Введение к работе
Актуальность работы. Современный этап развития пищевой про» мышлепности характеризуют масштабное использование искусственного холода в отраслях пищевой промышленности. Роль холода непрерывно возрастает в первую очередь, в области консервирования сырья и продуктов питання, потребность в которых непрерывно растет. Технологические процессы консервирования и переработки продуктов растительного н животного происхождения, влажность которых превышает 12...15 %, нуждается в холоде от момента сбора и до момента потребления. При этом температурные режимы процессов охлаждения, замораживания и хранения определяются как функция свойств продуктов, сезонности их получения, специфики и продолжительности технологической обработки и длительности хранения. Наиболее широко эти процессы применяют в технологических производства::, связанных с обработкой и хранением таких пнщевых продуктов, как фрукты, овощи, мясо, рыба, молоко к продукты пх переработки, маргарші, кондитерские изделия, пиво, соки и др. Независимо от специфики каждого продукта, применяемые для его обработки конкретные технологические производства охватывают один или несколько холодильных процессов. Это обусловлено рядом причин, среди которых важнейшими является микробиологические и биохимические процессы. В зависимости от конечной температуры холодильной обработки, в продуктах с большей или меньшей интенсивностью могут проходить биохимические превращения, обусловленные действием ткакевых ферментов, химических реакций из-за контакта продуктов с окружающей средой.
Происходит также развитие микробиологических процессов, что приводит к снижению пищевой ценности продуктов, резко ухудшает их органо-лситические показатели, вызывает образование в продуктах вредных для здоровья веществ. Поскольку необходимым условием для развития микроорганизмов является наличие воды в доступной для них форме, то превращение воды в неприемлемые формы или ее удаление щ продукта в соответствующих количествах приводит к подавлению жизнедеятельности мйкрооргаїгазмоа. Быстрое охлаждение и замораживание предотвращает значительное диффузионное перераспределение влаги и растворенных веществ, и способствует образованию мелких, равномерно распределенных кристаллов льда.
Развитие микрофлоры при осушке и охлаждении продукта резко тормозится и с тем большей степенью, чем ниже температура продукта к точке замерзания жидкости в микроорганизме. Кроме того, важную рать играет контакт поверхности продукта с охлаждающей средой. Размножение плесени начинается прежде всего на тех участках поверхностей продуктов, где нарушена их целостность и возле которых затруднена циркуляция врадуха.
При холодильной обработке продуктов растительного и зкиеотного происхождения важнейшей задачей является также понижение скорости процессов, обусловленных деятельностью тканевых ферментов самих пнщевых продуктов. Характер ферментативных процессов в продуктах растительного и животного пропехоздекия тахоз, что нх развитие сопровождается фшпхо-
химическими И микроструктурными превращениями тканей, в результате которых изменяется химический состав, консистенция, сочность, вкус, аромат, внешний вид и водоудерживающая способность продуктов.
Для продуктов натуральных растительного происхождения характерно сохранение физиологической активности после их сбора. Это относится к дыханию плодов и овощей, тепловыделению, приводит к усушке и потере фруктами и овощами товарного вида и потребительской стоимости. Быстрое доведение температуры продукта до уровня, неблагоприятного для развития микрофлоры, обеспечивает повышение его стабильности и выгодно в экономическом отношении, так как способствует понижению усушки и увеличению коэффициента использования холодильных емкостей. Эти обстоятельства лежат в основе современных направлений совершенствования технологии холодильной обработки пищевых продуктов.
Эффективность подавления жизнедеятельности микроорганизмов зависит не только от конечного значения температур, но и от темпа теплоотвода -интенсивности охлаждения. Повышение интенсивности охлаждения при прочих равігьіх условиях может быть достигнуто за счет увеличения перепада іемпсратур охлаждающей среды и повышения скорости ее движения, а также интенсивным теплоотводом от продукта в охлаждающую среду..
Охлаждение пищевых продуктов осуществляют до температур не ниже криоскопических, и лишь отдельїаіе виды овощей и фруктов, а также яйца хранят при температурах ниже криоскопической на 1...3 С (в переохлажденном состоянии). -
Наиболее распространено охлаждение продуктов в естественной охлаждающей среде - воздухе, практически не оказывающем неблагоприятного воздействия на обрабатываемые продукты. Распространение получило охлаждение продуктов в жидких средах (вода, рассолы) погружением (рыба, тушки птицы, консервы) или их орошением (тушки птицы, вареные колбасные изделия и др.).
По сравнению с другими методами консервирования пищевых продуктов применение холода вызывает минимальные изменения их питательной ценности, массы и органолептических показателей (вкуса, аромата и цвета). Холодильная обработка имеет преимущества перед пастеризацией, стерилизацией и высокотемпературной (тепловой) сушкой по экономичности и удельному расходу энергии. По прогнозам специалистов консервирование холодом в XXI веке займет ведущее место в производствах пищевой промышленности.
В технологических процессах пищевых производств холодильную обработку сырья, полуфабрикатов, готовой продукции и хладоносителей осуществляют в теплообменных аппаратах - охладителях (ТАО), с кипением жидкого аммиака в межтрубном пространстве аппарата, внутри горизонтальных труб или с кипением аммиака в пленке на нарркной площади поверхности горизонтальных труб. Такие ТАО характеризуют невысокие коэффициенты теплопередачи кет, значительные массы Мш н габаритные объемы V^, аппаратов, и большие вместимости по жидкому аммиалу; = пленочных аппаратах неравномерное распределение жидкости на трубном пучке приводит к обра-
зованию «сухих пятен», что существенно снижает теплопередачу. Анализ конструкции промышленных ТАО применительно к специфике технологических продуктов показал, что дальнейшая интенсификация технологических процессов сдерживается из-за невозможности отвода значительных тепловых нагрузок в существующих ТАО, без создания в самой холодильной установке аварийных условий работы: выброса жидкого хладагеїгга из аппаратов в компрессоры, из-за значительной вместимости ТАО по жидкому аммиаку. Тем самым, технологические задачи пищевой промышленности определили насущную проблему - разработку и совершенствование аммиачных ТАО.
Конструкции ТАО для жидкости и воздуха с кипением аммиака в пленке внутри вертикальных труб отсутствуют, т.к. исследование процессов теплообмена в них практически не проводили. Разработки вертикально-трубных охладителей (ВТО) с внутритрубным кипением аммиака в пленке позволят снизить массу и габариты ТАО, сократить их вместимость по жидкому аммиаку, повысить безопасность их эксплуатации в технологических процессах. Разработка и совершенствование конструкций ВТО - для жидких (ВТОЖ) и газообразных (ВТОВ) сред позволит обеспечить потребности соответствующих отраслей пищевой промышленности.
Работа выполнена в лаборатории храисяия и переработки сельскохозяйственной продукціга КНИИХП в соответствии с научными программами "Продовольственное обеспечение РФ на 1992-1995 гг." и "Научные основы конструирования пищевых продуктов и технологических структур хранения и переработки на 1996-2000 гг.", утвержденными Рсссельхозахадемней в 1992 и 1994 гг., и в АООТ «ПолнНеса» (г.Сгнкт-Петербург).
Цель работы состоят в создании высокоэффективных ТАО для технологических производств пищевой ггромышленнсстп, путем разработки и совершенствования вертикально-трубных охладителей с кипением аммиака в пленке внутри вертикальных труб при ее гравитационном течепнн н спутиом движении образующегося пара к нижней части теплообменлых труб и разработке инженерного расчета для совершенствования ВТО, при условиях нх ввода в технологические схемы пищевых производств.
Для реализации поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
разработка ВТО и создание математической модели, описывающей режимы гравитационного течения и кнгтепия в пленке вігутри вертикальной трубы; проведение численного эксперимента для выявления тепло-гидравлических режимов и конструктивных параметров, обеспечивающих виутритрубиое кипение в стекающей гравитационной пленке жидкого аммиака и спутпом движении образующихся паров к нижней части тсплообмепной трубы;
проведение натурного эксперимента по режимам кипеннд аммиака в пленке в макете ВТОЖ, в зависимости от величин плотностей теплового потока oj и орошения Г:
экспериментальные исследования режимов теплообмена и аэродинамического сопротивления со стороны воздуха в макете ВТОВ с наклонными ребрами;
- разработка инженерной методики и программного обеспечения для ЭВМ, с
целью проведения расчетов для совершенствования ВТО, используемых в
технологических схемах пищевых производств.
Научную новгоііу работы составляют: физическая модель и анализ факторов, определяющих условия взаимодействия протекающие при гравитационном стекании кольцевой пленки аммиака по внутренней поверхности вертикальной трубы и ее кипении со спуткым течением образующегося пара к нижней части этой трубы, при условиях недопущения формирования волновых сдвигов пленки и "сухих пятен";
результаты численного эксперимента процесса кипения аммиака в интервале температур То от 253 до 293 К при числах Re^, < 400, и выявление эффективной зоны использования кипения в пленке в ВТО, ограниченных интервалом значений приведенного критерия Архимеда Аг«, критерия Бонда Во, Григуля Z и Вебера We,„;
результаты натурных экспериментов на макетах ВТО, описывающих теплообмен со стороны аммиака и воздуха при То = 263-293 К и qF от 0,4 до 10 кВт/м:.
Обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивают
использование отработанной методики экспериментального исследования
процессов теплообмена в ТАО, применение современной аппаратуры, удовле
творительное согласование численных и натурных экспериментальных иссле
дований. -
Практическая ценность. Получен массив расчетных и экспериментальных данных, относящихся к кипению аммиака в ВТО. Разработаны оригинальные технические решения ВТО, в которых реализовано внутритрубное колмгевое гравитационное течение и кипение пленки жидкого аммиака при спугеом течении с образующимся паром к нижней части теплообменных труб. Впервые спроектирован, изготовлен и исследован макет ВТО с наклонными ребрами для охлаждения воздуха, который в процессе испытаний показал устойчивую работоспособность. Разработаны методика инженерного расчета и программное обеспечение для ЭВМ, для определения геометрических параметров ВТО, предназначенных для охлаждения жидкостей и воздуха, с учетом использования этих хладоносителей в пищевых производствах.
Автор защищает следующие научные положения:
оценку процессов совместного гравитационного течения и кипения пленки жидкого аммиака внутри вертикальной трубы при спутном течения образующегося пара к нижней части тешюобменной трубы при учете подавления волновых явлений и предотвращения образования "сухих пятен" на площади поверхности теплообмена и выявленную зону эффективного использования этих процессов б ВТО;
полученгале экспериментальные зависимости для среднего коэффициента тедлоотдачн а0 от плотностей теплового потока qp и орошения Г при кипении аммиака в пленке внутри вертикальной трубы, и зависимости внешних теплотехнической (Яит) и аэродинамической (Ьи^) характеристик ВТОВ с наклонным оребреннем вертикальных труб.
Автор защищает также технические решети, направленные на совершенствования ВТО для охлаждения жидкости и воздуха.
Внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы в КНИИХП при разработке технологических систем для охлаждения и сушки пищевых продуктов и в технологиях использования диоксида углерода для обработки пищевого сырья, охлаждающих систем хранения растительного сельскохозяйственного сырья її пищевых продуктов. Макетный образец ВТОВ апробирован на холодильном складе АООТ "ПолиНева". Разработанные методика расчета и проіраммньїе средства для проектирования ВТОВ переданы для использования производителям ТАО и в учебном процессе КубТТУ.
Апробации работы. По теме диссертации были сделаны доклады: на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Тепловые насосы в народном хозяйстве СССР" (Калининград,1990), межреспубликанской и международной конференциях по холодильной технике для эффективного хранения и переработки сельскохозяйственного сырья (Краснодар, 1992,1995), международных научно-технических конференциях "Холод и пищевые технологин"(Санкт-11етербург,1996), «Техника и технология пищевых пронзводств»(Могилев, Белоруссия, 1998), «Пищевая промышленность-2000» (Казань, 1998).
Публшгаїппі. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в т.ч. одно авторское свидетельство и патент РФ на изобретения.
Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и 6 приложений. Работа содержит 4Ь стр. машинописного текста, включая 5S рисунков. В списке литературы 98 источников, го них 23 - зарубежных авторов.
