Термическая стерилизация консервов широко применяется в пищевой промышленности. Этот метод обеспечивает микробиологическую безопасность продуктов, помогает определить их органолептические свойства и сохраняет питательные вещества. Однако стерилизация требует значительного количества энергии, что влияет на стоимость конечного продукта и окружающую среду. В данной статье мы представляем экспериментальное исследование энергетического баланса в вертикальной паровом автоклаве в переходном состоянии на стадии вентиляции с начальной температурой продукта 4 °С и размером контейнера 63,5 × 30,16 мм. Эксперименты проводились в соответствии с протоколом проведения исследований распределения температуры, разработанным Институтом специалистов по термической обработке (ИФТПС). Кроме того, с помощью эвристического метода оптимизации мы определили оптимальную программу вентиляции процесса и ее энергоэффективность. Общее энергопотребление составило 32,5 МДж; термический КПД процесса — 43,88%; потери через стены, дренаж, вентиляцию и продувку — 27,82%; энергия, необходимая для нагрева автоклава и арматуры, — 22,91%; и другие потери — 7,0%. Кроме того, мы изучили явления, связанные с процессом стерилизации, чтобы предложить стратегии по снижению потребления энергии.
Введение
Автоклавная стерилизация, предназначенная для периодической или непрерывной обработки, является старейшим методом, используемым в консервной промышленности. В зависимости от теплоносителя различают: водопогружные, водораспылительные и насыщенно-паровые автоклавы. Последний тип получил наибольшее распространение в промышленности благодаря своей дешевизне, гибкости и легкой адаптируемости к небольшим объемам производства.
Процесс стерилизации в вертикальных автоклавах насыщенного пара включает пять стадий: дренаж, вентиляция, время подъема (CUT), выдержка и охлаждение. Первые три этапа можно объединить в единый процесс, известный как программа вентиляции, где каждый из них играет решающую роль. Поэтому разработка адекватной программы вентиляции имеет важное значение для обеспечения микробиологической безопасности и термической эффективности.
Основная цель такой программы вентиляции — полностью удалить воздух внутри автоклава, поскольку воздух действует как теплоизолятор, который создает холодные пятна и препятствует достижению оборудованием минимальной температуры стерилизации. Как только оборудование соответствует условиям, необходимым для стерилизации, начинается этап выдержки, гарантирующий достижение продукта желаемой точки приготовления и стерилизации путем сочетания температур от 116 °C до 121 °C и заданного времени. Такое сочетание позволяет добиться термической летальности, уничтожая преимущественно споры Clostridium botulinum и многие другие микроорганизмы. В результате изготовленный продукт безопасен для употребления. Чем выше температура, тем меньше необходимое время выдержки, что приводит к значительным изменениям в плане энергопотребления. Такое сочетание времени и температуры должно обеспечить минимальное значение термической летальности (Fo) для мясных продуктов 6,0 мин. Наконец, процесс стерилизации завершается фазой охлаждения, на которой учитываются критерии микробиологической безопасности и целостности контейнера.
В последние десятилетия необходимость сокращения энергопотребления поставила под угрозу проектирование и эксплуатацию промышленных процессов из-за более высоких затрат на энергию, воздействия на окружающую среду, роста населения мира и увеличения потребления обработанных пищевых продуктов [6]. В 2010 году мировой промышленный сектор потреблял около 58 ПВт-часов (ПВт-ч) электроэнергии, и Международное энергетическое агентство (МЭА) прогнозирует, что это потребление энергии будет постоянно увеличиваться и к 2040 году достигнет 88 ПВт-ч, что составляет около 37% мирового потребления. энергопотребление.
По данным многочисленных исследований в литературе, в вертикальных автоклавах на стадии стерилизации используется 30–40% тепловой энергии; а остальные — в фазе вентиляции. Некоторые авторы также сообщают, что если одновременно работают различные автоклавы периодического действия, возникает нежелательный пиковый спрос на энергию. Ввиду вышеизложенного важно понимать явления массо- и теплопереноса, связанные с вертикальными автоклавами, чтобы найти способы снизить потребление энергии на этапах перед стерилизацией, не влияя при этом на безопасность или качество продуктов.
Проведение новых экспериментальных исследований, направленных на снижение энергопотребления, остается задачей для научного сообщества. Тем не менее, с этой целью были проведены численные исследования. Например, Симпсон и др. [10] разработали математическую модель для оценки общего и переходного энергопотребления при термической обработке консервов. Они получили, что увеличение начальной температуры продукта на 1 °C снижает потребление энергии на 0,8%.
Кроме того, в предложена численная модель для моделирования явлений массо- и теплопереноса в промышленном автоклаве, распыляющей воду. Их исследование показало, что самые высокие тепловые потери во время полного процесса стерилизации были связаны со стенами и составили 35% от общего потребления энергии. Они также обнаружили, что изоляция внешних стенок автоклава может снизить потери тепла на 10,5%; и утепление внутренних стенок — на 35%. Кроме того, на основе экспериментальных результатов они получили хороший прогноз температуры и давления внутри автоклава во время цикла стерилизации.
С экспериментальной точки зрения в литературе имеются ограниченные данные об индивидуальном поведении стадии вентиляции в переходном состоянии. Поэтому целью данного исследования является экспериментальная оценка такой стадии процесса стерилизации посредством испытаний распределения температуры и балансов массы и энергии. Кроме того, на основе полученных данных в этой статье определяется коэффициент однородности температуры, чтобы предоставить ценную информацию о переходных процессах о термическом поведении автоклава.
Методология. Вертикальный автоклав
Оборудование, использованное в испытаниях, состояло из неизолированного вертикального автоклава насыщенного пара (VSSR) емкостью 100 л производства All American®. Этот ВССР имеет диаметр 0,46 м, площадь внешней поверхности 1356 м2 и объем 0,113 м3. Изготовлен из углеродистой стали (0,5% углерода), его высота 0,66 м, вес 103,68 кг.
VSSR был оснащен необходимым оборудованием для проведения испытаний в соответствии с рекомендациями Свода федеральных правил по проектированию вертикальных автоклавов Управления по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) и Министерства сельского хозяйства США (USDA). Для оценки общего и индивидуального (по этапам) расхода пара в процессе стерилизации был установлен расходомер Spirax Sarco TVA. Этот расходомер измеряет силу, вызванную отклонением конуса специального профиля, определяющего расход пара в минимальном и максимальном диапазонах. Такое механическое отклонение преобразуется в электрический сигнал с выходным сигналом 4–20 мА и импульсный сигнал, пропорциональный массовому расходу пара с компенсацией плотности. Что касается погрешности измерения, то от 10% до 100% максимального расхода наблюдается погрешность ±2%; а от 2% до 10% — ошибка ±0,2%.
Подготовка продукта
Мы использовали партию алюминиевых банок размером 63,5 мм × 30,16 мм (208 × 109), т. е. диаметром два дюйма и восемь шестнадцатых дюйма и высотой один дюйм и девять шестнадцатых дюйма, соответственно. Эти банки были наполнены водой комнатной температуры, герметично закрыты с помощью двойной закаточной машины, а затем охлаждены до начальной температуры продукта 4 °C, которая обычно используется при переработке мясных продуктов. После этого их погрузили в корзину типа «беличья клетка» круглой формы и распределили слоями, всего получилось 9 слоев и 297 банок. Такие слои были разделены круглыми разделительными листами с отверстиями диаметром 9,5 мм. Такая схема перфорации обеспечивает площадь перфорации 32,46%. Наконец, температура закрытия сливного клапана (TDVC) была установлена на уровне 105°C.
В этом исследовании мы оценили влияние начальной температуры продукта (IPT) на потребление пара на этапе вентиляции. Мы использовали три IPT: 4, 25 и 50 °C, которые охватывают широкий спектр пищевых продуктов. Важно отметить, что в нашем исследовании в качестве базовой линии использовалась IPT при 4 °C, и с использованием этой IPT была проведена глубокая характеристика баланса массы и энергии. Эксперименты по определению расхода пара при каждом температурном режиме проводились в трехкратной повторности.
Распределение и измерение температуры для определения программы вентиляции.
Мы применили метод эвристической оптимизации для разработки программы вентиляции и определения наиболее подходящих для нее параметров, т.е. температуры и времени, при которых вентиляционный клапан должен закрываться, а также времени достижения температуры стерилизации (этап, известный как CUT). Это итеративный процесс, в котором информация каждого эксперимента используется для обеспечения следующего, и обычно руководители отраслевых процессов задают начальные условия. Параметры: температура и время, при которых выпускной клапан должен быть закрыт, а также время резки важны для обеспечения полного удаления воздуха, обеспечения однородности температуры внутри автоклава на начальных этапах и обеспечения достижения всеми продуктами определенной температуры. уничтожает все микроорганизмы, в основном споры Clostridium botulinum (Cb). Например, летальность, применяемая для консервированных венских колбас, составляет Fo = 6,0 мин, поэтому гарантируется ботулиническая варка и товарная стерильность. Всего нами было проведено четыре теста для определения этих параметров и три повтора с полученными значениями для расчета стандартного отклонения результатов.
Распределение температуры исследовали с помощью 16 медь-константановых термопар типа Т с максимальной погрешностью 0,5 °С. Мы распределили 14 термопар по девяти слоям; и 2 из них — в гнезде автоклава или корпусе прибора рядом с датчиком Pt100 системы автоматического управления. Кроме того показан вид сверху пяти зон автоклава для определения точного местоположения каждой термопары в каждом слое. В каждый слой мы загрузили по 33 банки по кругу или в форме кольца, всего в корзине оказалось 297 банок. Мы разместили 16 термопар на внешней поверхности контейнеров; и семь дополнительных термопар в геометрическом центре продукта (воды).
Мы использовали следующие сокращения: TC1-R — термопара №1 в розетке (R); TC3-N1-C, термопара №3 на уровне 1 (N1) в центре (C) — буква C обозначает сегментацию по зонам, как показано на виде сверху на рис. 2; TC4-N1-A, термопара №4 на уровне 1 в А; и так далее. Термопары 21А, 22С, 23С, 24D, 25С, 26С и 27В размещались в геометрическом центре изделия. Мы измерили температуру и собрали данные для программы вентиляции, используя 32-канальный регистратор данных CALPlex (SCADA) (серийный номер CP1195) и его коммерческое программное обеспечение: Calsoft© V5.0.05.
Энергетический баланс
Для расчета термического КПД программы вентиляции автоклава (дренаж, вентиляция и CUT) мы применили уравнение первого закона термодинамики при следующих условиях: начальная температура продукта 4 °С; размер контейнера 63,5×30,16 мм (208×109); и температура, при которой сливной клапан закрывается, 105 °С. Уравнение (1) описывает энергетический баланс, применяемый к системе управления или объему (т. е. к автоклаву), где входная масса и энергия соответствуют пару, который поступает в систему при давлении 100 фунтов на квадратный дюйм ± 5, а выходная масса и энергия связаны с пар, выходящий из системы через дренажные, вентиляционные и продувочные клапаны, а также с потерями тепла через стены. Накопленная переходная энергия соответствует энергии, полученной при нагреве продукта (воды), емкостей, автоклава и разделительных листов в интервале времени t0–t8min.
Баланс массы
Наконец, массовый баланс в контрольном объеме представлен уравнением (6), где масса, поступающая в систему, соответствует массе входного пара (вход пара), а выходная масса представлена массой пара и воды, покидающими систему. систему через сливной, вентиляционный и продувочный клапаны. Наконец, в конце процесса стерилизации образуется масса конденсированной воды.
Результаты
В таблице представлены результаты параметров программы вентиляции, необходимые для обеспечения полного удаления воздуха на ее начальных этапах. Как описано выше, воздух внутри автоклава оказывает негативное влияние на эффективность использования пара и безопасность пищевых продуктов, поскольку он действует как теплоизолятор, который создает холодные пятна и не позволяет оборудованию достичь минимальной температуры стерилизации. Всего мы провели четыре эксперимента для соответствия условиям процесса, которые включали время вентиляции менее 6 минут в сочетании с температурой вентиляции выше 106 °C.
Представлено исследование распределения температуры в VSSR (в общей сложности 297 банок, наполненных водой) с применением параметров программы вентиляции. На нем также показаны результирующие профили температуры вокруг стенок контейнера на основе диаграммы распределения термопары. С 0-й минуты по 6-ю минуту происходят стадии дренажа и вентиляции соответственно; и, наконец, с 6-й по 8-ю минуту фаза CUT завершается. В начале процесса сливной и выпускной клапаны открыты; затем они закрываются через 4 мин, 45 с и 6 мин соответственно. Красная пунктирная горизонтальная линия представляет минимальную температуру, которую должны достичь все термопары в соответствии с минимальным требованием безопасности на этапе вентиляции. Такая температура гарантирует полное удаление воздуха внутри автоклава. Горизонтальная желтая пунктирная линия обозначает минимальную температуру стерилизации (121,1 °C), которая должна быть достигнута в самом холодном месте автоклава.
В начале этапа вентиляции поверхность банки Rtu, которая измеряет поведение среды в автоклаве, выше, чем Rtu продукта. Это можно объяснить тем, что некоторые контейнеры резко повышают свою температуру при воздействии на них насыщенного пара. С другой стороны, вода внутри емкостей имеет высокую удельную теплоемкость и значительную массу; намного выше, чем среда автоклава, поэтому вода обладает высокой тепловой инерцией. Примечательно, что через несколько минут оба Рту стали равны. Таким образом, можно сделать вывод, что в конце этапа вентиляции оба измерения температуры среды вокруг контейнеров или продуктов достаточны для отслеживания теплового поведения внутри автоклава.
Учитывая оцениваемые условия, достигалось удаление воздуха, затем закрывался вентиляционный клапан и начинался этап РЕЗКИ, который проходил с 6 по 8 минуту. температура автоклава от 106 °С до 121,1 °С. Приведены значения температуры в зоне самого медленного нагрева автоклава в разное время (3, 5, 6 и 8 минуты) и сравнение расчетной температуры в емкости и в зоне самого медленного нагрева. Мониторинг температуры в холодной точке и в зоне самого медленного нагрева важен для пищевой промышленности, поскольку все продукты должны проходить адекватную термическую обработку для обеспечения их микробиологической безопасности. Хотя разброс температур внутри автоклава стремится к нулю, может быть одно или несколько мест, не отвечающих всем требованиям безопасности пищевых продуктов. Однако в данном случае температура в зоне самого медленного нагрева соответствовала минимальным требованиям безопасности, поскольку была выше 121,1 °С, т. е. температуры, необходимой для уничтожения спор Clostridium botulinum (Cb). Видно, что самая медленная зона нагрева преимущественно располагалась на центральной оси вертикального автоклава. Это связано с сопротивлением, с которым сталкивается пар при достижении этого места, что вызвано окружающими контейнерами и плотностью загрузки контейнеров этого типа.
Энергетические затраты
Используя анализ энергетического баланса, мы количественно оценили входы и выходы исследуемого контрольного объема. В Таблице 4 приведены данные о потоке тепловой энергии (кДж) компонентов системы и тепловых потерях. В первом столбце перечислены входы и выходы системы; во втором столбце – энергия в кДж; и третий столбец — процент (%) энергии, вошедшей в систему и покинувшей ее.
Энергия, поступившая в систему в виде пара, составила 32 516,38 кДж при стандартном отклонении 750,00 кДж; Для этого расчета мы использовали массовый расходомер Spirax Sarco TVA. В Таблице 4 представлены данные трех отдельных повторов или тестов, которые мы провели для конкретного расчета термического КПД процесса.
От самого высокого до самого низкого энергопотребления мы обнаружили, что энергия, необходимая для нагрева продукта и контейнера, составила 14 268,48 кДж (43,88% от общего энергопотребления); на нагрев автоклава, корзины и разделительных листов — 7457,29 кДж (22,93%). Потери тепла через стены оценены в 5552,21 кДж (17,08%), а на стадиях дренажа, вентиляции и продувки — в 3292,02 кДж (10,12%). Наконец, накопленная энергия в конце этапа CUT составила 798,44 кДж (2,46%). Если ушедшую энергию вычесть из энергии, поступающей в систему, получим дисбаланс 1147,35 кДж, что составляет 3,53% от общего энергопотребления.
Распределение энергии суммировано с использованием диаграммы Сэнки, которая показывает, что полезный тепловой КПД программы вентиляции составил 43,88%. Мы не можем сравнить наблюдаемую тепловую эффективность этой программы вентиляции с другими результатами в литературе, поскольку мы не нашли конкретных исследований, посвященных такой конкретной программе в вертикальных автоклавах.
Энергия, поступившая в систему в виде пара, составила 32 516,38 кДж при стандартном отклонении 750,00 кДж; Для этого расчета мы использовали массовый расходомер Spirax Sarco TVA. Представлены данные трех отдельных повторов или тестов, которые мы провели для конкретного расчета термического КПД процесса.
От самого высокого до самого низкого энергопотребления мы обнаружили, что энергия, необходимая для нагрева продукта и контейнера, составила 14 268,48 кДж (43,88% от общего энергопотребления); на нагрев автоклава, корзины и разделительных листов — 7457,29 кДж (22,93%). Потери тепла через стены оценены в 5552,21 кДж (17,08%), а на стадиях дренажа, вентиляции и продувки — в 3292,02 кДж (10,12%). Наконец, накопленная энергия в конце этапа CUT составила 798,44 кДж (2,46%). Если ушедшую энергию вычесть из энергии, поступающей в систему, получим дисбаланс 1147,35 кДж, что составляет 3,53% от общего энергопотребления.
Распределение энергии суммировано с использованием диаграммы Сэнки, которая показывает, что полезный тепловой КПД программы вентиляции составил 43,88%. Мы не можем сравнить наблюдаемую тепловую эффективность этой программы вентиляции с другими результатами в литературе, поскольку мы не нашли конкретных исследований, посвященных такой конкретной программе в вертикальных автоклавах.
После этого потребность в энергии упала (красная линия), поскольку сливной клапан был закрыт через 4 минуты 45 секунд, выпускной клапан также был закрыт, а разница между целевой температурой стерилизации (121,1 °C) и продуктом температура снизилась. Другими словами, энергия, необходимая для запуска процесса стерилизации, уже была подана, а оставшаяся потребность в энергии была связана с потерями тепла через стены и потерями, связанными с продувкой; эта потребность в энергии была очень низкой по сравнению с той, которая требовалась остальной части системы.
Затем, между 6 и 8 минутами, произошло небольшое увеличение потребности в энергии, в основном из-за увеличения доступности энергии, поступающей в систему, и низкого сопротивления загрузки ее поглощению, поскольку максимальная температура стерилизации (121,1 °C) была ниже.
Эти результаты актуальны, поскольку мы экспериментально оценили входной переходный тепловой поток и переходную потребность в энергии во время программы вентиляции каждого из компонентов, составляющих исследуемую систему управления, и предложили метод расчета тепловых потерь, связанных с вентиляцией, дренажем. , и очистка. Кроме того, мы непосредственно оценили тепловую энергию, поступающую в контрольный объем, с помощью современной технологии, что позволило повысить точность расчета входного массового расхода.
Симпсон, Кортес и Тейшейра сообщили численные результаты, которые хорошо согласуются с нашими. Они оценили коэффициент переходного потребления пара в вертикальных автоклавах с тремя CUT (5, 10 и 15 минут) с помощью численных методов и рассчитали глобальную пиковую потребность для каждой CUT. Однако они не детализировали распределение спроса на энергию по компонентам на этапе сокращения.
Основываясь на этих результатах, мы можем рекомендовать некоторые стратегии по снижению энергопотребления, такие как увеличение начальной температуры продукта и/или температуры всего автоклава и ее технологических приспособлений, что может быть возможно с использованием отходящего тепла. Последний может быть извлечен в результате процессов вентиляции, дренажа и продувки для первоначального нагрева продукта. В этом исследовании энергия отходов была количественно определена и оценена в 10%, что представляет собой значительную ценность в промышленных процессах такого типа. Более того, мы обнаружили, что максимальная дисперсия температуры, определяемая значениями Rtu, совпадает с увеличением потребления, когда энергия используется в основном для нагрева автоклава и ее арматуры.
Повторное использование энергии
Отходящее тепло в процессе может помочь уменьшить разброс температур на начальном этапе и пиковые затраты энергии, а также обеспечить более однородные свойства консервов. Другая стратегия заключалась бы в рассмотрении других типов материалов и их массы внутри автоклава, чтобы уменьшить энергию, необходимую для их нагрева.
Поскольку пиковая потребность в энергии возникает на этапе вентиляции (из-за высокой потребности в нагреве продукта, автоклава и его арматуры), автоклав должен работать по шахматному графику, чтобы в любой момент времени вентиляция производилась только из одного автоклава, чтобы обеспечить для минимизации указанной пиковой энергии. Как следствие, профиль спроса на рабочую силу, загружающий автоклавы, будет иметь аналогичную картину с профилем спроса на энергию. Увеличение начальной температуры продукта может в определенной степени снизить пиковую энергию. Мы экспериментально исследуем эту альтернативу в следующем разделе.
Влияние начальной температуры продукта на потребление энергии.
Сравнивается расход пара при различных начальных температурах продукта (4, 25 и 50 °C). Стоит отметить, что, имея продукт при заданной температуре, весь автоклав и его аксессуары должны достичь этой температуры для достижения теплового равновесия. В этом исследовании начальные температуры были достигнуты с использованием воды комнатной температуры со льдом в качестве охлаждающей среды (IPT, 4 °C) и насыщенного пара в качестве нагревательной среды (IPT, 25 и 50 °C). Видно, что, как и ожидалось, расход пара снижается с ростом температуры. Расход пара снижается на 11,7% при понижении температуры с 50 до 25 °С; и 30,1% — от 50 до 4 °С. Очевидно, что IPT является важной переменной для снижения энергопотребления на этапе вентиляции в процессах стерилизации пищевых продуктов.
Исходные температуры, использованные в их исследовании, составляли 37,8 и 75 °C. Здесь мы экспериментально демонстрируем, что на этапе вентиляции можно получить снижение в диапазоне 11–30%. Несмотря на различия в температурном диапазоне, мы сравнили снижение энергопотребления при повышении температуры в обоих исследованиях. Мы предполагаем, что потребление имеет линейный характер. В этом смысле, в нашем исследовании, дополнительный градус Цельсия при начальной температуре продукта снижает общее потребление пара на 0,56–0,85%. Для справки: такое значение в исследовании составляет примерно 0,8%, что согласуется с приведенными нами данными. Хотя экспериментальные и модельные оценки находятся в одном диапазоне и хорошо согласуются, следует отметить, что данное исследование сосредоточено только на процессе вентиляции. Таким образом, потребление энергии, несколько выше, чем в настоящей статье, поскольку они учитывают также стадию стерилизации. Однако оба исследования хорошо описывают критическое поведение энергопотребления на этапе вентиляции.
В таблице показана ценная информация о термическом процессе, полученная на основе данных испытаний распределения температуры. При повышении начальной температуры продукта с 4 до 25 °C или 4–50 °C максимальное значение Rtu резко падает до 63,2% и 82,9% соответственно. Время достижения нулевого Rtu также сокращается на 16,7% при ИПТ в диапазоне от 4 до 25 °С; и 33,3% — с температурой от 4 до 50 °С. Кроме того, максимальный Rtu наступает позже по времени. Эта информация показывает, что кривая температурной дисперсии сглаживается и, следовательно, гомогенизация температуры сильно ускоряется с увеличением IPT. Практические последствия этого включают предотвращение пиков энергопотребления и сокращение времени обработки и требований к энергии. Хотя влияние изменения IPT на потребление энергии вполне последовательно, необходимы дальнейшие исследования для оценки органолептических свойств и свойств удержания витаминов пищевых продуктов при изменении начальной температуры.
Промышленное приближение
Результаты пилотного масштаба могут быть реализованы в более широком масштабе для улучшения энергопотребления. В частности, исследуемый автоклав используется в промышленности для расчета времени и степени летальности, необходимой во время стерилизационной варки. Эти измеренные параметры масштабируются с параметрами промышленных автоклавов.
Для получения дополнительной информации результаты, полученные в пилотном автоклаве, были подтверждены промышленным процессом. Параметры эксперимента в промышленном и пилотном масштабах были одинаковыми: тип продукта, размеры банок, время выдержки, IPT, TDVC и использование насыщенного пара. Энергия измерялась на каждой стадии процесса, а затем сравнивалась.
В таблице показан вклад энергопотребления в программу вентиляции как для автоклавов, пилотных, так и для промышленных. Процент потребления энергии в программе вентиляции и выдержке был очень схожим между автоклавами, например. 95,00 и 95,05% для вентиляционных корпусов и 5,00 и 4,95% для холдинга. Эта информация показывает, что вместо разных размеров автоклава и энергетических потребностей (22,06 и 321,72 МДж) результаты в обоих случаях показали очень высокое потребление энергии на этапе вентиляции. Кроме того, удельный расход, определяемый как соотношение энергии и количества банок, составил 0,0744 для пилотного автоклава и 0,0785 для промышленного случая. Выше показано, что результаты пилотного масштаба можно масштабировать на автоклавы других размеров.
Выводы
В этом исследовании мы экспериментально охарактеризовали процесс вентиляции в вертикальном автоклаве, чтобы понять его влияние на глобальное энергопотребление оборудования и предложить практические альтернативы для повышения его термического КПД. Основываясь на понимании явлений тепло- и массопереноса, мы можем сделать вывод, что потребление тепловой энергии на стадии вентиляции тесно связано с физическим теплом, требуемым системой. Что касается характеристики термического КПД автоклава, то наибольшие затраты были связаны с полезной энергией, накопленной в продукте (43,88% от общего энергопотребления); энергия, необходимая для нагрева автоклавной емкости и технологического оборудования (22,91%); потери через стены (17,05%); и потери, связанные с вентиляцией, дренажем и продувкой (10,12%).
Наконец, мы определили коэффициент однородности температуры (Rtu), который учитывал термические характеристики автоклава. Он ясно показал дисперсию переходной температуры контейнера и продуктов. Когда насыщенный пар поступает в автоклав, он удаляет воздух комнатной температуры, в результате чего достигаются самые высокие значения Rtu. Затем Rtu приближается к cero и условия для стерилизации продукта обеспечиваются. Максимальные значения Rtu в основном совпадают с затратами энергии на нагрев автоклава и ее арматуры (22,91%). Поскольку потребление энергии на этапе вентиляции тесно связано с используемым явным теплом, стратегии достижения тепловой однородности (например, увеличение IPT) являются адекватными. Фактически потребление энергии снизилось до 30,1% при повышении начальной температуры продукта с 4 до 50 °С. Будущие исследования будут сосредоточены на оценке влияния применения стратегий термической эффективности на органолептические свойства пищевых продуктов.