ЭлБиб

9 / 66

Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств» № 1, 2017
9
УДК 637.5.037+66-973
Моделирование промерзания биомассы при криозаморозке
Канд. техн. наук А.В. Зайцев, ,
С.Е. Кублицкий,
д-р техн. наук В.В. Пеленко,
Университет ИТМО
191002, Россия, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д.9
Поставлена и решена численным методом задача моделирования тепловых процессов в ходе
криозаморозки объектов биологического происхождения, в частности, пищевых продуктов.
Сформулирована математическая модель в виде уравнения баланса теплоты (уравнение
теплопроводности) и произведена его численная реализация методом конечных разностей. Для
максимальной информативности решения, его анализа и более широкого варьирования спектра
параметров задачи, написана программа расчета процессов в объекте на языке программирования
Фортран. В качестве граничных условий заданы: постоянная температура на поверхности
теплоотвода – граничное условие I рода; тепловой поток постоянной плотности на этой
поверхности – граничное условие II рода. Зависимость теплофизических свойств биологических
тканей от искомой температуры вносит в уравнение теплопроводности существенную
нелинейность и делает решение задачи аналитическими методами трудно реализуемым.
Рассмотрены три стадии процесса криовоздействия на объекты различной геометрической
формы: охлаждение материала до криоскопической температуры, замерзание жидкой фазы,
охлаждение льда до требуемой температуры. Применение предложенной методики позволяет
прогнозировать режим охлаждения с целью достижения в заданных точках объекта необходимой
температуры за заданное время. Такие технологии позволяют при меньших энергозатратах
получать продукты и объекты высокого качества с сохранением большинства их нативных
свойств, биологически активных элементов, реализовывать энергоресурсосберегающие процессы.
Ключевые слова: криозаморозка; тепловой баланс; уравнение теплопроводности; граничные условия;
теплофизические характеристики; численное решение.
DOI: 10.17586/2310-1164-2017-10-1-9-19
Simulation of biomass freezing at cryofreezing
Ph.D. Andrei V. Zaitsev,
Stanislav E. Kublitskiy, ,
D. Sc. Valery V. Pelenko,
ITMO University
9, Lomonosov str., St. Petersburg, 191002, Russia
The task of modeling thermal processes during cryogenic freezing of the objects of biological origin
(in particular, the foodstuff) is formulated and solved by numerical methods. Mathematical model
of cryofreezing for biological objects in the form of heat balance equation (heat conductivity equation)
is presented and its numerical realization is made by the method of final differences. To ensure the
information value of the solution propsed, its analysis, as well as the possibility of greater variation
and changes in the range of the task parameters in the research process of cryogenic freezing, our own
calculation program of the object processes is written in Fortran. The following parameters are chosen
as the boundary conditions: constant temperature on the heat removal surface which is the boundary
condition of the type I, and constant density heat flow on this surface which is the boundary condition
of the type II. The dependence of thermophysical properties of biological tissues from the target
temperature contributes significant nonlinearity to the thermal conductivity equation and makes
it difficult to solve the problem by analytical methods. Three stages of cryogenic freezing for the objects
of different geometric shapes are considered: cooling the material to the cryoscopic temperature,
freezing the liquid phase, cooling the ice to the desired temperature. The application of the technique
proposed allows forecasting the cooling regime for the purpose of the necessary temperature
achievement in the specified points of the object in the given time. Thus, at the relatively lower energy
consumption, such technologies allow to obtain products and high quality objects while preserving
most of their native properties, biologically active elements, and to implement energy-saving processes.
Keywords: cryogenic freezing; heat balance; thermal conductivity equation; boundary conditions; thermophysical
properties; numerical solution.
Электронная Научная СельскоХозяйственная Библиотека