CC BY
42
и 18,53 т/сут. Кроме того, следует отметить, что увеличение содержания СВ в отжатом жоме с 16 до 25% способствует снижению расхода условного топлива почти на 45%. Эго говорит о том, что необходимо как можно больше удалять влаги механическим способом.
Таким образом, проведенные расчеты позволяют сделать вывод, что сушку свекловичного жома экономически целесообразно осуществлять перегретым паром атмосферного давления. Это позволяет экономить по сравнению с сушкой в барабанной сушилке до 25% условного топлива и получать продукт высокого качества без загрязнения окружающей среды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Интенсификация процессов жомосушилыюго производства и перспективы его развития / В.Д. Орлов, А.Ф. Заборсин, Л.Г. Иваницкая и др. - М.: АгроНИИТЭИПП, - 1990. - Вып. 11. - 24 с.
2. Орлов В.Д., Заборсин А.С., Яровой С.Л. Производство сушеного свекловичного жома. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983.-112 с.
Кафедра машин и аппаратов пищевых производств
Поступила i8.06.02 г.
637.56.002.2
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖАРИВАНИЯ РЫБЫ
С.П. СЕРДОБИНЦЕВ, II.С. БУДЧЕНКО
Калининградский государственный технический университет
Современный ассортимент рыбных консервов Калининградского региона традиционно включает в себя консервы в томатном соусе с предварительной термической обработкой рыбы в растительном масле. В перспективе удельный объем производства таких консервов может быть значительно увеличен.
Нами исследованы возможности совершенствования процесса обжаривания рыбы при производстве консервов.
Паромасляная рыбообжарочная печь (рис.1) представляет собой аппарат, состоящий из ванны 1, рольганга для перемещения обжариваемой рыбы 3 и встроенных теплообменников 2. Ванна заполнена маслом, объем которого условно можно разделить на два слоя -активный и пассивный. В первом расположены теплообменники и рольганг с обжариваемой рыбой. Пассивный слой необходим для уменьшения потерь энергии.
В нижней части ванны имеется слой воды (водяная подушка), в который осаждаются частицы муки и рыбы.
Панированные кусочки рыбы посредством роль-шита 3 подаются в ванну 1 и проходят в слое нагретого масла. Рольганг приводится в движение двухлинейным цепным конвейером 4. За время прохождения сырья через ванну рыба ужаривается до заданных параметров и приобретает требуемые органолептические и
химические показатели, іемпература масла зависит от вида обжариваемой рыбы и используемой технологии (130— 1о0°С). При достижении предельно допустимого значения кислотного числа (КЧ) масло сливают через клапан 10. Перед сливом с помощью исполнительного устройства 7 ват привода сетки 5 посредством электромагнитной муфты 6 подсоединяется к приводу конвейера 4. Сетка 5 приводится в движение, различные отложения на ней очищаются с помощью скребка 8 в контейнер 9. •
Температура водяной подушки является одним из факторов, определяющих тепловые потери и окисляе-мость масла. Наибольшая температура водяной подушки на выходе продукта из печи не должна превы-
Таблица
Жомосу-ншльная установка Приход тепла а кДж/кг % Расход тепла а кДж/'кг %
Барабанная От 38800 92.16 б пол 36380 86.41
38800 94.20 35020 85,0
а 140 140 0.33 0,34 2ух 5147 5147 12.22 12,5
00.ж 3162 7.51 беж 575 Ш
2249 5,46 1022 2,48
Работающая на перегретом паре 2633.6 91,49 (?пол а* 2834 1 98.22
Qp.ii (2о.ж 2633,6 245.1 174,3 93,79 8.51 6,21 2728,6 4А6 79,3 96,8 1.55 2,82
Анализ показывает, что полезно использованное тепло в сушилке, работающей на перегретом паре, на 12% выше, чем в барабанной установке. Это объясняется потерями в последней тепла с уходящими газами.
По расходу условного топлива сушилка, работающая на перегретом паре, экономичнее барабанной установки на 12,5%. Так, в последней расход условного топлива при содержании СВ в отжатом жоме 16 и 25% составит 37,7 и 21,2 т/сут соответственно. В сушилке, работающей на перегретом паре, этот показатель 32,97
шать 60-70°С. Локальное закипание воды приводит к перемешиванию с маслом и росту его 1СЧ.
Процесс обжаривания рыбы в печах рассматриваемой конструкции характеризуется рядом выходных переменных: процент ужаривания рыбы, температура масла и воды, уровень воды, качество масла (суммарные продукты окисления, КЧ, ИЧ).
Качество обжаренной рыбы оценивается совокупностью показателей, которые можно разделить на инструментальные - процент ужаривания; органолептические - внешний вид, вкус, цвет, запах, поверхностная корочка, отделяемость мяса от кости; определяемые лабораторными методами - степень сохраняемости пшцевых продуктов, общая обсемененность полуфабриката.
Решающее влияние на качество консервов оказывают процент ужаривания рыбы, т. е. отношение массы выпаренной из продукта влаги к массе продукта до обжаривания, и качество обжарочного растительного масла. Обобщенно зависимость процента ужаривания ДМ от основных режимных параметров и свойств сырья можно представить в виде:
ДМ = /{В, Ж, Р, С, Д, Г, т),
где Д - вид рыбы; Ж - массовая доля жира; Р - размерный ряд; С -способ разделывания; Д - длительность и режим хранения; Г - температура масла; т - время обжаривания.
Основные координаты возмущения - температура, расход и размерный ряд сырья; температура и расход добавляемых масла и воды; изменение коэффициента теплоотдачи теплообменников.
При решении поставленных задач основными управляющими воздействиями печи являются расход и температура пара и скорость движения рольганга, определяющая время обжаривания рыбы.
Время, необходимое для обработки у единиц продукции, определяется продолжительностью подготовки печи к работе хп , загрузки т3, обработки тобр и выгрузки тв:
= *п +т.
где п~ - число ячеек рольганга в активном слое масла, шт, к3 -доля пя , заполненных продуктом за технологический цикл.
Производительность печи в установившемся режиме (/' »пя,_/» 1,т0бр » тп +тз 4- тв) рассчитывается по формуле
П-
2>„
* обр
где У= М - вместимость печи, кг; /и, - масса продукции в /-й ячейке рольганга.
Затраты энергии на выработку единицы массы продукции
где А?п - мощность, подводимая к аппарату при выводе его на рабочий режим, Вт; Д/'-энергия, потребляемая единицей массы продукта в процессе тепловой обработки, Дж/кг; А^от- потеря мощности в рабочем режиме установки, Вт,
функционально зависят от эффективности использования тепловой энергии Л^П0Т(Д/Я) и двух управляющих
воздействий, одно из которых определяет подводимую мощность (ДШ+ЫП0Т \ а второе - продолжительность
обработки тобр.
Масса, теряемая продуктом при тепловой обработке, и конечная температура в центре куска рыбы при прочих равных условиях определяются подведенной к продукту энергией и продолжительностью обработки.
Экспериментально показано, что в существующих печах из-за несоответствия подводимой мощности энергопотреблению на обработку продукта температура масла меняется по длине печи (рис.2: 1 - фактическое распределение температуры масла; 2 - рациональное; 4,(х), (К - значение температуры активного слоя масла текущее и на выходе из печи; I - длина печи; /к - конечная длина печи).
{тОііхг
1
0,8-
\
V £
0.1 0.5 тх
Рис. 2
Динамика процесса обезвоживания исследовалась аналитически и экспериментально [1]. При аналитическом исследовании масса обжариваемой рыбы заменялась совокупностью тел правильной геометрической формы (цилиндр, пластина) так, чтобы выполнялись соотношения
1 т.' Р- = Р.
■ ■ л - и -
где *йр, /гр, »;э, - соответственно масса и площадь поверхности
кусков обжариваемой рыбы и эквивалентных тел.
Толщина эквивалентных пластин или диаметры цилиндров принимались равными среднему значению толщины кусков рыбы 2 5, а ширина Ь - равной ширине рольганга. Зависимости толщины обезвоженного слоя % от времени для кусков рыбы в форме цилиндра (кривая 1) с К = 0,01 м и пластины (кривая 2) с 5 = 0,01 м приведены на рис. 3. Результаты расчетов для пластины и цилиндра совпадают при % < 4 ... 5 мм.
Расчет динамики потери массы рыбой проводили по методике, разработанной для высокотемпературного обезвоживания капиллярнопористых тел [1]. При этом предполагали, что теплофизические характеристики рыбы равны среднему значению в рассматривав-
Ъ М
о
Г\ (ТІЙ і
НІШ
№
ІІЩІІ ШШ.' :ШЙ ІЖШ Ижі Рис. 3
X, С
дм
-кхА(\-е 1//г" )+к2т,%,
(1)
достигнуто использованием адаптивного алгоритма управления расходом пара по программе, корректируемой по массе и температуре продукта, поступающего на обработку.
Стабилизация процента ужаривания требует относительно небольших изменений управляющих воздействий, что позволяет использовать зависимости, связывающие процент ужаривания с приращениями "у правляющих воздействий, в линейном приближении.
ДМ[я] = к1 Д?м + кт Дт,
-ь к2
мом диапазоне температур, а температура активного слоя масла не зависит от пространственных координат (модель идеального перемешивания).
Экспериментальные исследования потери массы продуктом удовлетворительно описываются следующей зависимостью, удобной для практического применения:
8М[ п] - - М/[ п ] - отклонение процента ужаривания от регла-
ментируемого значения; Д/и, Ах - соответственно приращения температуры активного слоя масла и времени обжаривания; 0 - индекс, означающий, что указанные комплексы вычисляются при расчетных значениях параметров процесса.
Начальные значения коэффициентов идентификации к, и /гт определяются по результатам расчетов ДМ = /(7М, т), а в дальнейшем уточняются по комбинированному алгоритму, предложенному в [2].
где х - время, с; 7"н - постоянная времени, характеризующая изменение среднемассовой температуры продукта, с.
Множитель А учитывает вид рыбы, процентное содержание воды в мясе рыбы, состояние сырья. Коэффициенты к] и к2 зависят от совокупности факторов, влияющих на величину потери массы при обжаривании (температура масла, время обжаривания, размер кусков, жирность рыбы); Тн определяется геометрическими размерами и теплофизическими свойствами обрабатываемого продукта.
Для рыбы с жирностью 0,3% применительно к (1) расчетным путем получены значения коэффициентов: А = 80,7%; к2 = 0,7; Тн = 6 мин. На коэффициент кх наибольшее влияние оказывает температура масла. Так, при /м 130, 150 и 180°С /о соответственно составляет 0,31,0,38 и 0,5.
Процент ужаривания продукта определяли по результатам взвешивания контрольных партий, уложенных в специальные контейнеры, на входе в печь гп[п\ и на выходе из нее тфг]:
мад=*н^1№/1
т[п\
где т[п], /ик [и] - начальная и конечная массы продукта, кг; п - порядковый номер контейнера.
Сравнение результатов расчетов (толстая линия) с экспериментальными данными (тонкая линия) представлено на рис, 4 (кривые 1, 2, 3 соответствуют 180, 150, 130°С).
Управление качеством процесса обжаривания заключается в минимизации отклонения потери массы от заданного значения, что, в частности, может быть
Рис. 4
Задачу управления технологическим процессом можно разделить на две подзадачи: минимизация продолжительности процесса подготовки оборудования к рабочему режиму' и снижение потерь энергии при работе установки в режиме, обеспечивающем выпуск продукта требуемого качества.
Первая задача решается использованием предельных управляющих воздействий, что позволяет реали-зовать квазиоптимальный алгоритм вывода печи на рабочий режим по известной модели.
Щр)--
7 0 р-П
где к09Т0,хй - соответственно коэффициент передачи, постоянная времени и запаздывание по каналу «температура масла-расход пара».
По данным промышленных исследований для паромасляной печи:
к0 = 0,188 °С/(кг-с), х0 = 50 с; Т0 = 183 с.
Квазиоптимальный по быстродействию алгоритм имеет вид [3]
ц,(т) = -^п|г>
*0 + Ь2Вп(т - т0) + Ьг(,)Г>„(т)+ -
где £>„( т-т0) = 0,
6ї=і0а1[а,2(е'в,/1-1)-1]; й2(т) = Л0а,[а32(еаі/ 2 -а, )+а4 ];
0<т<г0;
1-2е
+ е
/г„
о Ао ,
е ' -1;
Ь\ —
т
«3 =-
т0 . ,
Различием в быстродействии между представлен-ным квазиоптимальньтм и строго оптимальным алгоритмами с допустимой для практики погрешностью (-10%) можно пренебречь. Следует подчеркнуть, что наличие сетки, охватывающей пассивный слой масла, снижает время выхода печи на режим примерно на 15-20% за счет уменьшения теплоотвода в пассивный слой масла.
Вторая задача решается выравниванием температуры масла по длине печи и подавлением конвекции в его пассивном слое. С этой целью поверхность теплообменника распределяют по длине печи так, что обеспечивается тепловыделение в соответствии с эталонной моделью, определяющей мощность, подводимую к обжариваемом^' продукту:
*,=
ІГ.
\
кхАе
Аг'
" + к. Д/ + —1-е I т
К-
где Ді - изменение энтальпии, учитывающей теплоту парообразования и энергию на перегрев пара, Дж/кг; Д/ц - изменение энтальпии при нагреве сырья до температуры фазового перехода, Дж/кг.
Стабилизация температуры масла по длине печи снижает потери энергии и скорость окисления масла за счет изменения среднемассовой температуры его активного слоя при обеспечении необходимой степени обезвоживания продукта.
Изменение температуры масла Д/м, вызванное изменением подводимой к печи тепловой мощности АЫт , с достаточной для практического применения точностью определяется выражением
Ыя=к(1-е-г/Т")Шя,
где к - коэффициент передачи, “С/Вт; Гм- постоянная времени, характеризующая время выхода печи на установившийся режим работы, с.
При изменении ААгт температура масла выходит на новый установившийся режим за время ~ 3Гм. Время обжаривания тобж «Ти, поэтому прит <т0бж справедливо
к т
Д/ = — АЫ .
м гр т *
Управление температурой активного слоя масла в печи, динамические свойства которой удовлетворительно описываются апериодическим звеном с постоянной времени Т0 и запаздыванием т0, обеспечивается использованием пропорционально-интегрального (ПИ) закона регулирования. Для выбора параметров регулятора использован корневой метод синтеза, ориентированный на получение апериодических переходных процессов в замкнутой системе при расчетных параметрах передаточной функции объекта. Апериодический переходной процесс минимальной длительности (время регулирования ~ 5т0) имеет место, если субоптимальные параметры настройки регулятора определяются номинальными значениями параметров объекта и составляют [4]
Ги =7’0;*р =0,343ГИ / к0х„
где Тя~ постоянная изодрома; к9 - коэффициент передачи ПИ регулятора; ка- номинальное значение коэффициента передачи объекта управления.
Анализ показывает, что параметры Т0,т0,кд, характеризующие динамические свойства печи как объекта управления, в процессе функционирования изменяются не более чем на 20%. Это изменение обусловлено прежде всего изменением объема масла в печи и подведенной мощности. Исследование методом компьютерного моделирования переходных характеристик системы регулирования температуры масла в печи в указанном диапазоне колебаний параметров объекта при неизменных параметрах настройки регулятора показало, что перерегулирование не превышает 3%.
Наличие конвекции в пассивном слое масла приводит к увеличению теплоотвода в водяную подушку и затрудняет осаждение частиц, отделяющихся от обрабатываемого продукта, ускоряя тем самым процесс окисления масла. За счет этого увеличивается удельный расход масла и повышаются энергозатраты, определяющие в основном технологическую себестоимость консервов из обжаренной рыбы.
В предложенной конструкции (рис.1) подавление естественной конвекции достигается за счет оснащения печи замкнутой сеткой, расположенной непосредственно под теплообменником таким образом, что обе ее ветви охватывают пассивный слой масла.
Уменьшение эффективной теплопроводности может быть объяснено тем, что сетка препятствует развитию валиковой конвекции Рэлея-Бенара за счет “рассекания” конвективных валиков, что в свою очередь способствует снижению времени нахождения частиц продукта во взвешенном состоянии и окисления масла [5].
Возможность уменьшения конвекции масла использованием металлической сетки, охватывающей слой масла, проверялась экспериментально. Проводились исследования, где толщина активного слоя масла (над сеткой) составляла 55 мм, пассивного (между сет-
кой и поверхностью воды) - 8 мм, слоя воды - 37 мм. Результаты измерений температур в каждом из слоев показывают, что наличие сетки при постоянной мощности нагревателя увеличивает скорость роста температуры активного слоя, существенно снижает интенсивность нагрева масла в пассивном слое и воды. Эффективный коэффициент теплопроводности, определяющий теплопередачу от активного слоя масла к воде, уменьшается практически в 2 раза.
Структурно алгоритм реализуется двухуровневой системой управления процессом обжаривания, верхний уровень которой по результатам измерений потери массы, температуры масла, производительности печи, температуры сырья определяет управляющие воздействия, обеспечивающие минимизирующие отклонения потери массы рыбой от заданного значения. Нижний уровень управления включает в себя системы регулирования скорости движения конвейера, температуры масла, расхода пара [6].
Управление процессом обжаривания осуществляется либо изменением времени обжаривания (скорости
конвейера), либо изменением температуры масла. Учитывая, что печь находится в составе линии и должна быть согласована по производительности с другими элементами, в данной работе принято регулирование процента ужаривания путем изменения температуры масла.
ЛИТЕРАТУРА
]. Шубин Г,С. Сушка и тепловая обработка древесины. -М.: Лесная, пром-сть, 1990, - 336 с.
2. Поляк Б.Т. Новый метод типа стохастической аппроксимации // А и Т. - 1990. -№ 7. - С. 98 -107.
3. Клюев А.С., Карпов B.C. Синтез быстродействующих регуляторов для объектов с запаздыванием. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 176 с.
4. Фокин А.Л., Хароцов В.Г. Управление линейным объектом е запаздыванием // Автоматизация и современные технологии. — 2002. - № 2.
5. Гетлинг А.В. Конвекция Рэлея-Бенара. Структуры и динамика. - М.: Эдиториал УРСС, 1999. - 248 с.
6. Сердобинцев С.П. Адаптивное управление процессами термической обработки пищевых продуктов. - Калининград: КГТУ, 1998.-182 е.
Поступила 23.10.02 г.
, .. 663.25.002.2
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ФИЗИЧЕСКОЕО ВОЗДЕЙСТВИЯ -НА ВИНОГРАД И ПРОДУКТЫ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ
М.Г. БАРЫШЕВ, Г.И. КАСЬЯНОВ, В.Т. ХРИСГЮК,
Л.Н. УЗУН
Кубанский государственный технологический университет Кубанский государственный университет
Для регулирования состава сусла и вина, интенсификации процессов экстракции, брожения, настаивания, а также с целью осветления и стабилизации к повторным помутнениям вторичных продуктов используют различные методы физического воздействия. Часть из них связана с внесением в обрабатываемую среду природных или синтетических веществ или препаратов как органического, так и неорганического происхождения.
Среди методов физического воздействия на сырье, полуфабрикаты и товарную продукцию следует выделить термическое воздействие (тепловое и низкотемпературное), обработку' волнами различной длины (ультразвуковыми, ультрафиолетовыми, инфракрасными) или лучами лазера, облучение радиоактивными веществами, сверхвысокочастотное электромагнитное излучение, низкочастотные электромагнитные поля (ЭМП).
Рассмотрим каждый из перечисленных методов более подробно.
Обработка теплом виноградной мезги оказывает разностороннее действие на компоненты сусла и на обменные процессы между ними, в результате чего увеличивается количество экстрактивных веществ - фе-
нольных, красящих, ароматических и др. [1]. Такое сусло используется при приготовлении десертных вин.
Этот способ применяется также для консервации различных типов вин. При воздействии высоких температур наступают сложные необратимые процессы в клетке, вследствие чего аэробные и анаэробные микроорганизмы погибают [2].
При высокотемпературных режимах обработки (70°-80°С) в винах происходит заметное снижение органолептических свойств. Обычно отмечают тона ува-ренности, тусклости, вялости. Возрастает содержание меланоидинов, меняется спектральная характеристика вин [3], быстро расходуется растворенный кислород на окисление компонентов вин, инактивируются окислительные ферменты, происходит денатурация белков.
Обработку холодом в виноделии используют для охлаждения виноградного сусла во время брожения с целью его регулирования, а также для стабилизации вин к кристаллическим помутнениям.
При обработке холодом вина охлаждают до температуры ниже 0°С (близкой к температуре замерзания), затем оставляют на некоторое время при этой температуре, чтобы образовавшиеся осадки осели на дно, и фильтруют. В результате удаляются кальциевые и калиевые соли винной кислоты, в том числе уменьшается содержание высокомолекулярных соединений (ВМС). Таким путем добиваются осветления вин и стабилизации окраски и прозрачности [4].
