не зважаючи на те, що традиційні процеси охолодження м'яса в напівтушах (швидкий та прискорений способи) обумовлені вимогами нормативно-технічної документації (НТД) ще з 1981 р., на виробничих холодильниках до сих пір реалізуються різноманітні варіанти холодильної технології, які, як і регламентовані, потребують суттєвого удосконалення та дослідження. Адже:

1. Як і для більшості держав, на виробництві традиційно реалізуються процеси циклічної холодильної обробки м'яса, в яких складно досягти узгодження між динамікою змін теплового навантаження від продукту протягом процесу та холодовидатністю установленого камерного теплообмінного обладнання. Ця неузгодженість безперечно обумовлює порушення технологічних регламентів і, як наслідок, зменшення виробничих потужностей холодильників, надмірні додаткові втрати сировини від усушки, погіршення її якості та харчової цінності, збільшення енергоємності виробничого процесу та капіталоємності холодильників і їх систем охолодження;

2. Суттєвих змін зазнала сировина. Перш за все, це вагові кондиції, породи та вік тварин, які потім йдуть на переробку, що обумовлює і компонентний склад, і теплофізичні властивості м'яса, а, як наслідок, визначає нові особливості процесу тепломасообміну під час охолодження. На додаток нові технології вирощування свиней, які призводять до змін якісних характеристик м'язових тканин, не тільки зміни кольору мязів, а й зміну рН, зв'язку води з іншими компонентами продукту. Таке м'ясо іноді називають сировиною з нетрадиційним характером автолізу (PSE, pale, soft, exudative - блідне, м'яке, водянисте), який обумовлює зміну не тільки органолептичних показників, а й теплофізичних характеристик;

3. З часу упровадження „Збірника технологічних інструкцій ...”, які обумовлюють вимоги до процесів охолодження, суттєво змінились можливості апаратного забезпечення систем охолодження, техніко-економічні характеристики повітроохолоджувачів та холодильних систем у цілому, що дозволяє реалізувати відведення теплоти від об'єктів охолодження за іншими законами, інтенсифікувати процеси теплообміну;

4.Проблеми підвищення продуктивності праці та зниження собівартості продукції стали пріоритетними напрямками організації виробничого процесу. А вони традиційно вирішуються завдяки упровадженню комплексних автоматизованих систем керування та моніторингу технологічними процесами. Для цього необхідні знання динаміки процесів тепло і масообміну в залежності від умов їх проведення та характеристик об'єктів холодильної обробки;

5.Відновились та посилились у ринкових умовах наміри виробників зберегти якість та харчову цінності м'ясної сировини і готової продукції. Є розуміння того, що не можливо спочатку виробити сировину, а потім боротись за її якість, та те, що саме холодильна технологія є визначальним чинником забезпечення показників якості.

6.Сформувався споживач, який віддає перевагу саме якісній та натуральній продукції, оскільки порушено співвідношення наявної кількості продукції та купівельної спроможності населення.

Досі також вважалося, що з точки зору очікуваного рівня збереження якості сировини, гальмування за допомогою штучного холоду біохімічних реакцій та розвитку популяцій мікроорганізмів режимні параметри холодильної обробки м'яса свинини у напівтушах на сьогоднішньому рівні розвитку науки і техніки у першому наближенні визначені і питання їх змін та удосконалення не виникає. Проте вдале поєднання традиційних режимів холодильної обробки з оптимальною організацією виробничого процесу на холодильнику, ефективним використанням енергетичних і трудових ресурсів та собівартістю технологічного процесу в цілому - задача зовсім не тривіальна і досконалого вирішення поки що не має. Іноді вибір та оцінка технології холодильної обробки на рівні проектування не проводяться зовсім, оскільки у проектанта традиційно відсутня необхідна інформація для цього, а іноді проводяться тільки з метою мінімізації енерговитрат чи втрат від усушки без урахування змін органолептичних показників продукту в кінці процесу охолодження, без детального аналізу наслідків біохімічних реакцій в сировині, динаміки розвитку популяцій мікроорганізмів, холодового скорочення м'язів та ін. Деколи дослідники та виробники зовсім не враховують тезу, що вартість втрат сировини та її якості, як мінімум, на порядок перевищує вартість витрат електроенергії на виробництво штучного холоду для забезпечення процесу охолодження. Оцінка ж регламенту технологічного процесу в режимі діючого виробництва не проводиться зовсім, регламент процесу сприймається як догма і задачі його вдосконалення традиційно не ставляться.

До цього, не зважаючи на те, що за останні десятиріччя таки затвердились та одержали реалізацію деякі ідеї інтенсифікації процесів холодильної обробки, переваги потокових методів інтенсивної термічної обробки м'яса в напівтушах поки що не реалізуються. Виключенням є тільки досвід використання технологій попереднього охолодження чи попереднього заморожування. Та й ті не можуть легко реалізовуватись для організації холодильної обробки в типових будівельних рішеннях існуючих холодильників.

Проте інтенсифікацію процесів охолодження необхідно і можливо реалізовувати для вирішення економічних та технологічних задач як в камерах циклічного завантаження існуючих холодильників, так і в тунелях потокової холодильної обробки. Це розуміють усі зацікавлені сторони процесу переробки та споживання м'ясної сировини. Але для реалізації цієї тези необхідно мати результати детальних досліджень процесів теплообміну для пошуку енергоресурсозберігаючих ефектів та для упередження можливого підморожування поверхні м'яса, що призводить у подальшому до втрати його товарних характеристик, цінності, якості та вартості під час реалізації.

Таким чином, нові знання про особливості тепло і масообміну в процесах холодильної технології охолодження м'яса свинини в напівтушах є запорукою вирішення низки важливих технологічних, економічних та екологічних задач продовольчої безпеки держави.

I. РЕЗУЛЬТАТИ

Результатів детальних досліджень температурних профілів об'єктів охолодження - напівтуш свинини, закономірностей їх формування протягом процесу, динаміки змін теплових потоків з поверхні, тривалості холодильної обробки у залежності від вагових кондицій, компонентного складу сировини, її теплофізичних властивостей, способів і режимів охолодження в літературі практично не має. Вимоги діючого „Збірник технологічних інструкцій...” [1], який узагальнює багаторічний науковий та виробничий досвід і направлений на стимулювання до удосконалення технологій, теж регламентують тільки два режими (швидкий і прискорений) охолодження для напівтуш свинини, та й то не визначеної категорії та вагової кондиції. 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. Тільки для цих режимів визначені гранично припустимі значення природних втрат від „усушки”, що підтверджує відсутність альтернативних технологій охолодження на законодавчому рівні.

Таким чином, якщо мати за мету одержання достовірних баз даних щодо характеристик процесів охолодження м'яса в напівтушах, то вирішити це завдання дуже складно без математичного моделювання (прогнозування) цих процесів з попередньою апробацією результатів моделювання на даних чисельних експериментальних досліджень. Адже охопити експериментальними дослідженнями усю різноманітність можливих технологічних регламентів процесів та об'єктів охолодження за своєю складністю і економічною недоцільністю не можливо.

Науковою школою професора В. П. Оніщенка розроблена інтерполяційна одномірна крайова задача теплопровідності в процесах холодильної обробки тіл неправильної геометричної форми [2,3,4,5,6,7,8]:

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

; ; .

Ефективна теплоємність С_е(Т) враховує теплові ефекти, які пов'язані з фазовими перетвореннями води та жиру [4,7]. 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 кінцево-різницевою 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 прогнозування температурних полів та теплових потоків у режимі значно швидшому за реальні тривалості процесів, що дозволяє її використовувати для систем керування технологічними процесами.

Отримані результати моделювання та прогнозування характеристик процесів холодильної обробки різноманітних об'єктів за цією методикою порівнювались з даними чисельних експериментальних досліджень представників наукової школи В.П. Оніщенка та даними експериментів інших дослідників. Отримані похибки моделювання експериментальних досліджень свідчать, що математична модель може використовуватись для попереднього прогнозування характеристик процесів із достовірністю очікуваних результатів у межах похибок, що вимагають технологічні регламенти виробничих процесів. Складання бази даних характеристик процесів важливе і для технологів, які реалізують процеси холодильної обробки м'яса свинини в напівтушах у виробничих умовах.

Використовуючи модель, автори провели теоретичні дослідження характеристик процесів охолодження м'яса свинини в напівтушах, результати яких дозволили інформаційно забезпечити спеціалістів з проектування, технологів виробництв, спеціалістів з логістики та програмування систем автоматизованого керування холодильним обладнанням і технологічними процесами взагалі.

Для модельних розрахунків було вибрано значення Г = 0,8182, 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 (рис. 1-6) та табличній (табл. 1, 2) формі, що дозволяє провести оцінку впливу характеристик охолоджуючого середовища (t, v) та вагових кондицій сировини на характеристики процесів охолодження.

Характеристики процесів охолодження напівтуші м'ясної свинини (масою 40, 50, 60 кг) під час реалізації швидкого (таблиця 1) та прискореного (таблиця 2) способів охолодження.

t_пов - температура поверхні, С; t₆ - температура на глибині 6 см від поверхні, С; t_h - середньомасова температура, С; q - питомий тепловий потік з поверхні напівтуші, Вт/м²; m - вага напівтуші, кг;

ВИСНОВКИ

Отримані результати свідчать про необхідність та можливість інтенсифікації процесів охолодження м'яса свинини в напівтушах, що дозволить вирішити низку технологічних та економічних задач. Є підстави і до перегляду нормованих режимів холодильної обробки. Можливість прогнозування характеристик процесів охолодження з прийнятою достовірністю дає підстави до тези, що регламент технологічного процесу повинен мати ознаки індивідуального характеру для кожного виробництва окремо, з урахуванням його виробничої потужності, особливостей холодильника та холодильних систем, систем повітрярозподілення в холодильних камерах та ін. А визначені характеристики процесів „взагалі”, без урахування специфіки виробництв, їх видатності, технологічного циклу та ін. можуть сприйматись тільки як гранично можливі для неефективного проведення процесів холодильної обробки. Важливо також відмітити, що принципово не коректно визначено за якою температурою визначати тривалість процесу охолодження. Адже традиційно визнана НТД температура м'яса на глибині 6 см від поверхні стегна напівтуші як „кінцева” процесу для модельованих режимів охолодження на декілька градусів відрізняється від середньомасової температури, яка з теоретичної точки зору є більш аргументованою для визначення тривалості процесу (див. табл. 1, 2). Проте вимірювання середньомасової температури складний в умовах виробництва процес. Ця незначна, на перший погляд, похибка визначає загальні енергетичні витрати на процеси холодильної обробки та загальні природні втрати від усушки і проблема заслуговує на окремі дослідження.

Таким чином 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

холодильник свинина математичний теплопровідність

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., и др. Экономия энергоресурсов и сокращение потерь продукции при холодильной обработке. - Киев: Урожай. - 1990. - 168 с.

3. 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.- 3^е изд., пер. и доп.- Одесса: Друк. -2007 - 480 с.

4. Изобарная удельная теплоёмкость, энтальпия и доля вымороженной воды пищевых продуктов - ВНИКТИхолодпром - М. Издательство стандартов - 1989. - 89 с.

5.Chumak I., Onistchenko V., Graizi J., Zheliba Yu. Modelling of cooling, freezing and thawing processes

for meat and fish. Proceeding of the conference of Commissions B2&C2, with D1&D2/3 (23ч26.09.1998). Advances in the refrigeration systems, food technologies and cold chain/ IIR. pp.249-254. Sofia, Bulgaria, 1998/6.

6.Chumac I.G., Onischenko V.P., Golovsky S.E., Zheliba Y.A. The method of prediction for characteristics of cooling and freezing processes of food-stuff. Proc. Internat.Conf. «New Applications of Refrigeration to Fruit and Vegetables Processes», Istanbul (Turkey).-Paris, IIR, 1994-3. - pp. 361-366.

7.Онищенко М.В., Квелашвили З.Д., Желиба Ю.А. Проектирование процессов холодильной технологии пищевых продуктов для производственных холодильников. Аналитические модели для теплофизических свойств пищевого сырья //Холодильна техніка і технологія. - 1999. - № 64.- с.77-83.

8. Желіба Ю.О., Харченко С.В., Оніщенко М.В. Дослідження процесів охолодження яловичини в напівтушах //Холодильная техника и технология. - 2008. - № 114 (4). - c.54-58.

Размещено на Allbest.ru