Мобильное устройство для замораживания продуктов растительного происхождения

Заявляемая полезная модель относится к холодильному оборудованию и предназначена для замораживания 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 скорость 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, или подвергнуть заморозке, максимально предотвращая повреждение клеточной структуры продукта кристаллами льда.
Одним из основных способов обеспечения длительной сохранности при хранении ягод, фруктов и дикоросов является заморозка. Причем такая заморозка, которая максимально предотвратила бы образование кристаллов льда, повреждающих клеточные мембраны продуктов растительного происхождения. В этом направлении учеными и конструкторами проделана большая работа.
В качестве наилучшего метода решения задачи снижения количества кристаллов воды и уменьшения их размеров при замораживании была предложена технология, описанная в патенте RU 2270407С2 (дата публикации 20.02.2006). В патенте предлагается способ быстрого замораживания, который включает в себя стадию быстрого замораживания понижением окружающей температуры до -30°С...-100°С при приложении однонаправленного магнитного поля к объекту замораживания для переохлаждения свободной воды и за счет этого эффективной передачи холода к внутренним частям объекта с сокращением общего времени замораживания в сравнении с шоковым замораживанием; при этом охлаждение объекта производят потоком холодного воздуха, имеющим скорость 1...5 м/с, с одновременным наложением звуковой волны слышимого частотного диапазона на поток холодного воздуха для улучшения теплопередачи; при применении способа сверхбыстрого замораживания к объекту замораживания может быть приложено электрическое поле для ограничения числа живых бактерий.
Аналогичное изобретение описано в патенте JP 2003161558. Разница в том, что процесс заморозки происходит под действием ультразвука.
В результате два вышеупомянутых способа делают возможным пройти диапазон температур 0°С ... -20°С, в котором кристаллы свободной воды растут во время замораживания, в очень короткий промежуток времени. При этом образуются мелкие кристаллы льда.
Также, подобный способ воздействия на замораживаемый продукт описан в патенте RU 2720377C2. Продукт подвергается воздействию СВЧ-поля при охлаждении воздухом.
В этих патентах целью, с которой на молекулы воды в продукте воздействуют различными электромагнитными или акустическими полями, является вибрация молекул воды, препятствующая образованию крупных кристаллов льда.
Вместе с тем, вышеописанные способы заморозки уменьшает размеры кристаллов льда в поликристаллической структуре замороженной воды, но не предотвращают их возникновение в процессе замораживания, а также их срастание и дальнейший их рост за счет молекул связанной воды в процессе хранения. Процессы неизбежного срастания первичных кристаллов и их дальнейшего роста (за счет дегидратации прилегающих к кристаллам тканей замороженного объекта) приводят к полному или частичному механическому разрушению клеточных и межклеточных структур и, следовательно, к неизбежному ухудшению качества потребляемого продукта. Это замечание относится ко всем существующим на данный момент методам заморозки. Преодолено оно может быть только при таком способе заморозки, который дает полностью бескристаллический лед.
Кроме того, недостатком является стационарность оборудования и длительный период времени до начала заморозки плодов, так как если не заморозить плоды в течение 60 минут после сбора, потери составят до 30% собранного урожая.
Таким образом, анализ уровня техники показывает, что существует необходимость создания мобильного устройства, которое устранило бы 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 замораживанием ее до температуры длительного хранения, получение максимального срока хранения замороженных продуктов растительного происхождения без потери их исходного качества при минимальном времени замораживания, а также максимальное предотвращение образования кристаллов льда и обеспечение качества размороженной продукции приближенное к уровню свежей.
Технический результат достигается тем, что разработано мобильное устройство для замораживания продуктов растительного происхождения, характеризующееся тем, что представляет собой теплоизолированную камеру, имеющую теплоизолированный корпус, установленную на передвижное устройство, разделенную на зону замораживания и зону хранения, и снабженную окном подачи в зоне замораживания, окном выдачи в зоне хранения и манипулятором, обеспечивающим перемещение продукта внутри каждой зоны и между ними, зона замораживания выполнена в виде теплоизолированного блока, разделенного на отсеки, каждый из которых снабжен кондуктометром и испарителем, при этом над каждым испарителем размещен ложемент с установленным на нем контейнером с перфорированным дном, а под каждым испарителем размещен вентилятор, обеспечивающий поток холодного воздуха, по наружной поверхности ложемента каждого отсека выполнена токопроводящая обмотка, при пропускании тока по которой внутри отсека генерируется переменное магнитное поле.
Скорость прохождения воздуха через продукт 3-7 м/с.
Начальная температура продукта составляет +20 - +25°С, конечная температура продукта составляет -18°С.
Температура холодного воздуха составляет -30°С.
Величина магнитной индукции составляет 0,008-0,012 Тл.
Продолжительность замораживания составляет 7-25 минут.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 схематически представлен общий вид мобильного устройства для замораживания продуктов растительного происхождения.
На Фиг. 2 схематически представлен продольный разрез общего вида мобильного устройства для замораживания продуктов растительного происхождения.
На Фиг. 3 схематически представлен продольный разрез вида сверху мобильного устройства для замораживания продуктов растительного происхождения.
На Фиг. 4 схематически представлен вертикальный разрез одного отсека зоны замораживания мобильного устройства для замораживания продуктов растительного происхождения.
На Фиг. 5 схематически представлен вид мобильного устройства для замораживания продуктов растительного происхождения со стороны окна выдачи.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Предложено мобильное устройство для замораживания 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 замораживания (9) и зону хранения (10). В зоне замораживания (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 замораживания (9) и зоны хранения (10), и между ними.
Зона замораживания (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 холодного воздуха через продукт. Также, вентилятор (14) обеспечивает перемешивание продукта в процессе замораживания. Это дополнительно повышает равномерность замораживания и не позволяет продуктам смораживаться в конгломераты.
Прохождение воздуха (теплоносителя) происходит снизу вверх под действием вентилятора (14) через испаритель (15), в котором он охлаждается до температуры -30°С и поступает к контейнеру (17) с продуктом.
Контейнеры (17) представляют собой емкости для размещения в них объектов замораживания - продуктов растительного происхождения, имеющие перфорированное дно. Перфорированное дно контейнера (17) обеспечивает прохождение потока холодного воздуха через продукт.
Холодный воздух, пройдя через контейнер (17) с продуктом, нагревается и попадает в общий объем теплоизолированной камеры (1), т.е. в обе зоны: зону замораживания (9) и зону хранения (10), охлаждая тем самым зону хранения (10) до необходимой температуры хранения -18°С.
Скорость прохождения холодного воздуха через продукт 3-7 м/с.
Начальная температура продукта составляет +20 - +25°С, конечная температура продукта составляет -18°С.
Температура холодного воздуха составляет -30°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 быструю заморозку. Это обеспечивает минимальный размер кристаллов льда в замороженной продукции.
Величина магнитной индукции составляет 0,008-0,012 Тл.
Каждый отсек (12) снабжен кондуктометром (18) для определения электропроводности замороженного продукта. При падении электропроводности до 5 мкСм/см, что свидетельствует о том, что вода в замораживаемом продукте растительного происхождения полностью перешла в твердую фазу, воздействие полем прекращается.
Момент окончания замораживания продукта и извлечения его из отсека (12) определяется достижением продуктом температуры хранения в -18°С. Продолжительность замораживания составляет 7-25 минут. Время, необходимое для достижения температуры хранения, определяется экспериментально путем проведения контрольных замеров температуры.
В зоне хранения (10) поддерживается температура хранения -180С.
В зоне хранения находятся паллеты, на которые манипулятором устанавливаются контейнеры (17) с замороженной 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 может быть осуществлено следующим образом.
Пример 1
Было изготовлено и протестировано мобильное устройство для замораживания 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 замораживания и зону хранения, и снабженную манипулятором и окном подачи в зоне замораживания. Окно выдачи в зоне хранения было выполнено в виде дверей контейнера. Зона замораживания была выполнена в виде теплоизолированного блока, разделенного на отсеки, каждый из которых снабжен кондуктометром и испарителем. Над каждым испарителем 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.
Продукция 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 замораживания и доставлялся до свободного отсека зоны замораживания, далее контейнеры манипулятором помещались внутрь отсеков путем установки на ложементы. При помощи вентилятора, поток холодного воздуха проходил через испаритель, далее через перфорированное дно контейнера попадал к продукту и равномерно замораживал его.
При пропускании тока от стационарного источника питания, по токопроводящей обмотке отсека зоны замораживания внутри отсека генерировалось переменное магнитное поле, воздействующее на продукты в контейнере. Продукция заморозилась равномерно по всему объему. Проводились выборочные проверки степени замораживания продукта в разное время от начала замораживания.
Момент окончания замораживания определялся путем измерения электропроводности. При падении электропроводности до 5 мкСм/см воздействие полем прекращалось (вода полностью перешла в твердую фазу). Измерение электропроводности проводилось кондуктометром компании Valagro.
При достижении заданной конечной температуры (-18°С), процесс замораживания 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
-18
-18
-18
Температура холодного воздуха, °С
-30
-30
-30
Продолжительность заморозки, мин
17
22
20
Среднее время от сбора до помещения контейнера на заморозку, мин
40
50
45
Процент потерь урожая, %
3
1
2
В течение периода экспериментов были произведены выборочные проверки (путем изъятия единичных образцов замороженных 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 овощи и фрукты были заморожены в рекордно короткие сроки, когда влияние микробиоты на качество продукта еще не успело сказаться. Использование переменного магнитного поля позволило повысить скорость теплоотдачи и заморозить продукты растительного происхождения в кратчайшие сроки.
Пример 2
Было протестировано мобильное устройство для замораживания 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.
Вместо овощей и фруктов в экспериментах были использованы ягоды: земляника, вишня, малина.
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
-18
-18
-18
Температура холодного воздуха, °С
-30
-30
-30
Продолжительность заморозки, мин
12
10
9
Среднее время от сбора до помещения контейнера на заморозку, мин
15
25
20
Процент потерь урожая, %
3
1
3
В течение периода экспериментов были произведены выборочные проверки (путем изъятия единичных образцов замороженных 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 заморожены в рекордно короткие сроки, когда влияние микробиоты на качество продукта еще не успело сказаться. Использование переменного магнитного поля позволило повысить скорость теплоотдачи и заморозить ягоды в кратчайшие сроки. Причем заморозка ягод с помощью предложенной полезной модели дает наиболее показательные результаты. В сравнении с традиционной технологией, требующей доставки продукции к стационарным пунктам заморозки, потери ягод сокращаются в 3-5 раз.
Все образцы, замороженные по данной технологии, хранятся уже на протяжении 36 месяцев, при этом выборочные проверки (путем размораживания единичных образцов), проводимые каждые полгода, показывают, что снижения их потребительских свойств и изменения физико-химических характеристик объектов замораживания не произошло.
Результаты экспериментов показали, что в результате осуществления предлагаемого технического решения обеспечивается минимальное время заморозки продуктов растительного происхождения и максимальный срок хранения замороженных продуктов растительного происхождения без потери их исходного качества.
Таким образом, проведенные испытания показали, что предлагаемая полезная модель обеспечивает достижение всех заявленных технических результатов.