RESEARCH ON THE OPERATION OF THE CAPACITIVE CRYSTALLIZER FOR FREEZING OUT OF LIQUID FOOD PRODUCTS
Abstract and keywords
Abstract (English):
The paper is devoted to research on the process of crystallization in the cryoconcentrator of capacitive type. Ex-periments on water separation freezing out have been carried out at different temperatures of a coolant and duration of the crystallization process. The dependence of the weight of the obtained ice on the time of the low-temperature pro-cessing is given. The change of ice layer thickness and temperature curves on a heat transfer surface of a crystallizer have been graphed. As a result of experimental studies the graphics reflecting the dependence of specific power con-sumption on time and thickness of a frozen ice layer were received. Based on the dependences obtained power effi-ciency modes of separation freezing out were defined.

Keywords:
Cryoconcentrator, separation freezing out, crystallizer, water treatment, freezing.
Text
Publication text (PDF): Read Download

 

Введение

Большинство жидких пищевых продуктов расти­тельного и животного происхождения представляют собой суспензии с содержанием сухих веществ от 5 до 40 %. Удаление части воды из таких растворов сопровождается уменьшением их объема, что позво­ляет снизить расходы на транспортировку и хране­ние. При этом активность воды также уменьшается, в результате чего происходит замедление биохимиче­ских и микробиологических процессов с повыше­нием сроков годности продукта.

Для удаления влаги из жидких пищевых продук­тов существуют такие методы, как выпаривание, мембранные способы и концентрирование вымора­живанием (криоконцентрирование). Последний спо­соб является наиболее перспективным методом, ко­торый заключается в том, что в процессе заморажи­вания вещества вода в нем кристаллизуется в виде чистого льда, при этом концентрация незаморожен­ного раствора увеличивается. Сам процесс состоит из двух этапов: кристаллизации влаги, осуществляе­мой в специальном оборудовании (кристаллизато­рах), и сепарирования – отделения льда от концен­трированного раствора. По сравнению с остальными способами концентрирование при пониженных тем­пературах имеет ряд преимуществ, к числу которых относится более полное сохранение биологически ценных компонентов – витаминов, микро- и макро­элементов, а также ароматических веществ и термо­лабильных жидкостей [1]. При вымораживании сте­пень биохимических изменений в продукте пренеб­режимо мала, что обусловливает высокое качество получаемых концентратов, а отделенная после крио­концентрирования чистая вода может использо­ваться в дальнейшем технологическом процессе.

Поскольку вымораживание протекает при отри­цательных температурах, то процессы коррозии применяемого технологического оборудования про­ходят очень медленно, поэтому существует возмож­ность использования дешевого конструкционного материала [2]. Кроме того, невысокие энергетиче­ские затраты на криоконцентрирование делают этот способ экономически более эффективным по сравне­нию с другими способами сгущения.

Долгое время основным препятствием на пути к широкому распространению разделительного вымо­раживания являлись высокие потери сухого веще­ства. Современные технологии позволяют проводить криоконцентрирование с потерями сухого вещества менее 1 %.

Разделительное вымораживание проводят в кри­сталлизаторах прямого и косвенного охлаждения. В первом типе кристаллизаторов отвод теплоты от продукта осуществляется за счет испарения влаги в условиях вакуума. Несмотря на энергоэффектив­ность, такой способ вымораживания характеризуется большими потерями чистой воды (порядка 15–20 %) и ароматических веществ. В кристаллизаторах кос­венного охлаждения отвод теплоты осуществляется через охлаждаемые стенки либо путем введения из­вне рециркуляционной жидкости. Такие типы кри­сталлизаторов нашли широкое внедрение в пищевой промышленности.

Сепарирование, являющееся более сложным про­цессом по сравнению с кристаллизацией, проводится преимущественно двумя методами: основанными на механическом вытеснении концентрата из смеси и основанными на действии конвективной или моле­кулярной диффузии. При этом стоит отметить, что наиболее эффективного сепарирования можно дос­тичь путем намораживания льда в криоконцентра­торе емкостного типа. В таких аппаратах по завер­шении процесса кристаллизации концентрат слива­ется из центральной части емкости, после чего намо­роженный лед плавится и удаляется из аппарата. Это позволяет значительно упростить конструкцию ап­парата и повысить эффективность разделительного вымораживания.

В пищевой промышленности концентрирование вымораживанием применяется для очистки и опрес­нения воды, получения натуральных пищевых кра­сителей, концентрированных фруктовых соков, алко­гольных напитков, кофейных экстрактов, для сгуще­ния молока и молочных продуктов и т.д. Раздели­тельное вымораживание успешно используется в фармакологии для сгущения лекарственных препара­тов [3]. Стоит также отметить, что данный способ может применяться как предварительный этап под­готовки продукта к последующей сублимационной сушке [4].

Экономическая эффективность использования криоконцентрирования напрямую зависит от удель­ного энергопотребления установки на удаление 1 кг влаги, что в свою очередь определяется многими факторами: геометрией самого кристаллизатора, температурой и продолжительностью заморажива­ния, кратностью циклов и т.д. Правильно подобран­ные режимы работы криоконцентратора обеспечи­вают минимальные энергозатраты и наибольшую производительность по вымораживанию влаги.

Для разработки технологий криоконцентрирова­ния жидких пищевых продуктов в емкостном крио­концентраторе необходимо сперва исследовать про­цессы льдообразования на его теплообменных по­верхностях при вымораживании влаги из растворов. Таким образом, целью настоящей работы является исследование процесса разделительного выморажи­вания воды в кристаллизаторе емкостного типа и оп­ределение наиболее эффективных технологических параметров.

 

Материалы и методы

Для проведения экспериментальных исследова­ний был использован емкостный кристаллизатор, разработанный в ФГБОУ ВПО КемТИПП на кафедре «Теплохладотехника», схема которого представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема кристаллизатора емкостного типа

 

Установка состоит из цилиндрической емкост 7 с крышкой 12, в которую помещена другая цилинд­рическая емкость 11, выполненная из нержавеющей стали. Пространство между их стенками заполнено хладоносителем 8. Тепло от него отводится хлада­гентом, циркулирующим через испаритель-змеевик   9 холодильной машины, включающей также компрес­сор 4, конденсатор 3, фильтр-осушитель 2 и дрос­сельное устройство 1. Слив концентрата осуществ­ляется через трубопровод 6 путем открытия запор­ного вентиля 5. Оттаивание намороженного льда осуществляется термоэлектронагревателем 10. Объем кристаллизатора составляет 4 л, мощность компрессора – 120 Вт, используемый хладагент – R134a.

Контрольно-измерительный комплекс регистра­ции температур раствора, хладоносителя, узловых точек цикла холодильной машины и поддержания заданной температуры хладоносителя включал в себя термопары, измеритель-регулятор ОВЕН ТРМ1, преобразователь интерфейса RS-485, модуль ввода аналоговый ОВЕН MBA8 и персональный компью­тер. Для определения энергозатрат использовался электрический счетчик «МЕРКУРИЙ 203 2Т». Перед началом каждого эксперимента в криоконцентратор заливалось 3500 мл воды, предварительно охлажден­ной до 1 °С. Измерителем-регулятором ОВЕН ТРМ1 задавалась температура хладоносителя минус 2, ми­нус 5, минус 7 и минус 10 °С, эксперимент прово­дился в течение 15, 30, 60, 90, 120 и 180 мин. По ис­течении заданного времени незамерзшая вода слива­лась и с помощью мерного цилиндра определялось количество вымороженной воды.

 

Результаты и их обсуждение

Результаты определения количества выморожен­ной воды в процессе кристаллизации в зависимости от времени и температуры хладоносителя представ­лены в табл. 1.

 

Таблица 1

 

Количество вымороженной воды

в процессе кристаллиза­ции, кг

 

Время, мин

Температура хладоносителя, °С

минус 2

минус 5

минус 7

минус 10

15

0,2

0,2

0,2

0,2

30

0,41

0,45

0,45

0,45

60

0,66

0,95

1,00

1,01

90

0,87

1,24

1,43

1,46

120

1,08

1,50

1,70

1,81

180

1,39

1,95

2,25

2,43

 

Представленные данные свидетельствуют о том, что с понижением температуры хладоносителя масса вымороженной воды увеличивается, причем чем большее время длился процесс кристаллизации, тем более явно проявлялась эта зависимость. Через         30 мин заморозки величина вымороженной воды при всех заданных температурах хладоносителя практи­чески совпадает, поскольку к этому времени темпе­ратура хладоносителя достигает заданного уровня лишь при установленном значении температуры ми­нус 2 °С (см. рис. 3). При дальнейшем увеличении длительности вымораживания разность между мас­сой образовавшегося льда при различных значениях температуры хладоносителя повышается.

Масса образовавшегося льда в процессе кристал­лизации является относительной величиной, которая зависит не только от продолжительности выморажи­вания и температуры хладоносителя, но и от геомет­рии самого кристаллизатора, поэтому для разработки технологического процесса криоконцентрирования более информативной характеристикой является толщина намораживаемого слоя льда.

Для определения толщины слоя льда вначале был произведен расчет высоты, м, по формуле

 

,                                 (1)

 

где Vсм – объем водоледяной смеси (определяется как сумма объема незамороженной воды и наморожен­ного льда), м3; D – диаметр рабочей емкости крио­концентратора, равный 0,174 м.

Стоит отметить, что при определении объема во­доледяной смеси учитывались значения плотности воды и льда, составляющие соответственно 0,9982 и 0,917 г/см³.

Затем был рассчитан внутренний диаметр за­мерзшего ледяного массива, м:

 

,                          (2)

 

где Vл – объем образовавшегося льда, м3.

Толщина намороженного слоя льда, м, определя­лась по формуле

 

.                               (3)

 

По полученным данным был построен график изменения толщины намораживаемого слоя льда в зависимости от времени при различных значениях температуры хладоносителя (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Зависимость толщины намораживаемого слоя льда от времени кристаллизации при температуре хладоносителя: 1 – минус 10 °С; 2 – минус 7 °С; 3 – минус 5 °С; 4 – минус 2 °С

 

По графику, представленному на рис. 2, установ­лено, что скорость образования льда имеет нелиней­ный характер и со временем кристаллизации снижа­ется. Данный факт обусловлен тем, что по мере роста толщины слоя льда термическое сопротивление ме­жду теплообменной поверхностью и водой повыша­ется, что снижает эффективность отвода теплоты. При температурах хладоносителя минус 10, минус 7 и минус 5 °С наибольшая скорость образования льда наблюдалась в диапазоне от 30 до 60 мин. В том слу­чае, когда температура хладоносителя составляла минус 2 °С, скорость кристаллизации была макси­мальной в первые 30 мин процесса замораживания. Через 180 мин после процесса кристаллизации толщина образовавшегося слоя льда при температурах хладоносителя минус 2, минус 5, минус 7 и минус 10 °С составила соответственно 18,6; 27,4; 32,5 и 35,8 мм.

На рис. 3 представлен график изменения темпе­ратуры на теплообменной поверхности кристаллиза­тора в процессе замораживания.

После запуска холодильная машина работает не­прерывно до тех пор, пока температура хладоноси­теля не достигнет заданного значения. Время, необ­ходимое для этого, при установленных значениях температуры хладоносителя минус 2, минус 5, минус 7 и минус 10 °С составило 25, 60, 96 и 160 мин соот­ветственно, после чего на графиках наблюдается волнообразный характер температурных кривых. Холодильная машина при этом работает в цикличе­ском режиме для поддержания заданной темпера­туры хладоносителя в допустимом диапазоне, уста­новленном перед началом эксперимента.

 

 

Рис. 3. Зависимость температуры теплообменной поверхности кристаллизатора от времени замораживания при температуре хладоносителя: 1 – минус 2 °С; 2 – минус 5 °С;  3 – минус 7 °С; 4 – минус 10 °С

 

Энергетические затраты процесса замораживания состоят из затрат электроэнергии на привод ком­прессора. Расход энергии на замораживание при раз­личных температурных режимах представлен на рис. 4.

 

 

Рис. 4. Величина энергопотребления в процессе кристаллизации при температуре хладоносителя: 1 – минус 10 °С; 2 – минус 7 °С; 3 – минус 5 °С; 4 – минус 2 °С

 

В случае, когда температура хладоносителя со­ставляла минус 10 °С, зависимость энергопотребле­ния от времени имела практически линейный харак­тер. Это связано с тем, что из 180 мин общего вре­мени кристаллизации холодильная машина работала в непрерывном режиме 160 мин и лишь 20 мин в цикличном режиме (см. рис. 3). Повышение темпера­туры хладоносителя до минус 7 °С приводит к не­значительному снижению энергопотребления, на рис. 4 незначительное отклонение графика наблюда­ется через 90 мин замораживания. Дальнейшее по­вышение температуры хладоносителя до минус 5 и минус 2 °С приводит к значительному снижению энергозатрат. Через 180 мин кристаллизации энерго­затраты при температуре хладоносителя минус 2 °С были на 40 % ниже, чем при установленном значе­нии температуры хладоносителя минус 10 °С.

Для определения наиболее энергоэффективных режимов разделительного вымораживания был по­строен график зависимости удельного энергопотреб­ления (кДж/кг вымороженной влаги) от толщины слоя образовавшегося льда (рис. 5).

 

 

Рис. 5. Зависимость удельного энергопотребления от толщины слоя льда в процессе кристаллизации при температуре хладоносителя: 1 – минус 2 °С; 2 – минус 5 °С;  3 – минус 7 °С; 4 – минус 10 °С

 

Из графика, приведенного на рис. 5, следует, что по мере увеличения толщины слоя льда сначала про­исходит снижение удельного энергопотребления до определенного значения. Высокие значения энерго­потребления в начале эксперимента обусловлены тем, что значительная часть энергии, подводимой к холодильной машине, расходуется не на льдообразо­вание, а на понижение температуры воды и хладоно­сителя. Затем по мере понижения температуры хладо-
носителя увеличивается льдообразование и удель­ные затраты энергии на образования льда уменьша­ются. Минимальному энергопотреблению соответст­вует определенная толщина слоя льда. По мере уве­личения толщины слоя льда растет термическое со­противление образующегося ледяного массива, ухудшается теплоотвод и затраты энергии на намо­раживание льда увеличиваются. Каждой температуре хладоносителя соответствовал свой оптимум тол­щины слоя льда с минимальным удельным энергопо­треблением. При температурах хладоносителя       минус 2 и минус 5 °С наименьшие энергозатраты на вымо-раживание 1 кг влаги наблюдались при толщине слоя льда соответственно 5–6 и 9–12 мм. В том случае, когда температура хладоносителя составляла минус 7 и минус 10 °С, наименьшее удельное энергопотребление соответствовало толщине слоя льда 13–16 мм. Было также установлено, что кристаллизация при заданной тем-пературе хладоносителя минус 10 °С характеризо-валась наименьшими удельными энергозатратами, которые при толщине слоя льда 13–16 мм составили 500–512 кДж/кг вымороженной влаги.

Таким образом, разделительное вымораживание сопровождается наименьшими энергозатратами при непрерывной работе холодильной машины до дос­тижения слоя льда 13–16 мм. В данном случае дли­тельность этого процесса составила 60–70 мин, хла­доноситель к тому времени охлаждался до темпера­туры минус 6…минус 7 °С. Вымораживание при более высоких температурах ведет к повышению удельного энергопотребления, а кристаллизация при установленной температуре ниже минус 10 °С является нецелесообразной, поскольку при этом хладоноситель не успевает охладиться до заданного значения. Практическая значимость представленных результатов исследований заключается в том, что приведенные режимы работы емкостного кристалли­затора обеспечивают наименьшее удельное энерго­потребление криоконцентратора на удаление 1 кг воды. В конечном итоге это приводит к сокращению себестоимости готового продукта, который подвер­гается данному процессу обработки. Таким образом, удается добиться повышения эффективности разде­лительного вымораживания, что делает этот способ переработки продуктов перспективным направле­нием пищевой промышленности.

 

References

1. Shamarov, M.V. Nizkotemperaturnoe koncentrirovanie / M.V. Shamarov, M.I. Luginin // Pischevaya industriya. - 2011. - № 4/9. - S. 65-66.

2. Zelinskaya, E.V. Teoreticheskie aspekty ispol'zovaniya gidromineral'nogo syr'ya: monografiya / E.V. Zelinskaya, U.Yu. Voronina. - M.: Akademiya Estestvoznaniya, 2009.

3. Shul'ga, N.N. Kriokoncentrirovanie syvorotki krovi / N.N. Shul'ga // Doklady Rossiyskoy akademii sel'skoho-zyaystvennyh nauk. - 2009. - № 5. - S. 47-48.

4. Luginin, M.I. Razrabotka i issledovanie struynogo kriokoncentratora zhidkih produktov: dis. … kand. tehn. nauk. - Krasnodar, 2008. - 138 s.


Login or Create
* Forgot password?