Исследование влияния инфракрасного излучения на процесс тепловой обработки рыбы

УДК 664.8.039.1:664.95

М.В. Вотинов, М.А. Ершов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕСС ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ РЫБЫ

Модернизация и переоснащение действующих мощностей обрабатывающих производств рыбной промышленности - одна из основных задач, стоящих перед рыбохозяйственным комплексом РФ. Немаловажную роль играет поиск энергоэффективных режимов тепловой обработки при копчении, сушке, вялении рыбы. Исследования, описанные в работе, посвящены определению влияния мощности инфракрасных ламп КГТ 220-1000-1 на нагрев слоев рыбы. В качестве сырья использовались путассу северная - Micro-mesistius poutassou и окунь морской - Sebastes marinus. Мощность инфракрасных ламп варьировалась в диапазоне от 50% до 100% с шагом в 10%. В ходе экспериментов исследовалась температура поверхности рыбы, температура на глубине мышечной ткани 3 мм и 14 мм (25 мм для окуня). Путассу подвергалась тепловой обработке как при движении воздушной смеси, так и без нее. Проведенное исследование позволило выявить оптимальные мощности работы инфракрасных ламп, позволяющие экономить до 15% электроэнергии на технологический процесс.

Ключевые слова: тепловая обработка, инфракрасное излучение, рыба, энергоэффективность.

M.V. Votinov, M.A. Ershov

RESEARCHING THE INFRARED RADIATION INFLUENCE ON THE PROCESS OF FISH HEAT TREATMENT

Modernization and upgrading of the existing facilities in the manufacturing activities of the fishing industry is one of the main challenges facing the fisheries complex of the Russian Federation. Searching the energy efficient modes of thermal treatment during smoking, drying and curing plays an important role. The research described in the paper is devoted to determining the effect of the power of infrared lamps KGT 220-1000-1 for heating the layers of fish. Blue whiting - Micromesistius poutassou and redfish - Sebastes marinus were used as raw material. The power of infrared lights ranged from 50% to 100% in increments of 10%. In the experiments the fish surface temperature and the temperature at the depth of muscle tissue to 3 mm and 14 mm (25 mm for perch) were investigated. Blue whiting was undergone by heat treatment both in the movement of the air mixture and without it. The conducted study allowed to identify operation optimal capacity of the infrared lamps saving up to 15% of electricity in the process.

Key words: heat processing, infrared radiation, fish, energy efficiency.

DOI: 10.17217/2079-0333-2017-40-18-24

Введение

По данным Федеральной службы государственной статистики, на начало 2016 г. в России насчитывалось 8,5 тыс. организаций по виду экономической деятельности «Рыболовство, рыбоводство» [1]. Суммарный сальдированный финансовый результат деятельности этих организаций (прибыль минус убыток) вырос с 2012 г. в 3,8 раза - с 15 034 до 58 474 млн руб. [2]. Очевидно, что рыбоводство и рыболовство развивается в России, чего нельзя сказать об обрабатывающих производствах рыбной промышленности, в частности о производстве рыбы копченой, сушеной и вяленой. Федеральное агентство по рыболовству отмечает в этой связи низкий уровень технологической и технической оснащенности организаций рыбного хозяйства [3]. Как показывают данные статистики, объемы производства рыбы копченой, сушеной и вяленой не растут и остаются на уровне 2010 г. (рис. 1).

Одной из основных задач, которые ставит Федеральное агентство по рыболовству в Стратегии развития рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации, является техническое перевооружение и модернизация действующих рыбоперерабатывающих мощностей. Планируется, что к 2020 г. объем производства копченых и сушено-вяленых рыбных товаров увеличится в пять раз по сравнению с 2007 г. [3].

тонн 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0

шш.

2010 2011 2012 2013 2014 2015 годы

Рыба копченая  Рыба сушеная и вяленая

Рис. 1. Изменение объемов производства рыбы копченой, сушеной и вяленой с 2010 по 2015 гг.

Несомненно, перевооружение и модернизация действующих мощностей должны также сопровождаться поисками энергоэффективных режимов тепловой обработки.

На сегодняшний день имеют большое распространение простые установки с конвективной тепловой обработкой. Однако выдающийся советский ученый А.В. Лыков практически полвека назад утверждал, что режим тепловой обработки не должен быть постоянным на протяжении всего технологического процесса. Переменные режимы возможно устанавливать как за счет подвода теплового агента с различными температурными параметрами, так и за счет применения смешанной по принципу передачи энергии сушки. Примером может быть применение конвективно-радиационной сушки с использованием инфракрасного излучения [4, с. 224].

Проводимые исследования подтвердили, что с применением инфракрасной составляющей технологические тепловые процессы становятся экономически более выгодными [5]. Однако до сих пор интерес вызывает влияние инфракрасной составляющей на процесс тепловой обработки рыбы, а именно на нагрев ее внутренних слоев. Исследования, описанные в работе, посвящены определению влияния мощности инфракрасных ламп на нагрев слоев рыбы.

Материалы и методы

Для проводимых исследований была выбрана малогабаритная сушильная установка (рис. 2), которая используется в учебно-экспериментальном цехе Мурманского государственного технического университета для изготовления небольших опытных партий сушеной, вяленой и копченой рыбной продукции [6].

Установка оснащена камерой нагрева сушильного агента, выполненной на базе трубчатых электронагревателей мощностью 2 кВт, инфракрасными лампами КГТ 220-1000-1 фирмы «Лисма» суммарной мощностью 2 кВт, расположенными в термокамере малогабаритной сушильной установки. Для увеличения максимальной рабочей температуры в термокамере и сокращения тепловых потерь установка оснащена системой рециркуляции дымовоздушной смеси, позволяющей отработанный тепловой агент запускать обратно в термокамеру установки. Движение дымовоздушной смеси обеспечивает центробежный вентилятор. Скорость потока составляет 2 м/с.

Отличительной особенностью малогабаритной сушильной установки и ее системы автоматического управления является возможность определения температуры поверхности рыбы не с использованием контактных датчиков температуры, а с применением бесконтактного инфракрасного датчика температуры серии CT фирмы Optris. Данные датчики отличаются широким диапазоном измеряемых температур (-40 ... +900°С), высокой точностью измерений (0,1°С), хорошим показателем визирования (20:1). Для защиты корпуса датчика от высоких температур он вынесен за пределы термокамеры с помощью специально разработанного устройства.

В процессе обработки рыба подвергается воздействию теплового излучения, исходящего от инфракрасных ламп. Интенсивность инфракрасных ламп регулируется блоком автоматики. По данным инструкции по эксплуатации ламп КГТ [7], рабочая температура тела канала (нити) со-

Рис. 2. Малогабаритная сушильная установка

ставляет 2 500 К при номинальном напряжении 220 В. В соответствии с законом смещения Вина длина волны, при которой энергия излучения тела максимальна, определяется по формуле:

Л = Ь / Т,

где Ь - постоянная Вина, равная 0,002898 мК, Т - температура.

Таким образом, для ламп КГТ длина волны излучения составляет:

Л = Ь / Т = 0,002898 / 2500 = 0,0000011592 м, или 1159,2 нм.

Длина волны 1159,2 нм как раз соответствует ближней инфракрасной области спектра. Вместе с тем, с изменением напряжения на клеммах лампы меняется и эффективная длина волны от 1159,2 нм при 220 В до 1800 нм при 50 В. В зависимости от подводимого к инфракрасным лампам напряжения (мощности) меняется температура колбы лампы и, как следствие, энергия теплового излучения (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость энергии теплового излучения ламп КГТ от мощности инфракрасных ламп

Мощность ИК-ламп, % Температура колбы лампы, °С Общая энергия теплового излучения по закону Стефана - Больцмана, Вт/м2

50 250 4051,40

60 277 4955,06

70 296 5680,50

80 315 6448,60

90 330 7132,91

100 344 7870,28

При изменении подводимого напряжения к лампам КГТ изменяется интенсивность воздействия инфракрасных волн на поверхность гидробионтов, подверженных процессу нагрева и обезвоживания, что, в свою очередь, влияет на температуру их поверхностного и внутренних слоев.

В рамках данного исследования производилась тепловая обработка инфракрасными лампами спинки путассу и окуня морского, потрошеного, обезглавленного. Мощность инфракрасных ламп варьировалась в диапазоне от 50% до 100% с шагом в 10%. Температура поверхности рыбы определялась с использованием инфракрасного датчика температуры, замер температуры слоев осуществлялся с использованием датчиков температуры фирмы «Элемер» ТС-0295/1. Начальные условия экспериментов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики эксперимента

Параметр Путассу Окунь

Средняя масса рыбы, г 101 420

Расстояние от спины до центра рыбы, мм 15 45

Толщина рыбы, мм 25 52

Расположение датчика температуры № 1 в толще рыбы на расстоянии от поверхности, мм 3 3

Расположение датчика температуры № 2 в толще рыбы на расстоянии от поверхности, мм 14 25

Средняя масса образцов путассу составляла 101 ± 3 г, а окуня 420 ± 5 г. Рыба в термокамере располагалась на прутках горизонтально, параллельно инфракрасным лампам и на расстоянии 9 см от них. Такое решение было применено для корректной работы инфракрасного датчика температуры, который как раз направлен на спинку рыбы. Ввиду того, что путассу и окунь имеют разную толщину, соответственно, температура по слоям также измерялась на разных уровнях.

При изготовлении рыбы горячего копчения, а также при принятии некоторых кулинарных решений очень важно знать температуру в центре тела рыбы в конце процесса, обычно эта величина приближается к 80°С, поэтому именно по достижении данной температуры датчиком № 2 эксперименты прекращались. Стоит отметить, что для рыбы путассу исследовалось влияние инфракрасного излучения на процесс тепловой обработки как при работе центробежного вентилятора, движущего сушильный агент, так и без него.

Результаты и обсуждения

Полученные экспериментальные данные представляют собой многомерный массив данных в виде ОЬЛР-куба, так как продолжительность прогрева слоя зависит от множества факторов, а именно: от длины волны инфракрасного излучения, расстояния инфракрасных ламп до объекта обработки и его оптических свойств, глубины замера и конечной температуры, до которой происходит прогрев. Для наглядности экспериментальных данных по обработке путассу приведены две серии рисунков. На рис. 3 представлены графики первой серии экспериментов, характеризующие продолжительность прогрева слоев рыбы при работе центробежного вентилятора.

90 80 70 60 Мощность ИК-ламп, %

16 000

с 14 000

80°С н 12 000

60°С о 10 000

50°С 8 000

30°С н

1 6 000

§ 4 000

2 000

&

в 0

80°С 60°С 50°С 30°С

90 80 70 60

Мощность ИК-ламп, %

16 000 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0

100 90 80 70 60 Мощность ИК-ламп, %

|°С 60°С 50°С 30°С

Рис. 3. Продолжительность прогрева слоев путассу до 30,50,60 и 80°С в зависимости от мощности инфракрасных ламп, при циркуляции воздушного потока в камере установки: а - поверхности путассу; б - мышечной ткани путассу на глубине 3 мм; в - мышечной ткани путассу на глубине 14 мм

б

а

в

Анализ графиков для разных слоев рыбы показывает, что их характер схож, отличается только временем достижения заданных температур. Чем ближе слой к инфракрасным лампам, тем более интенсивно и с меньшей продолжительностью времени проходит прогрев.

Так, для прогрева поверхности путассу до 80°С на мощности инфракрасных ламп 100% требуется 4 000 с (чуть более часа), для прогрева слоя на глубине 3 мм требуется уже 8 200 с (2,3 ч). Второй слой, находящийся на глубине 14 мм, прогревается лишь спустя 10 000 с (2,7 ч).

Вместе с тем очевидно, что максимальный по мощности режим работы инфракрасных ламп не оптимален с экономической точки зрения. Достижение температуры в 80°С поверхностным слоем либо слоем в толще рыбы будет осуществлено за один и тот же промежуток времени при работе инфракрасных ламп на мощности 100% или 80%. Для чуть меньших температур тепловой обработки рыбы, до 60°С, используемая мощность инфракрасных ламп выше 70% не влияет на продолжительность технологического процесса. То есть вполне логично предположить, что у каждой величины температуры тепловой обработки имеется своя заданная мощность инфракрасной лампы, увеличение которой не приводит к интенсификации технологического процесса, а приводит только к увеличению энергозатрат на технологический процесс.

Вторая серия экспериментов, в которой центробежный вентилятор не воздействовал на движение сушильного агента по трубопроводу, показала схожие результаты (рис. 4).

В отличие от предыдущей серии экспериментов для данной характерна более короткая по времени продолжительность прогрева слоев рыбы. На достижение температуры 80°С во втором слое рыбы (14 мм) при работе инфракрасных ламп на мощности 100% уходит 6000 с (чуть более 1,5 ч). Поверхность путассу при тех же условиях прогрелась за 900 с (15 мин).

80°С 60°С 50°С 30°С

в

Рис. 4. Продолжительность прогрева слоев путассу до 30, 50, 60 и 80°С в зависимости от мощности инфракрасных ламп, без циркуляции воздушного потока в камере установки: а - поверхности путассу; б - мышечной ткани путассу на глубине 3 мм; в - мышечной ткани путассу на глубине 14 мм

Мощность ИК-ламп, %

Такое явление можно объяснить тем, что при работе центробежного вентилятора происходит забор свежего воздуха с более низкой температурой. Воздушная смесь практически остужает рыбу, нагреваемую инфракрасными лампами. В этой связи рациональной будет как раз комбинированная тепловая обработка, при которой сушильный агент предварительно подогревался бы трубчатым электронагревателем до поступления в термокамеру.

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что в отсутствие воздушного потока нерационально включать лампы на мощности более 70%. Использование инфракрасных ламп на мощностях более 70% не ускоряет тепловую обработку; продолжительность процесса примерно одинаковая.

Для наглядности на рис. 5 приведена гистограмма сравнения продолжительности времени прогрева слоев рыбы при тепловой обработке инфракрасными лампами на мощности 80% с циркуляцией воздушного потока в термокамере установки и без нее.

Рис. 5. Продолжительность прогрева слоев путассу до 30, 50, 60 и 80°С инфракрасными лампами на мощности 80% с циркуляцией воздушного потока в камере установки и без нее. Vc.a. - скорость сушильного агента

Результаты данных исследований позволят в дальнейшем разработать новые режимы комбинированной тепловой обработки рыбы. Например, при горячем копчении рыбы рационально проводить режим «подсушки» без движения сушильного агента с использованием инфракрасных ламп с подводимой мощностью на уровне 70%.

Для следующего режима, режима «проварки», рационально увеличивать мощность инфракрасных ламп до 80%.

Отметим, что в систему автоматического управления, контролирующую температуру в термокамере, а также управляющую исполнительными механизмами малогабаритной сушильной установки, уже сейчас введено ограничение мощности инфракрасных ламп на уровне 80%, позволяющее сократить затраты на технологический процесс тепловой обработки рыбы.

Безусловно, при работе системы управления мощность инфракрасных ламп будет автоматически варьироваться в заданном диапазоне в зависимости от показаний датчиков. Возможно управление мощностью на основе информации о температуре в термокамере установки либо температуре поверхности рыбы. Могут быть реализованы комбинированные режимы работы с использованием как конвективной составляющей, так и инфракрасной. Поэтому, учитывая, что инфракрасные лампы будут работать на 80% не все время технологического процесса, разумно предположить, что реальная экономия от ограничения будет значительно ниже 20%. По нашим прогнозам экономия электроэнергии будет составлять 5-15%.

Исследования влияния инфракрасного излучения на нагрев слоев окуня проводились без движения воздушной смеси (без работы центробежного вентилятора). Ввиду того, что окунь крупнее путассу, расстояние до инфракрасных ламп составляло 7,5 см. Результаты экспериментов отличались от полученных на путассу. На рис. 6 представлены графики изменения температуры по слоям окуня при мощности инфракрасных ламп 60%. Исследования показали, что прогрев мышечной ткани на уровне 3 мм в окуне идет интенсивнее, чем нагрев его поверхности.

3 мм 25 мм 45 мм

Поверхность

Рис. 6. Продолжительность прогрева слоев окуня морского инфракрасными лампами на мощности 60% без циркуляции воздушного потока в камере установки

Стоит отметить, что схожие результаты были получены во всем исследуемом диапазоне мощностей работы инфракрасных ламп. Данный эффект обусловлен скорее всего более жирной мышечной тканью окуня в отличие от путассу и инфракрасным потоком, проникающим в рыбу как раз на аналогичное расстояние. Однако в этой области требуются дополнительные исследования по изучению представленного явления.

Заключение

Проведенные исследования влияния инфракрасного излучения на процесс тепловой обработки рыбы выявили, что мощность инфракрасных ламп КГТ 220-1000-1 фирмы «Лисма» в диапазоне 80-100% практически не сказывается на продолжительности тепловой обработки путассу. Данные подтвердились как для режимов с циркуляцией воздушной смеси по термокамере со скоростью 2 м/с, так и без нее. В некоторых случаях (до 60°С на глубине мышечной ткани в 14 мм) этот диапазон составляет 70-100%.

Использование ограничения в работе системы управления сушильной установки позволяет экономить от 5 до 15% процентов электроэнергии при осуществлении инфракрасной или комбинированной с использованием конвективной составляющей тепловой обработки.

Эксперименты по прогреву окуня показали более интенсивный прогрев мышечной ткани на глубине 3 мм в отличие от поверхности рыбы.

Безусловно, некоторые моменты работы требуют дополнительных исследований, в частности, как будет воздействовать инфракрасное излучение на другие виды рыб, однако несомненно то, что результаты исследования могут быть применены при разработке новых кулинарных блюд из рыбного сырья, новых комбинированных методов тепловой обработки рыбы при ее сушке, вялении и копчении.

Литература

1. Россия в цифрах. 2016: крат. стат. сб. / Росстат. - M., 2016. - 543 с.

2. Финансы России. 2016: стат. сб. / Росстат. - М., 2016. - 343 с.

3. Об утверждении Стратегии развития рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года [Электронный ресурс]: приказ Росрыболовства от 30 марта 2009 г. № 246. Документ опубликован не был. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

4. Лыков А.В. Теория сушки: учеб. пособие. - М.: Энергия, 1968. - 472 с.

5. Вотинов М.В., Ершов М.А., Маслов А.А. Исследование энергоэффективности процессов сушки гидробионтов в пищевой рыбной промышленности // Рыбное хозяйство. - 2012. - № 4. -С.115-117.

6. Пат. 135234 Рос. Федерация, МПК А 23 В 4/03. Малогабаритная сушильная установка / Вотинов М. В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». -№ 2013132112/13; заявл. 10.07.13; опубл. 10.12.13, Бюл. № 34. - 6 с.

7. Лампы накаливания галогенные: инструкция по эксплуатации ИЖШЦ.675490.002 РЭ. -Саранск, 2005. - 8 с.

Информация об авторах Information about the authors

Вотинов Максим Валерьевич - Мурманский государственный технический университет; 183010, Россия, Мурманск; кандидат технических наук; доцент кафедры автоматики и вычислительной техники; votinovmv@yandex.ru

Votinov Maksim Valerevich - Murmansk State Technical University; 183010, Russia, Murmansk; Candidate of Technical Sciences; Associate Professor of Automatic and Computer Engineering Chair; voti-novmv@yandex.ru

Ершов Михаил Александрович - Мурманский государственный технический университет; 183010, Россия, Мурманск; кандидат технических наук; доцент кафедры технологий пищевых производств

Ershov Mikhail Aleksandrovich - Murmansk State Technical University; 183010, Russia, Murmansk; Candidate of Technical Sciences; Associate Professor of Food Production Technologies Chair