Повышение эффективности электрокопчения за счёт использования поля коронного разряда

Анализ путей развития АПК, по которому идут страны с наиболее развитым сельским хозяйством, показывает, что это — путь индустриализации, концентрации и специализации. Данный процесс необратим, так как он развивается в направлении совершенствования технологических процессов, улучшения качества сельскохозяйственных продуктов, повышения общей культуры ведения сельскохозяйственного производства.

Анализ потребления рыбы и рыбопродуктов в России показывает, что доля рыбной продукции в балансе потребления продуктов россиянами увеличилась по сравнению 1990 г. [33, 78].

В связи с ростом потребления рыбопродуктов, данная отрасль приобретает большое значение в обеспечении продуктами питания населения России.

С увеличением объемов производства рыбы и рыбопродуктов растет и потребление энергии данной отраслью. В связи с этим разработка новых технологий переработки рыбы с целью повышения качества продуктов переработки и снижения их энергоемкости является актуальной задачей.

Одним из видов рыбной продукции является копченая рыба.

Копчение — это способ обработки предварительно посоленных продуктов органическими компонентами, образующимися при неполном сгорании (пиролизе) древесины. Обрабатывающей средой может быть древесный дым (дымовое копчение) или коптильный препарат (бездымное копчение). В результате продукт приобретает специфические цвет, вкус и запах, а при холодном копчении — антиокислительные и антимикробные свойства, что делает его пригодным в пищу без дополнительной кулинарной обработки.

Современная классификация относит копченые продукты к закусочным. Среди последних они не имеют себе равных по особым, характерным только им специфическим свойствам. Копчение позволяет улучшить товарные свойства мяса и рыбы, получить стойкую в хранении продукцию или привлекательный полуфабрикат с точки зрения его реализации для пресервного, консервного или кулинарного производства.

Развитие техники анализа позволило сделать в последние годы открытия, ставшие поворотными в представлениях о традиционном копчении. Выявление в дыме и копченостях целой группы канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), мутагенных нитрозаминов и других вредных веществ типа метанола и формальдегида [9, 41] стимулировало поиск экологически безопасных способов копчения, основанных на эффективной очистке дыма или использовании коптильных препаратов [42, 43]. Установление вредной роли избытка поваренной соли в организме послужило толчком к разработке технологий малосоленых копченых изделий. Исследование механизма формирования эффектов копчения (цвета, вкуса, аромата) стало основой для создания современных коптильных установок, в которых возможно управление процессом.

Совершенствовать процесс копчения для реализации экологически безопасного эффективного производства имеет место в следующих направлениях:

— регулирование процесса дымогенерации, применение дымогенерации преимущественно с внешним подводом теплоты (эндотермический способ дымогенерации);

— обезвреживание дыма перед направлением его в коптильную камеру и выбросом в атмосферу (механические способы очистки дыма от крупных частиц);

— использование небольших коптильных установок, предпочтительно камерных, с рециркуляцией дыма и микропроцессорным управлением основными параметрами, разумное сочетание ручного и механизированного труда (при традиционном копчении увеличение концентрации дыма в коптильной камере);

— подготовка полуфабриката с максимальным выходом съедобной части, минимально возможным уровнем солености, небольшой порционной массой, рациональным применением вкусоароматических, красящих и консервирующих средств (усовершенствование технологии подготовки рыбы к копчению);

— снижение уровня прокопченности продукции по содержанию органических коптильных компонентов за счет производства подкопченной, ароматизированной или подкрашенной в копченые тона продукции (применяемое в последние годы приготовление копченой рыбы под заказ);

— применение технологий, максимально имитирующих эффекты копчения на поверхности, а не в глубине изделий;

— применение экологически безопасных бездымных коптильных сред нового поколения вместо дыма (бездымное копчение);

— совершенствование контроля производства и качества копченых изделий на базе современных методов анализа и сертификации.

Изучив существующие технологические производства рыбокоптильной продукции можно сделать вывод, что традиционное копчение находится на пике своего развития, как сточки зрения получения ускоренного процесса копчения, так и с точки зрения энергосбережения.

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному изучению процессов электрокопчения рыбы и рыбопродуктов с целью снижения энергозатрат и повышения качества продукции за счет рационального распределения поля коронного разряда с предварительной электроочисткой дымовоздуш-ной смеси от крупных частиц.

Цель работы — повышение качества и снижение энергозатрат при копчении сельскохозяйственных продуктов путем использования энергосберегающих технических средств электрокопчения на основе электронно-ионной технологии (ЭИТ).

Задачи исследования:

1. Выполнить критический анализ существующих способов электрокопчения рыбы и рыбопродуктов;

2. Определить факторы, влияющие на распределение напряженности электрического поля, и обосновать параметры, обеспечивающие равномерное распределение частиц коптильного дыма по поверхности продукта в электрическом поле коронного разряда;

3. Разработать конструкцию аппарата для электрокопчения, позволяющую осуществлять предварительную электроочистку коптильного дыма и обеспечивать равномерное осаждение его частиц по поверхности продукта;

4. Обосновать рациональные режимы предложенной технологии и провести экспериментальные исследования по влиянию различных факторов на эффективность (энергозатраты, качественные показатели продукта) процесса электрокопчения с предварительной очисткой коптильного дыма;

5. Дать технико-экономическую оценку предлагаемого метода электрокопчения рыбы и рыбопродуктов.

Объект исследования — технологический процесс электрокопчения с предварительной очисткой коптильного дыма от крупных частиц и равномерным осаждением частиц коптильного дыма по поверхности продукта копчения.

Предмет исследования — закономерности распределения напряженности электрического поля по высоте установки, зависимость качества продуктов копчения от конструктивных и режимных параметров установки.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники и технической физики, электрогазодинамики дисперсных систем, математическое и физическое моделирование, методы математической статистики.

Научную новизну результатов исследования составляют:

1. Методика обоснования аналитической зависимости параметров электрического поля коронного разряда в межэлектродном промежутке установки электрокопчения от её конструктивных элементов.

2. Алгоритм выбора конструктивных параметров разработанной электрокоптилки с учетом технических и технологических характеристик процесса обработки.

3. Методика определения рациональных режимов электрокопчения, позволяющих снизить энергозатраты процесса обработки и повысить качество получаемого продукта.

Практическую ценность работы представляют:

— метод повышения эффективности электрокопчения рыбы и рыбопродуктов, позволяющий снизить энергозатраты процесса обработки и повысить качество получаемого продукта;

— методика расчета основных конструктивных, технологических и режимных параметров установки электрокопчения в электрическом поле коронного разряда;

— техническое решение разработанной технологии электрокопчения, подтвержденное патентом РФ (патент № 88 913).

Работа выполнена в соответствии с общероссийской федеральной программой «Энергоэффективная экономика» раздел «Энергоэффективность в сельском хозяйстве» (постановление Правительства РФ от 17 ноября 2001 г. № 796), приказом Минсельхоза РФ от 25 июня 2007 г. № 342 «О концепции развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года» и «О государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 — 2012 годы», утверждённой постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446.

Реализация и внедрение результатов работы: Опытный образец установки прошел успешные производственные испытания в ООО «Мясоперерабатывающий комбинат «Абсолют», техническое задание на разработку конструкторской документации установок различной производительности принято к исполнению в ООО «Мясоперерабатывающий комбинат «Абсолют». Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе в курсе лекций по дисциплине «Светотехника и электротехнология» в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии и Челябинской государственной агроинженерной академии.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и обсуждались на ежегодных международных научно-технических конференциях Челябинского государственного агроинженерного университета (2008.

2009 гг.) — Челябинской государственной агроинженерной академии (2010;2011 гг.) на научных конференциях Тюменской государственной сельскохозяйственной академии (Тюмень 2008;2011 гг.).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Перспективным направлением повышения эффективности электрокопчения рыбы и рыбопродуктов является использование электрического поля коронного разряда, что позволяет не только снизить энергозатраты на процесс обработки, но и значительно повысить качество получаемого продукта за счет очистки коптильного дыма от крупных частиц и равномерным осаждением его частиц по поверхности продукта копчения.

2. Разработанная методика расчета основных технических и технологических параметров коронирующей системы электродов позволяет реализовывать энергоэффективные режимы электрокопчения.

3. Использование предложенной коронирующей системы электродов в опытной установке электрокопчения позволяет снизить энергозатраты и повысить качество получаемого продукта.

4. Для определения рациональных режимов электрокопчения необходимо использовать разработанную методику, которая позволяет обосновать геометрию расположения коронирующих электродов и цикличность реализуемого процесса.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе две в издании по перечню ВАК и патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, основных выводов, списка использованных источников, списка литературы, включающего 104 наименования, приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 9 таблиц и 10 приложений.

114 ВЫВОДЫ.

1. Существующие технологии электрокопчения рыбы и рыбных продуктов являются энергоемкими, а конечный продукт содержит высокий уровень канцерогенных веществ. Для устранения этих негативных явлений необходимо разрабатывать современные энергосберегающие и экологически чистые технологии электрокопчения.

2. Разработанная методика обоснования аналитической зависимости параметров электрического поля коронного разряда в межэлектродном промежутке установки электрокопчения от её конструктивных элементов позволяет выполнить расчет основных параметров коронирующей системы электрокоптилки, обеспечивающей предварительную очистку дымовоздушной смеси от крупных частиц, и равномерное осаждение мелкодисперсной части частиц коптильного дыма на поверхности продукта копчения. Полученные результаты явились основой для разработки конструктивного исполнения предложенной технологии.

3. Параметры системы коронирующих электродов электрокоптилки приняты следующими: длина иглы 23,4 мм, шаг между иглами 50 мм, расположение игл в шахматном порядке, угол заточки острия 18°, а наличие дополнительного электрода обеспечивает электроочистку дымовоздушной смеси от крупных частиц. Такая система игольчатых коронирующих электродов предотвращает образование стримеров и возникновения электрических пробоев межэлектродного промежутка.

4. Разработанная конструкция электрокоптилки (Патент № 88 913 РФ) обеспечивает равномерное осаждение мелкодисперсной части аэрозоля по поверхности продукта копчения за счет расположения коронирующих электродов под углом наклона 30°, а дополнительный электрод позволяет осуществлять предварительную очистку коптильного дыма от крупных частиц.

5. Обоснованные рациональные режимы копчения (10 мин. разогрев и 12 мин. электрокопчения, общий цикл электрокопчения составляет 22 мин.) для экспериментальной установки обеспечивают требуемое качество продукции по основным показателям (консистенции, внешнему виду, вкусу и запаху).

6. Расчет техникоэкономической эффективности показал, что процесс электрокопчения интенсифицируется (время обработки сокращается более чем в 2 раза) по сравнению с существующими технологиями электрокопчения. Удельные энергозатраты при этом снижаются в 2,3 раза (с 0,16 кВт ч/кг до 0,07 кВт ч/кг). Общие энергозатраты на технологический процесс производства копчения уменьшаются на 28,12%. Срок окупаемости капитальных вложений составляет 0,52 года. Чистый дисконтированный доход (в расчете на 5 лет) — 28 396,3 руб. Индекс доходности инвестиций — 2,32.