Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
ve of the study is to optimize the energy costs of the fluidization mode when freezing serviceberry. Tasks: to create a methodology for calculating the energy costs required to organize the fruit fluidization mode in an air fluidization apparatus; to determine the critical fluidization rates when freezing serviceberry at different temperature modes of low-temperature processing; to determine the operating range of fluidization rates in a quick-freezing apparatus, ensuring the formation of a pseudo-fluidized layer and eliminating the carryover of fruits from the working area when freezing serviceberry; to determine the range of air movement rates during fluidization freezing, ensuring the minimum level of energy costs du¬ring the process. When solving the problem of optimizing these parameters, the similarity theory and criterial equations of heat exchange under forced convection conditions were used. The paper presents equations for determining the aerodynamic resistance of a fluidized bed, the boundaries of the fluidization mode with critical speeds w’, w”, and the amount of energy (LA) required to ensure the circulation of the required amount of air at a given speed. Graphs of the duration of freezing of serviceberry under various low-temperature processing modes are presented, which allows optimizing the process and ensures high efficiency of freezing products. The energy costs for creating and maintaining the fluidization mode in the working area of a quick-freezing apparatus for freezing serviceberry are determined depending on the speed and temperature of the air environment. The calculation results indicate that the optimal air velocity in the temperature range from minus 20 °C to minus 45 °C, at which the energy costs for organizing the fluidization mode in the working area of the quick-freezing apparatus will be minimal, is 6 m/s.
serviceberry fruits, fluidization, rapid freezing, quick-freezing apparatus, fluidized bed, freezing speed, freezing duration, low-temperature treatment, aerodynamic resistance, shock freezing
Введение. Ирга обыкновенная представляет собой крупный многоствольный ягодный кустарник. Относится к семейству розоцветных и подсемейству яблоневых. Ирга достаточно неприхотлива, что обуславливает ее популярность в зонах сурового и умеренного климата. Урожайность ирги составляет до 15 кг плодов с одного куста за сезон.
В Сибири распространена ирга канадская. Плоды ирги обладают комплексом биологически активных веществ. Содержание сахаров достигает 14 %, кислотность - 0,5–0,9 %. Пектиновые вещества составляют 0,8–1,0 %, дубильные и красящие - 0,9 %.
Достаточно богаты плоды ирги витаминами С (37–61 мг%), В (60–150 мг%), провитамином А (0,2 мг%), кумаринами и оксикумаринами (гликозидированные формы, 1,4–3,7 мг%). В плодах содержатся фолиевая кислота (0,05 мг%), флавоноиды (антоцианы, лейкоантоцианы, 1 %), бетаин (300–980 мг%), ситостерин, а также микроэлементы - медь, железо, кобальт, йод и особенно много марганца [1, 2].
Наличие комплекса биологически активных веществ в плодах ирги обеспечивает их лечебное действие в профилактике, устойчивость к различным заболеваниям. Кумарины и оксикумарины (гликозидированные формы) в плодах ирги обладают противоязвенным, бактерицидным и противоопухолевым действием. Р-активные соединения выносят из организма ионы тяжелых металлов, нормализуют проницаемость капилляров, предупреждают свертываемость крови и обладают антигеморрагическим действием [3].
Поскольку в Западной Сибири имеется достаточная сырьевая база высокоценного продукта - ирги, изучение возможности использования данных плодов для их заготовки и низкотемпературного консервирования представляет большой практический интерес [4].
Замораживание является оптимальным способом длительного хранения плодов ирги, при этом быстрое замораживание позволяет наилучшим образом сохранить ценные компоненты и структуру плодов [5].
Оптимальным с точки зрения технической реализации процесса, а также сохранения товарного вида и органолептических характеристик плодов является флюидизационное замораживание [6]. При этом необходимо иметь в виду, что размер плодов ирги редко превышает 1,2 см, к тому же содержание воды в них составляет порядка 82 %, поэтому плоды ирги обладают подверженной механическим повреждениям структурой.
Флюидизационное замораживание является достаточно энергоемким процессом, поскольку требуется не только создать условия для эффективного теплоотвода от объекта замораживания при низких температурах, но и обеспечить эффективную циркуляцию и теплообмен больших объемов воздуха в ограниченном пространстве скороморозильного аппарата [7]. Это эффективный метод низкотемпературной обработки агропромышленного сырья, поскольку позволяет наилучшим образом сохранить качественные характеристики продукта. Важным преимуществом этого метода также является равномерное охлаждение и замораживание того продукта, низкотемпературная обработка которого производится.
Проектирование процессов низкотемпературной обработки во флюидизационных скороморозильных аппаратах является комплексной задачей, требующей учета различных факторов, имеющих разнонаправленное влияние на процесс [8]. Одним из ключевых аспектов при таком проектировании является анализ и оптимизация условий замораживания при различных режимах низкотемпературной обработки.
Цель исследования – оптимизация энергетических затрат режима флюидизации при замораживании плодов ирги.
Задачи: создание методики расчета энергетических затрат, необходимых для организации режима флюидизации плодов в воздушном флюидизационном аппарате; определение критических скоростей флюидизации при замораживании плодов ирги при различных температурных режимах низкотемпературной обработки, рабочего диапазона скоростей флюидизации в скороморозильном аппарате, обеспечивающего возникновение псевдоожиженного слоя и исключающего унос плодов из рабочей зоны при замораживании ирги, диапазона скоростей движения воздуха при флюидизационном замораживании, обеспечивающего минимальный уровень энергетических затрат при реализации процесса.
Объекты и методы. Для проектирования процессов быстрого замораживания плодов ирги необходимо задаться массогабаритными показателями сырья. На основании статистических исследований плодов сорта ирга канадская, собранной в Кемеровской области, урожаев 2021–2022 гг. определены следующие средние значения: масса единичного плода – 0,7 г; плотность продукта – 1024 кг/м3; насыпная плотность плодов – 719 кг/м3; пористость слоя – 0,303; диаметр единичного плода – 11 мм.
Необходимо отметить, что отличия различных плодов от границы режима флюидизации задаются критическими скоростями w’, w” [9].
Первая критическая скорость w’ характеризует начало левитации плодов в потоке проходящего через них воздуха и определяется как функция кинематической вязкости воздуха (nа, м2/с) и диаметра плода (d, м):
. (1)
Критерий Архимеда (Ar), определяемый через соотношение плотностей продукта (rпр, кг/м3) и проходящего через него воздуха (rа, кг/м3), вычисляется по формуле
, (2)
где g – ускорение свободного падения.
Вторая критическая скорость движения воздуха w” характеризует скорость, при которой возможен унос плодов из рабочей зоны аппарата:
(3)
Продолжительность замораживания плодов ирги с достаточно высокой точностью можно определить по формуле Планка [10]. Для продуктов сферической формы диаметром d (м), как раз соответствующей плодам ирги, формула Планка учитывает коэффициент теплоотдачи от продукта к воздуху (a, Вт/(м2×К)), теплопроводность замороженной части продукта (lз, Вт/(м×К)), плотность продукта (rпр, кг/м3) и удельную теплоту, отводимую от продукта в процессе замораживания (qз, Дж/кг):
, (4)
где tкр – криоскопическая температура продукта, °С.
Коэффициент теплоотдачи a можно представить как функцию критерия Нуссельта (Nu), теплопроводности воздуха (la) и диаметра продукта (d) по формуле
(5)
Критерий Нуссельта для теплоотдачи при флюидизации зависит от критериев Прандтля Pr и Рейнольдса Re и определяется по уравнению
(6)
Критерий Прандтля, в свою очередь, зависит от параметров воздуха – динамической вязкости (mа, Па×с), удельной величины изобарной теплоемкости (сp , Дж /(кг×К)) и теплопроводности (la):
(7)
Критерий Рейнольдса определяется динамическими характеристиками воздушного потока – скоростью (w, м/с), плотностью (rа, кг/м3), динамической вязкостью (mа ) и диаметром продукта (d):
. (8)
Теплота, отводимая при воздушном замораживании от ягоды, передается воздуху, поэтому при расчете процесса низкотемпературной обработки необходимо рассчитать количество воздуха (mа, кг), способное воспринять эту теплоту [11].
Определить количество воздуха для замораживания килограмма плодов можно по формуле
, (9)
где Dh – разность энтальпий плодов при изменении их температуры от 10 до –18 °С, Дж/кг; Dtа – изменение температуры воздуха после теплового взаимодействия с продуктом, К.
Изменение энтальпии плодов при замораживании в заданном температурном диапазоне определяется исходя из известного компонентного состава ягод [12], а также из теплоты фазового перехода влаги, присутствующей в плодах ирги. Dh соответствует произведению коэффициента теплоотдачи a от плода к воздуху, площади поверхности плода Fпр и среднелогарифмической разности температуры Dtm:
. (10)
Среднелогарифмическая разность температур определяется по формуле
, (11)
где tв1 – температура воздуха на входе в рабочую зону; tв2 – температура воздуха на выходе из рабочей зоны; tкр – криоскопическая температура плодов [12].
Температура воздуха на выходе из рабочей зоны определяется методом последовательных приближений из формулы [13].
Объем воздуха Va, соответствующий требуемой массе, определенной по формуле (9), определяется по формуле
. (12)
Количество энергии (Lа), необходимое для обеспечения циркуляции требуемого количества воздуха с заданной скоростью, определяется по формуле
(13)
где hв – КПД вентилятора; DP – аэродинамическое сопротивление системы циркуляции воздуха.
Наибольшая величина потерь в аэродинамическом контуре имеет место в псевдоожиженном слое, сетчатом поддоне для замораживаемых плодов, а также в оребренных секциях испарителя [14]. Потери давления в других элементах аэродинамического контура относительно невелики, поэтому их можно учесть аэродинамическим КПД вентилятора [15].
Аэродинамическое сопротивление псевдоожиженного слоя (DPф, Па) зависит от характеристик потока воздуха и параметров продукта, определяется по формуле
(14)
где Hс – высота псевдоожиженного слоя, м; Fп – площадь, занимаемая плодами на сетчатом поддоне, м2; Gп – масса плодов на сетчатом поддоне.
Высота псевдоожиженного слоя определяется по формуле
, (15)
где H0 – высота слоя продукта на поддоне до режима флюидизации, м; e0 – пористость плодов;
– пористость плодов в режиме флюидизации.
Аэродинамическое сопротивление сетчатого поддона (DPп, Па) определяется по эмпирической формуле
, (16)
где w – скорость потока воздуха, м/с.
Аэродинамическое сопротивление оребренной секции испарителя (DPи, Па) находится по формуле
, (17)
где А – коэффициент, учитывающий характеристики секции испарителя.
Гидравлическое сопротивление аэродинамического контура определяется как сумма значимых аэродинамических сопротивлений с учетом дополнительно возникающих сопротивлений, расчет которых не производился, x = 1,1:
. (18)
Результаты и их обсуждение. Результаты определения критических скоростей флюидизации, рассчитанные по формулам (1)–(3), для плодов ирги, представлены на графике (рис. 1).
Рис. 1. График зависимости критических скоростей флюидизации w’ (Кр1)
и w” (Кр2) для плодов ирги от температуры воздуха t
Диапазон скоростей воздуха, в котором имеет место флюидизация, в рабочей зоне аппарата составляет от 1,6 до 15,1 м/с в диапазоне температур воздуха –45…–15 °C.
С учетом индивидуальных характеристик отдельных плодов определен диапазон скоростей, который рекомендован для быстрого замораживания плодов ирги в скороморозильном аппарате воздушного типа. Диапазон скоростей воздуха, гарантирующий возникновение эффекта флюидизации и исключающий унос плодов из рабочей зоны, для плодов ирги составляет 2,2–12 м/с.
Расчет продолжительности замораживания плодов ирги при различных режимах низкотемпературной обработки позволяет оптимизировать процесс и обеспечить высокую эффективность замораживания продукции [16]. Результаты расчетов, выполненных по формулам (4)–(8), представлены на графике (рис. 2).
Рис. 2. Продолжительность замораживания плодов ирги при скорости движения воздуха:
1 – 2 м/с; 2 – 3; 3 – 4; 4 – 5; 5 – 7; 6 – 10; 7 – 14 м/с
С помощью формул (9)–(18) были определены затраты энергии на создание и поддержание режима флюидизации в рабочей зоне скороморозильного аппарата для замораживания ягод ирги в зависимости от скорости и температуры воздушной среды. Начальная температура ягоды (tн) составляла 10 °С, конечная температура замораживаемой ягоды (tк) – минус 18 °С. Полученные зависимости приведены на рисунке 3.
Рис. 3. Удельные затраты энергии (кДж/кг), требуемые для обеспечения режима флюидазации
в скороморозильном аппарате при замораживании плодов ирги от начальной температуры
плодов 10 °С до конечной среднеобъемной температуры плода –18 °С
Результаты расчетов свидетельствуют, что для ягод ирги диапазон скоростей флюидизации, в котором энергозатраты на обеспечение циркуляции воздуха в скороморозильном аппарате минимальны, составляет 6–7 м/с.
Заключение. Увеличение скорости движения воздуха в псевдоожиженном слое интенсифицирует теплообмен, уменьшает продолжительность замораживания ягоды и таким образом уменьшает расход энергии на обеспечение режима флюидизации. При этом с увеличением скорости движения растут пропорционально квадрату скорости аэродинамические потери в циркуляционном контуре скороморозильного аппарата. В этом контексте увеличение скорости движения воздушной среды увеличивает энергетические затраты на организацию движения воздушной среды. Соответственно при относительно малых скоростях увеличение скорости движения воздуха уменьшает удельные энергетические затраты, требуемые для замораживания ягоды. При относительно высоких скоростях движения воздуха увеличение энергетических затрат, необходимое для компенсации возрастающих аэродинамических потерь, превышает положительный эффект от увеличения эффективности теплообмена при низкотемпературной обработке ягоды.
Результаты расчетов свидетельствуют, что для ягод ирги диапазон скоростей флюидизации, в котором энергозатраты на обеспечение циркуляции воздуха в скороморозильном аппарате минимальны, составляет (6 ± 0,5) м/с.
1. Korotkij I.A. Sibirskaya yagoda. Fiziko-himicheskie osnovy tehnologij nizkotemperatur¬nogo konservirovaniya / Kemerov. tehnol. in-t pischevoj promyshlennosti (un-t). Kemerovo, 2007. 146 s.
2. Velichko N.A., Mashanov A.I. Himicheskij sostav plodov irgi kruglolistnoj i razrabotka receptury alkogol'nogo napitka na ee osnove // Vestnik KrasGAU. 2019. № 2 (143). S. 135–138. EDN YZSYEP.
3. Laksaeva E.A. Plody rastenij roda irgi (Ame-lanchier medic) kak istochnik biologicheski aktivnyh veschestv i mineralov // Rossijskij mediko-biologicheskij vestnik imeni akademika I.P. Pavlova. 2018. T. 26, № 2. S. 296–304. DOI:https://doi.org/10.23888/PAVLOVJ 2018262296-304.
4. Perspektivy razrabotki nektarov funkcional'nogo naznacheniya na osnove plodovo-yagodnogo syr'ya Sibirskogo regiona / M.S. Kurakin [i dr.] // Polzunovskij vestnik. 2020. № 2. S. 93–99. DOI:https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2020.02.018.
5. Issledovanie processa zamorazhivaniya i razmorazhivaniya plodovyh sokov / V.Yu. Ov-syannikov [i dr.] // Vestnik Mezhdunarodnoj akademii holoda. 2015. № 3. S. 23–27. EDN ULPOJF.
6. Korotkij I.A. Issledovanie vliyaniya rezhimov zamorazhivaniya i nizkotemperaturnogo hra-neniya na kachestvennye pokazateli yagod chernoj smorodiny // Vestnik KrasGAU. 2008. № 2. S. 291–294. EDN ISDFVT.
7. Kolodyaznaya V.S., Rumyanceva O.N., Kip-rushkina E.I. Istoriya i perspektivy razvitiya holodil'noj tehnologii pischevyh produktov // Vestnik Mezhdunarodnoj akademii holoda. 2023. № 1. S. 47–54. DOI:https://doi.org/10.17586/1606-4313-2023-22-1-47-54.
8. Venger K.P., Cibul'skih V.E. `Eksperimental'-nye issledovaniya processa flyuidizacii pri zamorazhivanii rastitel'noj produkcii v nizko-temperaturnom vozdushnom potoke // Vestnik nauki. 2020. T. 5, № 5 (26). S. 213–219. EDN OWQRMS.
9. Ostroumov L.A., Buyanov O.N., Korotkij I.A. Issledovanie processov zamorazhivaniya plo-dov i yagod // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. 2009. № 1 (12). S. 32–36. EDN KUFVHB.
10. Korotkiy I.A. Analysis of the energy efficiency of the fast freezing of blackcurrant berries // Foods and Raw Materials. 2014. Vol. 2, № 2. P. 3–14. DOI:https://doi.org/10.12737/5454.
11. Opredelenie rezhimov zamorazhivaniya pische¬vyh produktov / N.S. Nikolaev [i dr.] // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tehnologij. 2020. T. 82, № 2 (84). S. 17–24. DOI: 10.20914/ 2310-1202-2020-2-17-24.
12. Korotkij I.A., Sahabutdinova G.F., Ibragimov M.I. Opredelenie teplofizicheskih svojstv kompo¬nentov plodoovoschnoj smesi v processe zamorazhivaniya // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. 2016. № 1 (40). S. 81–86. EDN VRDJDB.
13. Metodika opredeleniya krioskopicheskoj tempe¬ratury dlya razlichnyh plodov i yagod / I.A. Ko¬rotkij [i dr.] // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. 2022. № 2 (66). S. 202–208. DOI:https://doi.org/10.32786/2071-9485-2022-02-26.
14. Gribov D.I. Tehnologicheskij raschet innova-cionnogo flyuidizacionnogo skoromorozil'nogo apparata dlya plodoovoschnoj produkcii // Holodil'naya tehnika. 2020. № 5. S. 30–33. EDN OKNIZA.
15. Opredelenie rezhimov zamorazhivaniya pische¬vyh produktov / N.S. Nikolaev [i dr.] // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tehnologij. 2020. T. 82, № 2 (84). S. 17–24. DOI: 10.20914/ 2310-1202-2020-2-17-24.
16. Korotkij I.A., Rasschepkin A.N. `Energetiches-kaya `effektivnost' nizkotemperaturnyh system // Molochnaya promyshlennost'. 2023. № 2. S. 54–57. DOI:https://doi.org/10.31515/1019-8946-2023-02-54-57.
