Например, Бобцов

Математическое описание процессов тепло- и массопереноса в колбасных изделиях при их тепловой обработке

УДК 637.523.27:536.25
Математическое описание процессов тепло- и массопереноса в колбасных изделиях при их тепловой
обработке
д.т.н. Вороненко Б.А., д.т.н. Пеленко В.В., аспирант Стариков В.В.
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Для описания процессов тепло- и массообмена в продукте, представляющим собой дисперсную систему, рассмотрим колбасный батон не как совокупность отдельных дискретных частиц, а как сплошную среду, однородную и изотропную. На основе предпосылок предложена математическая модель совместного тепломассопереноса тепловой обработки колбасного батона цилиндрической формы.
Ключевые слова: капиллярно-пористые тела, тепловая обработка, тепломассоперенос, математическая модель, система дифференциальных уравнений, начальные и граничные условия.
Основные способы массопереноса при созревании мясного фарша, сушке, варке, превращении его в готовый продукт, как и у всех пищевых продуктов животного происхождения, — это перенос вещества на молекулярном уровне (молекулярная диффузия) и перенос на макроуровне в результате движения жидкости и пара (конвективный перенос) [1].
Фаршевые мясопродукты относятся к коллоидным капиллярно-пористым телам, так как наряду с развитой системой пор и капилляров они содержат и коллоидные частицы, входящие в каркас стенок.
Удаление влаги из материала связано с преодолением сопротивления со стороны продукта. Сопротивления возникают как при переходе от одного элемента объема тела к другому, так и при изменении состояния влаги в теле, ее формы связи.
Изучение процессов пищевой технологии должно базироваться на комплексном математическом описании целого ряда превращений сырья с использованием современной вычислительной техники. При этом компьютер выступает как средство не только вычисления, но и моделирования возможных технологических ситуаций, предвидеть которые без применения современных подходов практически невозможно. Системный анализ позволяет представить сырье как сложную систему, состоящую из ряда взаимосвязанных элементов, а технологический процесс — как совокупность преобразований этой системы, протекающих на разных, но взаимосвязанных уровнях. Такого рода представления удобны для последующей формализации с использованием ЭВМ, прежде всего в виде кибернетических моделей. Сочетание системного

анализа с аналитическим описанием процесса наиболее плодотворно, так как

позволяет в качестве аппроксимирующих зависимостей использовать не

случайные полиномиальные функции, а математические зависимости,

вытекающие из фундаментальных законов природы, лежащих в основе

математического описания тепловых и массообменных процессов [1].

Применительно к технологическим схемам производства мясных

продуктов (варено-копченых колбас) отдельный батон можно считать

биореактором, в котором последовательно и параллельно протекают

гидромеханические, массообменные и тепловые процессы [1]. Для каждого

продукта авторы выделяют ряд уровней, на каждом из которых сырье

превращается в готовый продукт.

В производстве варено-копченых колбас основными процессами являются

гидромеханические, массообменные и тепловые.

Колбасные батоны представляют собой твердообразные системы

(частицы), содержащие элементы как исходных компонентов, в основном

животных тканей, так и структуру, полученную при измельчении и

смешивании компонентов. Эти частицы неоднородны по величине, структуре и

физическим свойствам [2]. Поэтому для описания процессов тепло- и

массообмена в продукте следовало бы написать дифференциальные уравнения

для каждой отдельной частицы, что сделать невозможно. Однако размеры

частиц и расстояния между ними ничтожно малы по сравнению с размерами

массы материала, подвергаемого термообработке в коптильной камере

(реакторе), что дает возможность колбасный батон, представляющий собою

дисперсную систему, рассматривать не как совокупность отдельных

дискретных частиц, а как сплошную среду, однородную и изотропную.

Анализ работы применяемых в промышленности камер Autotherm показал,

что основным способом передачи теплоты является конвективно-

радиационный. В этом случае, если считать колбасный батон, подвергаемый

тепловой обработке в камере, телом, имеющим форму неограниченного

цилиндра, условия взаимодействия которого с окружающей средой

выражаются граничными условиями второго рода (экспериментально

найденными функциональными зависимостями удельных потоков тепла и

вещества на поверхности тела от времени), краевую задачу совместного

тепломассопереноса (дифференциальные уравнения и условия однозначности)

можно сформулировать следующим образом:

требуется решить систему дифференциальных уравнений в частных

производных [3]

∂t ∂τ

=

aq

1 r

∂ ∂r

  r

∂t ∂r

 

+

ερ cq

∂u ∂τ

;

(1)

∂u ∂τ

=

am

1 r

∂ ∂r

  r

∂u ∂r

 

+

amδ

1 r

∂ ∂r

  r

∂t ∂r


 ;

(2)

(0 < τ < τ1; 0 < r < R)

при следующих начальных

t (r,0) = f1(r);

(3)

u(r,0) = f2 (r)

(4)

и граничных условиях

∂t (0,τ ) = ∂u (0,τ ) = 0;
∂r ∂r

(5)

t (0,τ ) < ∞;u (0,τ ) < ∞;

(6)

−λq

∂t

( R,τ
∂r

)

+

q



)



(1 − ε

)

ρqm



)

=

0;

amγ 0

∂u ( R,τ
∂r

)

+

amγ 0δ

∂t ( R,τ
∂r

)

+

qm



)

=

0
.

(7) (8)

Здесь введены следующие обозначения:

t = (r,τ)− температура, К, °C; tо =const – частный случай начальной

температуры; tmc – максимальная температура среды; tmc −to = ∆t ;

T(X,Fo) = t(x,τ)−to tmc −to – безразмерная температура;

u = (r,τ ) − влагосодержание, кг влаги/кг абс. сух. вещества; uо = const –

θ(X,Fo) = uo −t(x,τ)

частный случай начального влагосодержания;

uo – безразмерное

влагосодержание; r - текущая координата, м; R - радиус цилиндра, м; X = r R -

безразмерная координата; τ - время, с;

τ 1 - время окончания первого периода термической обработки – прогрева

и периода постоянной скорости сушки; f1 (r ) и f2 (r ) распределение температуры

и влагосодержания в материале соответственно; aq - коэффициент

температуропроводности, м²/с; ε - коэффициент фазового перехода (0 < ε < 1);

ρ - удельная теплота испарения, Дж/кг; c q - удельная теплоемкость материала,

Дж/(кг·К); am - коэффициент потенциало- (влаго-) проводности м²/с;

δ - термоградиентный коэффициент, 1/К; λq - коэффициент

теплопроводности, Вт/(м·К);

q(τ) - плотность теплового потока – количество тепла, подводимого к

единице площади поверхности твердого тела в единицу времени, Вт/м²;

qm(τ)−плотность потока массы вещества кг/(м²·с); γ0 – плотность абсолютно

сухого вещества, кг/м³;

(1) – уравнение теплопереноса; (2) – уравнение массо- (влаго-) переноса;

равенства (3) и (4) – начальные условия; (5) и (6) – условия симметрии и

физической ограниченности температуры и влагосодержания.

Граничное

условие

(7)
r

является

уравнением

баланса

тепла:

подuвurеденное

тепло к поверхности тело q(τ ) расходуется на испарение жидкости ρ qm (τ ) и на

нагрев

тела



 

−λq

∂t ( R,τ
∂r

)

 

.

Граничное условие (8) – уравнением баланса массы вещества – условие

сушки влажных дисперсных сред в данном случае.

Коэффициенты системы уравнений и граничных условий – постоянные

(усредненные) величины, различные для различных этапов процесса.

Для определения зависимости потока массы вещества от времени в

заводских условиях был поставлен эксперимент по протеканию процесса

термической обработки колбасных изделий под действием радиационного

нагрева. В результате аналитической обработки была получена следующая

зависимость удельного потока массы вещества от времени:

( )qm τ = k2u0 Rγ 0 e−k2 (τ ) ,

(9)

где k2 – эмпирическая постоянная – коэффициент сушки, 1/с.

Аналогично была найдена зависимость q(τ).

Поставленная краевая задача (1) – (8) решена методом последовательного

применения конечного интегрального преобразования Ханкеля [3-5] и

интегрального преобразования Лапласа [3].

Распределения полей температуры и влагосодержания в безразмерном

виде при отмеченных допущениях получены в следующем виде:

∫ ∑ ( )( ) (( ))T

X , Fo

=

2

1  0

XF1( X

) J0 (µ

X

)dx

+1−

e− Pd1Fo

  

+


2
n=1

J0 J0

µn X µn

  

µn

Pd1 2 − Pd1

e − e− Pd1Fo



µ

2 n

Fo

+

( )+

ε

KoPd2

µn2

 

µn2

µn2 − Pd2

 

µn2

− Pd1 Lu
− Pd2 Lu



 

e− Pd2 Fo



+ ε KoPd2 Lu −1

    

e − µn2 LuFo

µn2



Pd2 Lu



Lue − µn2 Fo µn2 − Pd2

     ;

(10)

( ) ∑θ

X , Fo


γ= 2 ν νn =1

i

2 2



e−

L

u

µ

n2ν

2 i

F

o

2

1,

(11)

где

Fo

=

aqτ R2



критерий

гомохронности

(число

Фурье);

Lu = am −
aq критерий

Ko = r∆u −

(число Лыкова) взаимосвязи массо- и теплопереноса;

cq∆t число

Коссовича;

Pd1

=

k1R2 aq

,

Pd2

=

k2R2 aq

- числа Предводителева (теплообменное и

массообменное).

11

∫ ∫γ i

=

PnT0

+



2 i

−1)θ0 ,

где

T0 = XF1( X )J0 (µn X )dx θ0 = XF2 ( X )J0 (µn X )dx
0 ,0 .

ν

2 i

=

1 2

  α

+

(−1)α

α2



4 Lu

 

,

где

α

=1+

1 Lu

+ ε KoPn

µn - последовательные положительные корни уравнения

J1(µ) = 0

(12)

J0(z) и J1(z) - функции Бесселя от вещественного аргумента z первого рода и нулевого порядка соответственно.
Литература.
1. Афанасов Э.Э., Николаев Н.С., Рогов И.А. и др. Аналитические методы описания технологических процессов мясной промышленности. – М.: Мир, 2003. – 184 с.
2. Бражников А.М. Теория термической обработки мясопродуктов. – М.: Агропромиздат, 1987. – 271 с.
3. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 536 с.
4. Снеддон И. Преобразование Фурье. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1955. – 667 с.
5. Волков И.К., Канатников А.Н. Интегральные преобразования и операционное исчисление: Учеб. для вузов. – М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 228 с.
Mathematical description of heat and mass transfer in heat treated sausage goods
B.A. Voronenko DSc, V.V.Pelenko DSc, V.V.Starikov graduate student
Saint-Petersburg State University of Refrigeration & Food Engineering
To describe heat and mass transfer in a product that is a disperse system, a long sausage loaf is assumed to be analyzed not as an aggregate of isolated discrete particles but as a solid homogeneous and isotropic medium. On the basis of prerequisites a mathematical model of combined heat and mass transfer is proposed for heat treatment of a long cylinder sausage loaf.
Key words: capillary-porous bodies, heat treatment, heat and mass transfer, mathematical model, differential equation set, initial and boundary conditions