Мобильное устройство для быстрого охлаждения продуктов растительного происхождения

Заявляемая полезная модель относится к холодильному оборудованию и предназначена для быстрого охлаждения продуктов растительного происхождения сразу после сбора с целью обеспечения максимальных сроков их дальнейшего хранения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В цепочке поставок свежих продуктов питания растительного происхождения (ягод, фруктов, дикоросов) экономическая эффективность напрямую зависит от правильной организация сбора и доработки продукции. Сразу после уборки урожая для снижения потери влаги и скорости старения продукта важно начать мероприятия по его сохранению в течение 30-60 минут после сбора. Это можно осуществить разными способами, например, быстро его охладить, замедляя распространение микроорганизмов в нем и сохраняя его внешний вид.
Одним из основных параметров поддержания высокого качества ягод, фруктов и дикоросов, и сокращения потерь от обезвоживания является скорость, с которой отводится тепло. При выборе подходящего метода охлаждения, учитываются следующие факторы: объем продукции, совместимость метода охлаждения и его переносимости самим продуктом, а также затраты на выбранный метод охлаждения. Ягоды и фрукты обладают низкой устойчивостью к влиянию фитопатогенных микроорганизмов, поэтому основная задача сохранения урожая продукции – обеспечить охлаждение продукта как можно быстрее после уборки с целью дальнейшего хранения и транспортировки.
При том, что существует огромное количество методов и модификаций охлаждения пищевой продукции, используются два основных способа охлаждения:
– принудительное воздушное охлаждение – наиболее часто используемый метод для быстрого охлаждения фруктов, ягод, свежесрезанных цветов и т.д. Охлажденный воздух проходит через упакованную в коробки или установленную в ряды на паллеты продукцию. Вентилятор высасывает его через воздушный канал, тем самым обеспечивая обдув. Такой метод самый дешевый, но относительно медленный. Обдув продукции происходит неравномерно именно за счет отсутствия организации прохождения холодного воздуха через продукцию. Высасываемый вентилятором воздух, по сути, обтекает упаковки, а не проходит через них. Такое охлаждение продукции может продолжаться несколько часов.
– гидроохлаждение – основывается на перемещении холодной воды вокруг продукта с помощью душевого орошения или методом погружения продукции в холодную воду, которая в свою очередь фильтруется и обеззараживается для уничтожения микроорганизмов. Процесс охлаждения происходит быстрее, к тому же удается избежать потери влаги в продукте. Но существует ряд ограничений для гидроохлаждения (например, гидроохлаждение можно применять только для продуктов нечувствительных к смачиванию; многие болезни провоцируются и передаются с водой).
Главными недостатками устройств, основанных на гидроохлаждении, являются их большие размеры и вес, препятствующие мобильности и использованию их непосредственно в местах сбора урожая.
Быстрое охлаждение резко замедляет развитие микроорганизмов и биохимические процессы в плодах и ягодах. Основное преимущество охлажденных плодов и ягод заключается в более высокой сохраняемости исходных свойств сырья, чем при других методах переработки. В охлажденном сырье полностью сохраняются витамины, ароматические, красящие и другие вещества. Такие продукты ничем не отличаются от свежих.
Для предотвращения попадания в продукцию микроорганизмов через нарушенную внешнюю оболочку применяют обеззараживающие вещества. В основном на основе хлора. Однако, последние исследования Корнеллского университета (Warning, Datta) показывают, что загрязнения из почвы и дезинфицирующие вещества могут попадать в продукт (на примере томатов) за счет обратного осмоса, возникающего при разнице температур внутри продукта и вне его. Это может привести к потере качества продукции и нарушению экологических требований.
Изложенное нашло подтверждение в предшествующем уровне техники.
Так, известен способ хранения свежих ягод черники в холодильной камере при температуре около 0°С - от минус 0,5°С до плюс 0,5°С (Государственный стандарт РФ ГОСТ50521-93 ЧЕРНИКА И ГОЛУБИКА Руководство по хранению в холодильных камерах. Дата введения 1994-01-01). Известен аналогичный способ хранения свежих абрикосов в холодильной камере при такой же температуре (Государственный стандарт РФ ГОСТ50519-93 АБРИКОСЫ Руководство по хранению в холодильных камерах. Дата введения 1994-01-01). Срок хранения абрикосов при таком способе от 2 до 4 недель.
Недостатком является удаленность холодильных камер от мест сбора урожая, что значительно снижает сохранность продукции растительного происхождения.
В качестве наиболее близкого аналога предлагаемой полезной модели автором выбраны технические решения ФГБНУ "Федеральный научный центр им. И.В. Мичурина", раскрытые в патентных документах RU2692640C1 (опубликован 25.06.2019), RU2691605C1 (опубликован 14.06.2019). В частности, в источнике RU2692640C1 описан способ хранения плодов жимолости в условиях регулируемой атмосферы заключается в том, что высокую концентрацию углекислого газа - 18-20% и концентрацию кислорода - 14-16% создают в течение 1-2 ч после экспресс-охлаждения плодов за 30-60 мин до +5…+8°С и поддерживают на протяжении 72 ч. Затем концентрацию углекислого газа снижают до 10-11%, при содержании кислорода - 14-16%, и поддерживают на заданном уровне на протяжении всего периода хранения при температуре +0,5…+1°С. Изобретение обеспечивает замедление созревания жимолости, сокращение потерь от грибных заболеваний, продление сроков хранения до 30 дней с максимальным сохранением исходного качества продукции.
Недостатком является стационарность оборудования и длительный период времени достижения температуры хранения охлажденных плодов (+0,5…+1°С), так как если не охладить плоды в течение 30-60 минут после сбора, потери составят до 30% собранного урожая.
Таким образом, анализ уровня техники показывает, что существует необходимость создание мобильного устройства, которое устранило бы все приведенные недостатки известных решений.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое решение, является обеспечение минимального разрыва по времени между сбором продукции растительного происхождения и охлаждением ее до температуры хранения, обеспечение максимального срока хранения охлажденных продуктов растительного происхождения без потери их исходного качества при минимальном времени охлаждения.
Технический результат достигается тем, что разработано мобильное устройство для быстрого охлаждения продуктов растительного происхождения, представляющее собой теплоизолированную камеру, имеющую теплоизолированный корпус, установленную на передвижное устройство, разделенную на зону охлаждения и зону хранения, и снабженную окном подачи в зоне охлаждения, окном выдачи в зоне хранения и манипулятором, обеспечивающим перемещение продукта внутри каждой зоны и между ними, зона охлаждения выполнена в виде теплоизолированного блока, разделенного на отсеки, каждый из которых снабжен испарителем, при этом над каждым испарителем размещен ложемент с установленным на нем контейнером с перфорированным дном, а под каждым испарителем размещен вентилятор, обеспечивающий поток охлаждающего воздуха, по наружной поверхности ложемента каждого отсека выполнена токопроводящая обмотка, при пропускании тока по которой внутри отсека генерируется переменное магнитное поле.
Начальная температура продукта составляет +20 - +25°С, конечная температура продукта составляет +0,5 - +1°С.
Температура охлаждающего воздуха составляет от -7 до -20°С.
Скорость прохождения воздуха через продукт 3-7 м/с.
Величина магнитной индукции составляет 0,008-0,012 Тл.
Продолжительность охлаждения составляет 3-15 минут.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 схематически представлен общий вид мобильного устройства для охлаждения продуктов растительного происхождения.
На Фиг. 2 схематически представлен продольный разрез общего вида мобильного устройства для охлаждения продуктов растительного происхождения.
На Фиг. 3 схематически представлен продольный разрез вида сверху мобильного устройства для охлаждения продуктов растительного происхождения.
На Фиг. 4 схематически представлен вертикальный разрез одного отсека зоны охлаждения мобильного устройства для охлаждения продуктов растительного происхождения.
На Фиг. 5 схематически представлен вид мобильного устройства для охлаждения продуктов растительного происхождения со стороны окна выдачи.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Предложено мобильное устройство для быстрого охлаждения продуктов растительного происхождения, представляющее собой теплоизолированную камеру (1), имеющую теплоизолированный корпус (6) и установленную на передвижное устройство (4) (Фиг. 1).
Теплоизолированная камера (1) разделена на две зоны – зону охлаждения (9) и зону хранения (10). В зоне охлаждения (9) теплоизолированная камера (1) снабжена окном подачи (2). В зоне хранения (10) теплоизолированная камера (1) снабжена окном выдачи (3) (Фиг. 1, 2). Окно выдачи (3) может быть выполнено в виде распашных дверей (Фиг. 5).
Теплоизолированная камера (1) оснащена манипулятором (8), осуществляющим движение по направляющей (7) (Фиг. 2). Манипулятор (8) обеспечивает перемещение контейнеров (17) с продуктами внутри каждой зоны - зоны охлаждения (9) и зоны хранения (10), и между ними.
Зона охлаждения (9) выполнена в виде теплоизолированного блока (11), разделенного на отсеки (12). Отсеки (12) могут быть выполнены прямоугольной формы. Размеры отсеков могут составлять 40х60 см (Фиг. 2, 3).
Каждый отсек (12) снабжен испарителем (15), при этом над каждым испарителем размещен ложемент (16) для установки на нем контейнера (17). Ложемент (16) представляет собой подставку, фиксирующую контейнер (17) в отсеке (12) (Фиг. 2-4).
Под испарителем (15) размещен вентилятор (14) (Фиг. 4). Такая конструкция обеспечивает поток охлаждающего воздуха через продукт. Также, вентилятор (14) обеспечивает перемешивание продукта в процессе охлаждения.
Прохождение воздуха (теплоносителя) происходит снизу вверх под действием вентилятора (14) через испаритель (15), в котором он  охлаждается до температуры в диапазоне от -7°С до -20°С и поступает к контейнеру (17) с продуктом.
Контейнеры (17) представляют собой емкости для размещения в них объектов охлаждения – продуктов растительного происхождения, имеющие перфорированное дно. Перфорированное дно контейнера (17) обеспечивает прохождение потока воздуха через продукт.
Охлаждающий воздух, пройдя через контейнер (17) с продуктом, нагревается и попадает в общий объем теплоизолированной камеры (1), т.е. в обе зоны: зону охлаждения (9) и зону хранения (10), охлаждая тем самым зону хранения (10) до необходимой температуры хранения +0,5 - +1°С.
Скорость прохождения охлаждающего воздуха через продукт 3-7 м/с.
Начальная температура продукта составляет +20 - +25°С, конечная температура продукта составляет +0,5 - +1°С.
Температура охлаждающего воздуха составляет от -7°С до -20°С.
По наружной поверхности ложемента (16) каждого отсека (12) выполнена токопроводящая обмотка (13), превращающая каждый отсек (12) в индукционную катушку (Фиг. 2-4).
Ток обеспечивается источником питания (5) (Фиг. 1). При этом питание может осуществляться от стационарной электросети (путем подведения провода), а также в качестве источника питания (5) может выступать передвижной источник питания. Питание от передвижного источника питания осуществляется, например, при перебоях с электричеством в стационарной электрической сети, при работе устройства в местах заготовки продукции без доступа к электричеству и т.д.
При пропускании тока по токопроводящей обмотке (13), внутри отсека (12) генерируется переменное магнитное поле. Изменение магнитного поля вызывает вихревое движение диполей воды в среде продукта, обеспечивая тем самым ускорение передачи тепла изнутри продукта к его поверхности, и, следовательно, его более быстрое охлаждение.
Величина магнитной индукции составляет 0,008-0,012 Тл.
Продолжительность охлаждения составляет 3-15 минут.
В зоне хранения (10) поддерживается температура хранения +0,5 - +1°С.
В зоне хранения находятся паллеты, на которые манипулятором устанавливаются контейнеры (17) с охлажденной продукцией. После полной загрузки паллеты через окно выдачи (3) погрузчиком переставляются на транспортное средство для перевозки к месту продажи или складирования. После перегрузки пустая паллета возвращается в зону хранения и процесс повторяется.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Предлагаемое мобильное устройство было осуществлено следующим образом.
Пример 1
Было изготовлено и протестировано мобильное устройство для быстрого охлаждения продуктов растительного происхождения, смонтированное на базе стандартного 20-футового контейнера на автомобильном прицепе  на колесах для перемещения в место сбора плодов.
Протестированное устройство содержало: теплоизолированную камеру, имеющую теплоизолированный корпус, разделенную на зону охлаждения и зону хранения, и снабженную манипулятором и окном подачи в зоне охлаждения. Окно выдачи в зоне хранения было выполнено в виде дверей контейнера. Зона охлаждения была выполнена в виде теплоизолированного блока, разделенного на отсеки, каждый из которых снабжен испарителем, над каждым из которых размещен ложемент с установленным на нем контейнером с перфорированным дном. Под каждым испарителем был размещен вентилятор, а по наружной поверхности ложемента каждого отсека выполнена токопроводящая обмотка.  При этом использовался стационарный источник электропитания 380 V (подведен провод от стационарной электрической сети).
Устройство готово к работе.
Продукты растительного происхождения (абрикосы, яблоки, томаты) были помещены в контейнеры с перфорированным дном и доставлены до окна подачи теплоизолированной камеры.
Каждый контейнер с указанными продуктами растительного происхождения через окно подачи теплоизолированной камеры манипулятором подавался в зону охлаждения и доставлялся до свободного отсека зоны охлаждения. Далее контейнеры манипулятором помещались внутрь отсеков путем установки на ложементы. При помощи вентилятора, поток охлаждающего воздуха проходил через испаритель, далее через перфорированное дно контейнера попадал к продукту и проходил сквозь него, равномерно его охлаждая.
При пропускании тока от стационарного источника питания, по токопроводящей обмотке отсека зоны охлаждения внутри отсека генерировалось переменное магнитное поле, воздействующее на продукты в контейнере. Продукция остывала равномерно по всему объему. Проводились выборочные проверки степени охлаждения продукта в разное время от начала охлаждения.
При достижении заданной конечной температуры (+0,5 - +1°С), процесс охлаждения останавливался, контейнер с продуктами манипулятором перемещался в зону хранения и устанавливался на паллету.
Условия и результаты экспериментов приведены в Таблице 1.
Таблица 1
абрикос
яблоко
томат
Магнитная индукция, Тл
0,008
0,012
0.010
Скорость прохождения воздуха, м/с
6
7
7
Начальная температура продукта, °С
+25
+22
+24
Конечная температура продукта, °С
+1
+1
+1
Температура охлаждающего воздуха, °С
-18
-20
-15
Продолжительность охлаждения, мин
11
12
15
Среднее время от сбора до помещения контейнера на охлаждение, мин
40
50
45
Процент потерь урожая, %
3
1
2
В течение периода экспериментов были произведены выборочные проверки (путем изъятия единичных образцов охлажденных овощей и фруктов из устройства и доведения их до комнатной температуры), результаты которых показали, что снижения потребительских и/или органолептических свойств, развития микроорганизмов, изменения биохимических характеристик продуктов не произошло.
Результатом эксперимента является полное достижение заявленного технического результата. Собранные указанные продукты растительного происхождения были охлаждены в рекордно короткие сроки, когда влияние микробиоты на качество продукта еще не успело сказаться. Охлажденные продукты выдержали без потери качества: абрикосы – 30 дней, яблоки и томаты – 60 дней. Использование переменного магнитного поля позволило повысить скорость теплоотдачи и охладить продукты в кратчайшие сроки.
Пример 2
Было протестировано мобильное устройство для быстрого охлаждения продуктов растительного происхождения согласно предлагаемому техническому решению так же, как в Примере 1, но вместо стационарного источника питания использован передвижной источник питания – дизельный генератор компании GMGen GMJ130 c двигателем John Deere (США), мощностью 100 кВт. Рабочее напряжение 380 V.
Эксперименты были проведены с ягодами: земляникой, вишней, малиной.
Условия и результаты экспериментов приведены в Таблице 2.
Таблица 2
земляника
вишня
малина
Магнитная индукция, Тл
0,008
0,008
0,008
Скорость прохождения воздуха, м/с
6
5
5
Начальная температура продукта, °С
+23
+24
+21
конечная температура продукта, °С
+1
+1
+1
Температура охлаждающего воздуха, °С
-9
-11
-7
Продолжительность охлаждения, мин
10
7
6
Среднее время от сбора до помещения контейнера на охлаждение, мин
15
25
20
Процент потерь урожая, %
3
1
3
В течение периода экспериментов были произведены выборочные проверки (путем изъятия единичных образцов охлажденных ягод из устройства и доведения их до комнатной температуры), результаты которых показали, что снижения потребительских и/или органолептических свойств, развития микроорганизмов, изменения биохимических характеристик ягод не произошло.
Результатом эксперимента является полное достижение заявленного технического результата. Собранные ягоды были охлаждены в рекордно короткие сроки, когда влияние микробиоты на качество продукта еще не успело сказаться. Охлажденные продукты выдержали без потери качества: земляника и малина – 20 дней, вишня – 40 дней. Использование переменного магнитного поля позволило повысить скорость теплоотдачи и охладить ягоды в кратчайшие сроки. Причем охлаждение ягод с помощью предложенной полезной модели дает наиболее показательные результаты. В сравнении с другими охлаждающими установками, потери ягод сокращаются в 3-5 раз.
Результаты экспериментов показали, что в результате осуществления предлагаемого технического решения обеспечивается минимальное время охлаждения продуктов растительного происхождения и максимальный срок хранения охлажденных продуктов растительного происхождения без потери их исходного качества.
Таким образом, проведенные испытания показали, что предлагаемая полезная модель обеспечивает достижение всех заявленных технических результатов.