Publication text
(PDF):
Read
Download
Введение Достаточно высокими темпами развивается на предприятиях массового питания производство и потребление блюд в замороженном виде. Для про- изводства полуфабрикатов используют индустриальную ресурсосберегающую и энергосберегающую технологию переработки пищевого сырья, базиру- ющуюся на использовании поточно-механизи- рованных и автоматизированных линий, в одинако- вой степени удовлетворяющих основным требова- ниям как в общественном питании, так и в промыш- ленности [1]. Произведенная в этих условиях кули- нарная продукция нашла применение в школьных и других образовательных учреждениях, где для пита- ния широко используются полуфабрикаты высокой степени готовности [2]. Для длительного сохранения произведенных полуфабрикатов, как правило, ис- пользуются низкотемпературные холодильные камеры, а на стадии комплектации кулинарных блюд и подготовки к регенерации низкотемпературные хо- лодильные шкафы, в которых изделия находятся в замороженном состоянии [10]. Увеличение спроса на замороженную продукцию объясняется ее относительно высоким качеством, определяемым внедрением технологии шоковой заморозки произведенной кулинарной продукции и продолжительными сроками хранения. При этом остается актуальным вопрос снижения расхода электроэнергии, в первую очередь холодильного оборудования, используемого для хранения продук- ции. Производство замороженных или охлажденных полуфабрикатов, полуфабрикатов высокой степени готовности, а также замороженных или охлажден- ных блюд требует точного соблюдения режимов хранения и реализации. Последнее особенно важно при сохранении продукции в малогабаритном холодильном оборудовании, используемом на предприя- тиях общественного питания и торговли на заклю- чительном этапе реализации кулинарной продукции. Целью исследования является определение и разратой двери с массой холодного воздуха m2, тогда пе- ред открытой дверью и внутри объема холодильного шкафа масса воздуха станет равной: ботка оптимальных режимов хранения, учитываю- 1 m m 1 m 1 m . щих пульсацию тепловых потоков. 2 1 2 2 1 2 2 Объекты и методы исследования При хранении замороженных продуктов в холодильных шкафах характерны дополнительные труд- ноучитываемые потери холода через дверцу рабочей Если при открывании двери холодильного шкафа каждый раз прибавляется теплый воздух массой m3, тогда общая масса составляет: камеры в окружающую среду. Эти потери особенно велики в холодильном торгово-технологическом 1 1 2 2 1 m 12 m2 m3 14 1 m 14 m2 12 3 m . оборудовании, в котором отношение площади дверцы к объему рабочей камеры велико и в режиме хранения доля теплопотерь в общем энергетическом балансе аппарата может достигать 30 % [3, 4], изменение температуры хранения ±5…8 оC [4, 5, 6, 9]. При исследовании режимов работы торгового шкафа-витрины марки Z86 с распашными дверями при сохранении рыбопродуктов, выполненных авто- рами данной статьи [4], предложена методика оценки характера подмеса теплового воздуха, что позволяет производить корректировку теплового баланса холодильного шкафа по утечкам охлажденного воз- духа при открывании дверцы. Исследованиями определена закономерность утечек холодного воздуха из объема секции холо- В работе использовали результаты исследования термометрии объема секции холодильного шкафа при изучении влияния частоты открывания- закрывания двери холодильного шкафа при соблю- дении термических условий хранения продукта [4]. Эксперимент проводился при частотах открывания двери: 6; 10; 13; 15 и 18 ч־¹. В результате были определены частоты, определяющие условие полной замены холодного воздуха теплым как в отдельной секции, так и во всем объеме холодильного шкафа. Масса теплого воздуха, вытесняющего холодный воздух из внутреннего объема секции холодильного шкафа, может быть определена по соотношению дильного шкафа и подмес теплового воздуха при открывании дверцы. При вертикальном расположе- нии дверцы холодильного шкафа при ее открывании m 1 1 2n1 1 m 1 2n1 m2 14 mn1 12 m2 , покупателями мороженой продукции холодный воздух, имеющий большую плотность при температуре минус 18 ºС и ниже, опускается через низ проема открытой двери и выходит наружу, а его место вверху холодильного шкафа заполняется теплым воздухом магазина. При закрытых дверях холодильного шкафа мас- сы теплого и холодного воздуха неодинаковы. Если теплый воздух с массой m1 смешивается при открыгде n - количество последовательно выполняемых операций открывания двери, раз; m1, m2, m3, m4,…, mn - соответственно массы (кг) теплого поступающе- го в камеру воздуха. На экспериментальной модели была исследова- на закономерность изменения температуры воздуха в секции рабочей камеры холодильного шкафа от продолжительности открывания дверей холодиль- ных шкафов-витрин (рис. 1). Рис. 1. Зависимость температуры воздуха от продолжительности открывания дверей холодильных шкафов-витрин Для этого шкаф загружали контрольными паке- тами, имитирующими продукт. При этом темпера- турное поле на их поверхности, а также в секции холодильного шкафа измерялось хромелькопелевыми термопарами. Измерения проводились t(x,0) t1 const , (2) дискретном граничном условии k в стационарном режиме хранения. Общее время f ( ) t ( t t )e 1 1 2 1 2 эксперимента составляло не менее 24 часов и (k const 0 ) 1 (3) включало не менее трех периодов оттаивания испаt( R, ) f ( ) t ( f ( ) t )ek2 ( 1 ) рителя. 2 1 1 1 1 Целью эксперимента являлось определение ста- бильности температуры в центральном слое про- дукта при хранении при пульсирующем изменении температуры охлаждающего воздуха (рис. 1), что является основным требованием для обеспечения качества сохраняемой продукции. При обработке результатов измерений для 2 ( k const 0 ) и условии симметрии t 0. x (4) определения температуры в центре пакетов, ими- тирующих продукт, решалась следующая краевая задача теплопроводности. Данные пакеты с достаточной степенью точности рассматривались как неограниченная пластина, так как отношение длины пакета к его толщине Решение симметричной задачи (1) - (4) является одновременно решением задачи нахождения температурного поля в неограниченной пластине толщиной R, когда одна поверхность ее имеет теп- ловую изоляцию (при x = 0 поток тепла отсутству- t(0, τ ) составляло не менее 10. Решалось одномерное уравнение теплопроводности для однородного и ет, так как x 0 ), а противоположная поизотропного тела: верхность x = R поддерживается при температуре, описываемой условием (3). Решение краевой задачи теплопроводности (1)- t(x, τ) τ 2t(x, τ) a x2 (τ 0, 0 x R) (1) (4) получено методом интегрального преобразова- ния Лапласа [7]. Распределение температурного поля в продукте имеет следующий безразмерный при равномерном начальном распределении темпе- ратуры вид: A 2 A n n n , (5) где T m m1 πm A B n1 cos(μ X ) e μn Fo Pd2 Fo2 A 1 Pd Fo e Pd2 Fo2 e Pd 2 Fo1 e Pd 2 ( Fo2 Fo1 ) Pd2 (1 e Pd1Fo1 ); A 2 (1)n1 2 1 Am χ1 2 cos 2πm Fo χ Fo2 Pd1 sin 2πm Fo ; Fo2 μ n - начальная тепловая амплитуда; n μn (2n 1) π ; (6) 2 B T 1 T e μ2 Fo2 (1 e μ2 Fo1 ) T (1 e μ2 ( Fo2 Fo1 ) ) n 1 2 1 n n n 2 1 e μn Fo2 n 2 e μ2 Fo Fo1 ( μ2 Pd1 ) Pd2 Fo1 Pd2 ( Fo2 Fo1 ) μ2 Fo2 ; e n e e n μ 2 1 Pd 2 n χ1 ρ1 (a13x a13 a24 x a24 ) ρ2 (a13x a24 a24 x a13 ) ; χ2 ρ2 (a13x a13 a24 x a24 ) ρ1 (a13x a24 a24 x a13 ) ; Pd1 Fo1 Pd Fo 1 Fo1 1 ρ sin 2 1 2 cos 2 e sin 2 πmFo e Pd Fo πmFo 2 2 Fo πmFo 1 Fo2 2 2 1 2 2 2 1 2 Pd Fo πm Fo Fo 1 2 2 2πm 1 2πmFo Pd Fo 2πmFo 2 Pd Fo e Pd1 Fo1 sin 1 Fo2 1 2πm 2 1 e Pd1 Fo1 cos Fo2 1 ; 1 1 2 2πm Pd Fo Pd Fo Fo1 2πmFo 1 e 1 1 2πmFo 2 2 1 Fo Pd Fo 2πmFo ρ2 1 cos 1 Fo2 2 Pd 2 Fo2 cos Fo2 e 2 2 2πm sin 1 Fo2 1 2πm 1 1 e Pd1Fo1 cos 2πmFo Pd Fo sin 2πmFo 2 Pd1Fo2 1 Fo2 1 2 2πm 1 Fo2 . 1 2πm Для сокращения записи новых формул введе- ны обозначения: sh m Fo sin m a . Fo 24 mπ a 2 2 Fo2 ; гиперболические тригономет- В результате анализа изменения температур было установлено, что открывание дверей с опредерические функции, а также безразмерная координа- та заменены индексами: ch 1; sh 2; cos 3; sin 4; X x; m m ленной частотой приводит к повышению темпера- туры внутри камеры, в центре продукта и наруше- нию режима хранения. Для задержки утечек холодного воздуха в двер- ном проеме холодильного шкафа при открывании двери предложено применение энергосберегающенапример ch Fo X cos Fo X a13 x ; го холодильного шкафа с дверным поршневым 2 2 насосом (рис. 2). Рис. 2. Энергосберегающее устройство для холодильного шкафа с дверным поршневым насосом: 1 - холодильный шкаф с встроенным поршневым насосом; 2 - поршень насоса; 3 - клапан поршня; 4 - дисковый клапан; 5 - емкость (резервуар) для сжатого холодного воздуха; 6 - пружина возврата поршня; 7 - шток поршня; 8 - балансир; 9 - дверь; 10 - воздуховод; 11 - держатель пружины; 12 - отсек внутреннего объема холодильного шкафа с холодным воздухом; 13 - теплоизоляция воздуховода от теплопритоков в изоляционное ограждение холодильного шкафа; 14 - воздух; 15 - диффузоры; 16 - дверная ручка; 17 - опорные ножки В холодильном шкафу при открывании двери задержка утечек холода осуществляется с помощью поршневого насоса, установленного вверху и внизу изоляционного ограждения каркаса холодильного шкафа. Забор холодного воздуха производится из отсека внутреннего объема холодильного шкафа. Когда закрывается дверь холодильного шкафа, пружина на штоке поршня сжимается, поршень идет вниз и воздух из-под поршня из внутреннего объема холодильного шкафа поступает через открытый поршневой клапан в освобождающееся пространство под поршнем. При движении поршня вверх поршневой клапан закрывается и холодный воздух над поршнем поднимается в емкость (резер- вуар) для хранения сжатого холодного воздуха. Под поршнем в это время создается вакуум (разре- жение). и по воздуховоду, изолированному тепло- изоляцией от теплопритоков, воздух из емкости (резервуара) для хранения сжатого холодного воз- духа под напором направляется в нагнетательный диффузор, имеющий выпускную щель. Через щель диффузора воздух подается на решетку, разделен- ную на направляющие отверстия поперечными пе- регородками внизу и вверху дверного проема. Со- здается воздушная завеса для задержки утечек хо- лода в дверном проеме холодильного шкафа с по- мощью дверного поршневого насоса. Данный способ задержки холода в дверном про- еме холодильного шкафа экономичен, так как рабо- та поршня выполняется за счет открывания и за- крывания двери холодильного шкафа с помощью балансира, закрепленного на дверях, и накопления сжатого холодного воздуха в емкости (резервуаре) для хранения сжатого холодного воздуха. Затем сжатый воздух под давлением подается на диффу- зоры и создается воздушная завеса в дверном про- еме холодильного шкафа. Для каждого типа холо- дильного шкафа рассчитывается объем резервуара и диаметры отверстий диффузоров для качествен- ного обеспечения холодным воздухом воздушной завесы дверного проема (как минимум на шесть минут - по нормам ГОСТ 23833-95), пока открыта дверь холодильного шкафа [3]. При этом решается задача обеспечения экономии электроэнергии для работы компрессора (агрегата) холодильной маши- ны, обеспечивается энергосбережение и сохранение холода в холодильном шкафу, а также обеспечива- ется холодильное хранение и сохранность качества мороженых продуктов в торговом холодильном оборудовании за счет сохранения холода. В период, когда дверь холодильного шкафа закрыта, в ем- кость (резервуар) за счет движения поршня вниз нагнетается сжатый холодный воздух. При откры- вании двери холодильного шкафа холодный воздух по воздуховоду под высоким давлением поступает через диффузор на решетку с направляющими от- верстиями вверх и вниз дверного проема холодиль- ного шкафа. Образуется воздушная завеса из хо- лодного воздуха в дверном проеме холодильного шкафа. Происходит задержка утечек холода в дверном проеме холодильного шкафа из его отсека внутреннего объема. Также предложено вентиляционное устройство для задержки утечек холодного воздуха в дверном проеме холодильного шкафа при открывании две- ри, применение энергосберегающих устройств (рис. 3). Разработанный способ для задержки утечек хо- лодного воздуха в холодильном шкафу при откры- вании двери осуществляется с помощью вентиля- тора (побудителя тяги), установленного вверху и внизу дверного проема изоляционного ограждения холодильного шкафа. Из отсека внутреннего объема холодильного шкафа производится забор холод- ного воздуха. Холодный воздух по воздуховоду, изолированному теплоизоляцией от теплопритоков, направляется под напором в нагнетательный диф- фузор, имеющий выпускную щель. Через щель диффузора воздух подается на решетку, разделен- ную на направляющие отверстия поперечными пе- регородками внизу и вверху дверного проема. Со- здается воздушная завеса для задержки утечек хо- лода из холодильного шкафа. Данный способ за- держки холода в дверном проеме холодильного шкафа позволит решить задачу сбережения элек- трической энергии на дополнительную работу ком- прессора (агрегата) холодильной машины для хо- лодильного хранения мороженых рыбных продук- тов и обеспечит сохранность их качества. Рис. 3. Вентиляционное устройство для задержки холодного воздуха для холодильного шкафа: 1 - холодильный шкаф с распашными дверями; 2 - дверь; 3 - ручка двери; 4 - кнопка-включатель вентиля- тора (побудителя тока); 5 - диффузоры; 6 - решетка с направляющими отверстиями для подачи холодного воз- духа вниз и вверх дверного проема шкафа; 7 - воздушная завеса из холодного воздуха для задержки утечек воздуха из холодильного шкафа; 8 - воздуховод; 9 - вентилятор (побудитель тяги); 10 - опорные ножки; 11- изоляцион- ное ограждение; 12 - отсек внутреннего объема шкафа; 13 - теплоизоляция воздуховода от теплопритоков в изо- ляционное ограждение шкафа; 14 - холодный воздух Устройство для задержки утечек холода в холо- дильном шкафу при открывании двери работает следующим образом: в холодильном шкафу с по- мощью вентилятора (побудителя тяги) подается холодный воздух по воздуховоду на диффузоры с направляющими решетками, установленные вверху и внизу дверного проема. Забор холодного воздуха производится в ре- зультате создания вентилятором вакуума на входе в воздуховод. Под напором холодный воздух подает- ся по воздуховоду, изолированному теплоизоляци- ей от теплопритоков, в нагнетательный диффузор, имеющий выпускную щель. Через щель диффузора воздух подается на решетку, разделенную на направляющие отверстия поперечными перегород- ками внизу и вверху дверного проема. Создается воздушная завеса для задержки утечек холода из холодильного шкафа. Для задержки холода в отсе- ке внутреннего объема холодильного шкафа в две- рях установлены кнопки-включатели вентилятора (побудителя тяги). В период, когда дверь холо- дильного шкафа закрыта, вентилятор не работает. Температура холодного воздуха в отсеке внутрен- него объема холодильного шкафа соответствует нормам и техническим условиям хранения моро- женых продуктов. При открытии дверей холодиль- ного шкафа срабатывает кнопка-включатель венти- лятора (побудителя тяги), замыкается электриче- ская цепь и холодный воздух поступает с помощью вентилятора из отсека внутреннего объема холо- дильного шкафа по воздуховоду на диффузор и решетку с направляющими отверстиями вверху и внизу дверного проема. Образуется воздушная за- веса из холодного воздуха и задержка холода в дверном проеме холодильного шкафа. Таким образом, происходит сохранение холода во внутреннем отсеке холодильного шкафа и обес- печивается сохранность качества мороженых про- дуктов даже при частом неконтролируемом откры- вании дверей. Данные технические решения спо- собствуют экономии электроэнергии, расходуемой на дополнительное включение в работу компрессо- ра (агрегата) холодильной машины, и обеспечива- ется энергосбережение в торговом холодильном оборудовании. Заключение Результаты и их обсуждение При реализации технологии приготовления и хранения полуфабрикатов высокой степени готов- ности, полученных при интенсивной заморозке, рекомендовано учитывать при хранении получен- ных изделий теплопритоки с окружающим возду- хом, поступающим при открывании дверей. Рекомендовано учитывать частоту и количество открываний в соответствии с графиком (рис. 1). Предлагается использовать полученное ана- литическое соотношение для описания потоков поступающего воздуха. На основании экспериментальных исследо- ваний поставлена и решена краевая задача тепло- проводности, описывающая температурное поле в объеме замороженного продукта в условиях хране- ния его в торговом холодильном оборудовании - холодильном шкафу-витрине. После экспериментальной проверки и ком- пьютерного исследования охлаждающего устрой- ства разработанная математическая модель может быть рекомендована для инженерных расчетов и автоматизации качественного и безопасного хранения скоропортящихся продуктов в холодильном шкафу-витрине. Полученное аналитическое решение дает возможность определить темп охлаждения (нагре- ва), наименьший удельный расход энергии для поддержания необходимого режима, а также вы- брать оптимальное соотношение продолжительно- стей периодов работы и отключения холодильной машины. Обозначения t(x, τ) - температура, оС, K; t1 - минимальная температура; t2 - максимальная температура; Техническим результатом является повышение рациональности работы и экономичности хо- t t2 t1 0 ; лодопроизводительности агрегата холодильного шкафа, экономия затрат электрической энергии на работу компрессора (агрегата) холодильной маши- ны и сохранение холода в отсеке внутреннего объ- ема холодильного шкафа. Способы задержки холода в дверном проеме холодильного шкафа позволяют решить задачу энергосбережения в холодильной, пищевой и рыб- ной промышленности. Сохранение холода cэконоx - текущая координата; R - половина толщины пластины при симметричном теплообмене тела с окружающей средой; τ - время, с; τ0 = 0 - время начала процесса; не уменьшая общности исследо- вания проблемы. рассматриваем одинаковыми дли- тельности циклов (периодов) процесса «нагрев - охлаждение»: [0, τ2 ] [τ2 , τ4 ] ... [τ2 (n1) τ2n ] τ const , n N ; N - множество натуральных чисел; a - мит электроэнергию на работу компрессора (агрегата) холодильной машины, а также обеспечивается коэффициент температуропроводности, м2/с; k1 ,k2 рациональное холодильное хранение, сохранность коэффициенты скорости (нагрева, охлаждения), и качество мороженых рыбных продуктов в холо- 1/c; k1 k2 ; f1 (τ1 ) t2 (t1 t2 )e k1τ1 t2 ε t2 дильном шкафу. Результаты экспериментальных исследований (0 ε t2 ) ; f2 (τ2 ) t1 ; f1 при τ2( n 1) τ τ2 n 1 ; показывают, что подача холодного воздуха и его T T X t t Fo ( x, τ ) 1 - задержка в дверном проеме холодильного шкафа с f2 при τ2n1 τ τ2n ; , t2 t1 помощью вентилятора практичнее, чем подача возбезразмерная (относительная) температура; духа с помощью поршневого насоса. Экспериментальные исследования и моделиро- T ti , i 1, 2; X x - безразмерная коордивание работы устройств для энергосбережения в i t R холодильных шкафах показали высокую эффектив- ность. Поданы две заявки на патенты Российской Федерации - полезные модели энергосберегающих ната; Fo aτ - число Фурье; R2 i k R2 Foi aτi R2 (i 1,2) ; холодильных шкафов. Pdi a число Предводителева, i = 1,2.