Промышленные технологии, применяющие холод

Осуществление различных технологических процессов при температурах ниже температуры окружающей среды связано с производством искусственного холода. Этих технологий становится все больше, и они находят все большее применение во многих отраслях народного хозяйства. Остановимся на рассмотрении наиболее важных технологий по отраслям промышленности.

Холодильная технология пищевых продуктов охватывает сельское хозяйство; перерабатывающую — мясную и молочную промышленность; торговлю; транспорт (автомобильный, железнодорожный и водный); рыбодобывающую и рыбоперерабатывающую с рыбопромысловыми и перерабатывающими базами и судами.

Для осуществления холодильной технологии пищевых продуктов в СССР создана холодильная цепь, звенья которой предназначены для создания необходимых температурно-влажностных режимов для холодильной обработки, хранения, транспортирования и реализации пищевых продуктов.

С целью обеспечения длительного сохранения высокого качества скоропортящихся продуктов холодильные установки должны поддерживать нужный технологии температурный режим среды: для охлаждения до —5°С, замораживания —35 −40°С, хранения продуктов в охлажденном виде 0 −2°С, в замороженном —20 −30°С. Температурный режим транспортных рефрижераторов зависит от вида перевозимых продуктов и предварительного процесса холодильной технологии — их охлаждения или замораживания.

Перерабатывающая промышленность и торговля являются крупными потребителями холода. С помощью холодильной технологии в этих отраслях обрабатывают не менее 50 млн. т различных продуктов животного и растительного происхождения. Потребность в холоде непрерывно возрастает. Именно из-за недостаточного использования искусственного холода в мире теряется в среднем 25—30% произведенных пищевых продуктов.

Развивающейся отраслью промышленности является концентрирование соков, получение сухих порошков из концентрированных соков, а также продуктов с промежуточной влажностью с целью их хранения при обычных температурах, сублимационная сушка.

Холодильная цепь пищевой технологии использует различные холодильные установки: одно- и двухступенчатого сжатия. Для осуществления технологии обработки холодом используют как холодильники, так и различные морозильные аппараты.

В технологических процессах в нефтяной, газовой и химической промышленности применяют искусственный холод в диапазоне умеренных температур (примерно до —100°С).

В нефтяной промышленности искусственное охлаждение используют в технологических процессах, где применяют в основном системы непосредственного кипения холодильного агента в поверхностных аппаратах. Выбор холодильного агента определяется условиями работы предприятий. Чаще всего используют углеводороды, которые имеются в достаточном количестве на данном производстве. Они имеют высокую молекулярную массу, и поэтому возможно применение в холодильной установке центробежных компрессоров.

В газовой промышленности искусственный холод применяют при подготовке газа к транспортированию и при переработке нефтяных и природных газов газоконденсатных месторождений. При этом используют как внешние, так и. внутренние холодильные циклы, в которых холод получают в процессе переработки газа (дросселирование жидкостей или расширение газа), а также комбинированные циклы. Температура транспортируемого газа —5 −25°С, давление 5,5 МПа. Потребность в холоде измеряется десятками тысяч киловатт и требует применения высокопроизводительного турбокомпрессорного оборудования с газовыми или паровыми приводами компрессоров. В холодильных установках используют аппараты воздушного охлаждения, а в качестве хладагента — углеводороды (этан, пропан), которые получают при переработке газов.

Одним из основных процессов, применяемых при переработке газа, является процесс низкомолекулярной конденсации, основанный на различии температур конденсации компонентов, входящих в состав газа. Низкотемпературная конденсация компонентов проходит при разных температурах на одно-, двух- и трехступенчатых температурных уровнях, которые получают в соответствующих холодильных установках.

В химической промышленности (получение этилена, фармацевтических и биохимических препаратов, производство азотное, синтетического каучука, хлора и др.) имеется многообразие систем холодоснабжения с различным типом холодильных машин, начиная с небольших поршневых компрессоров и кончая крупными центробежными агрегатами производительностью в несколько тысяч киловатт. Широко применяют абсорбционные установки, использующие теплоту технологических процессов, либо теплофикационные отборы ТЭЦ.

Азотное производство включает предприятия синтеза аммиака и некоторые производства азотной кислоты. Основная часть холода при производстве аммиака потребляется агрегатом синтеза для конденсации аммиака из азотно-водородно-аммиачной смеси высокого давления при температурах кипения хладагента (—10 −12°С), а также для конденсации аммиака при температурах кипения —30 −34°С. Для производства аммиака применяют теплоиспользующие абсорбционные водоаммиачные машины и аммиачные центробежные компрессорные агрегаты. Для производства этилена используют искусственный холод температурных уровней от 6 до —100°С. При этом применяют системы непосредственного кипения на холодильниках агентах—этилене и пропилене (продуктах данного производства).

Производство синтетического каучука основано на полимеризации непредельных углеводородов — мономеров, для чего требуется искусственный холод на температурном уровне от 7 до —40°С. Вторая стадия технологии получения каучука проводится при —100°С.

Хлор выделяется из газовой смеси в результате фракционной конденсации, где применяют абсорбционные водоаммиачные холодильные установки с температурой кипения —45°С или фреоновые установки с температурным режимом 5, —20, —65°С, оборудованные центробежными компрессорными машинами.

Крупным потребителем холода в химической промышленности является производство химических волокон, изготовленных из различных видов синтетических полимеров. В данной отрасли применяют только системы охлаждения с промежуточным хладоносителем с температурным уровнем 20 −10°С. Потребность в холоде крупных комбинатов достигает 35—58 МВт.

Технологические процессы в производстве химико-фармацевтических препаратов, витаминов и антибиотиков сопровождаются потреблением искусственного холода на температурном уровне — 10 —15°С.

При получении белково-витаминных концентратов путем синтеза смеси жидких парафинов нефти и минеральных солей со специальной культурой дрожжей потребность в холоде весьма значительна: 1 т продуцента в производстве белково-витаминных концентратов выделяет 16 ГДж теплоты, производство лизина — до 54,5 ГДж. При современной мощности заводов потребность в холоде измеряется десятками тысяч киловатт.

Холод применяется при термической обработке сталей, стабилизации и восстановлении размеров деталей, запрессовке для создания неподвижных посадок, для охлаждения ванн анодирования, старения алюминиевых сплавов, осушке сжатого воздуха, гибке труб с замороженной в них водой, в установках кондиционирования воздуха.

Температурные режимы перечисленных холодильных технологий обработки металлов находятся в пределах —30 −120°С. В верхнем интервале можно использовать серийно выпускаемые парокомпрессионные машины двухступенчатого сжатия (до —60°С) и каскадные машины (до —80°С). Возможно снижение температурного уровня до —120°С, если применить смеси холодильных агентов.

В строительной технологии применяют искусственный и естественный холод для замораживания грунтов при строительстве подземных сооружений (шахт, туннелей, хранилищ сжиженного газа), для создания противофильтрационных завес в плотинах мерзлого типа и других гидротехнических сооружениях, а также для укрепления грунтов у основания зданий, нефте- и газопроводов, для охлаждения массивных бетонных сооружений (массивных ПЛОТИН И Т. П.).

Режимы замораживания мяса

Замороженными принято считать продукты, в которых примерно 85% влаги превращено в лед. Льдообразование начинается обычно в интервале температур между 0 и —1°С и условно считается законченным, когда температура в центре продукта достигает —4, —5°С. Это соответствует средней температуре по объему —10-15°С.

Понижение температуры продукта от 0 до —5°С и составляет процесс замораживания. Понижение температуры до 0°С принято называть охлаждением, а от —5°С и ниже — домораживанием. Максимальная обратимость процесса замораживания и, следовательно, более полное сохранение основных качеств продукта достигаются при высоких скоростях замораживания.

Под скоростью замораживания понимают отношение толщины замороженного слоя (в сантиметрах) ко времени (в часах), в течение которого он образовался. В промышленности применяют два метода замораживания мяса: после его охлаждения до среднеобъемной температуры — 4°С — двухфазный метод; однофазный, когда мясо в парном состоянии. При этом процесс замораживания резко интенсифицируется, что дает существенный технико-экономический эффект.

В камере охлаждения говяжьи и свиные полутуши подвешивают на крючьях подвесных путей, а бараньи туши — на рамах. Расстояние между тушами не менее 5 см. В камеру охлаждения загружают мясо одного вида, одной категории упитанности и по возможности одинаковой массы, благодаря чему вся партия одновременно охлаждается до конечной температуры. Средняя нагрузка на 1 м подвесного пути составляет около 250 кг мяса. В процессе охлаждения относительная влажность воздуха самоустанавливается на уровне 85-92% за счет испарения влаги из продукта.

Охлаждение мяса в воздухе проводят различными способами: одно-, двух- и трехстадийным, а также программным.

Одностадийное охлаждение проводят при температуре 0°С и скорости движения воздуха 0,5–2 м/с до температуры в толще мышц бедра на глубине не менее 6 см от поверхности от 0 до 4°С. Температура и скорость воздуха — основные параметры, влияющие на коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к охлаждающей среде и, следовательно, на продолжительность охлаждения. Для говяжьих полутуш температура воздуха может быть понижена до −2°С, а для свиных — до −5°С. Продолжительность охлаждения при этом составляет 14–24 ч.

Наметившаяся тенденция снижения температуры охлаждающего воздуха ниже криоскопической и повышения скорости его движения до 2 м/с объясняется желанием интенсифицировать процесс охлаждения. При этом дополнительные энергозатраты по сравнению с традиционным способом вполне оправданны, поскольку уменьшается продолжительность процесса на 30-40%, в таких же пределах снижается усушка, повышается качество мяса и мясных продуктов и увеличивается оборачиваемость камер охлаждения.

При дальнейшем снижении температуры охлаждающей среды возможно подмораживание мяса, поэтому используют двух- и трехстадийное охлаждение с применением переменных параметров воздушной среды. Стадийное охлаждение полутуш может осуществляться в одной или разных камерах. Так, свиные полутуши на первой стадии охлаждения при температуре −10 — −12°С в течение 1,5 ч, на второй стадии — при температуре −5 −7°С в течение 2 ч и при доохлаждении (с целью равномерного распределения температуры по толщине полутуш) — при температуре около 0°С в течение 6–8 ч. На первой и второй стадии скорость движения воздуха 1–2 м/с, а при доохлаждении — 0,5 м/с при его относительной влажности 95-98%.

Интенсифицированный способ охлаждения говядины предусматривает использование на первой стадии воздуха с температурой до −25°С, движущегося со скоростью 5–10 м/с. По достижении на поверхности полутуш криоскопической температуры начинается вторая стадия охлаждения, в течение которой температура воздуха поддерживается на уровне криоскопической, а скорость его не превышает 0,5 м/с. При фронтальном способе охлаждения полутуш, когда они движутся на конвейере навстречу потоку охлажденного воздуха, холодильная обработка ведется при изменяющемся в течение процесса коэффициенте теплоотдачи. Это позволяет уменьшить продолжительность холодильной обработки на 10% по сравнению с процессом, проведенным при постоянном значении коэффициента теплоотдачи, а усушка при этом снижается еще на 30-40%.

Скорость воздуха в камерах изменяют подбором определенных сечений воздухораспределителей. Полутуши перемещаются конвейерным способом по камере, размеры которой рассчитывают исходя из того, что за время продвижения в камере предварительного охлаждения температура поверхности полутуш не должна быть ниже криоскопической, а в камере доохлаждения должна достигать заданного конечного значения. Избежать холодового сокращения мышц (температурного шока) можно посредством электростимуляции или путем выдержки мяса в период предварительного охлаждения при температуре воздуха 10-12°С в течение 12–15 ч.

Способы гидроаэрозольного охлаждения изначально применяли только для обработки фруктов, овощей, цветов, зелени. В настоящее время так охлаждают колбасы, мясо в тушах, полутушах и четвертинах.

 Гидроаэрозольное охлаждение представляет собой охлаждение мяса в интенсивно циркулирующей и насыщенной до 100%-й относительной влажности воздушной среде. Для предотвращения порчи мяса в воду могут быть добавлены бактерицидные вещества. Процесс интенсифицируется за счет испарительного охлаждения с поверхности полутуш и по расходу энергии вдвое экономичнее традиционного воздушного охлаждения. Модификацией этого способа является применяемый за рубежом метод охлаждения мяса и мясных продуктов в капельно-жидкой среде пропиленгликоля. При этом продукты охлаждаются раствором пропиленгликоля температурой −8-15°С до достижения требуемой температуры в толще продукта; эффективность процесса в 2–3 раза выше воздушного охлаждения.

В технологии охлаждения и замораживания может использоваться способ гидрофлюидизации с применением «айссларри» (жидкий или текучий лед), который позволяет получить высокий коэффициент теплопередачи и существенно увеличить скорость замораживания.

С целью сокращения усушки мяса при охлаждении с последующим замораживанием разработан способ комплексной термовлажностной обработки мяса после убоя. Для этого полутуши сначала охлаждают в камере перенасыщенным влагой воздухом при температуре −1°С, а затем быстро (за 5–10 мин) обдувают сухим горячим воздухом (температура 50-70°С и влажность 5-10%). В холодном отсеке камеры благодаря интенсификации теплоотдачи от продукта к перенасыщенному воздуху время охлаждения сокращается до 9 ч, а усушка — до 0,5–0,6%.

Вакуумное охлаждение ранее применяли только для обработки растительного сырья, а сейчас в ряде стран его используют для охлаждения туш крупного и мелкого рогатого скота, свиней, кускового мяса. Так, свиные полутуши, имеющие температуру 37°С, разделывают и производят обвалку и жиловку мяса в помещении при температуре до 8 С. Отруба поступают на вакуум-упаковочную линию, где подвергаются вакуумному охлаждению при температуре 0-2°С. В зависимости от размеров отрубов через 4–9 ч температура в толще продукта снижается до ТС, а через 14 ч — до 2°С. При таком способе охлаждения значительно улучшается санитарное состояние мяса, увеличивается до 15 сут срок его хранения в хорошем состоянии, снижается усушка.

В настоящее время разрабатываются способы охлаждения с использованием электрофизических методов, к которым относятся метод охлаждения при помощи электрически заряженных капель жидкости, электроконвективное охлаждение мяса, метод обработки мясопродуктов ионизирующими газами и др.

Принцип охлаждения при помощи электрически заряженных капель жидкости заключается в том, что к поверхности мяса, предназначенного для охлаждения, подводится электрод, на который подается высокое напряжение с положительным зарядом. Подача охлаждающей жидкости осуществляется по трубопроводу, заряженному отрицательно. Охлаждение продукта происходит при контакте электрически заряженных капель жидкости с поверхностью продукта.

Охлаждение при помощи ионизирующих газов позволяет увеличить срок хранения полуфабрикатов в 1,3–1,5 раза при высоком их качестве, сокращении энергозатрат и уменьшении усушки.

В условиях электроконвективного охлаждения значительно возрастает плотность теплового потока от охлаждаемого продукта (для разных видов мяса — в 1,1–1,8 раза). С увеличением напряжения электрического поля максимум теплоотвода смещается на более раннюю стадию процесса и по времени сокращается примерно в 2 раза, что очень существенно, так как наибольшие потери массы приходятся на первую половину процесса охлаждения. Потери массы вследствие препятствия испарению влаги электрических сил сокращаются на 10-20%.

Тушки птицы охлаждают воздухом, льдоводяной смесью, ледяной водой, диоксидом углерода и азотом. Применяют также комбинированные методы охлаждения (орошение тушею или погружение их в ледяную воду, а затем в воздушную среду).

Достаточно эффективным с точки зрения условий теплоотдачи, затрат труда, продолжительности и технологичности процесса является метод погружного охлаждения тушек птицы в чистой ледяной воде или в водоледяной смеси.

Водоледяную смесь или ледяную воду получают путем добавления к обычной водопроводной воде чешуйчатого льда либо пропускания ее через специальные испарители, в которых она охлаждается до нужной температуры. В современных условиях этот эффект достигается барботированием через воду диоксида углерода или азота с низкими температурами.

После охлаждения ледяной водой кожа на тушках становится светлой и чистой, исчезают пятна от ушибов и кровоизлияний. Тушки птицы поглощают некоторое количество воды (до 8% массы), вследствие чего они округляются и приобретают лучший товарный вид.

В санитарном отношении наиболее эффективно комбинированное охлаждение (орошение — погружение, орошение — погружение — воздушная обработка).

При методе орошение — погружение потрошенные тушки предварительно охлаждают, непрерывно орошая водопроводной водой из центробежных форсунок в течение 10–15 мин. в зависимости от вида птицы. Затем тушки погружают в воду температурой 0-2°С на 25–35 мин до достижения температуры в толще грудной мышцы 0-4°С.

При воздушном доохлаждении происходят частичное удаление приобретенной при орошении тушками воды и одновременно их охлаждение в результате испарения.

При охлаждении в ледяной воде тушки поглощают от 3 до 8% влаги, в среднем же (с учетом испарения) их масса увеличивается на 4%.

Очень эффективно применение для охлаждения тушек птицы снегообразной углекислоты, которую вводят во внутреннюю полость тушки из расчета 0,07 кг на 1 кг массы тушки. Этого достаточно, чтобы очень быстро охладить тушку до среднеобъемной температуры 0°С.

Вареные колбасы обычно охлаждают в две стадии: первую проводят тонко распыленной водой с использованием испарительного эффекта охлаждения, вторую — интенсивно движущимся воздушным потоком, имеющим температуру 0-8°С, скорость движения до 4 м/с. Продолжительность охлаждения водой 5–30 мин, воздухом — 1–10 ч. Однако для вареных колбас наиболее эффективен трехстадийный способ: орошение водой из форсунок грубого распыла, охлаждение в гидроаэрозольной среде, а затем — воздушное. На второй стадии может быть предусмотрен непрерывный или цикличный режим распыла воды в зависимости от устройств, обеспечивающих подачу воды, и условии циркуляции воздушного потока.

 Сравнительно новым является способ охлаждения вареных колбас в пенном воздушно-жидкостном потоке. Колбасные изделия охлаждают в две стадии: на первой — за счет испарения воды при прохождении через нее воздуха, а на второй — путем использования испарительного эффекта в сочетании с холодом, с последующим подсушиванием батонов в течение 2–3 мин. Скорость движения воздуха 10–16 м/с. При начальной температуре продукта 70°С и температуре воды −2°С батоны охлаждаются за 50 мин (в 1,5 раза быстрее по сравнению с охлаждением колбас водой, распыляемой форсунками). Усушка составляет менее 0,3%.

Для варено-копченых и полукопченых колбас целесообразно воздушное охлаждение при температуре 8-12°С и скорости движения воздуха 1,5–2 м/с.

Пастеризованные мясные консервы охлаждают водой, а затем воздухом при температуре 0-2°С и скорости охлаждающей среды до 3 м/с. Продолжительность охлаждения до конечной температуры не превышает 24 ч.

Для охлаждения применяют также туннели и аппараты конвейерного типа, в которых размещены этажерки с продуктом, картонные коробки, лотки, поддоны и т. д. Направление движения воздушных потоков в аппаратах зависит от размера и формы продуктов и способа размещения их на конвейере.

Эффективное средство охлаждения субпродуктов и мясных полуфабрикатов, уложенных в картонные коробки, — снегообразная углекислота. Охлаждение проводят в специальных туннелях, количество снегообразной углекислоты, подаваемой на продукт, регулируют с помощью реле времени. Для быстрого снижения температуры фарша из говядины свежих (парных) полутуш до 2°С, что необходимо для заключительной стадии получения фарша, в мясо добавляют замороженные хлопья углекислоты в пропорции 1:10.

Для охлаждения и создания инертной среды колбасного фарша и парного мяса в процессе куттерования применяют жидкий азот. Удельный расход жидкого азота зависит от качества и температуры обрабатываемого сырья и окружающей среды и составляет от 0,15 до 0 35 кг на 1 кг колбасного фарша. Охлаждение жидким азотом позволяет поддерживать в куттере необходимый температурный режим и соответственно оптимальную продолжительность процесса, исключив при этом отрицательное воздействие повышения температуры в куттере на состав и качество фарша. Увеличение продолжительности куттерования вареных колбас при охлаждении жидким азотом способствует значительному улучшению растворимости мясного белка и в результате — повышению водо- и жиросвязывающей способности фарша, что позволяет в принципе отказаться от применения фосфатов.

Яйца, поступающие на холодильник, предварительно охлаждают до температуры хранения в специальной камере. Начальная температура должна быть на 2-3°С ниже температуры яиц, затем ее постепенно понижают (на 1-2°С в течение 1–2 ч); относительная влажность воздуха в период охлаждения — 75-80% при скорости его движения 0,3–0,5 м/с. Процесс охлаждения в зависимости от первоначальной температуры длится 2–3 сут. Яйца по достижении температуры 2°С направляют в камеры хранения.

Рыбу охлаждают льдом, охлажденной пресной и морской водой, холодным воздухом, криогенными жидкостями (жидкий азот). Охлаждение и замораживание относятся к важнейшим технологическим процессам в рыбной промышленности. Рыбу и морепродукты, обработанные холодом, широко используют в качестве полуфабрикатов в производстве различных видов рыбной продукций, а также в охлажденном или замороженном состоянии реализуют в розничной торговой сети. Согласно данным ФАО, на долю охлажденной и мороженой продукции приходится более 80% всей вырабатываемой рыбной пищевой продукции.

Для охлаждения рыбы льдом используют различные его виды — чешуйчатый, трубчатый, плиточный и др. Наиболее распространенным способом является охлаждение в инвентарной таре (ящиках, контейнерах, корзинах, мешках и др.). Для этого рассортированную по размеру рыбу тщательно промывают чистой водой, дают ей стечь, после чего укладывают рыбу в тару со льдом в неразделанном или разделанном виде. При этом на дно тары помещают слой мелкодробленого льда толщиной 2–3 см, поверх него укладывают рыбу, затем опять слой льда. Крупную рыбу укладывают ровными рядами головами в разные стороны к стенкам тары, а мелкую насыпают равномерным слоем толщиной не более 10 см. Возможно и предварительное перемешивание рыбы со льдом с последующей укладкой рыболедяной смеси в тару; сверху насыпают дополнительный слой льда.

При хранении и транспортировке рыбы на судах с охлаждаемыми трюмами расход льда в ящиках составляет от 30 до 40% массы рыбы. При охлаждении рыбы в бочках на дно насыпают не менее 20%, а на верхний ряд рыбы — не менее 30% всего количества льда.

Применение контейнеров имеет преимущество: они дают возможность повысить качество рыбы, обеспечивают экономию льда, доставляемого на промысел, так как при перевозке в контейнерах лед тает на 75% медленнее, чем в ящиках. Термоизолированные контейнеры при использовании льда применяют только в районах с холодным климатом вследствие замедленного теплообмена.

В условиях жаркого климата термоизолированные контейнеры не обеспечивают длительную сохраняемость рыбы, так как из-за медленного снижения температуры начинается интенсивное развитие микрофлоры.

Охлаждение рыбы льдом имеет ряд недостатков, поскольку нерационально используются производственные помещения, трюмы судов, камеры холодильников; затруднен количественный и качественный контроль и учет рыбы, в некоторых случаях не обеспечивается быстрое понижение температуры улова и т. д.

Охлаждение рыбы с помощью охлажденной морской или пресной воды имеет ряд преимуществ, к основным из которых относятся: более быстрое снижение температуры тела рыбы, экономичность процесса при охлаждении, транспортных операциях и выгрузке в конечных пунктах транспортирования. Наиболее существенные недостатки —-набухание мяса промысловых объектов и его просаливание при использовании охлажденной морской воды. Отрицательное влияние охлажденной воды уменьшается с понижением температуры, но оно достаточно выражено даже при близкриоскопических температурах. Вследствие этого продолжительность хранения улова в охлажденной воде ограничена несколькими сутками, иногда часами, и зависит от технохимических особенностей объектов: проницаемости их кожного покрова, консистенции мяса, размеров и др. Особенно быстро отрицательное влияние охлажденной воды проявляется при хранении в ней мелкой пелагической рыбы, ракообразных и моллюсков. Более рациональным является охлаждение водой и хранение во льду или в сухом холодном помещении.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: