Моделювання процесу променевого теплообміну в елементах жарильного обладнання: дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.18.12 – Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

Дисертацію присвячено вирішенню проблеми нерівномірності променевого теплообміну під час інфрачервоного жарення харчових продуктів. В рамках сформульованої мети та завдань дисертаційної роботи вперше розв’язано обернену задачу теплообміну випромінюванням для визначення профілю відбивача з метою рівномірного опромінювання теплоприймача, який має опуклий переріз; уперше отримано рівняння кінетики середньої температури внутрішніх шарів продукту за умов інфрачервоного жарення м’ясних напівфабрикатів та потрібної тривалості процесу в розробленому апараті ІЧ-жарення зі спрофільованим відбивачем; уперше шляхом застосування системного аналізу за умови використання програмного комплексу Vensim створено імітаційні моделі кінетики температури м’ясних напівфабрикатів під час інфрачервоного жарення та комплексного оцінювання економічної ефективності розробленого апарата ІЧ-жарення з відбивачем променевого потоку. Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному: створено методику визначення профілів відбивачів для рівномірного опромінювання приймача опуклого перерізу шляхом розв’язання оберненої задачі опромінення. Проведено верифікацію створеної методики визначення профілів рефлекторів шляхом комп’ютерного експерименту за використання програмних комплексів TracePro та Mathcad, що доводить її коректність. Валідація створеної методики визначення профілів рефлекторів шляхом фізичного експерименту за використання експериментального апарата ІЧ жарення довела її прийнятність для проєктування ІЧ-обладнання харчових виробництв та ресторанного господарства. З використанням програмного комплексу Mathcad створено програмний продукт для визначення форм відбивачів, які забезпечать заданий розподіл променевого потоку на поверхні опуклого теплоприймача. Розроблено промисловий зразок апарата з рефлектором для жарення м’ясних напівфабрикатів, який забезпечує на поверхні продукту рівномірну густину променевого потоку. Розроблено проект технічної документації на нове обладнання – апарат із рефлектором для інфрачервоного жарення м’ясних порційних напівфабрикатів АРЖМ 0.07-1. Проведені економічні розрахунки дозволяють зробити висновок щодо доцільності виробництва та впровадження у практичну діяльність розробленого апарата. Новий апарат порівняно з базовим має значні переваги, а саме більш високий показник технічного рівня та меншу собівартість. Це свідчить про високий рівень конкурентоспроможності розробленого апарата для підприємств, які займаються виробництвом устаткування для виготовлення харчових продуктів. Економічні розрахунки свідчать про доцільність впровадження апарата у закладах ресторанного господарства. У дисертаційній роботі проаналізовано сучасний стан проблеми використання процесу інфрачервоного жарення для харчових продуктів та апаратів для його реалізації, а також досліджень щодо забезпечення рівномірності променевого потоку на поверхні опуклого продукту. Визначено, що застосування ІЧ-випромінювання інтенсифікує технологічні процеси харчових виробництв унаслідок значного збільшення густини теплового потоку на поверхні продукту і проникнення теплової енергії всередину матеріалу, але існує проблема створення рівномірності густини променевого потоку від одного випромінювача на поверхні опуклого продукту, що стало підґрунтям для розробки нових конструкцій апаратів інфрачервоного жарення. Було запропоновано теплотехнічну систему, що складається з трубчастого випромінювача, циліндричного відбивача і приймача тепла з опуклою формою перерізу та на її основі розроблено аналітичну методику визначення профілю відбивача, який забезпечить рівномірне опромінювання приймача опуклого перерізу. Здійснено аналітичне моделювання рівномірного опромінення верхньої поверхні приймачів півкругового, півеліптичного профілю без урахування втрат теплоти на відбивачі та з ними. Проведено моделювання усебічного рівномірного опромінення приймача півеліптичного та еліптичного профілю. Це дало розв’язок оберненої задачі теплообміну випромінюванням для визначення профілю відбивача з метою рівномірного опромінювання теплоприймача, який має опуклий переріз. На основі проведеного аналітичного моделювання розроблено фрагментовані форми відбивачів, що забезпечує під час інфрачервоної обробки рівномірний променевий потік на поверхні продукту, а також уможливлює як фронтальний, так і бічний доступ до продукту, беручи до уваги технологічні особливості обробки. Метою експериментального дослідження була оцінка ефективності використання спрофільованого відбивача шляхом фізичного моделювання та порівняння результатів із комп’ютерною верифікацією створеної методики. Для отримання числового розв’язку у програмному комплексі TracePro, задавали кількість теплових променів, що виходять із джерела. Просторовий розподіл густини потоку випромінювання моделюється шляхом розрахунку траєкторій окремих випадкових променів, і точність розв’язку відповідає їх кількості. Комп’ютерне моделювання розповсюдження теплових променів у робочих камерах теплотехнічних систем за допомогою програмного комплексу TracePro довело, що отримана методика профілювання рефлекторів теплотехнічних систем є коректною. Кількісна оцінка ефективності використання спрофільованого рефлектора шляхом визначення температури всередині робочої камери за допомогою термопар хромель-алюмель підтвердила комп’ютерну верифікацію моделі променевого теплообміну. Розроблено експериментальний апарат із малоінерційними датчиками температури для інфрачервоного жарення м’ясних напівфабрикатів, який уможливлює використання спрофільованого за створеною аналітичною методикою відбивача. В експериментальному апараті використовується один кварцовий випромінювач, у якого напруга живлення 220 В, потужність 720 Вт, довжина випромінювача становить 250 мм. Довжина теплових хвиль складає 1.2 мкм, відповідно кути падіння теплових променів на рефлектор дорівнюють кутам віддзеркалення. Використання експериментального апарату з відбивачем променевого потоку для жарення м’ясних напівфабрикатів доводить, що отримана методика профілювання рефлекторів теплотехнічних систем є прийнятною для проектування ІЧ-обладнання харчових виробництв та ресторанного господарства. Використання в експериментальному апараті спрофільованого відбивача скорочує тривалість жарення натуральних порційних напівфабрикатів з яловичини на 33 %. Шляхом органолептичного оцінювання визначено якість отриманого продукту з яловичини, жареного в апараті з відбивачем променевого потоку та без нього. Отримані профілограми доводять переваги застосування відбивача в апараті ІЧ-жарення. Готовність біфштексів із яловичини, жарених у експериментальному апараті з відбивачем та без нього, визначалася досягненням температури внутрішніх шарів продукту 75 оС із подальшим темперуванням. Розроблено промисловий зразок апарата із рефлектором для жарення м’ясних напівфабрикатів АРЖМ-0.07-1, який забезпечує на поверхні продукту рівномірну густину променевого потоку значенням близько 30 кВт/м2 В результаті аналітичного моделювання процесу інфрачервоного жарення м’ясних напівфабрикатів отримані рівняння кінетики середньої температури внутрішніх шарів продукту та потрібної тривалості процесу жарення в розробленому апараті ІЧ-жарення зі спрофільованим відбивачем. На основі аналітичного та імітаційного моделювання встановлено, що в апараті АРЖМ-0.07-1 за температури готовності 75 оС жарена без відбивача яловичина готова через 10 хв, жарена з відбивачем готова через 7 хв. Порівняння отриманих результатів імітаційної моделі кінетики температури та реального жарення в апараті АРЖМ-0.07-1 доводить адекватність створеної імітаційної моделі. Проведене імітаційне дослідження дозволило поєднати особливості експериментального підходу і специфіку засобів комп'ютерної підтримки. Використання імітаційних моделей дозволяє оптимізувати процес виробництва харчової продукції за обраними реакціями шляхом комп’ютерного експерименту зі зміною та комбінуванням значень критеріїв, забезпечуючи якісний продукт. Шляхом імітаційного моделювання проведено комплексне оцінювання економічної ефективності апарата АРЖМ-0.07-1 порівняно з пристроєм без відбивача променевого потоку. Визначено, що використання рефлектора у апараті АРЖМ-0.07-1 скорочує час отримання продукції на 27 %, збільшує продуктивність жарення на 46 %, зменшує питому енергоємність жарення на 47 %, питому металоємність на 28 %, питому витратність на 87 %. Економічні розрахунки здійснено з дотриманням принципу багатокритеріальної оцінки, відповідно до якого оцінювання наукової розробки здійснено з урахуванням критеріїв його вартості, економії ресурсів, підвищення продуктивності праці під час експлуатації та економічного ефекту від його впровадження у практику діяльності. Розрахунки свідчать про доцільність впровадження апарата у закладах ресторанного господарства. Економічний ефект від впровадження розробленого апарата складатиме 190,5 тис. грн на рік на один апарат.

The dissertation is devoted to solving the problem of irregularity of radiative heat exchange during infrared frying of foodstuffs. Within the framework of the formulated goal and objectives of the thesis, the inverse problem of heat exchange by radiation was solved for the first time to determine the profile of the reflector in order to uniformly irradiate the heat sink, which has a convex cross section. For the first time, equation of the kinetics of an average temperature of inner layers of the product in the conditions of infrared roasting of meat semi-finished products and the required duration of the process in the developed infrared roasting device with a profiled reflector was obtained. For the first time, simulation models of temperature kinetics of meat semi-finished products during infrared roasting and complex evaluation of economic efficiency of the developed IR roasting device with a beam reflector were created by applying system analysis using Vensim software. Practical significance of the obtained results is as follows: a method for determining the profiles of reflectors for uniform irradiation of the receiver of convex cross-section by solving the inverse irradiation problem. We have verified the created methodology for determining reflector profiles through a computer experiment using the TracePro and Mathcad software. That proves its correctness. The validation of the established methodology for determining the profiles of reflectors by physical experiment using the experimental apparatus of IR-frying proved its acceptability for the design of infrared equipment for food production and restaurant industry. The equations of kinetics of the average temperature of the inner layers of the product were obtained for infrared frying of meat semi-finished products and the required duration of the frying process in the developed apparatus of IR-frying with a profiled reflector. For the first time, through the use of system analysis, simulation models of the kinetics of meat semi-finished products temperature during infrared frying and complex evaluation of the cost effectiveness of the developed IR-apparatus with beam reflector were created. A software product was created by use the Mathcad software to determine reflector profiles that would provide a uniform beam distribution on the surface of a convex heat receiver. The industrial model of the apparatus with a reflector for frying of meat semi-finished products is developed, which provides a uniform beam flux density on the surface of the product. Draft technical documentation for new equipment – apparatus with reflector for infrared frying of meat portion semi finished products ARZhM-0.07-1 has been developed. Economic calculations allow us to draw a conclusion concerning the expediency of the production and introduction of the developed apparatus into practical activity. The new device has significant advantages over the basic one, namely, it has higher technical level and lower cost. This indicates high competitiveness of the developed device for the enterprises engaged in the production of equipment for food production. Economic calculations indicate the expediency of introducing the device in restaurants. The dissertation analyzes the current state of the problem of using the infrared frying process for foodstuffs and apparatus for its implementation, as well as studies on ensuring the uniformity of the beam flux on the surface of a convex product. The inability to create a uniform beam flux density from a single emitter on the surface of a convex product was determined, that the use of IR radiation intensifies technological processes of food production due to significant increase in heat flux density on the surface of the product and heat energy penetration into the material, but there is a problem of uniformity of radiation flux density from one emitter on the surface of the convex product, which became the basis for the development of new designs of infrared frying apparatus. A heat engineering system consisting of a tubular radiator, cylindrical reflector and heat receiver with a convex cross-sectional shape was proposed, and on its basis аn analytical method for determining the profile of the reflector is developed, which will ensure uniform irradiation of the receiver of the convex section. Analytical modeling of the uniform irradiation of the upper surface of the receivers of the semicircular, semieliptic profile without taking into account the heat losses on the reflector and with that has been carried out. The modeling of all round irradiation of the receiver of the semieliptic and elliptical profile is simulated. This gave the solution of the inverse problem of heat transfer by radiation to determine the profile of the reflector with the aim of uniform irradiation of the heat reciever having a convex profile. On the basis of the analytical simulation, fragmented reflector shapes have been developed, which ensures, during infrared treatment, a uniform beam flux on the surface of the product, as well as allowing both frontal and lateral access to the product, taking into account the technological features of the processing. The aim of the experimental research is to evaluate effectiveness of using a profiled reflector by physical modeling and comparison of the results with computer verification of the developed technique. To obtain a numerical solution in the TracePro software package, the number of heat rays emanating from the source was set. The spatial distribution of the radiation flux density is modeled by calculating the trajectories of individual random rays, and the solution accuracy corresponds to their number. Computer simulation of thermal radiation propagation in working chambers of thermal engineering systems with the help of TracePro software proved that the obtained method of profiling of reflectors of thermal engineering systems is correct. The quantitative evaluation of the efficiency of the use of a profiled reflector by determining the temperature inside the working chamber using chromel-alumel thermocouples confirmed the computer-based verification of the radiation heat transfer model. An experimental apparatus with low-inertial temperature sensors for infrared frying of meat semi-finished products has been developed, which makes it possible to use a reflector, which has been created according to the analytical method. The experimental apparatus uses one quartz emitter, which has a supply voltage of 220 V, power 720 W, the emitter length is 250 mm. The wavelength of heat is 1.2 μm, respectively, the angles of incidence of heat rays on the reflector are equal to the angles of reflection. The use of an experimental apparatus with a beam reflector for frying meat semi-finished products proves that the obtained method of profiling of reflectors of thermal engineering systems is acceptable for the design of infrared equipment of food production and restaurant industry. The use of a profiled reflector in the experimental apparatus reduces the roasting time of natural portioned beef semi-finished products by 33 %. By the organoleptic evaluation, the quality of the beef product roasted in the apparatus with and without the beam reflector was determined. The obtained profiles prove the benefits of using the reflector in the infrared apparatus. The readiness of the beef steaks and langettes fried in the experimental apparatus with and without the reflector was determined by reaching the temperature of the inner layers of the product 75 °C with subsequent tempering. The industrial model of the apparatus with the reflector for meat semi finished products ARZhM-0.07-1 was developed, which provides a uniform beam flux density of about 30 kW/m2 on the surface of the product. As a result of analytical modeling of the infrared frying process of meat semi-finished products, the kinetics of the average temperature of the inner layers of the product and the required duration of the frying process in a developed IR apparatus with a profiled reflector were obtained. On the basis of analytical and simulation modeling it is established that in the apparatus of ARZhM-0.07-1 at a temperature of 75 °C fried beef is ready without reflector after 10 minutes, with reflector ready after 7 minutes. Comparison of the obtained results of the simulation model of the kinetics of temperature and real frying in the apparatus ARZhM-0.07-1 proves the adequacy of the created simulation model. The conducted simulation research allowed to combine the peculiarities of the experimental approach and specificity of means of computer support. The use of simulation models allows to optimize the process of food production by the selected reactions by means of computer experiment with changing and combining values of the criteria, providing a quality product. An integrated assessment of the cost-effectiveness of the ARZhM-0.07-1 apparatus compared to a device without a beam reflector was carried out by simulation. It is determined that the use of a reflector in the apparatus ARZhM 0.07-1 reduces the time of production by 27 %, increases the frying productivity by 46 %, reduces the specific energy consumption of frying by 47 %, specific metal consumption by 28 %, specific total consumption by 87 %. Economic calculations are carried out in accordance with the principle of multi-criteria evaluation, according to which the evaluation of scientific development is carried out taking into account the criteria of its cost, resource savings, productivity during the operation and economic effect of its implementation. Calculations indicate the expediency of implementing the device in restaurants. Economic effect of the implementation of the developed device will be 190.5 thousand UAH per year per device.