Морозильные аппараты с безмашинной проточной системой хладоснабжения

Рабочим телом в проточных системах может быть любой сжиженный газ (кислород, углекислота, азот и др.). Однако наиболее перспективным и широко используемым в пищевой промышленноети является азот. Температура кипения жидкого азота - минус 196 °С.

Созданная индустрия холодильной обработки и хранения продуктов на базе традиционных машинных методов, безусловно, должна эффективно использоваться и совершенствоваться. Однако использование криогенного метода на базе жидкого и газообразного азота создает универсальную систему, позволяющую свести до минимума потери продуктов на всех этапах технологического процесса, в особенности на этапах заготовки и транспортировки. На этих этапах способы машинного охлаждения (холодильные установки) значительно проигрывают азотным системам в экономичности и эффективности проведения процессов холодильной обработки. Достаточно привести следующие недостатки систем машинного охлаждения на базе хладоновых или аммиачных холодильных машин:

• высокая стоимость основных фондов, дорогостоящие производственные помещения и большие производственные площади;
• продолжительные сроки строительства и введения в эксплуатацию, громоздкое и металлоемкое оборудование;
• высокие эксплуатационные затраты из-за низкой надежности и долговечности оборудования, требующего проведения частых ремонтов, а также большой стоимости запасных частей и расходных материалов и необходимости содержания большого количества квалифицированного обслуживающего персонала;
• экологическая опасность холодильных агентов (хладонов, аммиака);
• большие потери массы продукта от усушки из-за медленного протекания процессов охлаждения или замораживания продукции.

Проточные системы азотного охлаждения имеют значительные преимущества, главными из которых являются:

• высокая надежность эксплуатации систем;
• незначительные затраты на техническое обслуживание и ремонт;
• инертная газовая среда, позволяющая резко снизить потери продукта за счет подавления аэробной микрофлоры и замедлять процессы окисления тканей из-за отсутствия кислорода;
• высокая хладопроизводительность азотной системы, что позволяет эффективно осуществлять ударную первичную холодильную обработку;
• компактность и автономность работы системы с низким энергопотреблением и возможность использования их на мобильных скороморозильных аппаратах, легковозводимых хранилищах и контейнерах, а также транспортных автомобильных и железнодорожных рефрижераторах;
• возможность использования азотных систем в комбинации с традиционными системами охлаждения.

И самое главное преимущество экологическая безопасность (в атмосфере земли содержится до 78% газообразного азота). Основное оборудование с проточной системой организации процесса на базе сжиженного азота используется в аппаратах для быстрого замораживания пищевых продуктов. Такие аппараты делятся на две группы: погружного и форсуночного типа. Первая группа скороморозильных аппаратов использует погружной в криожидкость принцип замораживания пищевого продукта, вторая - принцип распыления криожидкости на продукт через форсунки. Однако температура выходящих паров из таких скороморозильных аппаратов достаточно низкая на уровне -50... -70°С. В связи с этим перспективно использование отходящих от аппарата холодных паров азота в проточных системах, обеспечивающих дальнейшую холодильную обработку пищевых продуктов.

Совершенно очевидно, что в связи с высокой стоимостью, экологической опасностью машинных систем хладоснабжения существует острая необходимость в использовании экологически чистого метода холодильной обработки и транспортировки пищевых продуктов на базе азотных проточных систем. Интерес к криогенному методу хладообеспечения возрастает еще и в связи с открытием в России больших запасов (340 млрд. м3) подземных высокоазотных газов. Себестоимость такого сжиженного азота (за счет естественного дросселирования), по сравнению с существующим в промышленности методом сжижения и разделения воздуха, почти на порядок ниже.

Источник - Машинная и безмашинная системы холодоснабжения для быстрого замораживания пищевых продуктов. / Венгер К.П., Выгодин В.А./ Москва, 1999.

Проточные азотные скороморозильные аппараты погружного типа являются наиболее старыми и известными. Их достоинством является простота конструкции, удобство в обслуживании, меньшие, по сравнению с форсуночными установками, капитальные затраты. Главный недостаток - неэкономный расход криовещества, высокая интенсивность теплоотдачи, что вызывает растрескивание продуктов, а в некоторых случаях приводит, наоборот, к снижению теплоотдачи вследствие появления тонкого пограничного слоя, состоящего из паров жидкого азота.

Одной из последних разработок является модель, предложенная японскими специалистами(рис. 1.26). Аппарат содержит два кольцевых транспортера, выполненных из специального материала, расположенных в непосредственной близости один от другого и служащих для перемещения подлежащих замораживанию объектов - пищевых продуктов. Между лентами транспортеров расположена зона перемещения, центральная часть которой расположена в емкости с криожидкостыо. Продукт вводится в зону перемещения через входное отверстие, погружается в жидкость, замораживается и выводится через выходной желоб. Отличительной особенностью данной установки является тот факт, что объекты в процессе перемещения переворачиваются и подаются к выходному желобу, расположенному с той же стороны, где расположено и входное отверстие.

Аналогична по своему функциональному содержанию модель, изображенная на рис. 1.27. Установка отличается тем, что содержит транспортер, по которому объекты перемещаются через воздушную среду и через криожидкость. Переворачивание объектов происходит в жидком азоте. На поверхности транспортера расположены сетчатые лотки для размещения объектов замораживания. Каждый лоток содержит крышку, механизм для автоматического запирания крышки перед переворачиванием лотка и механизм для автоматического открывания крышки перед повторным переворачиванием.

Оба аппарата имеют один значительный недостаток - громоздкость. Более совершенным является аппарат, разработанный в Великобритании (рис. 1. 28). Морозильный аппарат имеет удлиненный туннель, который наклонен к горизонтальной плоскости и может вращаться вокруг продольной оси Х-Х. В туннеле образована преграда, удерживающая слой жидкого азота, накапливающийся между преградой и верхним (по потоку) концом туннеля. Замораживаемые штучные продукты загружают в туннель на транспортере, с которого эти объекты сбрасываются в слой жидкого азота. При вращении туннеля объекты выносятся из слоя жидкого азота и выгружаются через остальную часть туннеля и выходной конец. Замороженные пищевые продукты и пары азота удаляют из туннеля через общее выходное отверстие с поворотной пластинкой, ограничивающей пропуск потока через это отверстие для того, чтобы создать в туннеле небольшой подпор, препятствующий проникновению в туннель наружного воздуха.

Недостатком азотного скороморозильного аппарата погружного типа является также возможность накопления жидкого кислорода в ванне с жидким азотом, что может привести к самовозгоранию по мере испарения последнего.

Проточные азотные скороморозильные системы форсуночного типа разрабатывались с целью уменьшения расхода жидкого азота на единицу выработанной продукции и повышения интенсивности замораживания за счет тонкого распыла криовещества. Уменьшение расхода жидкого азота достигается за счет применения многозонности аппарата.

Рациональной системой проточного хладоснабжения в этом случае является трехзонная азотная система, которая позволяет использовать пары азота после его испарения в зоне замораживания (2-я зона), для предварительного охлаждения (1-я зона) и выравнивание температуры по толщине продукта (3-я зона). В этом случае холодопроизводительность 1 кг жидкого азота состоит из количества теплоты парообразования и дополнительного количества теплоты за счет нагревания холодных паров азота до температуры, с которой они выходят из аппарата. Так, например, при температуре выходящих паров -50°С 1 кг азота поглощает 83,5 кДж теплоты. Использование холодных паров азота является существенным фактором в сокращении расхода жидкого криоагента на замораживание продукта, а также в повышении КПД установки.

Многозонные аппараты выполняются туннельного типа с горизонтальным или спиральным конвейером (рис. 1.29). Одним из типичных криогенных аппаратов с горизонтальным конвейером является аппарат "AGA Freeze", выпускаемый фирмой "Frigosandia" (Швеция). Скороморозильные аппараты "AGA Freeze" представлены в двух стандартных сериях:

• "AGA Freeze" с полезной шириной ленты 1200 мм и состоящей из 2,3 или 4 модулей по 3 м. Производительность аппарата увеличивается за счет добавления модулей между секциями загрузки и выгрузки продукта;
• "AGA Freeze" с полезной шириной ленты 550 мм, состоящей из 1 или 2 модулей по 3 м каждый.

На рис. 1. 30. представлены схема и внешний вид модульного аппарата "AGA Freeze" М 60-12, состоящего из двух модулей. В таблице 1.5 дана техническая характеристика всех модулей аппарата "AGA Freeze", выпускаемых фирмой "Frigosandia". Каждая модель аппарата "AGA Freeze" поставляется полностью собранной и включает в себя:

• стальной сетчатый транспортер "OMNI-GRID";
• привод с редуктором, позволяющим регулировать скорость движения конвейера;
• систему подачи криожидкости, включающую форсунки для разбрызгивания жидкого азота, циркуляционные вентиляторы для газообразного азота;
• пульт управления, обеспечивающий перестраивание скорости движения конвейера, а также автоматическое регулирование подачи жидкого азота в аппарат.

Модуль аппарата "AGA Freeze" выполнен из заливочного полиуретана высокого давления и армирован нержавеющей сталью. Криогенные туннельные аппараты спирального типа по сравнению с горизонтальными выигрывают в производственной площади. Конструктивно такие аппараты представляют собой цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположен конвейер спирального типа с лентой в виде сетки для транспортировки пищевых продуктов. В нижней части корпуса расположено загрузочное окно, разгрузочное - в верхней части. Жидкий азот разбрызгивается форсунками на продукт. Распределительный коллер жидкого азота имеет форму петли и расположен над небольшой частью верхнего яруса конвейера. Форсунки перекрывают всю ширину плиты транспортера. Этот тип аппаратов представляет собой высокоэффективные производительные аппараты, используемые для замораживания широкого ассортимента пищевых продуктов толщиной не выше 75 мм. Главный недостаток - сложность системы транспортировки.

Обычно в аппарате спирального типа длина конвейера в 10 раз больше, чем в эквивалентном его горизонтально-туннельном. На базе трехзонной проточной системы специалистами Московского государственного университета прикладной биотехнологии (МГУПБ) совместно с АО "Строймашина" (г. Самара) разработан и выпускается ряд азотных скороморозильных туннельных аппаратов (ACTA) для следующих классов пищевых штучных продуктов: мясо, мясопродукты, птица, рыба, ягоды, фрукты, овощи, эндокринно-ферментное сырье. Принципиальная схема аппарата "ACTA" представлена на рис. 1. 31, а внешний вид его - на рис. 1. 32.

Криогенный аппарат состоит из следующих основных частей:

• несущей рамы с плоской теплоизолированной плитой;
• сетчатого ленточного конвейера с цепной передачей;
• механизма привода конвейера;
• теплоизолированного короба с циркуляционными вентиляторами;
• системы форсунок и трубопровода для подачи жидкого азота в рабочую камеру аппарата;
• механизма подъема теплоизолированного короба для доступа к сетчатому (ленточному) конвейеру и санитарной обработки рабочей зоны аппарата;
• пульта управления и контрольно-измерительных приборов.

Конструкция плоской теплоизолированной плиты комбинированная по толщине:

• нижняя часть, несущая основную нагрузку - из углеродистой стали;
• средняя часть - из пенополиуретана;
• верхняя часть - из нержавеющей стали.

Теплоизолированный короб представляет собой стальной двухслойный каркас из нержавеющей стали, заполненный теплоизоляцией из заливочного пенополиуретана. Для исключения перетечки паров азота из аппарата в производственное помещение на входном и выходном его отверстиях предусмотрены гибкие хладостойкие шторки. Отсос отработанных паров азота из аппарата осуществляется через систему вентиляционных коробов, установленных на несущей раме аппарата со стороны входа продукта. Подача жидкого азота предусмотрена от специальной цистерны ЦТК-8/0,25 (рис. 1. 33) на систему форсунок во 2-й зоне аппарата. Образующийся при испарении жидкого азота газообразный азот, за счет осевых вентиляторов с разнонаправленным вращением, а также системы отсоса, подается в 1-ю зону аппарата навстречу подаваемому на замораживание продукту.

Привод сетчатого конвейера предусмотрен от электродвигателя постоянного тока через редуктор и цепную передачу, что позволяет обеспечить широкий диапазон изменения скорости движения конвейера. Привод механизма подъема теплоизолированного короба электромеханический. Управление и контроль за работой аппарата "ACTA" осуществляется с помощью специального пульта управления, который обеспечивает:

• пуск и остановку механизма привода ленточного конвейера, осевых вентиляторов и механизма подъема короба;
• контроль скорости движения конвейера и температуры в зоне распыления жидкого азота, а также на входе и выходе из теплоизолированного короба.

В табл. 1.6. представлены основные технические характеристики трех модификаций скороморозильных аппаратов "ACTA". Аппараты "ACTA" предназначены для быстрого поштучного замораживания широкого ассортимента пищевых продуктов растительного и животного происхождения. Продолжительность замораживания, например, пельменей составляет 8 минут. Такая продолжительность процесса обеспечивает практически полное сохранение вкусовых качеств, аромата, внешнего вида продукта (пельмени при этом отбеливаются за счет мелкой кристаллизации льда на поверхности продукта), а также позволяет включить процесс замораживания в поточную линию производства продукта.

Источник - Машинная и безмашинная системы холодоснабжения для быстрого замораживания пищевых продуктов. / Венгер К.П., Выгодин В.А./ Москва, 1999.