Повышение эффективности электрокопчения За счёт использования поля коронного

На правах рукописи

Варфоломеев Юрий Николаевич

Повышение эффективности электрокопчения За счёт использования поля
коронного разряда

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии

и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «Энергообеспечение сельского хозяйства» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменская государственная сельскохозяйственная академия».

Научный руководитель:	кандидат технических наук, доцент Смолин Николай Иванович
Официальные оппоненты:	Халина Татьяна Михайловна доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», кафедра «Электротехники и автоматизированного электропривода», зав. кафедрой. Меновщиков Юрий Александрович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет», кафедра «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», профессор.
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия».

Защита состоится «21» марта 2013 г., в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46, тел/факс (3852)36 71 29, http://www.altstu.ru; e-mail: elnis@inbox.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «20» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Куликова Лидия Васильевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. 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 экономии топливно-энергетических ресурсов, повышении качества продукции, 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 с 1990 г. с 0,9% до 1,7% от общего потребления всех продуктов, в том числе копченой рыбы.

Одним из серьезных недостатков продуктов копчения является наличие в дыме и копченостях полициклических ароматических углеводородов, мутагенных нитрозаминов и других вредных веществ типа метанола и формальдегида которые относятся к группе канцерогенов.

При формировании коптильного дыма канцерогены, находящиеся в парообразном состоянии коагулируют, в основном, на крупные частицы аэрозоля.

Известные способы механической предварительной очистки коптильного дыма от крупных частиц не нашли широкого применения по ряду причин, одной из которых является их дороговизна.

С увеличением объемов производства рыбы и рыбопродуктов растет и потребление энергии данной отраслью. В связи с этим совершенствование новых технологий копчения рыбы с целью повышения качества продукта и снижения энергоемкости является актуальной задачей.

Одним из наиболее эффективных и перспективных технологий копчения являются технологии, основанные на использовании электрических полей, при этом сокращается время копчения и повышается качество продукта за счет интенсификации осаждения коптильного дыма на продукте копчения и предварительной электроочистки этого дыма от крупных частиц.

Известные способы электрокопчения рыбы и рыбопродуктов интенсифицируют процесс копчения, но являются энергозатратными и не предусматривают предварительную электроочистку коптильного дыма от крупных частиц, что и является сдерживающим фактором для широкого внедрения этой технологии.

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 дымовоздушной смеси от крупных частиц.

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

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- выполнить критический анализ существующих способов электрокопчения рыбы и рыбопродуктов;

- 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;

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

- 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;

- 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 представляют:

- методика обоснования аналитической зависимости параметров электрического поля коронного разряда в межэлектродном промежутке установки электрокопчения от её конструктивных элементов;

- алгоритм выбора конструктивных параметров разработанной электрокоптилки с учетом технических и технологических характеристик процесса обработки;

- 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 № 88913).

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 и приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 9 таблицы и 10 приложений. Список литературы, включает 104 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованна актуальность темы. Сформулированы цель и задачи исследования, определены объект и предмет исследования, а также приведены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса и определены цели и задачи исследования.

На основе литературных данных по теме копчения рыбы и очистки дымовоздушной смеси, таких авторов как Воскресенский Н.А., Андрусенко П.Н., Костенюк А.И., Попов В.Д., Калитин А.А., Курко В.И., Мезенова О.Я. и др. сформулированы требования к современным способам копчения.

В настоящее время известно, что в зависимости от температуры процесса различают холодное, горячее и полугорячее копчение.

При холодном копчении температура при обработке продукта коптильными компонентами не должна превышать 40°С, при горячем копчении температура на основных этапах обработки, в том числе коптильными компонентами, превышает 80 °С (80-170 °С), при полугорячем копчении диапазон температур составляет 40-80 °С.

В зависимости от вида коптильной среды различают дымовое, бездымное и смешанное копчение.

При дымовом копчении продукт обрабатывается дымовоздушной смесью, образующейся при непосредственном сжигании древесины. Такая продукция обладает неповторимыми вкусо-ароматическими свойствами из-за богатого химического состава дыма (более 10 тыс. компонентов осаждаются на продукт). Однако в продукт одновременно попадают и вредные вещества типа ПАУ (полициклические ароматические углеводороды), формальдегида, метанола, нитрозаминов (НА).

Бездымное копчение - это обработка продукта коптильными препаратами, полученными на основе дыма или его отдельных компонентов. Из-за трудностей в получении совершенных коптильных препаратов и аппаратурного оформления процесса бездымное копчение медленно внедряется в производство.

При смешанном копчении комбинируют операции дымовой и бездымной обработок.

В зависимости от движущей силы осаждения компонентов коптильной среды различают естественное (традиционное), электро- и комбинированное копчение.

Естественное (традиционное) копчение осуществляется за счет осаждения компонентов коптильной среды под действием силы тяжести, броуновского движения, центробежной и радиометрической сил, где количество частиц, осевших на поверхность рыбы, подсчитывается согласно закону Фукса по формуле:

(1)

где – разность концентрации частиц на границах пристенного слоя; -площадь слоя; -толщина слоя; - время прохождения частиц через слой.

Из (1) видно, что количество частиц, осевших на пристенный слой, прямо пропорционально разности концентрации частиц на границах пристенного слоя.

В зависимости от конструктивных особенностей оборудования традиционного копчения, направленного на увеличение разности концентраций на границах пристенного слоя, различают копчение в установках камерного, туннельного и башенного типов, которые в настоящее время достигли своего предела в техническом совершенствовании.

Способ копчения с использованием коронного разряда при копчении позволяет существенно увеличить разность концентраций частиц на пристенном слое продукта копчения за счет более интенсивного осаждения частиц коптильного дыма. Скорость осаждения на поверхности обрабатываемого продукта и проникновение внутрь частиц коптильного дыма зависит не только от уровня напряженности приложенного электрического поля и электрофизических свойств дыма, но и от густоты и размера частиц дыма.

При электрокопчение в поле коронного разряда под действием электростатических сил практически все частицы коптильного дыма оседают на поверхности продукта.

Не менее важным при копчении являются вопросы экологии и безопасности копченых продуктов для здоровья человека, обусловленные уменьшением в них количества канцерогенных соединений группы ПАУ. Введение ограничений по содержанию их в копченых продуктах требует от производителей пересмотра существующих технологий приготовления копченой продукции с учетом международных стандартов, рассматривающие копчение, прежде всего, как способ придания продуктам слабовыраженного вкуса и аромата. Известные способы механической предварительной очистки коптильной дымовоздушной смеси от крупных частиц, по ряду причин, не нашли широкого применения.

В настоящее время, электрокопчение является одним из перспективных энергосберегающих направлений развития технологии копчения сельскохозяйственной продукции. Анализ и систематизация имеющихся литературных данных по рассматриваемым вопросам копчения рыбы и очистки дымовоздушной смеси от крупных частиц, позволили определить и сформулировать основные направления исследования.

Вторая глава посвящена методике расчета основных конструктивных и технологических параметров устройства предварительной очистки дыма от крупных частиц, теоретически рассмотрены варианты технических решений предварительной очистки дымовоздушной смеси коптильного дыма от крупных частиц и более равномерного осаждения мелкодисперсной части аэрозоля на продукте копчения.

Устройство и принцип действия существующих аппаратов электрокопчения представлены на рисунке1а. В установке используются заземленные коронирующие электроды 1, расположенные по обе стороны продукта копчения, который играет роль второго потенциального электрода 2. При подаче напряжения (от источника ИВН 3) на систему электродов «плоскость между двумя игольчатыми электродами», создается резко неоднородное электрическое поле.

Заряженные частицы коптильного дыма под действием кулоновских сил дрейфуют к продукту копчения, при достижении поверхности продукта частицы осаждаются на нем и далее диффундируют внутрь продукта.

Рисунок 1 – Принцип действия установки электрокопчения:

а) – принцип действия установки электрокопчения; б) – картина осаждения частиц на поверхности продукта; в) - динамика процесса электрокопчения

На рисунке1б представлена картина осаждения частиц на поверхности продукта копчения в существующих установках. Как видно из данного рисунка все частицы как крупные, так и мелкодисперсные осаждаются на продукте копчения. Это связано с тем, что установка работает в повторно кратковременном режиме, при котором во время паузы происходит заполнение коптильной камеры коптильным дымом, а за время работы осаждение коптильного дыма на всей поверхности продукте копчения.

На рисунке 2а представлена схема модернизированной установки электрокопчения. В отличие от существующих аппаратов в данной установке коронирующие электроды 1 расположены по отношению заземленного электрода 2 под углом . Параметры коронирующих электродов электрокоптилки приняты следующими: длина иглы 23,4 мм, шаг между иглами 50 мм, расположение игл в шахматном порядке, угол заточки острия 180. Такая система игольчатых коронирующих электродов предотвращает образование стримеров и возникновения электрических пробоев межэлектродного промежутка. Кроме этого, в установке имеется дополнительный электрод 3, который обеспечивает электроочистку дымовоздушной смеси от крупных частиц.

На рисунке 2б представлена картина осаждения частиц дыма в зависимости от их размера и высоты коптильной камеры модернизированной установки.

Данная установка работает в непрерывном режиме, при этом крупные частицы дымовоздушной смеси осаждаются на дополнительном электроде, а мелкодисперсные частицы – на продукте копчения.