Практическое занятие № 5

Расчет процесса дефростации и оборудования для его осуществления

Известны следующие способы размораживания рыбы: на воздухе при различной температуре, влажности и скорости движения; в воде методом погружений и орошений; в растворе поваренной соли; во льду; с помощью теплопередающих контактных устройств; паром под вакуумом; электротоком промышленной частоты; током высокой частоты; ультразвуком. Наибольшее распространение получило размораживание на воздухе, в воде, в солевых растворах.

Размораживание на воздухе характеризуется медленным протеканием процесса, усушкой рыбы, ограниченными возможностями механизации, потребностью в больших площадях, трудностью поддержания хороших санитарных условий в помещениях для размораживания. Существенным недостатком размораживания рыбы в потоке воздуха является значительная окислительная порча жира.

В жидкой среде размораживают в основном среднюю и мелкую рыбу. В качестве жидкой среды используют пресную или морскую (в судовых условиях) воду температурой не выше 15...20С или растворы повареной соли плотностью 1,02...1,20 г/см³ и температурой 15...24 С.

Допускается подогрев жидкой среды перед загрузкой сырья до 40 С при условии, что температура ее после загрузки понизится до 20С. Размораживание осуществляют в дефростерах или ваннах с ложным дном при соотношении рыбы и воды 1:2. Высота слоя рыбы в ванне не должна превышать 0,8 м. При размораживании путем погружения рыбы в жидкость целесообразно использовать проточную воду (скорость потока 0,5...1,5 м/ч) или перемешивать периодически сменяемую воду путем подачи в ванну сжатого воздуха. Продолжительность размораживания в воде не должна превышать 2 ч для мелкой рыбы и 6 ч. - для средней. Чтобы избежать излишнего набухания, по окончании размораживания рыбу следует немедленно извлечь из воды.

Практикой доказано, что для размораживания мелкой рыбы лучше использовать дефростеры оросительного типа. Блок мороженой рыбы, поставленный на ребро и орошаемый струйками воды, подвергается не только тепловому, но и гидромеханическому воздействию. Поток тепла в струйках расплавляет кристаллы льда в рыбе и ледяные спайки между ее кожными покровами в блоке, в результате чего создаются благоприятные условия для теплообмена в следующих слоях - процесс размораживания ускоряется. Размороженная рыба сохраняет плотную консистенцию, в то время как при размораживании погруженном в воду мелкая рыба набухает, консистенция ее ослабляется. Увеличиваются технологические потери и снижается качество готовой продукции.

Размораживание в воде в результате интенсивного теплообмена между рыбой и водой протекает быстрее, чем на воздухе, нет усушки, сохраняются вкусовые качества рыбы, возможна механизация процесса, одновременно с размораживанием происходит мойка рыбы, однако наблюдается потеря небольшого количества сухих веществ (органических и минеральных) и набухание рыбы.

Растворы поваренной соли применяют в основном при совмещении размораживания с посолом. При этом сокращается весь цикл производства, что позволяет выпускать больше готовой продукции за смену, экономить пресную воду, емкости и рабочую силу. Совмещенный процесс размораживания и посола мелкой рыбы используют при приготовлении полуфабриката для копчения и пряного посола, при производстве консервов продолжительность его зависит от размера рыбы и составляет 1- 6 ч.

При производстве продуктов горячего и холодного копчения из крупной мороженой рыбы, в связи с низкой теплопроводностью ее тканей и со слабой диффузией соли в продукте процесс размораживания рыбы совмещается с посолом и длится 8-10 ч.

Как всякий тепловой процесс, размораживание с помощью внешнего теплоносителя описывается формулой

(t₁ - t₂ )F = -c(t₀ - t_н)М – rM (5.1)

где  - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к размораживаемому продукту, Вт/(м^{2 .}К);

t₁ - температура теплоносителя, К;

t₂ - температура поверхности размораживаемого продукта, К;

F - поверхность размораживаемого продукта, м² ;

 - время размораживания, с;

с – теплоемкость продукта, кДж/(кг^. К);

t₀ и t_н – температура теплоносителя на входе в аппарат и на выходе из него, К;

r - удельная теплота размораживания, Дж/кг;

М - масса размораживаемого продукта, кг.

В зависимости от условий теплообмена продолжительность размораживания рыбы в воде при существующих конструкциях дефростеров колеблется от 50 до 95 мин. Продолжительность процесса определяется теплофизическими свойствами замороженной рыбы, и при конвективном теплообмене существенного ускорения процесса добиться невозможно. Следовательно, производительность дефростера будет зависеть только от количества рыбы, одновременно находящейся в аппарате.

Производительность дефростера (в кг/ч) рассчитывается по формуле

G = m ^. n /, (5.2)

где m - масса одного блока, кг;

n - количество блоков, находящихся одновременно в дефростере;

 - продолжительность размораживания, ч.

Из приведенной зависимости видно, что единственная возможность увеличить производительность дефростера - увеличить массу рыбы в дефростере. Однако при существующих конструкциях такое увеличение ограничивается габаритами блоков мороженой рыбы (больше семи блоков на погонном метре транспортирующего устройства разместить невозможно). При этом условии, если скорость движения транспортирующего устройства 0,07 м/с и продолжительность процесса 60 мин, максимальная производительность дефростера составит 1800 кг/ч.

Общая тенденция развития современной техники-сокращение производственного процесса, что повышает производительность труда и увеличивает выпуск продукции. Продолжительность процесса дефростации в общем виде есть функциякритерия Био, геометрии (конфигурации) нагреваемого материала и разности температур. Разность температур ограничивается разностью между температурой таяния льда и температурой греющей среды.

Технологической инструкцией температура среды при размораживании конвективным теплопереносом ограничивается - при повышенных температурах обнаруживаются денатурационные изменения белка. Таким образом, единственным способом увеличения производительности дефростеров является увеличение количества одновременно обрабатываемого материала. Это требует принципиально иных конструктивных решений по сравнению с существующими.

Количество дефростеров, необходимое для выполнения сменной программы цеха, рассчитывается по формуле

N = M / G ^. 8 (5.3)

где М - количество рыбы, поступившей на обработку, кг/смену;

G - производительность дефростера, кг/ч.

В общем виде передача тепла брикету описывается общеизвестным уравнением (7.20)

Q = Fc(t₁ - t₂) (5.4)

Расход тепла (в кДж/ч) конкретно на дефростацию рыбы определяется по формуле (4.4)

Q = G c_м (t₁ - t₂) + GW r + Gc(t - t₁ ), (5.5)

где G - производительность дефростера, кг/ч

с_м - удельная теплоемкость замороженной рыбы, кДж/ч;

t₁ - температура плавления льда, К;

t₂ - температура рыбы перед дефростацией, К;

W - содержание влаги в рыбе, кг/кг;

 - доля вымороженной влаги;

r - теплота таяния льда кДж/кг);

с - удельная теплоемкость дефростированной рыбы кДж/кг;

t - температура рыбы в конце дефростации, К.

Расход тепла (в кДж/ч) при нагревании сухих веществ рыбы, льда и незамерзающей части воды до температуры плавления льда составит из формулы (7.2)

Q₁ = G c_м (t₁ - t₂)

Массовый расход воды необходимой для размораживания рыбы

G_в = Q_т /с_в t_в , (5.6)

где с_в - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг^.К);

t_в - разность между температурами воды при входе в аппарат и выходе из него ( t_в = 10С).

Объемный расход воды на размораживание рыбы

V_в = G_в /_в , м³/сек (5.7)

Скорость движения воды в живом сечении аппарата определяют по формуле

_в = V_в /F_ж , м/сек (5.8)

Площадь живого сечения для прохода воды в аппарате находят по уравнению

F_ж= (_бл +2_з) (H_кт + 2_з) - n_бл l_бл _бл , м² (5.9)

где _бл - длина замороженного блока рыбы, м;

_з -зазоры между контейнером и стенками аппарата,м (₁ = ₂ = ₃ =0,03 м);

H_кт - высота контейнера с блоками, м (рис.1);

n_бл. - количество блоков в контейнере;

_бл - толщина замороженого блока, м.

Рис.2.Контейнер с блоками

Так как скорость движения воды в аппарате очень мала, примем схему аппарата с рециркуляцией воды в нем. Зная скорость движения воды в живом сечении аппарата определим ее действительный массовый расход

G_в.д. = G_в +G_рец = F_ж _в.д. , кг/сек (5.10)

где v_в.д. – скорость движения воды, м/сек.

Отсюда массовый расход рециркуляционного потока воды

G_рец = G_в.д. - G_в, кг/сек, (5.11)

а его объем V_рец = G_рец /, м³/сек.

Для создания циркуляции воды в аппарате принимаем насос.

Действительная температура воды на входе в аппарат

t_в.д. = (5.12)

Продолжительность размораживания блока до криоскопической температуры найдем, используя формулу Планка.

 = (5.13)

где q₃ - удельное количество затрачиваемой теплоты, Дж/кг;

 - плотность продукта, кг/м³;

 - толщина продукта, м;

t_кр и t₀ – криоскопическая температура продукта и температура окружающей среды, К;

₃ – коэффициент теплопроводности размороженного продукта, Вт/(м К);

 - приведенный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К).

Удельное количество теплоты, подводимой к продукту при его размораживании, температуру начала оттаивания соков в рыбе и теплопроводность размороженной рыбы находим в справочниках. Коэффициенты R и P находим в зависимости от вспомогательных коэффициентов ₁и ₂ R=0,1037; P = 0,3846.

Ширину замороженного блока b_бл принимают равной 0,25м.

Коэффициент теплоотдачи от воды к площади поверхности размораживаемого блока зависит от режима движения скорости. При определении числа Рейнольдса в качестве определяющего размера принимаем высоту канала (зазор между блоками h_к = d_э = 0,015 м. Кинематическую вязкость воды находят при температуре рециркулирующего потока t_{вl д} = 11,32С.

Вместимость аппарата определяют из зависимости

G = G _ц , кг (5.14)

где _ц – время цикла размораживания, ч;

G – производительность аппарата, кг/ч.

Количество контейнеров, одновременно находящихся в аппарате, находят по зависимости

Z = G / G_кт (5.15)

Масса рыбы в одном контейнере,

G_кт = _бл _пр n_бл , кг (5.16)

где _пр - плотность продукта, кг/м³ (_пр =1000 кг/м³);

n_бл - число блоков, сдвоенных в одном контейнере (n_бл =12).

Длина погружной ванны аппарата

L_в = Z(b_бл +_з ), м (5.17)

где ₃ – толщина блока рыбы, м.

Задание № 8

8.1. Определить массовый расход воды и продолжительность размораживания блока рыбы в аппарате погружного действия при его производительности 1200 кг/ч, если температура воды +18С, начальная температура рыбы - 20С, а конечная - 0С.

8.2. То же, при производительности аппарата 800 кг/ч, температура воды + 15С, начальная температура рыбы -18С, а конечная +1С.