УДК 664.8.037.59.05 Д.Л. Никитин, студент 5-го курса механико-технологического факультета ФГОУ ВПО «КГТУ»

УДК 664.8.037.59.05
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ДЕФРОСТАЦИИ ПРОДУКТОВ
В ВАКУУМЕ
Д.Л. Никитин, студент 5-го курса механико-технологического факультета
ФГОУ ВПО «КГТУ»
В статье рассмотрены процессы дефростации продуктов, а также конструктивные вариации
дефростеров. Раскрыты пути дальнейшего развития установок для дефростации продуктов в вакууме,
обеспечивающих эффективную передачу тепловой энергии пара размораживаемому продукту.
вакуумная дефростация, конденсация водяных паров, тепловая энергия, теплота парообразования, неконденсирующийся газ, пар-теплоноситель
В последние годы за рубежом находят промышленное развитие установки, которые
обеспечивают размораживание продуктов, например рыбы и морепродуктов, в условиях разреженной среды [1-3]. Работа таких установок основана на использовании скрытой теплоты
парообразования при конденсации водяных паров в вакууме на поверхности замороженных
продуктов.
Одно из важных достоинств способа дефростации продуктов в вакууме – большое количество тепловой энергии, которую может передать размораживаемому продукту партеплоноситель. Так, 1 кг воды, нагретой до температуры 20°С, может сообщить продукту
тепло в количестве
Qж = mж · с (t1 – t2) = 1· 4186,8 · (20-3) = 71,2 кДж,
а 1 кг пара при остаточном давлении 2,34·103 Па и соответственно при том же значении температуры – в 35,3 раза больше:
Qп = mп · r + mж · с (t1 – t2) = 1· 2447·103 + 1· 4186,8 · (20-3) = 2518 кДж,
(1)
где Qж, Qп – тепло, подводимое к продукту соответственно массой жидкости и пара; mж,
mп – масса воды и пара, кг; с – удельная массовая теплоемкость воды, с = 4186,8 Дж/(кг ·град);
r – теплота парообразования, r=2447·103 Дж/кг; t1, t2 – начальная и конечная температура
жидкости, °С.
Очевидно, что при аппаратурном оформлении процесса вакуумной дефростации следует обеспечивать условия для наиболее полной передачи тепловой энергии пара размораживаемому продукту. Анализ работы зарубежных устройств для дефростации пищевых продуктов в вакууме показал, что достижение этих условий зависит от многих факторов, наиболее важными из которых являются наличие неконденсирующихся газов в камере, угол
наклона потока пара по отношению к поверхности продукта и характер образования паратеплоносителя.
В процессе дефростации неконденсирующиеся газы поступают вместе с паром в зону
конденсации и, скапливаясь здесь при недостаточно эффективном их удалении, понижают у
поверхности продукта парциальное давление пара при неизменном общем давлении смеси:
pобщ = pп + pг = p′п + p′г, при p′г > pг и p′п < pп ,
где pп, pг – парциальное давление соответственно пара и газа в камере, Па;
p′п, p′г – парциальное давление пара и газа у поверхности продукта, Па.
В соответствии с парциальным давлением пара p′п сторона пленки конденсата, обращенная к парогазовой смеси, имеет температуру, приближающуюся к температуре насыщения при давлении p′п. В результате этого ухудшаются условия для интенсивного протекания
процессов внешнего тепло- и массообмена, поскольку конденсация пара возможна только на
274
поверхности, имеющей более низкую температуру, чем температура насыщения при данном
парциальном давлении пара в смеси. Кроме того, увеличение парциального давления и концентрации газа в зоне конденсации осложняет диффузионный перенос пара к поверхности
продукта.
Следует отметить, что чем ниже парциальное давление пара в камере, тем сильнее
снижается парциальное давление p′п, тем больше понижается температура поверхности
пленки конденсата и, следовательно, уменьшается коэффициент теплоотдачи от парогазовой
смеси. Уменьшение коэффициента теплоотдачи, как известно, ведет к увеличению продолжительности процесса дефростации.
До последнего времени при создании вакуумных дефростеров вопрос обеспечения
равномерного отсоса неконденсирующихся газов практически не решался. Так, в известных
устройствах [1-3] для установления и поддержания низких остаточных давлений используются приемы откачки, характерные для статических вакуумных систем с сосредоточенным
объемом. Однако локальная откачка газов (через один выходной патрубок) в динамических
вакуумных системах технологических установок обеспечивает поддержание на заданном
уровне лишь общего остаточного давления.
С точки зрения возможности создания равномерной откачки неконденсирующихся
газов заслуживает внимания установка с симметрично направленным отсосом газов. В
рабочей камере этой установки (рисунок) размещена вертикальная пустотелая плита со
сквозными отверстиями в стенках, которая посредством трех выходных патрубков,
вмонтированных в верхнюю стенку камеры, соединена с вакуум-насосом. При работе
установки неконденсирующиеся газы перемещаются в направлении движения пара (от
периферии к средней части камеры), достигают плиты и через отверстия в ее стенках и
выходные патрубки отводятся вакуум-насосом.
Такая конструкция дефростера исключает возможность образования в объеме камеры
застойных зон неконденсирующегося газа, что позволяет вести процесс размораживания при
постоянных значениях парциального давления пара [4].
Таким образом, эффективность передачи тепла от пара-теплоносителя к размораживаемому продукту предопределяется, во-первых, малым потоком неконденсирующихся газов,
поступающих в вакуумную систему, во-вторых, равномерно распределенным отсосом газа из
технологической камеры.
Известно, что при вязкостном режиме течения пара, характерном для процессов вакуумной дефростации, интенсивность тепло- и массообмена зависит от величины угла между
направлением потока пара и нормалью к поверхности конденсации. При расположении
охлажденной поверхности перпендикулярно потоку создаются условия для достижения
больших скоростей фазового превращения и более равномерной конденсации пара. Заметим,
что задача правильного расположения поверхности по отношению к потоку должна решаться во взаимосвязи с приемами обеспечения равномерной подачи пара ко всем охлажденным
поверхностям, размещенным в рабочей камере, независимо от их размеров и формы.
275
Рис. Устройство для дефростации пищевых продуктов:
1 – камера; 2 – тележка с продуктом; 3 – плита для отсоса газов; 4 – блоки кипятильного
приспособления; 5 – полки с бортами; 6 – переливные трубки; 7 – патрубки подачи воды;
8 – датчик уровня воды; 9 – поддоны; 10 – сборник конденсата; 11 – выходные патрубки
Судя по литературным данным, в зарубежных установках для вакуумной дефростации
продуктов пар-теплоноситель подается в верхнюю часть рабочей камеры [2] либо генерируется в нижней ее части [1; 3]. Основными недостатками такой подачи пара являются параллельное движение потока относительно поверхности замороженного продукта и неравномерность распределения тепловой энергии в камере, а следовательно, и по отдельным участкам поверхности продукта.
Более благоприятные условия для распределения пара обеспечиваются в устройствах,
которые содержат кипятильное приспособление, состоящее из двух парообразующих блоков,
расположенных на боковых стенках камеры. Расстояние от поверхности парообразования до
поверхности замороженного продукта в этих устройствах оказывается минимальным, причем в любой части камеры путь пара «поверхность парообразования — поверхность продукта» является прямым.
На основании изложенного можно заключить, что в настоящее время развитие вакуумных дефростеров идет по пути создания устройств, обеспечивающих эффективную передачу тепловой энергии пара размораживаемому продукту.
Общее количество тепла, переданного продукту в процессе дефростации, отнесенное
к единице времени, определяется выражением
dQ = k(tcм—tпр) dF = αн.г (tcм—tж) dF + αр r (pп — p′п) dF = αж (tж—tпр) dF,
(2)
2
где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м · град);
tcм , tж , tпр – температура соответственно парогазовой смеси, пленки жидкости на границе фаз
и размораживаемого продукта, град; F – площадь поверхности теплопередачи, м2; αн.г – коэффициент теплоотдачи от неконденсирующихся газов к пленке жидкости, Вт/(м2 · град);
αр – коэффициент массопередачи, с / м; (pп – p′п) – движущая сила процесса массообмена, Па;
αж – коэффициент теплоотдачи через пленку конденсата Вт/(м2 · град).
Очевидно, что численные значения количеств тепла, определенные по формулам (1) и
(2) при одинаковой массе пара-теплоносителя, будут различными Q < Qп.
Показателем полезного использования тепловой энергии пара, характеризующим эффективность работы вакуумного дефростера, может служить величина отношения β = Q/Q п.
При любой компоновке дефростера это отношение удовлетворяет условию 0 < β <1. Однако
по мере того, как идет развитие и совершенствование конструкций дефростеров, величина β
растет, приближаясь к своему пределу β = 1.
276
Характер образования пара-теплоносителя в вакуумной камере дефростера оказывает
влияние не только на процесс передачи тепла, но и на качество размораживаемого продукта.
Поэтому развитие и совершенствование устройств для вакуумной дефростации продуктов
сопровождается поиском путей, позволяющих наиболее рационально генерировать пар в
технологических камерах.
Для первых вакуумных дефростеров характерна подача пара извне: прямым вдуванием в камеру размораживания [2] или пропусканием через слой воды при постоянной температуре [3]. Установлено, что в устройствах с прямым расширением пара наблюдается неравномерность размораживания и частичная «проварка» продукта. Кроме того, непосредственная подача (дросселирование) пара в вакуум сопровождается потерями тепловой энергии на
снижение его температуры соответственно давлению насыщения. Пропускание греющего
пара через слой воды позволяет избежать местных перегревов продукта. Однако такая подача пара, как и процесс дросселирования его, не обеспечивает равномерного распределения
тепловой энергии в объеме вакуумной камеры.
В последних моделях дефростеров пар-теплоноситель образуется в результате кипения воды, заливаемой в нижнюю часть камеры [1]. По эффективности размораживания продукта такой прием соответствует способу подачи пара через слой жидкости.
Следует отметить, что для установок с парообразующими блоками, расположенными
на боковых стенках камеры, кипячение воды в вакууме предпочтительнее других способов
образования пара.
Для современного этапа развития вакуумных дефростеров характерны, во-первых, интенсификация процессов передачи тепла от пара-теплоносителя к продукту, во-вторых,
стремление к более полному обеспечению условий для сохранения исходных свойств размораживаемого продукта [5].
Литература
1. Дефростер. Англ. пат., кл. А 23 В, № 1272396.
2. Дефростация замороженных блоков рыбного филе в вакуумной камере. Пат. ФРГ,
кл. А 23 В, № 1810745.
3. Эверингтон Д.В. Новый тип дефростера // Рыбное хозяйство. – 1975. – № 7.
4. Авт. св-о № 520965, М.Кл. А23В 4/06. Устройство для дефростации пищевых продуктов / А.С. Горлатов, А.С. Подорящий.- 2035290/28-13.- Заявлено 12.06. 74.- Опубл.
15.07.76.- Бюл. №26.
5. Горлатов А.С. Повышение эффективности процесса паровакуумной дефростации
пищевых продуктов // Вестник междунар. акад. холода. – 1999. – Вып. 2. – С. 46-48.
TRENDS OF VACUUM PRODUCT DEFROSTATION DEVICES DEVELOPMENT
D. Nikitin
Defrostation of products processes, as well as structural variations of defrosters are considered in this article. Revealed ways of further development of vacuum product defrostation devices,
which provide efficient transfer of thermal energy of the steam to the product.
277