CC BY
33
УДК 637.523.66.045.5
Применение естественного холода для охлаждения пищевых продуктов
Канд. техн. наук, чл. -кор. МАХ В.В.КИРЕЕВ ОАО «Мясокомбинат «Тулунский»
When using the cold of outside air as a cooling medium some part of water drops is crystallized through the partial warming of air forming a crystalaerosol flow (KAP).
Use of KAP with the temperature -10 ... -15 °C decreases the time at the first stage of cooling of sausages having diameter 8 - 10 2 m by more than 1600 s. In this case the temperature of cooled air flow around the sausages at the second stage of cooling should be 0 ... -5 °C.
For the fulfillment of the proposed solutions a method of cooling of cooked sausages and the device for its implementation were developed.
В настоящее время технологические процессы охлаждения пищевых продуктов, в том числе вареных колбасных изделий характеризуются большим разнообразием применяемых методов, технических средств и режимных параметров, требующих затрат электроэнергии.
Исследования в промышленных условиях показали, что рациональное использование наружного воздуха с низкими температурами для охлаждения вареных колбас и разработка соответствующего оборудования позволяют создать эффективные холодильные технологии на мясоперерабатывающих предприятиях.
При использовании в качестве охлаждающей среды холодного наружного воздуха часть капель воды кристаллизуется за счет частичного отепления воздуха, образуя кристаллоаэрозольный поток (КАП).
Охлаждающая смесь, содержащая воздух, воду и лед, вступает в контакт с охлаждаемыми изделиями. В результате этого контакта кристаллы льда плавятся частично на поверхности охлаждаемых изделий, частично - в потоке смеси, обеспечивая интенсификацию теплообмена.
Охлаждение КАП в общем виде может быть описано уравнением теплового баланса, которое с учетом фазового перехода льда примет вид:
a F (t - t) + vi m X +{m + m ) С \(t + t )/2] =
v ср n' т Л Л v Л W' ПЛ LV ср ПЛ J
= (£Сж+6С+0,01 С W)dtnp/dx + rndM/dx, (1)
где F - поверхность продукта, м2;
у - плотность орошения, кг/(м2х);
/ и /в - температура соответственно среды и поверхности продукта, °С;
tm - температура стекающей пленки воды по поверхности продукта, °С;
g,b - массовая доля соответственно жира и сухого остатка;
Спл, Сж, Св, С - удельная теплоемкость соответственно стекающей пленки, жира, воды и сухого остатка, Дж/(кг К);
IV- влажность продукта, %;
/ - температура продукта, °С;
ЛМ— количество испарившейся влаги;
тк - масса распыливаемой воды, кг;
тл - масса кристаллов льда, кг;
гп - скрытая теплота парообразования, Дж/кг.
В качестве исходного при его вьгводе использовано уравнение теплового баланса, полученное проф. А.М.Бражниковым [1],
а^(/ф-/п) = (яСж+ ЪС+ 0,01 С Щ+ rdMdi.iT) Из уравнения (1) следует, что dt Шх =[а7г(г‘ — /) + \11 т X + (т + т ) С / -
пр *■ 4 ср ГК т Л Л у Л И"' ср опр
- Гп dMldт\ / [£ С+ ЪС +0,01 С Щ, (3) т.е. температура продукта за один и тот же промежуток времени станет ниже, чем рассчитанная по уравнению, приведенному в [1]. Рассмотрим случай, когда размеры кристаллов льда г* меньше г*крит и скорость потока м* также ниже . В этом случае количе-
крит •'
ство холода, переносимое КАП к колбасному батону, резко возрастает:
в = о. с.- (,„) + О, V (О. с е+ О, С
* 1.У21,
где (7в - массовый расход воздуха, кг/с;
Св - теплоемкость сухого воздуха при определяющей температуре /опр = (/в1о - /в1п)/2, кДж/(кгК); />1о, (в1п - температура воздуха соответственно у форсунки и охлаждаемого батона, °С;
Оп - массовый расход кристаллов льда, кг/с; gв, gл - массовая доля воздуха и льда;
/л - температура льда,°С.
Анализ приведенных уравнений показывает, что фазовый переход позволяет привлечь дополнительные ресурсы в процессе охлаждения, в частности продолжительность охлаждения может быть сокращена за счет поглощения теплоты плавления кристаллов льда, поступающих с охлаждающим потоком.
Мелкодисперсный лед в охлаждающей смеси играет двоякую роль. Во-первых, кристаллы льда «бомбардируют» поверхность охлаждаемого изделия, оказывая механическое воздействие на поверхность и имеющуюся на ней пленку жидкости. Благодаря этому воздействию происходит ускоренное обновление жидкостной пленки, что интенсифицирует процесс теплообмена между изделием и охлаждающей смесью. Кроме того, часть кристаллов льда «захватывается» указанной жидкостной пленкой и расплавляется в ней, понижая ее температуру вплоть до температуры таяния льда, что замедляет процесс усушки продукта. Во-вторых, кристаллы льда, не осевшие на поверхности охлаждаемых изделий, расплавляются за счет теплоты, отводимой от охлаждаемых изделий, что способствует длительному сохранению низкой температуры всей охлаждающей смеси и соответственно ускорению процесса охлаждения [2]. Исследования в промышленных условиях показали, что наиболее «узким местом» в процессе охлаждения является диапазон температур 30...35 °С, который наиболее благоприятен для развития оставшейся вредной микрофлоры. В связи с этим к скорости и длительности процесса охлаждения предъявляются жесткие требования [2].
Целесообразно разделить процесс охлаждения вареных колбасных изделий на две стадии. На первой -орошение в КАП. В результате от поверхности батонов колбас усиленно отводится высокопотенциальная теплота, что способствует более быстрому прохождению микробиологически опасного диапазона температур; на второй - доохлаждение воздухом, что в целом повышает эффективность холодильно-технологической системы.
Процесс охлаждения вареных колбасных изделий с использованием естественного холода исследовали в полупромышленном модуле, защищенном авторским свидетельством № 1704737 от 15 сентября 1989 г., на мясокомбинате «Тулунский». Проектно-сметная документация разработана автором.
Опытно-промышленный образец камеры охлаждения (рис. 1) позволяет использовать серийно выпускаемые рамы для термической обработки и транспортировки колбас. Он работает следующим образом. При включенной системе холодоснабжения 1 вода и воздух, омывающие испарители 2, охлаждаются и подаются в ка-
Рис. 1. Опытно-промышленный модуль для исследования охлаждения вареных колбасных изделий
меру 3 соответственно через форсунки 4 и кольцевые щелевые отверстия 5 в воздухораспределительной панели 6. Охлаждающая смесь, содержащая воздух, воду и лед, вступает в контакт с охлаждаемыми изделиями, размещенными на раме 7. В результате этого контакта кристаллы льда плавятся частично на поверхности охлаждаемых изделий, частично - в потоке смеси, обеспечивая тем самым интенсификацию теплообмена.
Воздух, отводимый из камеры вентилятором 8, проходит через поворотную заслонку 11, частично выбрасывается в атмосферу, а частично возвращается на вход вентилятора, смешиваясь с порцией свежего воздуха,
/\
Заслонки
Рис.2. Схема автоматического регулирования процесса охлаждения в КАП
поступающего из атмосферы через заслонку 9 с исполнительным механизмом 10. Очистка оборотной воды и подача ее на форсунки осуществляются при помощи блока водоподготовки 12.
В холодное время года данный модуль позволяет применять наружный воздух с низкими температурами для охлаждения вареных колбас.
Регулирование подачи холодного воздуха в установку осуществляется автоматически (рис.2). Датчик 1, расположенный над оболочкой «контрольного» колбасного батона, подает электрический сигнал в зависимости от температуры на регулирующий прибор 2. С регулирующего прибора электрический сигнал поступает на задатчик 3, при помощи которого происходит управление электрическими цепями исполнительного механизма 4. Он, в свою очередь, приводит в движение заслонки 9 и 11 (см. рис.1). В качестве регулирующей аппаратуры использовали термометр сопротивления ГСМ, регулирующий прибор Р 25-2, исполнительный механизм МЭО-25/25 0,25.
Применение данной схемы позволяет осуществлять подачу холодного воздуха в установку по интегральному закону регулирования и проводить процесс охлаждения, исключая подмораживание поверхности продукта.
На опытной установке проведены исследования по охлаждению вареных колбасных изделий с использованием КАП с температурой охлаждающего воздуха 0...-5 °С И-10...-15 °С. Контрольные образцы колбас охлаждали гидроаэрозольным методом (ГА) с температурой 1... 5 °С (традиционный способ).
В качестве объектов исследования были выбраны колбасные изделия с различным рецептурным соотношением основного сырья. Охлаждали вареные колбасы, изготовленные по ГОСТ 23670 - 79: высшего сорта русская, докторская; вареные колбасы, изготовленные по ТУ 9213-097-17023360 - 98: переяславская, заречная (массовая доля белка не менее 14 %); пятницкая (12 %), лефортовская (13 %), ветчина «Нежная» (20 %) в оболочке «Амитан про» диаметром батона 8-10-2 м.
При охлаждении в КАП для ускорения теплообмена и исключения подмораживания поверхности колбасного изделия необходим правильный подбор параметров процесса охлаждения, исключающих подмораживание поверхности продукта. В результате анализа экспериментальных данных (рис. 3) выявлено:
1. Среднеинтегральный коэффициент теплоотдачи в рассматриваемом процессе (КАП) зависит от температуры и скорости охлаждающей среды в установке.
2. Снижение температуры воздуха, непосредственно контактирующего с продуктом, повышает коэффициент теплоотдачи, обеспечивает ускоренный процесс теплооб-
а, Вт / (м2- К)
Рис.З. Зависимость коэффициента теплоотдачи с поверхности колбасного батона от скорости и температуры охлаждающей среды при поперечном обтекании батона:
1 — ГА метод (температура воздуха 1...5 °С);
2 — КАП(0...—5 °С); 3 — КАП (—10...—15 °С)
мена по всей поверхности колбасного батона вследствие большой разности температур продукта и охлаждающей среды, а также за счет фазового перехода лед - жидкость.
3. Использование регенерации влаги в процессе охлаждения, при которой образуются кристаллы льда, способствует интенсификации процесса, в результате этого в максимальной степени сохраняется качество, и сводятся к минимуму потери массы продукта.
900 2700 4500 6300 8100 х, с
Рис. 4. Изменение температуры в центре колбасного батона диаметром 80 мм при охлаждении различными методами:
1 — ГА (температура воздуха 1...5 °С); 2-КАП(0...-5 °С); 3 — КАП(—10...—15 °С); 4 — микробиологически опасный участок
Среднеобъемная температура батона диаметром 80 мм (в °С) для различных видов колбасных изделий
Вид колбасного изделия Продолжительность охлаждения, мин
0 10 20 30 40 50 60 80 100 120
Охлаждение в КАП
Ветчина "Нежная" 87,5 41,5 30,8 21,5 17,4 12,1 10,3 8,2 5,3 3,2
Колбаса вареная:
лефортовская 86,9 42,0 31,4 22,9 16,3 13,1 10,4 8,0 4,4 3,5
переяславская 84,4 40,4 30,5 25,5 16,6 14,0 11,2 7,0 5,0 3,6
заречная 85,4 41,2 30,3 24,3 16,5 14,2 11,2 7,8 4,8 3,4
пятницкая 86,5 42,6 30,1 23,5 16,6 13,4 10,4 8,0 4,2 3,5
докторская 86,5 42,6 30,1 23,5 16,6 13,4 10,4 8,0 4,2 3,5
русская 87,1 41,3 30,5 24,0 17,5 14,0 11,2 7,4 4,7 3,8
Охлаждение ГА методом
Ветчина "Нежная" 86,6 57,8 44,2 34,5 27,6 22,1 18,0 13,0 10,3 8,4
Колбаса вареная:
лефортовская 86,7 58,4 45,6 35,4 27,4 22,8 19,2 14,6 10,4 8,3
переяславская 86,8 57,8 44,2 34,9 27,6 22,4 18,9 13,8 10,3 8,9
заречная 86,9 58,4 45,4 35,9 27,8 23,6 19,6 13,9 10,3 8,9
пятницкая 86,9 57,8 43,4 33,9 26,9 22,6 18,4 13,4 10,3 8,9
докторская 86,7 57,7 44,2 34,3 26,9 22,4 19,1 13,9 10,3 8,9
русская 86,7 60,6 47,1 37,5 31,9 25,3 21,9 16,8 13,2 10,9
Вареные колбасы охлаждают до достижения температуры в центре батона 15 °С и среднеобъемной температуры изделия 8 °С. Во всех рассмотренных случаях для достижения требуемой температуры в центре батона требуется больше времени , чем для достижения заданной среднеобъемной температуры объекта. Следовательно, именно по достижению заданной температуры в центре батона следует судить о готовности колбасного изделия и о возможности прекращения процесса охлаждения [2].
В качестве примера на рис. 4 представлены зависимости изменения температуры в центре батона при охлаждении докторской колбасы различными методами. Из графика видно, что при использовании КАП с температурой воздуха 0...-5 °С вместо воздуха с температурой 1...5 °С продолжительность охлаждения докторской колбасы в оболочке диаметром батона 8-10-2 м до 30 °С уменьшается с 3600 до 2700 с (25 %), при температуре -10...-15 °С - с 3600 до 2000 с, или на45 %.
Из приведенных в таблице данных следует, что изменение среднеобъемной температуры при охлаждении в КАП - несколько выше, чем при охлаждении ГА методом. Скорость охлаждения зависит от теплоемкости, теплопроводности, влагосодержания фарша, раз-
меров кусочков жира. Темп охлаждения выше у колбас, изготовленных по ТУ. Это связано с тем, что в них присутствует растительный белок, который охлаждается быстрее, чем белок животного происхождения.
Охлаждение в КАП позволяет интенсифицировать процесс за счет большей разности температур продукта и охлаждающей среды, в результате чего продолжительность охлаждения сокращается на 25 - 35 %. Охлаждение в КАП позволяет снизить расход воды по сравнению с гидроаэрозольным методом в 3 раза. Потребность в производственных площадях уменьшается в 1,5-2 раза, охлаждающая жидкость повторно используется после фильтрования, сокращается расход металла на изготовление устройства.
Экономится до 30 % электроэнергии, расходуемой на выработку холода машинным способом, за счет использования естественного холода при температуре наружного воздуха ниже -5 °С.
Список литературы
!. Бражников А.М. Теория термической обработки мясопродуктов.-М.: Агропромиздат, 1987.
2. Киреев В.В. Совершенствование процесса охлаждения вареных колбасных изделий: Автореф. дис. канд. техн. наук. -М, 1990.
