способ и устройство для разделения брикета замороженной рыбы на тушки без оттаивания

Формула изобретения

1. Способ разделения брикетов замороженной рыбы на тушки без оттаивания путем погружения их в воду и воздействия электрогидравлическими ударами от высоковольтных электрических разрядов с образованием вокруг зоны разряда гидравлических давлений, достаточных для разрушения ледяных мостиков, отличающийся тем, что применен способ преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию путем осуществления взрыва проволочек в воде вблизи перемещаемого конвейерным методом брикета рыбы.

2. Устройство для разделения брикетов замороженной рыбы на тушки без оттаивания, содержащее ванну для воды с опорной сеткой конвейера для брикетов и электродами, соединенными с генератором импульсного высокого напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено подающими устройствами взрывающихся электродов-проволочек и в качестве отрицательного электрода - неподвижно закрепленной вдоль конвейера металлической лентой, при этом частоту и силу взрывов электродов-проволочек синхронизируют с массой и скоростью движения брикетов рыбы.

Описание изобретения к патенту

Предполагаемое изобретение относится к пищевой промышленности, конкретнее к технологическим процессам, способам и устройствам, использующим физический эффект электрогидравлического удара и может быть использовано для разделения брикета замороженной рыбы на тушки при минусовых температурах без их оттаивания. Как известно, перед продажей рыбу частично оттаивают для разрушения замороженного брикета [6, 7], а затем помещают мелким развесом в пакеты и замораживают повторно, что отрицательно влияет на качество продукта.

Известны, и уже применяются в технике, способы преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию [8], например, для дробления и измельчения материалов, штамповки металла и пластмасс, для очистки отливок, в сельскохозяйственной технике и др. (из кн. Юткина Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности, - Л.: Машиностроение, 1986 г.). В электрогидравлическом эффекте (ЭГЭ) используется энергия, накопленная в конденсаторной батарее. В результате электрического разряда или перегорания проволочки-предохранителя, происходящего в жидкой среде, формируется канал, представляющий собой парогазовую полость, расширение которой сопровождается волнами давления и скоростным потоком, образующим электрогидравлический удар, который разрушает ледяные мостики в замороженном блоке рыбы. Установки подобного типа за счет значительной энергии, накопленной в батареях импульсных конденсаторов, обеспечивают давление во фронте волны порядка 10²-10³ МПа, что превышает конструктивную прочность разрушаемого льда.

Важнейшей особенностью электроимпульсной технологии является высокая селективность разрушения хрупких материалов и сохранности от разрушения вязких материалов (при правильном подборе крутизны нарастания давления).

Электрогидравлическим установкам, основанным на использовании импульсного искрового разряда в жидкости, присущи некоторые характерные особенности. Это нестабильность и плохая воспроизводимость процесса, низкая эффективность преобразования энергии (10-15%) и существенное влияние на нее параметров жидкости, размеров электродов, их взаимного расположения и др., что ведет к непроизводительному расходу энергии, запасенной в емкости накопителя на создание условий для возникновения электрического пробоя рабочего промежутка.

Инициирование разряда взрывающимся проводником позволяет локализовать место пробоя вплоть до обеспечения в ряде случаев заданной геометрии разрядного канала, в несколько раз снизить рабочие напряжения. Кроме того, известно, что введение в разрядный канал элементов I группы периодической таблицы (например, меди) путем электрического взрыва проволочек (ЭВП) способствует повышению эффективного показателя адиабаты _э, который определяет КПД процесса преобразования энергии, запасенной в накопителях, в работу по расширению канала [9].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому является устройство для размораживания брикетов рыбы с помощью электрогидравлического удара в жидкости[1], на что существует авторское свидетельство № 1701235 от 1 сентября 1991 года. Оно представляет собой ванну-желоб с водой и опорной сеткой, ряд точечных электродов, подключенных к импульсному источнику напряжения. При подаче напряжения на положительный точечный электрод между ним и электродом-массой проскакивает искра, которая в жидкости вызывает электрогидравлический эффект. В дальнейшем, оттаивание отдельных тушек рыбы в воде интенсифицируется с помощью механических вибраторов, помещенных в поток жидкости с температурой +15°С. Недостатком этого устройства является быстрый электроэрозионный износ электродов, что изменяет эксплуатационные режимы и, для восстановления этих свойств необходимо периодически подвергать их замене. Кроме того здесь обработка ведется во всем объеме жидкости, что ведет к повышенному расходу мощности. Недостатком способа-прототипа является сложность управляемости величиной искры, ее частотой и мощностью, ограничение его сферы применения только для размораживания рыбы (но не разделения), так как на тушках оставалось достаточное количество льда.

Нами предложено использовать способ преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию путем осуществления взрыва проволочек регулируемого диаметра в жидкости вблизи двигающегося брикета рыбы. При этом из-за неравномерности структуры проволочки взрывообразный нагрев и ее расплавление происходит неоднообразно, а следовательно и фронт распространяющейся волны приобретает игольчатую форму [4]. Развитие способа состоит в том, что такая форма ударной волны более качественно дробит лед на мелкую крошку и не оставляет его на тушках рыбы.

Целью предполагаемого изобретения является создание условий для разделения брикета замороженной рыбы на тушки при минусовых температурах без их оттаивания и автоматического покрытия их водяной глазурью перед упаковкой. Подобных устройств для реализации требуемого способа разделения замороженных продуктов не обнаружено.

Таким образом, для достижения поставленной цели в предложенном устройстве возможно применение технологии направленных микровзрывов от пульсирующеподанных и сгоревших проволочек. Производят электрогидравлический удар непосредственно в расчетных точках под брикетом рыбы.

Из-за разных прочностных характеристик мышечной ткани рыбы и льда, а также избирательной концентрации выделения волновой мощности на поверхности рыбы, блок разделяется на отдельные тушки и колотый лед, при этом не наносится ущерб качеству самой рыбы. Это одно из главных преимуществ такого способа разделения смерзшихся продуктов перед другими. Известно, что при длительной дефростации рыбы в жидкой среде теряется часть белков и других веществ, ее объем увеличивается на 8-10% (появляется пористоволокнистая структура мышц), вследствие чего заметно снижается ее качество (таблица 1). Другое преимущество использования предложенной технологии - быстрота достижения желаемого результата: все технологические процессы разделения протекают менее чем за секунду. Кроме того, такое устройство установки позволяет использовать ее и для разделения других пищевых продуктов, например, смерзшихся ягод, овощей, грибов, некоторых блочных мясопродуктов и т.д. Для исключения попадания микровзвесей металла проволочки могут быть конструктивно помещены в упругую трубку, также заполненную жидкостью, а установка их в рабочее положение автоматизирована. Эксперименты показали, что если в качестве плавкого элемента применяется медная проволока диаметром 0,30 мм, то рассеяние энергии при разрушении одного элемента составляет около 200 Дж. Такое количество энергии выделяется за тысячные доли секунды, поэтому мощность, превратившаяся в ударную волну, достаточно велика для возможности разрушения хрупких тел (льда) и легко поддается регулировке.

Предлагаемое опытно-промышленное устройство изображено на схеме (Фиг.1.), которое состоит из ванны 1 с механизмом поддержания уровня воды из водопровода 2, конвейера ленточно-сетчатого 3, подающие устройства рабочих электродов-проволочек 4, заземленных электродов-отражателей 6, терморегулятора слива воды 7. Для формирования импульсов постоянного тока высокого напряжения заданной мощности и частоты следования и реализации взрыва проводников в жидкости используется накопитель энергии на базе конденсаторов типа КБГ-50. (Фиг.2)

Техническая характеристика установки:

- напряжение питания, постоянное, U=10000 В;

- емкость накопителя энергии С=0,1 мкФ на 40000 В;

- зарядное сопротивление R₃=2 мОм;

- разрядник воздушного типа К;

- подаваемый электрод N с медной проволочкой диаметром 0,3 мм;

- количество разрядов в секунду - 2-3 (регулируется в зависимости от прочности блока рыбы).

Работает устройство следующим образом (Фиг.2):

Непосредственно на конвейер 3 подаются брикеты рыбы. После этого через отверстия сетчатого конвейера на блок воздействует волна электрогидравлического удара от сгоревшего проводника и после 2-3 ударов делит брикет на тушки рыбы 5, которые остаются на конвейере, а мелкоколотый лед всплывает и отбрасывается следующей волной к краям ванны, где утилизируется и частично тает за счет энергии поступающей из водопровода в ванну воды. Близость рабочего органа (электродов-проволочек) и обрабатываемого объекта, позволяет существенно повысить эффективность работы устройства и устранить недостатки известных устройств.

Постоянный ток высокого напряжения поступает от выпрямителя через зарядное сопротивление R на емкостной накопитель энергии С, который заряжается до определенного уровня энергии. При достижении зарядки вся накопленная энергия через шаровый разрядник К подается в нагрузку - медную проволочку N. Происходит процесс разряда и теплового взрыва проволочки в жидкости. Экспериментальная установка имеет рабочую ванну, выполненную в виде металлического ящика с защитной сеткой объемом 130 дм ³, в центре которого смонтированы в изоляторах подающие устройства рабочих электродов-проволочек. Отрицательный электрод - неподвижно закрепленная металлическая лента вдоль конвейера, заземленная на корпус конвейера и ванны.

Продукт, помещенный в рабочую камеру, таким образом, подвергается дозированной электрогидравлической обработке. Внешне процесс наблюдается как незначительное (на 2-3 см) вспучивание воды на поверхности ванны. Скорость перемещения фронта ударной волны в воде от взрывающейся проволочки может достигать 4300 м/с (3, 4), но на расстоянии 0,05-0,1 м уже падает до 260-300 м/с, и, учитывая существенную массу воды, к поверхности приближается к нулю. Поэтому для определения оптимального расстояния между центром взрыва и перемещаемым на сетчатой ленте брикетом требуется расчет по известной методике [4]. Процесс разделения выполняется при движении брикетов в воде, т.е. конвейерным методом, и рыба может поступать сразу на упаковку без дополнительного замораживания. Особенностью разделения смерзшихся рыбных тушек по такой технологии является возможность последующей их ориентировки на виброконвейере и упаковки без фактического оттаивания. Рыба за счет отрицательной температуры тушки покрывается ледяной глазурью. Качество предпродажной обработки рыбы при этом очевидно выше.

Технический эффект в предполагаемом изобретении достигается за счет того, что применение взрывающихся проволочек требует сокращения расстояния между центром взрыва и перемещаемым на сетчатой ленте брикетом. Игольчатая форма ударной волны, характерная для этого способа, ведет к появлению мелкоколотого льда и отсутствию примороженных кусков льда на тушках рыбы, а также к снижению энергозатрат и увеличению межремонтных сроков данного устройства. Таким образом, импульсивный подвод энергии к проволочке позволяет при использовании источника энергии малой мощности выделить в объекте значительную мгновенную мощность. Частота и сила ударов синхронизируется со скоростью продвижения блоков рыбы и массой брикетов.

Весь процесс разделения тушек идет равномерно и по скорости превышает все известные способы (таблица).

Сравнительная характеристика различных методов дефростации
Показатель	Дефростация в воздушной среде	Дефростация в водной среде	Паровоздушной смесью	Микроволновый метод	Инфракрасный метод	Использование ЭГУ с дальнейшей дефростацией в воде (барботаж).
Время дефростации 1 блока массой 12 кг	До 24 часов	До 4 часов	До 10 часов	20-40 минут Плюс 1-2 ч.	Макс. 8-9 часов	5-8 минут
Потери сока	До 15%	До 5%	До 4%	До 4%	До 4%	0,5 1,5%
Равномерность t сырья на выходе	на поверхности на много выше	на поверхности выше	на поверхности выше	почти равномерна	перегрев поверхности	полностью однородна
Санитарное состояние сырья	Ухудшается: развитие микрофлоры	Ухудшается: развитие микрофлоры	Ухудшается: развитие микрофлоры	Стабильное	Стабильное	Улучшается: частичная стерилизация сырья
Санитарное состояние помещения	Ухудшается значительно: сильный запах	Ухудшается незначительно: запах	Ухудшается незначительно: запах	Без изменений	Ухудшается значительно: сильный запах	Без изменений
Удобство эксплуатации (возможность механизации и автоматизации)	ручное управление	ручное управление	частичная автоматизация	частичная автоматизация	частичная автоматизация	возможна полная автоматизация
Эксплуатационные расходы	Высокие	Средние	Высокие	Средние	Высокие	Низкие
Стоимость	Низкая	Средняя	Средняя	Высокая	Высокая	Средняя
Средний срок окупаемости	Нет данных	До 12 месяцев	До 10 месяцев	Нет данных	До 12 месяцев	До 2-3 месяцев

Предложенное техническое решение позволяет осуществить переход к непрерывной расфасовке мороженной рыбы без размораживания или к ее филетированию через несколько минут размораживания в составе поточной линии непрерывного действия. Как видно из таблицы, такой эффект не достижим с применением известных способов.

Невысокие стоимость и энергопотребление установки и существующая методика техники безопасности в промышленности делает ее доступной для небольших предприятий.

Особенностью способа является высокая эффективность обеззараживания воды и рыбы от всех видов микроорганизмов, включая вирусы и споры (снижение живых микроорганизмов в 10⁴-10⁵ раз) [7].

Таким образом, предложен к использованию способ и устройство для преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию разделения мороженного брикета на тушки, которое обладает новизной и существенными отличиями от прототипа, обеспечивающими ему новые полезные свойства (управляемость механической энергии по частоте, скорости, мощности и форме ударной волны, возможность использования способа для обеспечения более качественного разделения замороженного блока рыбы на тушки).

Литература:

1. Антуфьев В.Т., Громцев С.А. Авторское свидетельство 1701235 от 01.09.1991 г. Способ размораживания брикетов рыбы и устройство для его осуществления.

2. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. М.: Энергоатомиздат. 1990. 289 с.

3. Иваненков Г.В., Пикуз С.А., Шелковенко Т.А. и др. Обзор литературы по моделированию процессов электрического взрыва тонких металлических проволочек. Ч.2 Препринт 10.М.: ФИАН. 2004. 30 с.

4. Царенко П.И., Ризун А.Р., Жирнов М.В. и др. Гидродинамические и тепло-физические характеристики мощных подводных искровых разрядов. Киев: Наукова думка, 1984.

5. Патент ГДР № 44490 кл. 53С от 3 января 1966 г. Устройство для расплавления (замороженных продуктов).

6. Стефановский В.М. Размораживание рыбы. М.: Агропромиздат, 1987. - 190 с.

7. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986. - 250.

8. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.М. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - Апатиты: КНЦ РАН, 1995 г, 276.