Определение процессовых характеристик быстрого замораживания продуктов методом непрерывного и дискретного теплооотвода

Введение

Развитие производства быстрозамороженных продуктов представляет собой одно из главных на- правлений в области интенсификации технологиче- ских процессов, так как обеспечивает рациональное использование сельскохозяйственного сырья и мо- жет разнообразить рацион питания. Для получения замороженных продуктов в мировой практике ис- пользуется широкий набор методов и технологий, которые обеспечивают разнообразие скороморозиль- ных аппаратов и их выбор [1]. Совершенствование холодильной техники и технологии производства бы- строзамороженной продукции предполагает переход на аппаратное замораживание с помощью скоромо- розильной техники [2, 4]. Поэтому важным является разработка такой технологии обработки пищевых продуктов, которая позволит получить  максималь- но эффективные показатели и параметры процесса замораживания. Отечественный и зарубежный опыт показывает перспективность разработки модульных аппаратов для замораживания продуктов как в упа- ковке, так и без нее [3].

В данной работе рассматривается задача о бы- стром   замораживании   мелкокусковых   рубленых

ного теплоотвода в исследуемом диапазоне темпера- тур и скоростей воздуха.

Исследования проводились с применением ма- тематических методов планирования эксперимента. Это позволило сократить число опытов и графиче- ски показать количественную оценку величин, кото- рые влияют на процесс замораживания [5, 7].

За эффективные критерии были взяты два па- раметра, которые характеризуют процесс: плот- ность теплового потока – от объекта исследования к охлаждающей среде (q, кВт/м2) и время – продол- жительность процесса замораживания (час). Глав- ным критерием эффективности рассматривалась плотность теплового потока, которая связана с энергетическими затратами, а второстепенным – продолжительность процесса замораживания.

мясных полуфабрикатов, которые можно рассматри- вать как тела малого объема, приближающиеся по форме к неограниченной пластине. Для рассмотре- ния процесса теплообмена принята математическая модель Л. С. Лейбензона:

• теплообмен симметричен;
• температура охлаждающей среды не изменяется в пределах цикла;
• теплофизические показатели продукта изменяются при переходе из одной фазы в другую и не изменя- ются в пределах фазы [4, 7].

Цель данной работы – определить рациональные условия процесса быстрого замораживания неупако- ванных мелкокусковых мясных продуктов методом непрерывного и дискретного теплоотвода.

Объекты и методы исследования

Для оценки теплофизических характеристик бы- строго замораживания объектов исследования был проведен эксперимент по быстрому замораживанию мясных фаршей в режиме непрерывного и дискрет-

рость воздуха (v ).

–20 °С замораживание не будет соответствовать быстрому, даже если интенсифицировать скорость воздуха  [5].  Понижение  температуры  среды  ниже

–70 °С неэффективно с энергетической стороны. Поэтому рассматривали температуры в пределах от

–20 °С до –70 °С и скорости воздуха от 3 до 10 м/с.

Результаты и их обсуждение

Объектом исследования служил мясной говяжий фарш, изготовленный из охлажденного и измель- ченного мяса говядины 1 категории упитанности, сформованный в брикеты массой 250 г и толщиной

28 мм. Замораживание проводили в потоке воз- духа, варьируя температуры от –20 °С до –70 °С и скорости от 4 до 10 м/с. Брикеты укладывали на ме- таллический противень и помещали в камеру замо- раживания с начальной температурой продукта и противня 20 °С. Такой подход учитывает реальные

Neverov E.N. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 1, pp. 104–112

20                                                                                                       20

3

0

1                      2

4

–20

5

–40

0

1

 

–20

2

3

–40

4

–60

tcp                                                                                                                             5

6

0         5       10       15      20       25       30

τ, мин

Схема установки термопар по толщине продукта

–60

0          10         20         30         40         50        60

τ, мин

7 7 7 7

3 2 1

Рисунок 2 – Изменение среднеобъемной температуры рубленых полуфабрикатов при замораживании (скорость воздуха 6 м/с, температура: 1: –20 °С, 2: –30 °С, 3: –40 °С,

4: –50 °С, 5: –60 °С, 6: –70 °С)

Figure 2 – Changes in the avarage volume temperature of minced semi-finished products diring freezing (airflow = 6 m/c; temperature: 1: –20 °С, 2: –30 °С, 3: –40 °С, 4: –50 °С, 5: –60 °С, 6: –70 °С)

 

 

3,0

2,0

1,0

0

(а)

0         5       10       15        20        25      30

τ, мин

положение приборов охлаждения и вентиляторов позволяет обеспечить двухстороннюю симметрич- ную циркуляцию воздуха. К образцу были присое- динены термопары: одна на внутренней поверхности (термопара 5) и одна на внешней поверхности (тер- мопара 1),  а  также  три  термопары  на  расстоянии 7 мм от поверхности. Температура среды в камере

–45 °С. Были построены кривые изменения темпе- ратуры образца (а) и показана кинетика теплоотвода (б), которые представлены на рисунке 1.

Из графиков видно, что быстрее охлаждается верхняя поверхность продукта. При дальнейшем понижении температуры на нижней поверхности теплообмен становится более интенсивным и через 18 минут температурный фронт выравнивается. Та- кой теплообмен соответствует симметричному.

Результатам расчетов среднеобъемной темпера- туры была придана графическая интерпретация для различных температурных режимов замораживания

полуфабрикатов. Это позволяет определить значение

1 – нижняя  поверхность, 2 – верхняя поверхность

(б)

Рисунок 1 – Кривые изменения температуры

(а) и плотности теплового потока (б) при быстром замораживании мясных мелкокусковых полуфабрикатов

Figure 1 – Curves of temperature changes (a) and heat flux density (b) during the rapid freezing of semi-finished small-sized meat products

условия производства и является отличительным признаком от решения где мелкоштучные продук- ты замораживали на металлической ленте, которая имела в начальный момент времени температуру ниже криоскопической температуры  продукта  [7, 8, 14]. Охлаждающий блок включает в себя испа- ритель и вентиляторы, которые расположены в шахматном порядке друг против друга. Такое рас-

температуры в любой момент времени (рис. 2).

Характер изменения коэффициента теплоотдачи и скорости замораживания мясных полуфабрикатов в зависимости от температуры и скорости воздуха, показан на рисунке 3.

Из графиков  видно,  что  при  скорости  воздуха 6 м/с и температуре воздуха –40 °С скорость замо- раживания изменяется от 8×10–6 м/с до 16,5×10–6 м/с, при этом коэффициент теплоотдачи увеличивается

от 50 Вт/(м2.К) до 85 Вт/(м2.К) (рис. 3а). Из графика

на рисунке 3б видно, что для неупакованных полу- фабрикатов увеличение скорости воздуха выше 7 м/с не приводит к существенной интенсификации про- цесса замораживания.

Дальнейшее увеличение  скорости  воздуха  еще в меньшей степени влияет на интенсивность тепло- обмена, значение коэффициента теплоотдачи прак- тически не изменяется, т. е. наиболее рациональный

Неверов Е. Н. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 1 С. 104–112

20                                                                       1,1

15                                        1                            0,9

2

10                                                                      0,7

5                                                                      0,5

–20      –30       –40        –50         –60        –70

tв °С

20                                                                      1,1

ω×106 м/с

α×102 Вт/(м2×К)

15                                  1                                    0,9

 

 

 

 

2

10                                                                       0,7

 

 

 

 

5                                                                       0,5

3       4       5        6        7       8        9       10

vв м/с

(а)                                                                                                           (б)

Рисунок 3 – Влияние температуры (а) и скорости воздуха (б) на коэффициент теплоотдачи (2) и скорость замораживания

1. мясных рубленых полуфабрикатов: а – скорость воздуха 6 м/с; б – температура воздуха –40 °С.

Figure 3 – Effect of temperature (a) and air velocity (b) on the heat transfer coefficient (2) and freezing speed (1) of semi-finished minced meat products: a – air velocity = 6 m / s; b – air temperature = –40 °C.

диапазон скоростей циркуляции воздуха находится в пределах от 4 м/с до 6 м/с.

Рассматривая изменения параметров процесса в данном интервале (рис. 4) можно увидеть, что уве- личение плотности теплового потока и сокращение продолжительности  замораживания  примерно  в 1,4 раза, происходит при понижении температуры охлаждающей среды от –20 °С до –40 °С при скоро- сти движения воздуха 6 м/с.

Дальнейшее  понижение  температуры  воздуха до –50 °С несколько снижает темп изменения плот- ности теплового потока и времени замораживания, но он еще довольно высок и составляет 1,22 раза по

сравнению с температурой –40 °С.

В интервале температур от –60 °С до –70 °С от- носительно –50 °С, очевиден спад интенсивности те- плообмена, который составляет 1,15–1,11 раза.

Основная цель дискретного теплоотвода – реали- зовать такой порядок организации внешнего воздей- ствия с помощью воздушной системы охлаждения, при котором будет наблюдаться сокращение приве- денных затрат без ухудшения качества продукта [5, 6, 13]. Данный теплоотвод рассматривали в наибо- лее рациональном режиме непрерывного теплоотво- да с температурой воздуха до –50 °С при скорости движения воздуха в зоне контакта с продуктом от

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

3

60

 

 

 

50

 

40

 

30

 

20

 

10

10                                                                                      –20

9                                                                        –30

4                                                                                 –70

5                                                                 –60

8

7

6                                      –50

–40

6                                                  –50

5                       –60

4

7   8

9                 –30

10   –20

–40

3  –70

(а)                                                                                                           (б)

Рисунок 4 – Влияние температуры и скорости воздуха на плотность теплового потока (а) и продолжительность замораживания (б) рубленых полуфабрикатов

Figure 4 – Effect of temperature and air velocity on the heat flow density (a) and the duration of freezing (b) of chopped semi-finished products.

Neverov E.N. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 1, pp. 104–112

Таблица 1 – Результаты эксперимента объекта исследования в условиях дискретного теплоотвода

Table 1– Experimental results for the discrete heat sink

4 м/с до 6 м/с. Эксперимент проводился в несколько этапов. На первом этапе, используя особенности из- менения процессовых характеристик непрерывного теплоотвода, был составлен план реализации опытов в четырехмодульной экспериментальной установке.

Каждая секция аппарата имеет индивидуаль- ное холодоснабжение и систему, обеспечивающую циркуляцию воздуха  с  заданными  параметрами. В таблице 1 представлен план и результаты экспе- римента при быстром замораживании объекта ис- следования в условиях дискретного теплоотвода. Учитывая, что при различных вариантах составле- ния модулей будет сложно рассчитать с достаточной точностью продолжительность процесса, повтор- ность опытов была увеличена до 10.

Сравнительная оценка проводилась по сопо- ставлению с наиболее эффективным режимом не- прерывного  теплоотвода  при  температуре  –40  °С

составила 26 минут. На рисунке 5 показаны экспе- риментальные кривые, изображающие физическую картину происходящего в этом опыте.

В 1 модуле отводится значительно меньше теп- ла, чем в опыте № 4. Температура в центре и на по- верхности существенно выше, чем в контрольном варианте быстрого замораживания. Во 2 модуле при

20

tц                               τк /             τк

0

–20

tп

–40

и скорости 5 м/с. Основными критериями оценки являлись продолжительность и скорость процесса. Анализ результатов первой серии эксперимента сви- детельствует о том, что когда в 1 модуле создаются

–60

1 модуль      2 модуль    3 модуль   4 модуль

0             5            10             15            20            25          30

τ, мин

более интенсивные условия, то это в меньшей сте- пени оказывает влияние на сокращение продолжи- тельности и скорости процесса. С теплофизической точки зрения это объясняется тем, что на поверх- ности продукта температура очень быстро дости- гает   криоскопической,   образуя   кристаллический

«барьер» определенной толщины. Это существенно снижает интенсивность проникновения темпера- турного фронта во внутренние слои продукта. Эф- фективным на данном этапе эксперимента оказался опыт  №  6,  когда  в  первом  модуле  были  созданы

3,5

2,5

1,5

0,5

τк

τк /

менее  интенсивные  условия,  переходящие  затем  в

активное  воздействие  более  низких  температур  и высоких скоростей воздуха.

0            5            10             15            20          25           30

τ, мин

Вторая серия эксперимента была направлена на                          выявление  оптимального  сочетания  модулей.  Так,

следуя постановке опытов, целенаправленно интен-

Непрерывный теплоотвод при tв = –40 °С, vв = 5 м/с Дискретный теплоотвод

сифицировали процесс во 2 и 3 модулях и в опыте

№ 9 получили минимальную продолжительность процесса 20 минут, в то время как продолжитель- ность   процесса   при   непрерывном   теплоотводе

Рисунок 5 – Термограмма и кинетика теплоотвода

при замораживании в условиях дискретного режима

Figure 5 – Thermogram and kinetics of heat sink during freezing under discrete conditions

Неверов Е. Н. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 1 С. 104–112

Таблица 2 – Программа быстрого замораживания рубленых полуфабрикатов

Table 2 – Program of quick freezing for minced semi-finished products

температуре –50 °С и максимальной скорости 6 м/с отвод тепла настолько эффективен, что температу- ра резко снижается не только на поверхности, но и в центре продукта. Это означает, что основная масса продукта успешно прошла период фазового превра- щения воды в лед. Это может стать гарантией мак- симального сохранения исходных свойств продукта при длительном хранении.

В модуле № 3 при температуре –40 °С скорость потока несколько снижается, в связи с тем, что уже происходит падение интенсивности теплообмена, но процесс еще достаточно интенсивен. Последний мо- дуль № 4 позволяет еще в большей степени снизить скорость процесса и увеличить его температуру, так как тепловая нагрузка минимальная и процесс до- стижения среднеобъемной температуры –18 °С не требует вмешательства, поскольку интенсификация конвективным способом уже не принесет существен- ного сокращения продолжительности процесса.

Для определения оптимального времени на- хождения продукта в модулях, при условии, что режимные параметры процесса замораживания (за- висимость  среднеобъемной  температуры  продук- та от времени) известны для каждой камеры, была разработана программа вычислений на языке Тур- бо-Паскаль, которая может рассматривать  задачу на любое количество модулей. Для ее загрузки тре- буются результаты, получаемые из базовой модели определения  продолжительности   замораживания на каждой стадии [5]. Тогда возможно производить вариантые расчеты оптимизации условий внешнего воздействия при быстром замораживани продуктов. Это и представляет элемент программирования про- цесса замораживания. В таблице 2 приведена про- грамма быстрого замораживания мясных рубленых полуфабрикатов.

В данной работе рассматривались и качествен- ные  характеристики  мясопродуктов,  замороженные

в условиях дискретного теплоотвода, и сравнивались с качеством мяса, замороженного в условиях непре- рывного теплоотвода. Размораживание образцов про- водили в воздушной среде при температуре воздуха 20 °С до достижения температуры плюс 1 °С в центре продукта. В размороженном фарше определяли масо- вую долю влаги, водосвязывающую способность, рас- творимость белковых фракций, потери массы после тепловой обработки, потери мясного сока. В исход- ном сырье определяли массовую долю влаги, водос- вязывающую способность и растворимость белков. Результаты эксперимента приведены в таблице 3.

Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что при замораживании в заданных режимах тепло- отвода уменьшение массовой доли влаги в фарше практически одинаково. Это объясняется естествен- ной убылью массы за счет испарения влаги. Убыль составляет 0,97–1 %, что не превышает нормативной усушки при замораживании. Однако в процессе хра- нения происходит дальнейшее  уменьшение  влаги за счет испарения. Это уменьшение объясняется ча- стичным разрушением белково-коллоидной систе- мы, уменьшением способности белков удерживать влагу [8, 10, 12].

Также результаты экспериментов показали, что потери мясного сока с увеличением продолжитель- ности хранения замороженного фарша возрастают примерно на 1,2–1,4 %. Это объясняется снижением набухаемости белковых веществ фарша. Уменьше- ние влаги в фарше и потери мясного сока в заданных режимах замораживания практически одинаковы.

Потери массы при  замораживании  и  в  процес- се хранения составили около 1,2 %, но при замора- живании в условиях дискретного теплоотвода они оказались несколько ниже, чем при непрерывном те- плоотводе. Это объясняется меньшей продолжитель- ностью процесса.

Процесс замораживания сопровождается не только  потерей  массы,  но  и  изменениями  физи-

Таблица 3 – Показатели качества мясного фарша в зависимости от условий теплоотвода

Table 3 – Quality indicators of the minced meat according to the conditions of the heat sink

Neverov E.N. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 1, pp. 104–112