Кемерово, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
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; определение рабочего диапазона скорос¬тей флюидизации в скороморозильном аппарате, обеспечивающего возникновение псевдоожиженного слоя и исключающего унос плодов из рабочей зоны при замораживании ирги; определение диапазона скоростей движения воздуха при флюидизационном замораживании, обеспечивающий минимальный уровень энергетических затрат при реализации процесса. При решении задачи оптимизации этих параметров использовались теория подобия и критериальные уравнения теплообмена в условиях принудительной конвекции. Приводятся уравнения для определения аэродинамического сопротивления псевдоожиженного слоя, границ режима флюидизации с критическими скоростями w’, w”, количества энергии (Lа), необходимой для обеспечения циркуляции требуемого количества воздуха с заданной скоростью. Представлены графики продолжительности замораживания плодов ирги при различных режимах низкотемпературной обработки, что позволяет оптимизировать процесс и обеспечивает высокую эффективность замораживания продукции. Определены затраты энергии на создание и поддержание режима флюидизации в рабочей зоне скороморозильного аппарата для замораживания плодов ирги в зависимости от скорости и температуры воздушной среды. Результаты расчетов указывают, что оптимальная скорость движения воздуха в температурном диапазоне от минус 20 °С до минус 45 °С, при которой энергетические затраты на организацию режима флюидизации в рабочей зоне скороморозильного аппарата будут минимальны, составляет 6 м/с.
плоды ирги, флюидизация, быстрое замораживание, скороморозильный аппарат, псевдоожиженный слой, скорость замораживания, продолжительность замораживания, низкотемпературная обработка, аэродинамическое сопротивление, шоковая заморозка
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. Короткий И.А. Сибирская ягода. Физико-химические основы технологий низкотемпературного консервирования / Кемеров. технол. ин-т пищевой промышленности (ун-т). Кемерово, 2007. 146 с.
2. Величко Н.А., Машанов А.И. Химический состав плодов ирги круглолистной и разработка рецептуры алкогольного напитка на ее основе // Вестник КрасГАУ. 2019. № 2 (143). С. 135–138. EDN YZSYEP.
3. Лаксаева Е.А. Плоды растений рода ирги (Amelanchier medic) как источник биологически активных веществ и минералов // Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова. 2018. Т. 26, № 2. С. 296–304. DOI:https://doi.org/10.23888/PAVLOVJ 2018262296-304.
4. Перспективы разработки нектаров функционального назначения на основе плодово-ягодного сырья Сибирского региона / М.С. Куракин [и др.] // Ползуновский вестник. 2020. № 2. С. 93–99. DOI:https://doi.org/10.25712/ASTU. 2072-8921.2020.02.018.
5. Исследование процесса замораживания и размораживания плодовых соков / В.Ю. Ов-сянников [и др.] // Вестник Международной академии холода. 2015. № 3. С. 23–27. EDN ULPOJF.
6. Короткий И.А. Исследование влияния режимов замораживания и низкотемпературного хранения на качественные показатели ягод черной смородины // Вестник КрасГАУ. 2008. № 2. С. 291–294. EDN ISDFVT.
7. Колодязная В.С., Румянцева О.Н., Кипрушкина Е.И. История и перспективы развития холодильной технологии пищевых продуктов // Вестник Международной академии холода. 2023. № 1. С. 47–54. DOI: 10.17586/ 1606-4313-2023-22-1-47-54.
8. Венгер К.П., Цибульских В.Е. Экспериментальные исследования процесса флюидизации при замораживании растительной продукции в низкотемпературном воздушном потоке // Вестник науки. 2020. Т. 5, № 5 (26). С. 213–219. EDN OWQRMS.
9. Остроумов Л.А., Буянов О.Н., Короткий И.А. Исследование процессов замораживания плодов и ягод // Техника и технология пищевых производств. 2009. № 1 (12). С. 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. Определение режимов замораживания пищевых продуктов / Н.С. Николаев [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2020. Т. 82, № 2 (84). С. 17–24. DOI: 10.20914/ 2310-1202-2020-2-17-24.
12. Короткий И.А., Сахабутдинова Г.Ф., Ибрагимов М.И. Определение теплофизических свойств компонентов плодоовощной смеси в процессе замораживания // Техника и технология пищевых производств. 2016. № 1 (40). С. 81–86. EDN VRDJDB.
13. Методика определения криоскопической температуры для различных плодов и ягод / И.А. Короткий [и др.] // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2022. № 2 (66). С. 202–208. DOI:https://doi.org/10.32786/2071-9485-2022-02-26.
14. Грибов Д.И. Технологический расчет инновационного флюидизационного скороморозильного аппарата для плодоовощной продукции // Холодильная техника. 2020. № 5. С. 30–33. EDN OKNIZA.
15. Определение режимов замораживания пищевых продуктов / Н.С. Николаев [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2020. Т. 82, № 2 (84). С. 17–24. DOI: 10.20914/ 2310-1202-2020-2-17-24.
16. Короткий И.А., Расщепкин А.Н. Энергетическая эффективность низкотемпературных систем // Молочная промышленность. 2023. № 2. С. 54–57. DOI:https://doi.org/10.31515/1019-8946-2023-02-54-57.
