В [1] рассмотрено влияние пересыщенного влагой воздуха на усушку продукта. Усушка продукта уменьшается в процессе хранения замороженных продуктов в пересыщенном воздухе метастабильного состояния при его относительной влажности φв ≥ 100%.
Замороженный продукт (в частности, мясо) представляет собой сложную систему. Парциальное давление пара у поверхности продукта равно давлению насыщенного пара надо льдом. В среде пересыщенного воздуха метастабильного состояния парциальное давление пара выше, чем у поверхности продукта, вследствие чего снижается усушка продукта.
Для получения влагонасыщенной среды в камере хранения служит разработанный в РЭА им. Г. В. Плеханова термодинамический генератор (ТГВ) [2].
Принципиальная схема холодильной камеры, оборудованной ТГВ, приведена на рис. 1. Небольшое количество воздуха (φв = 100%) сжимается в нагнетателе, затем в компрессоре и после предварительного охлаждения в теплообменнике увлажняется слегка перегретым паром, полученным в парогенераторе. Образовавшиеся капли влаги отделяются в каплеотделителе.
Далее увлажненный воздух расширяется в турбодетандере и направляется в камеру, охлаждаемую парокомпрессионной холодильной машиной (ПХМ). При адиабатном расширении увлажненного воздуха в турбодетандере с отводом внешней работы в нагнетателе его достаточно охладить только до температуры камеры. Содержащийся в воздухе пар останется в переохлажденном метастабильном состоянии. Пересыщенный воздух метастабильного состояния представляет собой однофазную систему, в которой водяной пар находится в переохлажденном (относительно устойчивом) состоянии. При наличии определенных факторов (в том числе и аэродинамических) он способен к конденсации с последующим образованием льда, структура которого отличается от структуры инея.
Для проведения непрерывного контроля и регулирования параметров воздуха в холодильной камере разработан комплекс аппаратуры с микропроцессорными блоками управления.
Рис.1. Схема холодильной камеры, оборудованной термодинамическим генератором (ТГВ):
1 - холодильная камера; 2 - источник холода (ПХМ); 3 - прибор охлаждения;
4 - турбодетандер; 5 - нагнетатель; 6, 8 - ресиверы; 7 - компрессор;
9 - теплообменник; 10 - парогенератор; 11 - каплеотделитель
Аппаратура контроля и регулирования влажности (АКРВ) состоит из двух основных блоков: блока съема первичной информации (БПИ) и блока электронно-измерительного с микропроцессором (БЭИМП). Структурная схема аппаратуры контроля и регулирования относительной влажности дана на рис. 2. В БПИ вмонтирован микровентилятор, при помощи которого производятся отбор пробы камерного воздуха и подогрев его до минимальных положительных температур подогревателем неизменной мощности. В проточной части БПИ размещено два термосопротивления, одно из которых покрыто батистовым чехлом, находящимся в баллоне с дистиллированной водой. Блок электронно-измерительный с микропроцессором (БЭИМП) включает узел усиления сигналов термопар, узел электронно-измерительного устройства и микропроцессор (микроЭВМ).
Разработана также упрощенная модификация АКРВ, а именно аппаратура, осуществляющая только контроль влажности пересыщенного воздуха. В таком приборе для измерения температур использованы термосопротивления с электронным преобразователем их показателей в цифровой код.
Рис.2. Схема автоматического контроля и регулирования влажности
пересышенного воздуха в холодильной камере:
АКРВ - аппаратура контроля и регулирования влажности;
БПИ - блок съема первичной информации;
БЭИМП - блок электроно-измерительный с микропроцессором;
ТГВ - термодинамический генератор пересыщенного воздуха;
ПХМ - парокомпрессионная холодильная машина
Блок-схема алгоритма программы работы микропроцессора представлена на рис. 3.
Рис.3. Блок-схема контроля и регулирования влажности
пересушенного воздуха в холодильных камерах
Увлажнение распылением воды в воздух холодильной камеры широко используется в отечественной и зарубежной практике. Эффективность увлажнения водой определяется тонкостью распыла. Степень дисперсности распыла должна быть не более 10 мкм. В этом случае седиментация (осаждение) частиц подчиняется закону Стокса. При более грубом разбрызгивании капли воды не успевают испаряться и оседают на продукте.
Наибольшее распространение получило увлажнение воздуха при помощи пневмомеханических форсунок тонкого распыла [1]. Вода подается в форсунки под напором водопровода, а сжатый воздух - от компрессорной установки под давлением 0,4...0,5 МПа.
Недостатки установки заключаются в следующем. Устройство увлажнения не может обеспечить в объеме влажность более 96% в связи с быстрым замерзанием крупных капель и малым радиусом факела распыла. Кроме того, энергия сжатого воздуха (примерно 3,5 кВт на 500 т замороженного продукта) поступает в хранилище в виде теплопритока. Процесс увлажнения является энергоемким, так как требует установки компрессора. Работа устройства увлажнения ненадежна, так как сжатый воздух, расширяясь в форсунках, может охладить форсунки на несколько градусов и заморозить воду в них. Из-за малой производительности требуется установка значительного числа форсунок, еше более снижающая надежность работы камеры.
Для предотвращения замерзания воды все подводящие трубопроводы и форсуночные стояки, расположенные в холодильных камерах, обогревают электронагревателями, теплота от которых в конечном итоге также остается в камере.
В отечественной практике наибольшее распространение получило увлажнение паром. Достоинство этого метода - простота, лучшая усвояемость пара воздухом.
Для создания в камере атмосферы с избыточным содержанием влаги разработана система охлаждения, обеспечивающая смешивание холодного воздуха камеры с воздухом, имеющим более высокие влагосодержание и температуру [3, 4].
В системе охлаждения с увлажнением воздуха применяют воздухоохладители (рис. 4), интенсифицирующие теплообмен в камере путем принудительной циркуляции воздуха. Подача струи увлажняющего воздуха в поток воздуха, выходящего из воздухоохладителя, позволяет использовать вентилятор последнего для распределения подаваемой влаги по объему камеры.
Рис.4. Схема размещения воздухоохладителя в камере с увлажнением воздуха:
1 - воздухоотделитель; 2 - воздуховод, направляющий поток воздуха;
3 - трубопровод подачи влажного воздуха, оборудованный гибким нагревательным элементом и
теплоизолированный на участках, проходящих и камере;
4 - всасываюший воздуховод; 5 - экран; 6 - продух; 7 - наружная стена; 8 - парогенератор
Испытания холодильных камер с воздушным охлаждением и увлажнением, расположенных на верхнем и промежуточных этажах Клинского и Московского № 12 хладокомбинатов, показали, что в процессе хранения замороженного мяса заснеживание верхней поверхности штабеля происходит неравномерно. Толщина снежного покрова на ней но ходу движения охлажденного и увлажненного воздуха уменьшается от 60...70 до 5... 10 мм.
Расчет количества влаги, которую необходимо подавать в камеру хранения замороженного мяса для достижения в ней требуемого пересыщения воздуха, следует проводить с учетом неравномерного влаговыпадения, которое определяется закономерностями движения двухфазных потоков с различной относительной скоростью.
При смешивании охлажденного в воздухоохладителях воздуха с подаваемым из увлажнителя более теплым повышенного влагосодержания избыточная парообразная влага в месте смешивания неизбежно конденсируется в виде мелкодисперсных капель, образуя туман.
Процесс образования тумана можно разделить на три стадии: достижение достаточно высокого пересыщения воздуха влагой, образование зародышей конденсации и их рост в движущейся струе пересыщенного воздуха. Дисперсность тумана в конце процесса определяется соотношением между скоростями образования зародышей и их роста, а затем и временем образования мелких капель в пересыщенном воздухе.
Конденсируемые капли имеют радиус порядка 10...15 мкм. Они довольно быстро достигают радиуса 20...25 мкм вследствие коагуляции (слияния). Основным фактором, определяющим коагуляционный рост, является интенсивность турбулентного потока воздуха. Затем основным механизмом роста становится гравитационная коагуляция.
Переохлажденные капли находятся в неустойчивом (метастабильном) состоянии. При столкновениях они замерзают, превращаясь в кристаллы льда, рост которых продолжается за счет конденсации на их поверхности избыточного пара до тех пор, пока кристаллы льда не выпадут из потока воздуха либо не исчерпается избыток водяного пара.
Двухфазный поток из частиц влаги и воздуха, поступая в объем камеры в виде струй, создает разрежение, вследствие чего в струю всасывается воздух камеры. Это приводит к расширению струи, потере скорости и торможению капель влаги. Естественно, что капли влаги, в сотни раз более плотные, чем воздух, не следуют за воздушным потоком при резком падении его скорости.
Для выяснения закономерностей движения частиц влаги в двухфазных турбулентных струях было проведено экспериментальное исследование, которому предшествовали предварительные расчеты. Их проводили для двух начальных скоростей потока воздуха 5 и 2 м/с и трех радиусов капель влаги 50, 25 и 10 мкм [5].
Уравнение движения материальной точки имеет вид:
(1)
где m - масса материальной точки; а - ускорение материальной точки; 
- силы, действующие на материальную точку.
С учетом уравнения (1) и очевидного равенства:
условия равновесия сил при движении капель влаги, считая их сферическими, записаны в виде дифференциального уравнения:
(2)
где 
- скорость материальной точки;
- время;
- расстояние вдоль оси от начала струи до рассматриваемой точки;
- плотность воздуха;
- площадь проекции капель на плоскость, перпендикулярную к скорости потока (Миделево сечение);
- коэффициент сопротивления;
- масса капель;
- ускорение свободного падения;
- скорость воздуха;
- скорость капель в момент времени
.
Так как в свободном потоке величины - скорость воздуха, , переменные и их изменения связаны сложными зависимостями, уравнение (2) решали методом численного интегрирования.
Величина 
после нескольких вариантов расчета [5| принята равной 0,02 м. Разность скоростей воздуха и капель влаги на отрезке считали постоянной, равной их разности соответственно в начале и середине временного интервала. В расчете использовали экспериментальную [5] зависимость коэффициента сопротивления Cf = f(Re) для сферы. Критерий Рейнольдса Re вычисляли по относительной скорости.
(3)
где 
- скорость на оси струи; 
- начальная скорость струи; 
- коэффициент турбулентности; L - расстояние от полюса вдоль оси струи; R0 - начальный радиус струи.
При расчете профилей скоростей капель в поперечных сечениях струи приняли, что капли движутся вдоль прямолинейных лучей, выходящих из полюса струи. Для расчета выбрали следующие значения vл/vm = 0,75; 0,5; 0,25 (где vл - скорость воздуха на луче).
Расчеты проводили при одинаковых начальных скоростях капель влаги и воздуха в струе. Температура и давление окружающей среды -20 °C, 780 мм рт. ст., начальный радиус струи 25 мм, коэффициент турбулентности 0,075.
Результаты расчетов показали, что в свободной горизонтальной струе влажного воздуха скорость даже небольших капель влаги (радиусом 20 мкм) в среднем в 2 раза меньше скорости воздуха.
Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют, что при достаточно малых размерах капель сила тяжести F1 незначительна по сравнению с силами инерции и трения, вследствие чего капли движутся вместе с потоком охлажденного воздуха, при этом их скорость меньше средней скорости струи, а вертикальная составляющая ее скорости незначительна.
В зоне смешивания струи с воздухом камеры соотношение сил, действующих на каплю, меняется. Существенно увеличивается сила трения, которая является основной причиной торможения капель и выпадения их из потока.
В реальных условиях эксплуатации камер хранения струя после выхода из сопла воздухоохладителя распространяется не симметрично оси канала, образованного верхней поверхностью штабеля и потолком, а изгибается к поверхности штабеля, "прилипает" к ней (эффект Коанда) и дальше распространяется как настильная. При этом поперечное сечение струи увеличивается, а средняя скорость воздуха в струе падает и в конце штабеля составляет 0,3 м/с.
Заснеживание штабеля наиболее интенсивно происходит в зоне смешивания потоков и уменьшается по ходу движения струи увлажненного воздуха.
Согласно законам инерционного осаждения вначале из струи воздуха выпадают капли, достигшие большего, так называемого критического размера. Капли меньшего размера увлекаются потоком настильного воздуха, так как их инерция недостаточна для преодоления сил, заставляющих двигаться по линиям тока, т. е. траекториям потока воздуха. При скорости потока воздуха 3...4 м/с капли радиусом менее 7...8 мкм не осаждаются на поверхности штабеля.
Схема движения капель влаги в камере холодильника показана на рис. 5.
Рис.5. Схема движения капель влаги в камере хранения холодильника:
1 - струя влажного воздуха от увлажнителя, t1 = 30 °С;
2 - поток охлажденного воздуха после воздухоохладителя,
t2 = -21 °С; 3 - пристенный пограничный слой воздуха;
4 - сконденсировавшаяся влага (туман); 5 - переохлажденная влага;
6 - влага с кристаллами льда; 7 - кристаллы льда (снежинки); 8 - снеговые отложения;
9 - область прилипания струи; 10 - штабель мяса
Учитывая, что начальная скорость истечения струи воздуха из воздухоохладителя 3...4 м/с, а длина камер хранения не более 30 м, время движения воздуха над поверхностью штабеля при его средней скорости 1...2 м/с составит 15...30 с. При этом основной поток влаги будет поступать в грузовой объем камер в виде капельной жидкости.
Для определения массы снеговых отложений во времени необходимо рассчитать, какая часть капельно-жидкой влаги, поступающей с потоком воздуха, осядет на поверхности штабеля.
Мерой эффективности инерционного осаждения частиц на поверхности тела может служить эмпирический коэффициент захвата Е3, характеризующий отношение количества осевшей на поверхности штабеля влаги к общему количеству влаги, прошедшей над штабелем через сечение продукта.
При скорости воздуха 4 м/с для тел прямоугольной формы Е3 = 0,002 [5].
Для камеры № 26 Московского хладокомбината № 12 в осенний период эксплуатации изменение массы снеговых отложений составило 
= 122 · 10-8 (опыт) и 160 · 10-8 кг/(с - м2).
В условиях повышенной относительной влажности воздуха в камере наблюдается адсорбция влаги из воздуха поверхностью мяса, ранее обезвоженной в результате усушки. При этом полностью возмещаются потери массы мяса от усушки при предварительном хранении и транспортировке, а также до 40% потерь при замораживании, т. е. поверхность мяса поглощает часть того количества влаги, которое было потеряно на мясокомбинате при холодильной обработке за период с момента достижения поверхностью мяса криоскопической температуры и до окончания замораживания [3].
Возмещение влаги в поверхностном слое мяса, обезвоженного во время предварительного хранения, приводило к восстановлению не только первоначальной массы, но и цветовой гаммы поверхностного слоя.
Механизм возмещения влаги исследован не полностью. Вероятно, в замороженном мясе, представляющем собой коллоидно-пористое тело с содержанием влаги до 80% его массы, часть влаги в микрокапиллярах и межклеточных пространствах не замерзает и их открытая поверхность (мениск) способна при условии некоторого пересыщения воздуха адсорбировать из него влагу. Одновременно с восстановлением структуры поверхностного слоя в нем происходит переход метмиоглобина в какой-то его части в оксимиоглобин, что способствует восстановлению его начального яркоокрашенного цвета, свойственного свежезамороженному мясу.
Для снижения инееобразования и увеличения продолжительности сохранения качественных показателей неупакованного мяса на поверхность воздухоохладителей целесообразно устанавливать электродные приставки, благодаря которым осуществляется электроантисептирование воздушной среды и создается воздушный электроконвективный поток [6].
Список использованной литературы:
1. Бабакин Б.С., Тихонов Б.С., Юрчинский Ю.М. /Под ред. Б.С. Бабакина. Совершенствование холодильной техники и технологии. - М.; Галактика, 1992. - 176 с.
2. Прибор на налоговых и цифровых микросхемах для контроля и регулирования льдообразования / Ф.В. Лебедев, Б.С. Тихонов, В.В. Русанов, Б.С. Бабакин //Холодильная техника. - 1988. - № 7. - С. 37-41.
3. Испытания камеры с воздушным охлаждением и активным увлажнением / Г.П. Дейнего, А.И. Крыминский, Л.С. Волков, М.А. Еркин //Холодильная техника. - 1989. - № 9. - С. 42-45.
4. Контроль и регулирование влажности воздуха в камерах холодильников / Ф.В. Лебедев, Б.С. Тихонов, В.В. Русанов, Б.С. Бабакин: Обзорн. информ. - М.: АгроНИИТЭИММП. 1990. - 28 с.
5. Дейнего Г.П., Добров В.И., Еркин М.А. Динамика потоков влажного воздуха в камере хранения //Холодильная техника. - 1993. - № 3. - С. 18-20.
6. А. с. 890534 СССР.
