Результаты исследования массопроводности свиного мяса под воздействием теплового потока и тока электроосмоса

Жарение является одним из самых распространенных способов тепловой обработки пищевых продуктов. Жарению подвергается широкий ассортимент как натуральных, так и рубленых изделий из мяса, рыбы, овощей и теста. Сущность процесса жарения заключается в подведении к продукту теплоты в течение времени, необходимого для прогрева внутренних слоев до температуры 70-90 °С, и нагрева наружного слоя до температуры 115-135 °С, и формирования на его поверхности специфической корочки прожаривания. Наибольшей популярностью среди потребителей пользуются жареные изделия из натурального мяса, которые в подавляющем большинстве заведений ресторанного хозяйства доводятся до кулинарной готовности с использованием традиционного оборудования, имеющего ряд недостатков: неравномерность температурного поля на поверхности жарения, низкие тепловой коэффициент полезного действия [1], эксергетический и энергетический коэффициенты [2] и большой удельный расход энергоносителя, значительная длительность процесса, и, как следствие, значительные потери массы готового продукта (11-35 %).

В работе [3] авторами предложены возможные пути повышения энергоэффективности и ресурсосбережения оборудования для жарения, одним из которых является использование электроосмоса при двустороннем жарении.

Целью работы было определение влияния теплового потока и тока электроосмоса на количественные параметры массопроводности свиного мяса для обоснования частоты тока электроосмоса при двустороннем жарении.

Объектом исследований были процессы массопроводности, возникающие в свином мясе под воздействием теплового потока и при комбинированном воздействии теплового потока и тока электроосмоса. Предметом исследования были образцы, изготовленные из длиннейшей мышцы свинины.

Для исследования количественных параметров массопроводности как под воздействием теплового потока, так и под воздействием теплового потока и тока электроосмоса использовалась установка (рисунок 1), выполненная на основе модифицированного устройства Перрена [4].

Опытные образцы изготовлялись из длиннейшей мышцы свинины. Мясо при помощи специальных наставок разрезалось поперек волокон на куски толщиной 0,005 м, 0,01 м, 0,015 м, из которых с помощью заостренного края стеклянного цилиндра 5 вырезались образцы площадью 3,46·10-4 м2, 8,04·10-4 м2 и 12,62·10-4 м2.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки по определению количества перенесенного вещества в свином мясе под воздействием теплового потока и тока электроосмоса: 1 - медная пластина (герметичный электрод); 2 - опытный образец мяса, 3 - перфорированный электрод, 4 - прижимное кольцо, 5 - стеклянный цилиндр, 6 - вода, 7 - пробка, 8 - трубка, 9 - мерный капилляр, 10 - ЛАТР, 11 - диодный мостик.

Для исследования процессов массопро-водности в свином мясе под влиянием теплового потока опытный образец 2 с температурой 293 К размещался в стеклянном цилиндре 5 вплотную к медной пластине 1 толщиной 0,35-10 " ³ м и прижимался перфорированной пластиной (электродом) 3 и прижимным кольцом 4 для предотвращения деформации мяса при нагревании. После этого система со стороны прижимного кольца заполнялась водой с температурой 293 К и закрывалась пробкой 7. Через пробку 7 с помощью трубки 8 к системе присоединялся мерный капилляр 9, по шкале которого и определялся объем перенесенного вещества в мясе под действием теплового потока. В качестве источника тепла использовался плоский нагревательный элемент с температурой поверхности 150 °С, который плотно прижимался к медной пластине 1. Все эксперименты по исследованию массопроводности проводились при подведенном тепловом потоке от нагревателя Q = 72 Вт, который поддерживался постоянным с помощью фазового регулятора напряжений на семисторе ВТА16-600В.

Поскольку при жарении мясных изделий влага, находящаяся в месте контакта с поверхностью жарения, закипает почти мгновенно, за начало отсчета процессов массопроводности в данных исследованиях был взят момент полного ее закипания и начала интенсивного парообразования у медной пластины 1.

Для определения количества перенесенного вещества при комбинированном воздействии теплового потока и тока электроосмоса опытные образцы 2 размещались в стеклянном цилиндре 5 между медной пластиной 1 (герметичным электродом) и перфорированным электродом 3 и прижимались прижимным кольцом 4. Заполнение системы водой осуществлялось по указанной выше методике. В качестве источника тока электроосмоса использовалась электрическая сеть напряжением 220 В, которая подавалась через ЛАТР 10 (лабораторный трансформатор с плавной регулированием напряжения) и диодный мостик 11 для преобразования переменного тока в постоянный. Подача напряжения на электроды для обеспечения электроосмоса и, соответственно, отсчет количества перенесенного вещества осуществлялись с момента интенсивного закипания влаги, находящейся у медной пластины 1.

Все эксп ерименты по исследованию массопроводности осуществлялись во временном диапазоне 0-5 с.

Общее влагосодержание опытных образцов определялось согласно [5] и составило w = 0 , 728 .

В ходе исследований было установлено, что прогрев медной пластины до темп ературы 107-108 ^оС, обеспечивающей интенсивное закипание влаги, при тепловом потоке Q = 72 Вт осуществлялся за 15 с. Увеличение или уменьшение величины теплового потока соответственно сокращает или увеличивает продолжительность прогрева пластины.

Согласно полученным результатам исследований (таблица 1), увеличение толщины мяса от 0,005 м до 0,015 м с площадью образцов S м = 8 , 04 • 10 ^{- 4} м² при воздействии теплового потока приводит к нелинейному уменьшению количества перенесенного вещества как при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра 5, так и при вертикальном его расположении, во временном интервале 1520 с. Графически результаты исследования приведены на рисунке 2, из которых видно, что при длительности воздействия до 15 с происходит прогрев медной пластины 1 до температуры 107 ^оС, и поэтому процессы массопроводности происходят с небольшой интенсивностью. Начиная с 15 с, с момента полного прогрева пластины и интенсивного закипания влаги у пластины, наблюдается значительное ув еличение количества перенесенного вещества в мясе, что, в свою очередь, связано с образованием определенного давления водяного пара со стороны поверхности нагрева.

Таблица 1

Результаты исследования количества перенесенного вещества в свином мясе под воздействия теплового потока в зависимости от толщины и времени воздействия

δ м , м	Количество перенесенного вещества, Vв · 106, м3, при продолжительности воздействия τ, с
	5	10	15	16	17	18	19	20
горизонтальное размещение стеклянного цилиндра
0,005	0,045	0,090	0,135	0,169	0,203	0,237	0,271	0,305
0,010	0,035	0,070	0,105	0,135	0,164	0,194	0,223	0,253
0,015	0,025	0,050	0,075	0,100	0,125	0,150	0,175	0,200
вертикальное размещение стеклянного цилиндра
0,005	0,036	0,072	0,108	0,135	0,162	0,190	0,217	0,244
0,01	0,028	0,056	0,084	0,108	0,131	0,155	0,178	0,202
0,015	0,020	0,040	0,060	0,080	0,100	0,120	0,140	0,160

Рисунок 2 - Результаты исследования количества перенесенного вещества в свином мясе при воздействии теплового потока от толщины продукта и времени воздействия при размещении стеклянного цилиндра:

- горизонтальном;

----- вертикальном.

Характер зависимостей одинаков как при вертикальном, так и при горизонтальном размещении стеклянного цилиндра, но в последнем случае перенос вещества осуществляется в 1,25 раза интенсивнее. Уменьшение количества перенесенного вещества от толщины продукта можно объяснить тем, что при увеличении толщины мяса увеличивается и сопротивление движению вещества в капиллярах, щелях и порах (в дальнейшем - ЩКП) мяса. Влияние способа расположения стеклянного цилиндра объясняется тем, что при вертикальном размещении на вещество в ЩКП мяса дополнительно действует сила тяжести, которая вызывает дополнительное сопротивление переносу вещества. При горизонтальном расположении такие потери отсутствуют.

Аналитически зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе V_в под воздействием теплового потока Q = 72 Вт с момента интенсивного закипания жидкости на протяжении 5 с от толщины опытного образца 8 м и продолжительности нагрева т при постоянной его площади ( S м = 8 , 04 • 10 ^{- 4} м²) можно представить в виде уравнения:

V b = k i • 8 м ^-( 1 ^- w ) т , м 3 , (1) где k ₁ - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств мяса; при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра к 1 = 8 , 2 • 10 ^{- 9}, при вертикальном его расположении к 1 = 6 , 5 • 10 ^{- 9}. Эта зависимость приведена на рисунке 3.

Рисунок - 3 Зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе при воздействии постоянного теплового потока от толщины мяса и времени воздействия при расположении стеклянного цилиндра:

- горизонтальном;

----- вертикальном.

Исследования по определению влияния площади опытного образца (использовались образцы толщиной 8_м = 0 , 01 ми площадью S_м = 3 , 46 •Ю ^{- 4} м², 8 , 04 •Ю ^{- 4} м² и 12 , 62 • 10 ^{- 4} м²) на процессы переноса вещества при воздействии теплового потока Q = 72 Вт от нагревателя показали (таблица 2), что количество перенесенного вещества прямо пропорционально зависит от площади опытного образца на протяжении 5 с с момента прогрева медной пластины и начала интенсивного парообразования.

Графически результаты исследований приведены на рисунке 4.

Таблица 2

Результаты исследования количества перенесенного вещества в свином мясе при воздействии теплового потока в зависимости от площади опытного образца и продолжительности воздействия

S м · 104, м2	Количество перенесенного вещества, Vв · 106, м3, при продолжительности воздействия τ, с
	5	10	15	16	17	18	19	20
горизонтальное размещение стеклянного цилиндра
3,46	0,015	0,030	0,045	0,058	0,071	0,083	0,096	0,109
8,04	0,035	0,070	0,105	0,135	0,164	0,194	0,223	0,253
12,62	0,055	0,110	0,165	0,211	0,257	0,304	0,350	0,396
вертикальное размещение стеклянного цилиндра
3,46	0,012	0,024	0,036	0,046	0,057	0,067	0,077	0,087
8,04	0,028	0,056	0,084	0,108	0,131	0,155	0,178	0,202
12,62	0,044	0,088	0,132	0,169	0,206	0,243	0,280	0,317

12,62 м²            3,46 м²            8,04 м²

Рисунок 4 - Результаты исследования количества перенесенного вещества в свином мясе при воздействии теплового потока от площади образца и времени воздействия при расположении стеклянного цилиндра:

- горизонтальном;

----- вертикальном.

При воздействии постоянного теплового потока продолжительностью 0-15 с интенсивность процесса переноса вещества находится на достаточно низком уровне, а с момента полного прогрева медной пластины и интенсивного закипания жидкости значительно увеличивается. Способ расположения стеклянного цилиндра оказывает существенное влияние на количество вещества, перенесенного в мясе. Так, при одних и тех же условиях при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра переносится в 1,25 раза больше вещества, чем при его вертикальном расположении.

Аналитически зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе под воздействием теплового потока с момента интенсивного закипания жидкости на протяжении 5 с от площади опытного образца и продолжительности воздействия можно представить в виде уравнения:

V в = k 2 ⋅ S м ⋅ τ , м³ , (2) где k ₂ - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств мяса; при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра k ₂ = 36 , 692 ⋅ 10 - ⁶ , при вертикальном его расположении k ₂ = 29 , 353 ⋅ 10 - ⁶ . Эта зависимость приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе при воздействии постоянного теплового потока от площади мяса и продолжительности нагрева при расположении стеклянного цилиндра:

- горизонтальном;

----- вертикальном.

Исследование влияния величины теплового потока от нагревателя и продолжительности нагрева на количество перенесенного вещества в свином мясе при горизонтальном и вертикальном расположении стеклянного цилиндра проводились с опытными образцами площадью S_м = 8 , 04 ⋅ 10 - ⁴ м² и толщиной δ _м = 0 , 01 м. Результаты исследований приведены в таблице 3 и на рисунке 6.

Данные таблицы 3 свидетельствуют о том, что тепловой поток от нагревателя существенно влияет на количество перенесенного вещества. Увеличение величины теплового потока при нагреве опытных образцов и его продолжительности приводит к прямо про- порциональному увеличению количества перенесенного вещества.

Аналитически зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе от величины теплового потока нагревателя Q и продолжительности нагрева т с момента полного прогрева медной пластины и интенсивного закипания пара при постоянных площади и толщине опытного образца можно представить ввиде уравнения:

V b = к 3 ■ Q -т ,м\               (3)

где к ₃ - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств опытного образца; при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра к ₃ = 40,7 40 ^{- 9}; при вертикальном его расположении к ₃ = 32,6 - 10 " ⁹. Эта зависимость приведена на рисунке 7.

Таблица 3

Результаты исследования количества перенесенного вещества в свином мясе от величины теплового потока нагревателя и продолжительности нагрева

Q , Вт	Количество перенесенного вещества, V • 106, м3, при продолжительности воздействия τ, с
	1	2	3	4	5
горизонтальное размещение стеклянного цилиндра
18	0,0074	0,0148	0,0221	0,0295	0,0369
36	0,0148	0,0295	0,0443	0,0590	0,0738
54	0,0221	0,0442	0,0664	0,0885	0,1106
72	0,0295	0,0590	0,0885	0,1180	0,1475
вертикальное размещение стеклянного цилиндра
18	0,0059	0,0118	0,0177	0,0236	0,0295
36	0,0118	0,0236	0,0354	0,0472	0,0590
54	0,0177	0,0354	0,0531	0,0708	0,0885
72	0,0236	0,0472	0,0708	0,0944	0,1180

Рисунок 6 - Результаты исследования количества перенесенной вещества в свином мясе от величины теплового потока нагревателя, т = 1 с, при расположении стеклянного цилиндра:

— - горизонтальном;

• •••• - вертикальном.

Решение системы уравнений (1-3) в данном диапазоне параметров (Q , S_M , д м , т ), определяемыми каждым из уравнений (1), (2), (3), позволяет определить количество вещества, перенесенного в свином мясе под воздействием теплового потока нагревателя, которое аналитически может быть выражено в виде зависимости:

V em = к т ■ Q ■ S м ■ 5 м ^{-( 1 -} w)- т , м³, (4) где: к т - коэффициент массопроводности свиного мяса под воздействием теплового потока нагревателя, м²/(с-Вт); в данном случае при влажности мяса w = 0 , 728 при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра к_m = 0 , 14087 40⁶ м²/(с\Вт); при вертикальном его расположении к_m = 0 , 11167 ■ 10⁶ м²/ (сЪт).

Рисунок 7 - Зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе от величины теплового потока нагревателя и продолжительности нагрева до 5 с с момента полного прогрева медной пластины и начала интенсивного парообразования при расположении стеклянного цилиндра:

--- - горизонтальном;

•••• - вертикальном.

Уравнение (4) с уровнем доверия 0,95 позволяет аппроксимировать полученные экспериментальные данные (таблицы 1-3).

В соответствии с уравнением (4), количество вещества (поток вещества J_m ), переносимого через единицу площади S м в единицу времени т в данном диапазоне параметров зависит от величины теплового потока нагревателя, толщины образца мяса и его влажности:

J m =      = к т • Q ^ 5 м^w ) , м/с.     (5)

S. .• т

м

Результаты комбинированного воздействия во временном диапазоне 0-20 с теплового потока и тока электроосмоса от площади опыт- ного образца мяса на количество перенесённого вещества приведены в таблице 4 и на рисунке 8.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что на протяжении 2 с воздействие теплового потока и тока электроосмоса на количество перенесенного вещества в опытных образцах накладывается друг на друга, что выражается прямопропорциональной зависимостью.

Таблица 5

Результаты исследования количества перенесенного вещества в опытных образцах разной площади при комбинированном воздействии теплового потока и тока электроосмосa

S м · 104 , м2	Количество перенесенного вещестʙa, Vв · 106, м3, при продолжительности воздействия τ, с
	5	10	15	16	17	18	19	20
горизонтaльноe рaзмещение стеклянного цилиндpa
3,46	0,015	0,300	0,045	0,110	0,174	0,219	0,263	0,297
8,04	0,350	0,700	0,105	0,255	0,404	0,510	0,610	0,690
12,62	0,550	0,110	0,165	0,399	0,634	0,801	0,957	1,083
вертикaльноe рaзмещение стеклянного цилиндpa
3,46	0,012	0,024	0,036	0,093	0,149	0,181	0,215	0,244
8,04	0,028	0,056	0,084	0,216	0,347	0,420	0,500	0,567
12,62	0,044	0,088	0,132	0,338	0,545	0,659	0,785	0,890

3,46 м²          8,04 м²          12,62 м²

Рисунок 8 - Результaты исследовaʜия количестʙa перенесенного вещестʙa в опытных обpaзцax paз-ной площaди при комбинировaнном воздействии теплового потокa и токa электроосмосa при paзме-щении стеклянного цилиндpa:

- горизонтaльном;

----- вертикaльном.

После 2 с комбинировaнного воздействия xapaктер зaʙисимости меняется ʜa ʜeли-нейный, что, очевидно, можно объяснить обез-вожиʙaʜием слоя мясa, прилегaющего к медной плaстине (герметичному электроду).

B paʜee проведенных исследовaʜиях устaновлeʜa зaкономерность переносa ʙeще-стʙa в свином мясе под воздействием токa электроосмосa во временном интepʙaле 0-5 с и диaпaзонe рaзницы потенциaлов U 0-36 В в видe ypaʙʜeʜия:

V вэ = к э - U - 5 м - 5 м " w - т , м 3 , (6) где k_э - коэффициент мaссопроводности мясa под воздействием электрического токa ; при влажности мяса ( w = 0 , 728) и горизонтальном paсположении стеклянной трубки к э = 0 , 1935 - 10 - 6 м²/(с^В); при вертикальном ее расположении к э = 0 , 1741 - 10 - 6 м²/(с^В).

Соглaсно полученным экспериментaль-ным дaʜʜым, количество перенесенного веще-стʙa под комбинировaʜʜым воздействием теплового потокa от ʜaгpeʙaтеля и токa электро-осмосa во временном диaпaзоне 0-2 с можно выpaзить ypaʙʜeʜием:

Vb = Vbt + Vвэ = кт • Q • 5м - 5-(1-w )-т +

+ кэ - U- 5м - 5-w-т =

= (кт - Q - 5-(1-w) + кэ - U - 5-w)-5м - т, м3. (7)

Из ypaʙʜeʜия (7) следует, что поток веще-ствa J в , возникaющий под комбинировaʜʜым воздействием теплового потокa от ʜaгревaтеля и токa электроосмосa, во временном диaпaзоне 0-2 с можно определить из ypaвнения:

Л = - V^е- = к_т - Q - 5 ^{- ( 1 -} w ) + к₃ - U - 5 -w, м/с (8) вт э

5, ,• т

м

Из ypaвнений (7) и (8) следует, что мaксимум потокa веществa и количествa перенесенного веществa в свином мясе под комбинировaʜʜым воздействием теплового потокa от ʜaгревaтеля и токa электроосмосa достигaeтся при времени воздействия 2 с. При двустороннем жapeʜии мясa, соответственно, paционaльной будет являться чaсто-тa токa электроосмосa 0,5 Гц.

В результaте проведённых исследовa-ний определены количественные пapaметры мaссопроводности под воздействием теплового потокa от ʜaгревaтеля и комбинировaʜʜым воздействием теплового потокa от ʜaгревaте-ля и токa электроосмосa; устaновлены зaко-номерности возникновения потокa веществa в свином мясе под воздействием теплового по-токa от ʜaгревaтеля и комбинировaнном воздействии теплового потокa и токa электроос-мосa; обосновaʜa paционaльʜaя чaстотa токa электроосмосa – 0,5 Гц – при двустороннем жapeʜии мясa в условиях электроосмосa.