Разработка флюидизационного аппарата для заморозки ягод клюквы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка флюидизационного аппарата для заморозки ягод клюквы

Введение

замораживание флюидизационный консервирование холодильный

Широкое применение холода во всех отраслях пищевой промышленности позволяет обеспечить ритмичность производства, рациональнее использовать основные фонды, сохранять качество пищевых продуктов.

Одной из важнейших задач народного хозяйства является обеспечение круглосуточного бесперебойного снабжения населения высококачественными продовольственными продуктами в широком ассортименте.

Природно-климатические условия республики обусловливают сезонность производства продуктов животного и растительного происхождения, сохранение пищевой и биологической ценности которых в течение длительного периода возможно только с помощью консервирования. Выбор того или иного способа консервирования зависит от свойств продукта, его ценности в конце процесса хранения и эффективности затрат на хранение.

Холодильное консервирование - один из эффективных способов обработки и хранения продуктов высокого качества. Наиболее распространенным и экономичным является охлаждение и хранение продовольственных продуктов в охлажденном состоянии, позволяющая наиболее полно сохранить присущие им потребительские свойства. Однако срок хранения охлажденных продуктов ограничен, что не позволяет создать достаточные запасы и обеспечить непрерывное снабжение населения.

Для увеличения продолжительности хранения продукты замораживают, что существенно тормозит скорость протекания процессов, влияющих на качество. Замораживание и хранение в замороженном виде изменяет начальное качество продуктов, но позволяет сохранить их ценные питательные свойства.

Искусственный холод получают двумя способами. Первый основан на аккумулировании естественного холода, второй -- на существующей в природе закономерности, выражаемой вторым законом термодинамики.

Первый способ, относящийся к области ледяного или льдосоляного охлаждения, основан на том, что колебания температуры окружающей среды в природных условиях создают возможность сохранять или аккумулировать естественный холод в сравнительно ограниченном пространстве. Наиболее распространенным телом, сохраняющим естественный холод, является водный лед. Его заготавливают зимой, чтобы в теплое время года использовать для охлаждения. Охлаждающий эффект водного Льда, например, при нулевой температуре равен теплоте его плавления и составляет 336,0 кДж/кг. Применяя смесь водного льда с солью, например, с хлористым кальцием, можно получить температуру до минус 55 °С.

Второй способ составляет основу машинного охлаждения. Согласно второму закону термодинамики для получения холода необходимо затратить внешнюю работу. При этом теплота отводится от охлаждаемого источника и подводится к источнику окружающей среды. Охлаждаемый источник называют также источником теплоты низкой температуры. В машинах, работающих по теплонаносному циклу, теплота может отводиться как от источника окружающей среды, так и от источника, имеющего температуру, превышающую температуру окружающей среды. Такие источники называют также источниками низкопотенциальной теплоты. В тепловом насосе теплота от указанных источников вследствие затраты внешней работы передается к источнику теплоты высокой температуры, или нагреваемому источнику /2/.

С помощью холодильной машины можно осуществлять и комбинированный цикл, состоящий по существу из двух циклов: холодильного и теплонасосного. В такой машине одновременно вырабатываются холод и теплота.

Диапазон температур, достигаемых с помощью холодильных машин, достаточно широк: от положительных значений температур, приближающихся к температуре источника окружающей среды, до температуры предела искусственного охлаждения, близкой к абсолютному нулю (минус 273,15 ⁰С).

Область так называемых умеренных температур охлаждения (умеренного холода) охватывает диапазон температур от положительных их значений до отрицательной температуры, соответствующей примерно минус 160 °С. В народном хозяйстве основном используется область низких и умеренных температур /4/.

Развитие холодильное технологии как самостоятельной области знаний началось одновременно с применением холода. Сейчас невозможно найти отрасли народного хозяйства, где не применяется холод или его производные.

1. Литературный обзор

1.1 Способы замораживания

Большинство пищевых продуктов в процессе хранения может подвергаться нежелательным изменениям. Чаще всего они вызываются микроорганизмами, под влиянием которых происходит распад сложных химических веществ. В результате появляются новые, более простые по составу вещества, обладающие неприятным вкусом и запахом. Консервируя пищевые продукты, можно прекратить или замедлить деятельность микроорганизмов, а также разрушить ферментную систему и таким образом предотвратить нежелательные изменения продуктов. Существует много методов консервирования. Выбор того или иного способа зависит от вида и свойства сырья, от назначения готового продукта.

При предварительном быстром охлаждении и замораживании продуктов биохимические изменения в них протекают менее интенсивно, замедляется развитие микроорганизмов, прекращается ферментативная активность, уменьшаются потери влаги продуктом, сокращается естественная убыль и отходы, сохраняется качество продукции и увеличивается срок ее хранения. Чем меньше промежуток времени между сбором урожая и охлаждением и выше скорость последнего, тем ниже интенсивность качественных изменений. По ориентировочным международным расчетам, при существующем уровне техники только 25ч30 % выпускаемых скоропортящихся продуктов обеспечены холодильным оборудованием на отдельных этапах производства и реализации, в связи с чем потери пищевых продуктов все еще очень высоки -- 20ч30 %.

Существующие в настоящее время способы охлаждения включают: воздушное охлаждение при естественной и принудительной циркуляции в камерах, гидроохлаждение, вакуумиспарительное охлаждение, охлаждение в среде жидкого азота. Воздушное охлаждение является одним из наиболее простых способов, легко осуществимых в условиях предприятия, имеющего холодильник.

Вакуумное охлаждение впервые было применено в США в 1964 г. В настоящее время этот способ широко распространен в США и все большее применение находит в Голландии, Швеции, Норвегии, Франции, Испании и Италии. Принцип вакуумного охлаждения основан на снижении температуры в результате испарения поверхностной влаги при давлении ниже давления насыщения. Данный способ наиболее эффективен для продуктов, имеющих большую поверхность испарения (петрушка, укроп, шпинат, салат и др.).

Для охлаждения продукты помещают в вакуумную камеру, где вакуумными или пароэжекторными насосами создается остаточное давление до 4,5 мм.рт.ст. Для удаления откачиваемой насосом влаги используют охлаждаемые или неохлаждаемые ловушки. Способ обеспечивает большую скорость охлаждения (10ч15 мин). Испарение влаги на 1% от массы продукта приводит к снижению его температуры на 5,5 °С. Максимальная потеря влаги при вакуумном охлаждении плодов и овощей в течение 15ч20 мин составляет 2,4 %, в то время как для достижения той же температуры при воздушном охлаждении в изотермических вагонах затрачивается несколько часов, а потеря влаги составляет 2,5ч3,5 % при туннельном и камерном охлаждении она достигает 4 %.

Существует три разновидности вакуумного охлаждения:

· охлаждение испарением под вакуумом поверхностной влаги (для лиственных овощей);

· охлаждение испарением под вакуумом влаги, приобретенной продуктом в результате опрыскивания его поверхности (свекла, морковь, картофель, яблоки и др.);

· охлаждение испарением под вакуумом воды, внесенной в камеру в лотках.

Предварительное смачивание продукта перед вакуумным охлаждением дает возможность снизить его температуру до 0 ^°С без потерь влаги самого продукта, т.е. естественная убыль может быть сведена к нулю.

Проводились исследования по охлаждению продуктов в среде кипящего азота. Исследования показали, что температура продуктов в данной среде понижается с большой скоростью -- в среднем на 0,32 ^°С в секунду. Установлены три фазы охлаждения:

· нормальная - от 0 до минус 133 С со средней скоростью понижения температуры до 0,38 ^°С в секунду;

· фаза ускоренного теплообмена - от минус 133ч190 ^°С - обусловленного усиленной когезией и смачиванием поверхности металла жидким азотом, со средней скоростью 0,49 ^°С в секунду;

· фаза достижения температурного равновесия - от минус 190 до минус 196 ^°С -протекающая со средней скоростью 0,039 ^°С в секунду.

Использование жидкого азота для перевозок свежих фруктов, овощей и других охлажденных грузов при температуре воздуха в кузове от 5 до 0 ^°С может обеспечить существенный экономический эффект.

Охлаждение продуктов и растительного сырья необходимо проводить по следующим направлениям:

· охлаждение с применением принудительной циркуляции воздуха, обеспечивающей быстрое снятие тепла по всему объему продукта для последующего хранения и промышленной переработки

· вакуумное охлаждение с целью дальнейшего кратковременного хранения, транспортировки и сохранения исходного качества для продуктов с развитой удельной поверхностью;

· охлаждение скоропортящегося сырья для последующей транспортировки проводить в парах жидкого азота, для чего создать передвижные азотные станции;

· охлаждение всех видов скоропортящихся продуктов проводить непосредственно после сбора урожая на месте произрастания.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом для замораживания продуктов питания используются следующие основные способы:

· конвективный (в интенсивном потоке холодного воздуха);

· контактный (путем непосредственного контакта продукта с охлаждающей средой и путем контакта с плитами, охлаждаемыми хладагентом);

· криогенный (с использованием жидкого азота, жидкого воздуха, жидкой или твердой углекислоты и др.).

Независимо от их типа и назначения они должны отвечать следующим требованиям:

· большая скорость замораживания при условии равномерной теплоотдачи по всей поверхности продукта;

· хладоноситель, непосредственно соприкасающийся с продуктом, должен быть безвредным для продукта и обслуживающего персонала, не должен вызывать в продуктах неблагоприятных изменений и коррозии металлических узлов аппарата, находящихся в контакте с хладоносителем;

· универсальность оборудования (возможность замораживания разных видов продуктов);

· соблюдение нормативных санитарно-гигиенических условий;

· возможность применения оборудования в непрерывной поточной линии.

1.2 Скоромозильные аппараты

Аппараты для замораживания продуктов можно классифицировать по принципу действия на непрерывные и цикличные. К непрерывным относятся конвейерные аппараты, к цикличным - тележечные туннели и плиточные аппараты.

В свою очередь, конвейерные аппараты делятся по виду конвейера на ленточные, люлечные, спиральные и флюидизационные.

Основными критериями выбора аппарата является удовлетворение ряду технических требований и технико-экономическая эффективность его применения. Выбор аппарата зависит от свойств замораживаемого продукта, требуемой производительности, условий размещения оборудования.

Наиболее прост в применении и эксплуатации тележечный аппарат типа ТСТ (рисунок 1). Он применяется для быстрого замораживания в потоке холодного воздуха пельменей, мясных полуфабрикатов, вареников, пирогов, блинчиков, сосисок в вакуумной упаковке, пиццы, теста, рыбы, и рыбного филе, частей птицы на подложках, закалки мороженого. Обычно аппарат выбирают для небольших количеств продукта. Он не требует значительных затрат и достаточно универсален.

Преимущества:

- возможность замораживания разных видов продукции на разных уровнях тележки и на различных тележках;

- отсутствие опрокидывания продукта при движении по морозильной камере;

- простота конструкции аппарата;

- длительная (от 6 до 48ч.) работа оттайки.

Общие особенности конвейерных аппаратов:

- возможность механизированной выкладки продукта;

- возможность увеличения длины входной части конвейерных аппаратов с целью обеспечения ручной выкладки продукта без его деформации;

- применение дополнительных приемных и отводящих транспортеров с независимыми приводами и блоками управления и регулирования скорости их движения;

- оптимальное распределение воздушных потоков в морозильной камере, способствующее быстрому замораживанию продукта;

возможность многократной сборки и разборки морозильной камеры.



Рисунок 1 Тележечный аппарат типа ТСТ

Наряду с этими общими для всех аппаратов характеристиками каждый тип аппаратов имеет еще и специфические преимущества.

Ленточный типа АСТЛ (рисунок 2) для быстрого замораживания в потоке холодного воздуха: пельменей, вареников, пирогов, блинчиков, котлет и гамбургеров, мясных и рыбных полуфабрикатов, теста, булочек. Производительность - 300, 600,900 кг/ч.

Рисунок 2 Ленточный типа АСТЛ

Особенности этих аппаратов:

- время нахождения продукта в скороморозильном аппарате при «шоковой заморозке» существенно меньше, чем в тележечной системе;

- суточная производительность аппарата выше;

- возможность изменения времени пребывания продукта в морозильной камере за счет изменения скорости движения ленты;

- широкий спектр производительности.

Люлечный типа АСПЛ (рисунок 3) - для быстрого замораживания в потоке холодного воздуха: пельменей, мясных полуфабрикатов, вареников, пирогов, блинчиков, сосисок в вакуумной упаковке, пиццы, теста, рыбы, и рыбного филе, частей птицы на подложках, закалки мороженого. Производительность - 250, 400, 750, 1000 кг/ч.

Рисунок 3 Люлечный типа АСПЛ

Особенности этих аппаратов:

- возможность изменения параметров работы за счет изменения числа секций и люлек;

- возможность замораживания различных видов продукции и закалки мороженого путем изменения количества и конфигурации люлек (корзин);

- возможность изменения времени пребывания продукта в морозильной камере за счет изменения скорости движения люлек;

- широкий спектр производительности;

- длительная (от 6 до 48 ч.) работа без оттайки.

Спиральный типа АСС (рисунок 4) для быстрого замораживания в потоке холодного воздуха: пельменей, мясных полуфабрикатов, вареников, пирогов, блинчиков, сосисок в вакуумной упаковке, пиццы, теста, рыбы, и рыбного филе, частей птицы на подложках. Производительность - 500, 1000, 1500кг/ч.

Особенности этих аппаратов:

- замораживание любого вида продукции;

- отсутствие опрокидывания продукта (спиральная лента);

- оптимизация распределения воздушного потока в морозильной камере, что обеспечивает максимальную скорость замораживания продукта;

- малая занимаемая производственная площадь;

- широкий спектр производительности.

Рисунок 4 Спиральный типа АСС

Флюидизационный типа АСФ (рисунок 5) - для быстрого замораживания в потоке холодного воздуха: ягод, плодов, нарезных овощей и грибов, овощных смесей. Производительность - 500, 1000, 1500кг/ч.



Рисунок 5 Флюидизационный типа АСФ

Особенности этих аппаратов:

- возможность замораживания мелких и крупных (резаные овощи и фрукты) продуктов в псевдоожиженном слое;

- отсутствие смерзания продукта;

- отсутствие примерзания продукта к ленте;

- широкий спектр производительности.

Плиточные аппараты (рисунок 6) нашли широкое применение для заморозки морепродуктов, овощей, мясопродуктов, фруктовой мякоти и концентратов, готовых блюд.

Рисунок 6 Плиточные аппараты

Особенности этих аппаратов:

контакт с плитами, внутри которых испаряется хладоагент, наиболее экономичен благодаря эффективной передаче тепла;

замороженная продукция в ровных блоках легко укладывается и упаковывается.

1.3 Флюидизационные аппараты

Для овощей и фруктов характерна высокая ферментативная активность, низкая устойчивость к патогенным микробам и легкая потеря воды.

Сроки хранения их во многом определяются степенью зрелости, при которой происходи уборка. Обычно эта степень делится на съемную и потребительскую. У некоторых видов (виноград, вишня, арбузы) степени зрелости совпадают.

Важным процессом, происходящим после сбора, является испарение влаги. Оно ведет к снижению массы, увяданию, ухудшению товарного вида. Чтобы затормозить биохимические процессы, предотвратить образование микробов и уменьшить потери влаги, овощи и фрукты после сбора необходимо быстро охлаждать. Если съемная и потребительская зрелость совпадают, охлаждение должно быть сделано в течение 2ч5 часов до температуры транспортировки или хранения. Если плоды достигают потребительской зрелости в процессе хранения (яблоки, груши, помидоры), то охлаждать можно в течение 20ч24 часов.

В связи с тем, что после уборки в продуктах этого вида происходит процесс дыхания, при расчете охлаждающих устройство необходимо учитывать теплоту дыхания. Продукты, требующие быстрого охлаждения, должны поступать в аппараты туннельного типа, где обеспечивается скорость воздуха до 5м/с и кратность воздухообмена до 150 объемов в час. Для медленного охлаждения приемлемы скорости 1ч2 м/с и кратность воздухообмена 30ч40 объемов в час.

Для большинства овощей и фруктов оптимальная температура хранения на 0,5 град. С выше температуры замерзания, но некоторые виды (цитрусовые, бананы, огурцы, картофель) хранят при более высоких температурах. В камерах хранения важно поддерживать стабильную температуру и влажность, исключающие подмораживание, выпадение конденсата, усушку. Скорость движения воздушных потоков обеспечивается не более 0,5 м/c. Расчетная влажность воздуха в помещении поддерживается индивидуально для каждого вида продукта. В таких камерах необходима действующая обменная вентиляция. Продукт загружается в железных контейнерах, которые устанавливаются вверх в несколько ярусов. Для некоторых овощей возможна укладка "навалом", в таких камерах длительное время сохраняется овощи и фрукты не выделяющие теплоту дыхания - картофель, лук, капуста, морковь.

Одним из наиболее совершенных методов консервирования является быстрое замораживание плодов и овощей. Замороженные плоды и овощи почти полностью сохраняют витамины и вкусовые свойства свежих продуктов.

Высокое качество замороженной продукции при длительном хранении достигается использованием сортового сырья необходимой зрелости и правильной технологической обработкой с соблюдением санитарно-гигиенических условий, применением рациональной тары, низкотемпературным режимом холодильной обработки.

Замораживание плодов может производиться в скороморозильных аппаратах туннельного и конвейерного типа. Наиболее удобны для сыпучих, мелкозернистых или нарезанных овощей и фруктов специальные флюидизационные морозильные аппараты. Они предназначены для замораживания продукта находящегося во взвешенном состоянии в восходящем потоке воздуха. В таких аппаратах продукты замораживаются достаточно быстро и без деформации и слипания, что важно для продуктов влажных, с нежной консистенцией.

Во флюидизационном слое (во взвешенном состоянии) можно замораживать только мелкоштучные продукты или продукты, нарезанные на мелкие кусочки, которые близки по форме, размерам (20ч25 мм) и массе, например, зелёный горошек, кубики моркови, ломтики яблок, клубнику, малину, смородину и т.д.

В последнее время в связи с появлением эффективных морозильных камер появилась возможность сохранять в замороженном виде грибы. Хотя этот метод хранения грибов более энергоемкий, чем консервирование, но при правильном ведении процесса замораживание позволяет сохранять в грибах все ценные питательные вещества. Для замораживания используют некрупные молодые грибы, тщательно очищенные, не поврежденные вредителями, не содержащие горечей и неприятного запаха. На качество грибов влияет скорость и температура замораживания. Лучше всего проводить замораживание грибов при температуре -30°С не менее 2-3 часов. Хранят же замороженные грибы при температуре -18°С до одного года.

1.3.1 Аппарат малой производительности

Такой аппарат (рисунок 7) состоит из изолированного контура, воздухоохладителя, под которым расположен поддон с перфорированным дном, вибрационной решетки и центробежных вентиляторов.

Из технологического цеха влажный продукт транспортером через окно подается к загрузочному устройству аппарата, которое оборудовано вибрационной решеткой для подсушивания продукта. Подсушивание предотвращает примерзание влажного продукта к поддону с перфорированным дном. Попадая на поддон, продукт обдувается холодным воздухом и во взвешенном состоянии быстро замораживается. Образовавшаяся ледяная корочка сокращает усушку. Из аппарата замороженный продукт удаляется через разгрузочное окно и направляется для расфасовки и упаковки.

Движение воздуха в аппарате производится центробежными вентиляторами. Воздух нагнетается вентиляторами в грузовой отсек.

Из воздухоохладителя воздух направляется к поддону с перфорированным дном. Воздухоохладитель аппарата оттаивается горячими парами аммиака.

В аппарате быстро замораживается мелкоштучный продукт, аппарат прост в эксплуатации и надежен в работе. Недостатком аппарата является необходимость периодических остановок для удаления снеговой шубы с площади поверхности воздухоохладителя.

Рисунок 7 Флюидизационный морозильный аппарат малой производительность

Техническая характеристика флюидизационного морозильного аппарата малой производительности приведена ниже.

ь Производительность, т в сутки 0,6ч0,8

ь Емкость, кг 100ч150

ь Площадь поверхности охлаждающего в воздухоохладителя 800

ь Температура воздуха в аппарате, С - 25 ч -30 ^°С

ь Скорость движения воздуха в аппарате, м/с 4ч5

ь Количество вентиляторов, шт. 4

ь Производительность вентиляторов, м³/с 10,5

ь Мощность электродвигателей, кВт 28

ь Продолжительность замораживания, мин 10ч20

ь Габаритные размеры, мм

длина 400

ширина 2300

высота 3400

ь Масса, кг 3800

В аппарат средней производительности (рисунок 8) воздухоохладитель состоит из четырех секций, отделенных друг от друга теплоизолированными перегородками. Секция воздухоохладителя имеют независимое питание жидким холодильным агентом. Такая компоновка воздухоохладители позволяет оттаивать снеговую шубу горячим паром холодильного агента с каждой секции, не останавливая аппарат. Специальное командное устройство отключает секцию для оттаивания. При этом автоматически закрывается щит (шибер) и прекращается движение холодного воздуха через секцию. Для ускорения оттаивания секция орошается теплой водой.

Рисунок 8 Флюидизационный морозильный аппарат средней производительности

Техническая характеристика флюидизационного морозильного аппарата средней производительности приведена ниже.

ь Производительность (по жареному картофелю), т/ч 2,4

ь Емкость, кг 540

ь Площадь поверхности воздухоохладителя, м² 1200

ь Температура воздуха в аппарате, °С -30 С

ь Скорость движения воздуха в аппарате, м/с 4ч5

ь Количество вентиляторов, шт. 4

ь Производительность вентиляторов, м³/с 25

ь Мощность вентиляторов, кВт 54

ь Продолжительность замораживания, мин 15ч20

ь Габаритные размеры, мм

Длина 5600

Ширина 6500

Высота 4800

ь Масса, кг 16000

Флюидизационные аппараты большой производительности /2/ могут быть с орошаемым воздухоохладителем, многоярусными решетками, механическим приводом решеток, а также с промежуточной средой.

Аппарат с орошаемым воздухоохладителем (рисунок 9) представляет собой изолированный контур с поддоном, воздухоохладителем, вентиляторами, каплеотделителями, теплообменником и реконцентратором этиленгликоля.

Орошение воздухоохладителя этиленгликолем исключает образование снеговой шубы на его площади теплопередающей поверхности и создает условия для длительной и эффективной работы аппарата.

Раствор этиленгликоля для орошения воздухоохладителя циркуляционным насосом забирается из поддона под перфорированным дном и направляется к оросительной гребенке. Поглощая из циркулирующего через воздухоохладитель воздуха влагу, раствор этиленгликоля деконцентрируется и для восстановления концентрации часть его направляется в реконцентратор. Пройдя через теплообменник, концентрированный раствор вновь сливается в поддон. Проходящий с большой скоростью воздух захватывает капельки этиленгликоля. Попадание капелек ядовитого раствора в грузовой отсек аппарата предотвращается каплеотделителями, установленными после воздухоохладителя.

Рисунок 9 Флюидизационный морозильный аппарат большой производительности с орошаемым воздухоохладителем

Орошение воздухоохладителя раствором этиленгликоля, хотя и упрощает конструкцию аппарата и его автоматизацию, однако связано с необходимостью расхода энергии па работу реконцентратора и циркуляционного насоса.

Флюидизационный аппарат с многоярусными решетками (рисунок 10) включает изолированный контур, состоящий из двух отсеков, устройство предварительного охлаждения и жалюзийные шторки, предназначенные для изменения количества воздуха и направления его движения, центробежные вентиляторы и воздухоохладитель.

В первом отсеке изолированного контура замораживаются мелкоштучные продукты, а во втором - крупнокусковые.

Продукт, подлежащий замораживанию, попадает в устройство предварительного охлаждения и подсушки. Это устройство оборудовано вибрационной решеткой и индивидуальным центробежным вентилятором, интенсивно обдувающим вибрационную решетку. Устройство предварительного охлаждения исключает намораживание и нагромождение теплого и влажного продукта в начальной части аппарата.

Рисунок 10 Флюидизационный морозильный аппарат большой производительности с многоярусными решетками

Если в аппарате замораживаются продукты небольших размеров (горошек, малина, резаная стручковая фасоль и др.), продолжительность замораживания, которых мала, то используют только одну верхнюю решетку. При этом замороженный продукт выгружается через верхнее выпускное окно.

Крупнокусковые продукты, время замораживания которых относительно велико, замораживаются на трех решетках, последовательно ссыпаясь с решетки на решетку. В этом случае замороженный продукт удаляется через нижнее выпускное окно.

Регулирование направления движения потока продукта производится с помощью шиберов. Скорость движения потока продукта зависит от скорости и направления движения воздуха у решетки. Под каждой решеткой расположены жалюзийные шторки, предназначенные для регулирования движения воздуха.

Двухскоростные электродвигатели центробежных вентиляторов воздухоохладителей позволяют регулировать производительность вентилятора и скорость движения воздушного потока. Для точной регулировки скорости движения воздушного потока в аппарате имеются задвижки с дистанционным управлением. Воздух, нагнетаемый вентиляторами, проходит через диффузоры в воздухораспределительный канал и далее направляется к решеткам с продуктом, где он нагревается. Теплый воздух охлаждается в воздухоохладителе.

Воздухоохладитель состоит из восьми секций, расположенных в изолированном контуре. Секции оттаиваются водопроводной водой последовательно и независимо друг от друга. При оттаивании секции она автоматически изолируется от грузового отсека аппарата передвижными закрывающимися шторками.

Достоинства аппарата -- высокая универсальность, позволяющая замораживать в аппарате мелкоштучные и крупнокусковые продукты, непрерывность работы, компактность.

Аппарат с механическим приводом решетки (рисунок 11), установленный в поточной линии замораживания гарнирного картофеля, состоит из изолированного контура, подсушивающей вибрационной решетки, бункера-дозатора, решетки механизма равномерного распределения продукта на ленте, вариатора скоростей, приспособления для мойки и сушки ленты, воздухоохладителя и вентиляторов.

Аппарат собирается из нескольких стандартных модулей. Постоянными в аппарате являются головной и хвостовой модули, длина которых равна 3,6 м. Количество средних модулей (длина модуля составляет 3 м) зависит от производительности аппарата. Модули легко транспортируются и собираются на месте эксплуатации аппарата.

В каждом модуле имеется свой воздухоохладитель и два высоконапорных вентилятора. Модули аппарата собираются с помощью болтов.

Из бункера-дозатора продукт попадает на решетку. Через окно загрузки, проходя зону подсушивания, продукт поступает в золу замораживания, где через плотный слой продукта продувается холодный воздух.

Из аппарата замороженный продукт направляется к месту разгрузки. В зависимости от вида продукта аппарат может оснащаться пневматическим, плиточным или шнековым транспортером разгрузки, который направляет замороженный продукт на фасовку, упаковку и далее на храпение.

Последовательное оттаивание секций воздухоохладителя, расположенных в изолированном контуре, создает условия для непрерывной работы аппарата.

Аппарат компактен, прост в монтаже и эксплуатации, позволяет быстро замораживать продукты, легко вписывается в технологические линии производства готовых продуктов и полуфабрикатов.

Рисунок 11 Флюидизационный морозильный аппарат с механическим приводом решетки

В аппаратах с промежуточной средой, состоящей из манной крупы, соли и сахара, можно замораживать крупные куски мяса, вторые блюда, томаты, абрикосы, дыни, цыплят.

Аппарат (рисунок 12) состоит из изолированного контура, сетчатого транспортера, специальных окон (шлюзов) для загрузки и разгрузки продуктов, центробежных вентиляторов, гладкотрубной змеевиковой батареи и воздухоохладителей.

Рисунок 12 Флюидизационный морозильный аппарат с промежуточной средой

Таблица 1 Техническая характеристика флюидизационных аппаратов большой производительности

Показатели	Флюидизационные морозильные аппараты
	С орошаемым воздухом охладителем	С много- ярусными решетками	С механическим приводим решетки	С промежуточной средой
Производительность, т/ч	3	1	2ч8	1
Емкость, кг	600ч700	240	240	200
Площадь поверхности воздухоохладителя, мг	1800	1200	1800	800
Температура воздуха в аппарате, С	-28	-30	-30	-30
Скорость воздуха, м/с	3ч4	3ч5	4ч5	0,5ч1
Количество вентиляторов, шт.	4	8	6	4
Производительность вентиляторов, м3/с	40	24	24	6
Мощность электродвигателей вентиляторов, кВт	80	60	30-100	12
Продолжительность замораживания, мин	3ч5	10ч20	14ч30	20ч30
Габаритные размеры, мм
Длина	5600	8450	10200	6400
Ширина	6500	5650	6500	4200
высота	4800	5600	5200	3400
Масса, кг	24000	16000	18000	8000

Через окно загрузки продукт попадает на сетчатый транспортер аппарата. Проходя через промежуточную среду, взвешенную в воздухе (высота флюидизированного слоя 400ч500 мм), продукт быстро замораживается и через окно разгрузки удаляется из аппарата. Если продукт не упакован, то он направляется для расфасовки и упаковки.

Движение воздуха в аппарате создается центробежными вентиляторами, которые через перфорированные воздуховоды направляют его в грузовой отсек аппарата.

Охлаждение промежуточной среды производится гладкотрубной змеевиковой батареей, расположенной под конвейером. Воздухоохладители, которые работают при пониженной температуре кипения холодильного агента (для этой цели в схеме холодильной установки можно предусмотреть эжекторы), расположены в верхней части аппарата. Проходя через воздухоохладители, воздух переохлаждается. Охлаждение воздуха до температуры ниже, чем температура смеси, исключает прилипание частиц к поверхности продукта и их унос из аппарата.

Аппараты с промежуточной средой универсальны, компактны, малоэнергоемки.

2. Обоснование и выбор режима холодильной обработки

Интенсивность и характер изменений продуктов при замораживании зависят от условий и параметров процесса, а также от качественных характеристик плодов и овощей. Специфика состава и строения плодов и овощей, особенности и взаимосвязь протекающих в них физико-химических и биохимических реакций оказывают существенное влияние на степень сохранения их свойств при замораживании.

При замораживании вода превращается в лед, в результате чего создаются неблагоприятные осмотические условия и резко сокращается скорость биохимических реакций в плодах и овощах. Замораживание приводит к повышению концентрации растворенных веществ вследствие миграции влаги из микробной клетки во внешнюю среду на первой стадии замораживания и к внутриклеточной кристаллизации воды на последующих стадиях, а также к нарушению согласованности биохимических реакций за счет различий в степени изменения их скоростей. По этим причинам возможны повреждения мембранных структур клетки из-за изменения состояния белково-липидных комплексов и механического разрушения оболочки микробной клетки кристаллами льда.

Устойчивость микробной клетки замораживанию зависит от вида и рода микроорганизмов, стадии их развития, скорости и температуры замораживания, состава среды обитания. Наиболее высокая степень отмирания микроорганизмов при температурах минус 4ч6 ⁰С, а полностью исключается их рост при температуре минус 10ч12 ⁰С. В этих условиях хранения плоды и овощи не подвергаются микробиологической порче, хотя полного уничтожения микроорганизмов при замораживании и хранении не происходит /2/.

При определении условий и режимов замораживания и хранения плодов и овощей исходят из задачи не только предотвращения размножения микроорганизмов, но и предупреждения существенных изменений пищевой ценности и свойств продуктов.

Особенности состояния плодов и овощей при замораживании определяются фазовым переходом воды в твердое состояние и повышением концентрации растворенных в жидкой фазе веществ. Процесс кристаллообразования приводит к изменению физических характеристик плодов и овощей и сопровождается изменениями их физико-химических, биохимических и морфологических свойств.

Размер, форма и распределение кристаллов льда в структуре плодов и овощей зависят от их свойств и условий замораживания. Состояние мембран и клеточных оболочек, их проницаемость, ионная, молярная концентрация растворенных веществ отдельных структурных образований растительных тканей, степень гидратации основных компонентов предопределяют особенности распределения льда в системе, размер и форму кристаллов.

Более низкая концентрация растворенных веществ в межклеточном пространстве обусловливает разницу в значениях криоскопических температур структурных элементов, поэтому кристаллы льда в первую очередь формируются в межклеточной жидкости. При понижении температуры ниже точки замерзания водяной пар в крупных межклетниках начинает конденсироваться в виде капелек влаги на прилегающих клеточных стенках.

Эта вода и превращается в первые микроскопические кристаллики льда, которые распространяются по межклетникам, обволакивая стенки клеток. Кристаллики бывают в виде линз или разветвленных кристаллов, разрастающихся между клетками эпидермиса и паренхимы. Процесс этот сопровождается повышением осмотического давления за счет роста концентрации растворенных в жидкости солей, что в свою очередь обусловливает миграцию влаги из клеток. Далее рост кристалликов происходит за счет воды, содержащейся в клетках, что объясняется разностью между давлениями пара внутри клетки и вне ее.

При понижении температуры в клетках сначала наступает состояние переохлаждения, а затем в них спонтанно возникают центры кристаллизации, приводящие к образованию внутриклеточного льда /1/.

При медленном замораживании с образованием крупных кристаллов вне клеток происходит изменение первоначального соотношения объемов межклеточного и внутриклеточного пространства за счет перераспределения влаги и фазового перехода воды. Быстрое замораживание предотвращает значительное диффузионное перераспределение влаги и растворенных веществ и способствует образованию мелких, равномерно распределенных кристаллов льда.

С изменением скорости замораживания по мере перемещения границ фазового перехода от периферии к центру продукта меняются размер и характер распределения кристаллов льда. Наиболее мелкие кристаллы образуются в поверхностных слоях продукта.

Максимальное кристаллообразование в плодах и овощах происходит при температуре минус 2ч8 ⁰С, предотвращение значительного диффузионного перераспределения воды и образования крупных кристаллов льда может быть достигнуто при условии быстрого понижения температур в этом интервале. Степень повреждения тканевых структур плодов и овощей при замораживании зависит от размера кристаллов льда и физико-механических превращений, протекающих в тканях на молекулярном уровне.

Наряду с внешними условиями замораживания существенное влияние на размер кристаллов льда и характер их распределения между структурными элементами оказывают состав и свойства плодов и овощей.

Существенное влияние на характер кристаллизации оказывает степень зрелости плодов. В недозрелых плодах содержится значительное количество свободной воды и происходит в основном внутриклеточная кристаллизация, приводящая к гибели плодов. При созревании последних происходит преобразование протопектина в пектин, который обладает высокими гидрофильными свойствами. Он связывает значительное количество воды и способствует образованию гелеобразной структуры, что положительно сказывается на обратимости процесса замораживания /10/.

Замороженные плоды и овощи приобретают новые товарные свойства: твердость (вызвана превращением воды в лед), плотность, интенсивность окраски и др., значительно изменяются тепловые свойства. При понижении температуры плодов и овощей уменьшается кинетическая энергия молекул, повышается вязкость внутриклеточной жидкости, уменьшаются растворимость газов и диффузия веществ, что снижает скорость химических реакций.

Вместе с тем в жидкой фазе повышается концентрация электролитов, агрессивных по отношению к белкам, прежде всего ферментам, что ускоряет отдельные ферментативные реакции либо изменяет их направленность. Замораживание приводит к разрыву водородных связей, что в совокупности с повышением ионной силы внутриклеточных растворов способствует разрушению липопротеиновых комплексов. При замораживании повреждаются ферментные системы дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования митохондрий, организм теряет основные жизненные функции, т.е. дыхание и способность к генерации энергии. Инвертаза проявляет свою активность в широком диапазоне рН (3,0ч7,5), поэтому изменение кислотности среды при замораживании существенно не сказывается на ее активности. Активируемые инвертазой реакции обусловливают накопление сахаров в замороженных плодах и овощах.

Сохранение активности пектолитических ферментов способствует повышению гидрофильных свойств коллоидов и уменьшению степени повреждения клеток. В зависимости от вида продукта они оказывают раз личное действие: в ткани сливы эти ферменты теряют активность и замороженный продукт имеет плотную консистенцию, в яблоках же их активность приводит к размягчению ткани.

Каталаза и пероксидаза катализируют дегидрирование фенолов, аминов, флавонов и аминокислот. Их активность ухудшает качество плодов и овощей, способствует появлению у некоторых из них постороннего привкуса.

Большинство ферментов лучше сохраняют свою активность при ультранизких температурах, последние используют для сохранения биологически активных веществ.

В замороженных плодах и овощах изменения витаминов зависят от их химической структуры, вида и строения ткани. Наиболее устойчивы к замораживанию -- тиамин, рибофлавин, пантотеновая кислота, провитамин -- каротин /8/.

Потери витамина С при замораживании незначительны. Его сохранению способствует интенсификация процесса замораживания. Для сохранения аромата пряные овощи упаковывают в герметичную тару. Условия хранения замороженных плодов и овощей должны обеспечить высокий уровень пищевой ценности при минимальных потерях массы. Задача эта весьма сложная, поскольку качественные и количественные изменения плодов и овощей зависят от их состава и свойств, наличия и вида упаковки, температуры хранения. Важное значение при этом имеют исходное качество поступающего на замораживание продукта, степень его измельчения, условия предварительной обработки.

Определяющим фактором сохранения высоких потребительских свойств замороженных плодов и овощей является температурный режим хранения. Понижение температуры снижает потери массы и необратимые изменения качества плодов и овощей. Существенное значение имеет выравненность температурно-влажностного режима в процессе хранения, так как колебания температуры способствуют увеличению кристаллов льда и сублимации влаги. Температура хранения плодов и овощей в распределительных холодильниках минус 15ч18 ⁰С, относительная влажность 95ч98%. Понижение температуры до минус 25ч30 ⁰С увеличивает сроки хранения замороженных плодов и овощей.

В розничной торговой сети быстрозамороженную плодоовощную продукцию хранят при температуре минус 9ч12 С, обеденные, закусочные блюда, гарниры, десертные полуфабрикаты - 0 ч4 С, относительная влажность воздуха не менее 95 %.

Длительное хранение замороженных плодов и овощей изменяет их свойства, что может быть обусловлено развитием биохимических процессов. Глубина и характер этих изменений определяют уровень качества, а следовательно, и сроки хранения продукции.

Показателем потерь плодов и овощей при хранении является понижение содержания в них витаминов, и в первую очередь аскорбиновой кислоты.

Снижение интенсивности реакций, ответственных за разрушение витаминов, достигается понижением температуры хранения и использованием упаковочных материалов с низкой газопроницаемостью.

Упаковывают быстрозамороженные овощи, плоды и ягоды для розничной торговли в мелкую потребительскую тару /4/.

Принимаем согласно рекомендации температуру воздуха на входе в грузовой отсек аппарата , при заданных начальных и конечных параметрах клюквы.

Скорость движения воздуха в аппарате можно приблизительно принять по аналогичным аппаратам, но в дальнейшем она будет рассчитана для данного аппарата.

Для устойчивой работы флюидизационного морозильного аппарата должно быть выполнено условие:

где - начальная скорость флюидизации, м/с;

- скорость, при которой возможен унос продукта из аппарата, м/с.

Влажность в аппарате должна быть минимальной так как из-за наличия ее возможны частые поломки аппарата. Для осушки воздуха предусматривается система удаления влаги с помощью этиленгликоля.

3. Обоснование выбора конструкции аппарата

Наиболее распространены способы замораживания плодов и овощей с использованием конвективного и кондуктивного теплообмена. Замораживают плоды и овощи в морозильных аппаратах при температуре от минус 25ч 40 ?С и ниже, скорость движения воздуха от 2 до 10 м/с. Замораживание происходит в течение нескольких минут /1/.

Рисунок 13 Способы замораживания в аппаратах туннельного типа: а - в потоке воздуха; б - в поперечно - проточном потоке воздуха;

в - в «кипящем» слое; г - двусторонний

Преимущественное распространение получили аппараты туннельного типа с интенсивным движением воздуха (рисунок 13).

При замораживании продуктов в потоке воздуха, направленном с одной стороны (рисунок - 13, а), не вся поверхность участвует в активном теплообмене и замораживание происходит неравномерно. При замораживании и поперечно-проточном потоке воздуха с перемещающимся направлением (рисунок - 13, б) в активном теплообмене через незначительные паузы участвует вся поверхность продукта и при использовании низких отрицательных температур и высокой скорости движения воздуха достигаются быстрое замораживание и равномерность образования структуры льда.

Замораживание в «кипящем» слое, так называемый способ флюидизации (рисунок - 13, в), происходит под действием подаваемого подходящего потока холодного воздуха, достаточного для поддержания продукта вo взвешенном состоянии /2/.

При достижении определенной скорости продукт, помещенный в поток воздуха, оказывается как бы в «невесомости», в неподвижном состоянии. Скорость витания - это минимальная скорость, при которой частицы данных размеров и массы могут уноситься потоком воздуха. В подобных условиях продукт находится под действием двух равных сил - силы сопротивления от действия потока и силы тяжести.

Способ флюидизации используют для замораживания неупакованных мелких или нарезанных плодов и овощей диаметром приблизительно до -10 мм или длиной до 125 мм. Аппараты этого типа имеют широкий диапазон производительности 0,5ч15 т/сут, а теплообмен в них протекает интенсивнее, чем в обычных воздушных аппаратах.

Продукты располагают на перфорированной ленте, решетке, установленной в аппарате, и снизу, через слой продуктов подают восходящий поток охлажденного воздуха. Гидродинамическое состояние слоя продукта зависит от скорости потока. При плавном изменении ее от нуля до некоторого критического значения происходит процесс фильтрации воздуха через слой продукта, при этом твердые частицы остаются неподвижными.

Для замораживания плодов, овощей, а также полуфабрикатов и готовых блюд в упаковке используют способ двустороннего замораживания между двумя металлическими или эластичными перегородками (рисунок 13,г), которые могут быть подвижны или неподвижны относительно друг друга. Вследствие двустороннего замораживания при одинаковой интенсивности теплообмена двух сторон границы раздела между замороженными слоями соединяются в середине толщины продукт /5/.

Криоконцентрация - это процесс концентрации продуктов путем частичного вымораживания воды и последующего разделения компонентов. Криокопцентрированию подвергают фруктовые и овощные соки, напитки и ряд других продуктов, которые вследствие удаления части воды могут храниться в течение длительного времени без снижения качества.

В курсовом проекте необходимо разработать флюидизационный аппарат для заморозки ягод - клюквы, которые представляют собой неупакованные мелких плоды диаметром приблизительно до 5 мм. Для заморозки таких продуктов целесообразно использовать флюидизационные аппараты большой производительности по мощности (см. рисунок 9).

4. Описание устройства и принципа действия аппарата

Флюидизационные морозильные аппараты применяют для замораживания мелкокусковых или измельчённых продуктов, имеющих одинаковую форму и незначительно различающихся по размерам и массе. Замораживание осуществляют в потоке холодного воздуха, который подаётся снизу через решётку в грузовой отсек со скоростью, достаточной для перемещения продукта вдоль грузового отсека аппарата. Иными словами, продукт замораживается во взвешенном состоянии и перемещается на воздушной подушке. Флюидизационные аппараты бывают малой, средней и большой производительности, с одноярусными и многоярусными решетками. Многоярусные решётки применяют для крупнокусковых продуктов, время замораживания которых велико.

Преимущества аппаратов: быстрое замораживание, простота и надёжность.

Недостатком для большинства флюидизационных аппаратов является необходимость периодического удаления снеговой шубы с поверхности воздухоохладителя. Для этого, в аппаратах большой производительности поверхность воздухоохладителя орошают этиленгликолем. Это упрощает конструкцию и автоматизацию аппарата, но увеличивается расход электроэнергии на работу циркуляционного насоса и реконцентратора (устройства для восстановления концентрации).

Схема флюидизационного морозильного аппарата представлена на рисунке 14. Конструктивные элементы аппарата помещены в изолированный контур 1. Влажный продукт из технологического цеха поступает на вибрационную решётку для подсушивания, что предотвращает примерзание его к перфорированному поддону 2. Попадая на поддон, продукт омывается холодным воздухом и во взвешенном состоянии быстро замерзает. Образовавшаяся корочка сокращает усушку. Из аппарата замороженный продукт подается через разгрузочное окно на расфасовку и упаковку. Воздух нагнетается в грузовой отсек через воздухоохладители 3 вентиляторами 4.

Для исключения образования снеговой шубы на поверхности воздухоохладителя и обеспечения длительной и эффективной работы аппарата, воздухоохладитель орошается этиленгликолем. Раствор этиленгликоля для орошения воздухоохладителя циркуляционным насосом 13 забирается из поддона 12 под перфорированным поддоном и направляется к оросительной гребенке 14. Раствор этиленгликоля поглощает влагу из воздуха, проходящего через воздухоохладитель, в связи с чем концентрация его уменьшается. Для восстановления концентрации, при открытом вентиле 10, часть раствора направляется по трубопроводу 11 в реконцентратор 6, в котором размещен паровой змеевик для выпаривания воды из этиленгликоля 7. Пройдя через теплообменник 9, концентрированный раствор по трубе 8 вновь сливается в поддон. Естественно, что проходящий через воздухоохладитель с большой скоростью воздух, уносит с собой капельки этиленгликоля. Раствор ядовит, поэтому для исключения попадания его в грузовой отсек аппарата, над воздухоотделителем расположены каплеотделители 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 14 Флюидизационный морозильный аппарат большой производительности с орошаемым воздухоохладителем:

1 - изолированный контур;

2 - поддоны с перфорированным дном;

3 - воздухоохладители; 4 - вентиляторы;

5 - каплеотделители;

6 - реконцентратор этиленгликоля;

7 - паровой змеевик для выпаривания воды из этиленгликоля;

8 - трубопровод для возврата этиленгликоля в поддон;

9 - теплообменник;

10 - вентиль;

11 - трубопровод для подачи этиленгликоля в концентратор;

12 - поддон с раствором этиленгликоля;

13 - циркуляционный насос;

14 - оросительная гребёнка.

5. Определение расчетных технологических параметров

Оптимальную скорость движения воздуха в грузовом отсеке флюидизационного аппарата определяют по формуле:

(1)

где G_ед - масса единичного продукта. Для клюквы /3, с.158/

Для устойчивой работы флюидизационного морозильного аппарата должно быть выполнено условие:

(2)

где - начальная скорость флюидизации, м/с;

- скорость, при которой возможен унос продукта из аппарата, м/с.

Значения этих скоростей определяют в зависимости от числа Архимеда:

(3)

где g - ускорение свободного падения, м/с²;

плотность соответственно продукта. Для клюквы и воздуха /3, с.158/.

Начальная скорость флюидизации:

 (4)

где - кинематическая вязкость воздуха, м/с. При , ;

- диаметр сферической части продукта, м. Для клюквы массой /3, с.158/.

(5)

равенство выполняется, что гарантирует устойчивую работу флюидизационного морозильного аппарата.

Коэффициент теплоотдачи от площади поверхности продукта к воздуху определяют из соотношения вида

(6)

6. Тепловой расчет аппарата

Расчет ведется по методике, приведенной в /3/

Теплоприток от продукта при его замораживании можно найти из зависимости вида:

(7)

где - удельная теплоемкость продукта соответственно охлажденного и замороженного. Для клюквы:

; /3/

- температура начала замерзания соков в продукте /3/

- относительное содержание воды в продукте /3/

- удельная теплота льдообразования в продукте /3/

- относительное количество вымороженной воды определяется по формуле:

(8)

Тогда:

Площадь поверхности решетки

 (9)