Flow-through nitrogen system for freezing and storage of plant products

Abstract

Two schemes of refrigeration supply using a quick-freezing apparatus «ASTA» have been analyzed. Recommendations on selection of the scheme of refrigeration supply for cooling and storage of plant products are given. The temperature levels of refrigeration supply system are considered: volume and mass flow rates of nitrogen depending on the required temperature in the cooler are calculated. It is shown that for refrigeration of plant produce it is suitable to use a three-level scheme of refrigeration supply.

Full Text

При разработке азотной системы для замораживания и хранения растительной продукции принята система, основанная на проточном принципе действия. Это позволяет наиболее эффективно использовать температурный потенциал жидкого и газообразного азота.

Схема системы хладоснабжения: а — для охлаждения продукции; б - для хранения замороженной продукции: 1 - цистерна с жидким азотом; 2 - азотный скороморозильный туннельный аппарат АСТА; 3 — аппарат охлаждения продукта после термической обработки; 4 - камера хранения или средство транспортирования замороженного продукта

Основное звено предлагаемой системы - азотный скороморозильный туннельный аппарат ACTА.

Азотная проточная система хладоснабжения может работать по двум схемам:

первая - для продукции, требующей предварительного охлаждения после тепловой обработки (бланширования);

вторая - для продукции, не требующей предварительной тепловой обработки.

Система хладоснабжения, работающая по первой схеме, предназначена для охлаждения продукции от t_н = 90 °C до t_к = 20 °C (рис. а). При этом возможно варьирование температуры газообразного азота:

на входе в аппарат охлаждения t_rII = -70, -60, -50 и -40 °C;

на выходе из аппарата охлаждения t_rIII = -40, -30, -20, -10 и 0 °C.

Система хладоснабжения, работающая по второй схеме, предназначена для храпения замороженной продукции (рис. б). Температура паров хладагента на выходе из системы t_r = -20 °C.

Схема а системы хладоснабжения имеет четыре температурных уровня:

I - температура жидкого азота t_ж = = -196 °C, поступающего из цистерны 1 хранения криоагента;

II - температура газообразного азота, выходящего из скороморозильного аппарата 2 после замораживания продукта, t_rII = -40.. -70 °C;

III-температура газообразного азота на выходе из аппарата 3, обеспечивающего охлаждение продукта после бланширования, t_rIII = -30 °C;

IV- температура газообразного азота, соответствующая условиям хранения или транспортировки предварительно замороженной растительной продукции, t_rIV = - 20 °C.

Схема б системы хладоснабжения имеет в отличие от схемы а три температурных уровня:

I- t_ж = -196 °C;

II-t_rII = -40...-70 °C;

III-t_rIII = -20°C.

Для I и II температурных уровней, одинаковых в обеих схемах, определены удельные массовый расход жидкого азота и объемный расход газообразного азота, выходящего из скороморозильного аппарата АСТА-30.

Производительность аппарата при замораживании растительной продукции, в частности картофеля, составляет 250 кг/ч.

III температурный уровень проточной системы рассматривается для схем а и б.

Результаты расчетов удельного массового расхода жидкого азота G_ж и удельного объемного расхода газообразного азота V_г, выходящего из аппарата АСТА, в системе, работающей по схеме а, даны в табл. 1.

Таблица 1.

Температура газообразного азота на выходе из аппарата АСТА trII°С	Удельный массовый расход жидкого азота в аппарате АСТА Gж кг/кг	Удельный объемный расход газообразного азота Vг м3/кг	Температура газообразного азота на выходе из охладителя trIII°C	Удельный объемный расход газообразного азота, требуемый для обработки продукта от tн= 90 до tk= 20 °C, Vг м3/кг
-70	1,1	0,803	-40 -30 -20 -10 0	6.07 4.55 3.64 3,02 2,60
-60	1,07	0,781	-40 -30 -20 -10 0	9,08 6,05 4.54 3,63 3,02
-50	1,04	0,759	-40 -30 -20 -10 0	18.7 9.08 6,05 4,5-1 3,63
-40	1,01	0,737	-30 -20 -10 0	18,1 8,08 6.05 4.54

Примечание. Удельные расходы азота в табл. 1—3 определены на 1 кг охлаждаемого продукта.

Таблица 2.

Температура газообразного азота на выходе из аппарата АСТА trII°С	Удельный массовый расход жидкого азота в аппарате АСТА Gж кг/кг	Удельный объемный расход газообразного азота Vг м3/кг	Удельный массовый расход жидкого азота из цистерны Gж кг/кг	Удельный объёмный расход газообразного азота, поступающего из цистерны, Vг м3/кг	Удельный объемный расход газообразного азота, требуемый для охлаждения продукта от tн= 90 до tк= 20 °C, Vг м3/кг
-70	1,1	0.803	2,46	1,80	2.60
-60	1.07	0,781	3,06	2.24	3,02
-50	1,04	0,759	3,94	2,88	3,63
-40	1,01	0,737	5,21	3,81	4,54

Примечание. Расчет V_г проводится с условием, что температура газообразного азота на выходе из аппарата охлаждения продукта t_r— 0 °C.

Анализ результатов показал, что при использовании схемы а количество газообразного азота с температурой о: -70 до - 40 °C, выходящего из скороморозильного аппарата АСТА, недостаточно для охлаждения растительной продукции (после ее термической обработки) на III температурном уровне.

Работа такой системы возможна npi условии се подпитки на III температурном уровне жидким азотом из цистерны. Для этого варианта в табл. 1 даны удельные массовый расход жид кого азота и объемный расход газообразного азота, необходимые для охлаждения продукции.

Газообразный азот поступает на III уровень системы хладоснабжения из аппарата ACTА и из цистерны. При использовании схемы а проточной системы хладоснабжения расход жидкого азота на предварительное охлаждение и последующее замораживание в аппарате АСТА составляет около 3,5 кг на 1кг продукта при температуре газообразного азота -70 °C. При се повышении расход азота значительно увеличивается, например, при -40 °C он составляет около 6 кг на 1 кг продукта.

Таким образом, использование схемы а нецелесообразно, поскольку стоимость криоагента высока. Предварительное охлаждение растительной продукции предпочтительно осуществлять традиционными для отечественной практики способами воздухом, ледяной водой и т.п.

Для системы хладоснабжения, работающей по схеме б, получены удельные массовый расход жидкого азота G_ж и объемный расход газообразного азота V_г в зависимости от температуры паров криоагента на выходе из аппарата АСТА (табл.З). Значения G_ж и V_г даны для трех модификаций азотных скороморозильных аппаратов, производительность которых при замораживании растительной продукции составляет АСТА-30 -250 кг/ч, АСТА-250 -500 кг/ч, АСТА-800 - 1000 кг/ч.

Таблица 3.

Температура газообразного азота на выходе из аппарата АСТА	Удельный массовый расход жидкого азота Gж, кг/кг. в зависимости от производительности аппарата АСТА			Удельный объемный расход газообразного азота Vг, м-3/кг, в зависимости от производительности аппарата АСТА
	250 кг/ч	500 кг/ч	1000 кг/ч	250 кг/ч	500 кг/ч	1000 кг/ч
-70	1,10	1,14	1,16	0,803	0,832	0,844
-60	1,07	1,10	1.14	0,781	0,803	0,833
-50	1,04	1,07	1,10	0,759	0.781	0,803
-40	1.01	1,04	1,07	0.737	0,759	0.781

Таблица 4.

Температура газообразного азота на выходе из аппарата АСТЛ trII °C	Температура газообразного азота на выходе с III уровня системы trIII °C	Объём камеры хранения. м3 в зависимости от производительности аппарата АСТА
		250 кг/ч	500 кг/ч	1000 кг/ч
-70	-30	200	416	844
	-18	240	500	1012
-50	-25	190	390	805
	-18	199	410	843
-40	-20	185	380	781
	-18	190	390	805
-20	-18	163	325	650

По данным табл.З рассчитан объем камеры хранения, в которой наиболее эффективно используется температурный потенциал паров криоагента, поступающих со II на III температурный уровень системы хладоснабжения (табл .4).

В табл.4 для каждого значения t_II в качестве примера даны два значения температуры газообразного азота на выходе с III температурного уровня: t_III = -18 °C - минимальная температура хранения замороженной продукции и t_III = -30, -25, -20 °C - для отвода с помощью газообразного азота теплопритоков, связанных с эксплуатацией оборудования.

Полученные результаты показывают целесообразность использования для замораживания растительной продукции проточной системы хладоснабжения, работающей по схеме б