PROCEEDINGS OF th
THE 10 SYMPOSIUM ON ANALYTICAL AND ENVIRONMENTAL PROBLEMS
29 September 2003 Edited by Zoltán Galbács
SZAB
The 10th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 29 September 2003
ENERGIA ÉS VÍZFELHASZNÁLÁS CSÖKKENTÉS LEHETŐSÉGEINEK FELTÁRÁSA A HÚSIPARBAN MÉRNÖKI SZÁMÍTÁSOK SEGÍTSÉGÉVEL Eszes Ferenc1, Rajkó Róbert2, Szabó Gábor2 1
Szegedi Tudományegyetem Élelmiszeripari Főiskolai Kar, Élelmiszertechnológia és Környezetgazdálkodási Tanszék 2 Szegedi Tudományegyetem Élelmiszeripari Főiskolai Kar, Élelmiszeripari Műveletek és Környezettechnika Tanszék Szeged Moszkvai krt. 5-7 Telefon: 36-62-546030, Telefax: 36-62-546034 E-mail:
[email protected] 1(
[email protected]) 2(
[email protected],hu) ÖSSZEFOGLALÁS A hőkezelések energiafelhasználásának csökkentése a mérnöki számítások szerint, figyelembe véve a hőkezelés biztonsági kérdéseit is lehetséges. A bemutatott hűtés hőkezelésbe beszámítás, hűtési hőmérsékletváltoztatás, csomagolás orientációváltoztatás, méretre illesztett közeghőmérséklet és felületi hőáadási intenzitás aspektusonként 10-20% gőz illetve villamos energia megtakarítás érhető el, ami több milliós megtakarítást jelent évente. A mérések és számítások alapján a hőfelhasználás megosztható a termékek közt és valósabb költségelosztás érhető el, ami racionálisabb közgazdasági döntéseket eredményezhet. Így nem kell mást tenni, mint a kötelezően mért adatokat elemezni és az egyedi műszaki jellemzőket felmérni és mérések és számítások ismételt sorozatával megvalósítani a vázolt megtakarítási lehetőségeket. A várható megtakarítások nagyrészt fedezetet nyújtanak az esetleges kisebb beruházásokra is. ABSTRACT The decrease of the energy use in the heat treatment is possible even if we consider the food safety aspects of the heat treatment. The demonstrated aspects of incorporating the cooling phase in the heat treatment, changing the cooling water temperature and the package orientation, the ambient temperature and surface heat transfer rate fitted on the package size results about 10-20% spare in steam and electric energy usage meaning several million HUF per year. On the base of the measurements and calculation the heat and power usage can be divided among the products providing more realistic cost calculations and economical decisions. The only thing to do to analyse the figures measured compulsory to survey the individual technical characteristics and then making the calculation repeatedly in order to reach the demonstrated sparing possibilities. The expectable spares can cover the small investitions needed to the realisation as well. BEVEZETÉS A természeti erőforrások felhasználásának csökkentése közös feladat a felhasználók számára. Ezt régen az energiatakarékosságnak neveztük, de ez a tevékenység ma már kibővül a környezet menedzsment új rendszerszemléletével, a fenntartható fejlődés elvével, azaz kevesebb energia felhasználással termelni ugyanannyi terméket, vagy több terméket 169
The 10th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 29 September 2003
előállítani fajlagosan kevesebb energia felhasználás mellett (KEREKES és SZLÁVIK 1996). Bár ezeknek (pl. víz, elektromos és hőenergia) a felhasználásoknak a csökkentése nyilvánvaló költségcsökkentést, gazdaságosság javulást eredményez, nehéz keresztülvinni a megvalósítást az üzemekben, mert az elszámolás pótlékolva, átlagosan történik, nem tesznek különbséget a valós felhasználás alapján, így a pazarlások, túlzott mértékű felhasználások nem mutathatók ki egyértelműen A szigetelések megtétele a berendezéseken még könnyű, de utána már a technológiai folyamatokat kell megváltoztatni, ami az élelmiszereknél rögtön élelmiszerbiztonsági problémákat vet fel. Ráadásul az üzemek nemigen akarnak változtatni a bevált hőkezelési programokon. További gondot jelent a drága mérőműszerek beszerzése az érzékelők folyamatos cseréje az elhasználódás miatt. Ennek következtében csak a legszükségesebb adatokat mérik. Ez a hőkezelésben a mag- és térhőmérsékletre korlátozódik. A hőkezeléses szakirodalomban, a 70-es években az általános hőveszteség kérdésével foglalkoztak (RAO et al. 1976, 1978, SINGH 1978). A 80-as években a hőhasznosítás és hőfelvételi arányok témakörében jelentek meg közlemények (SIELAFF et al. 1982, BHOWMIK et al. 1985, SINGH 1986). Mivel a szigetelések a berendezéseken léteznek, a technológiai folyamatokat kell változtatni. Mérnöki számításokkal élni. A fentiekben említettek és a sokféle paraméter és eljárás miatt a mérnöki számításokat érdemes bevonni ebbe a körbe. Célkitűzésünk az volt, hogy feltárjuk az energia megtakarítási lehetőségeket a hőkezelési folyamatokban. ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK
A mérések során vörösárukat és sonkaféléket mértünk, ami az ipari gyakorlatnak megfelelően készült (Szenes E-né 1997). A hőátadási tényezőt digitális légsebességmérővel, Nusselt függvényekkel (PETERSON és ADAMS 1983), valamint az (1) és (2) egyenletek legkisebb négyzetes eltérés módszerével történő illesztésével kaptuk meg. A hőmérsékletvezetési tényezőt és hővezetési tényezőt a termék összetételéből, az érvényes vizsgálati előírások szerint (víz-, zsír- és fehérjetartalom) (ANON 2003, RIEDEL (1969), JOWITT (1983), valamint legkisebb négyzetes eltérés módszerével hőpenetrációs görbékből határoztuk meg Y=
Y=
∞ 2 T − Tk 2 sin( β n ) x = 4∑ e − β n Fo cos( β n ) To − Tk l n =1 β n + sin( β n ) cos( β n )
∞ 2 r T − Tk J1 (β n ) 2 =∑ e − β n Fo J 0 β n 2 2 To − Tk n =1 β n J 0 (β n ) + J1 (β n ) R
(2)
Q sin β = 1− Ymag Q0 β
(3)
(4) T = mért hőmérséklet [°C] T0 = kezdeti hőmérséklet [°C] Bi =αX/λ
(1)
Q 2 J (β ) = 1 − 1 1 Ymag Q0 β1
Ta = közeghőmérséklet [°C] Fo =Fourier szám at/X/X 170
The 10th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 29 September 2003
α = felületi hőátadási tényező [W/m2K] λ= a hús hővezetési tényezője [W/mK] X = jellemző hossz [m] a = hőmérsékletvezetési tényező [m2/s] ß = a ßtg(ß)=Bi karakterisztikus egyenlet n-edik gyöke a síklap esetén ((1,3 egyenlet) ß=ßJ1(ß)=BiJ0(ß) karakterisztikus egyenlet n-edik gyöke henger geometria esetén ((2,4 egyenlet) Q Felvett hőmennyiség [J] Q0 Kezdeti hőtartalom [J] A hűtés során metamid rudat (40X200mm és 80X200mm) használtunk. A metamid hőtani paramétereit Fábry (1988) szerint tételeztük fel. Mivel itt a víztartalom nem játszott szerepet, a hőmérsékletvezetési tényezőt állandónak vettük. 100 hőpenetrációs görbe kiértékelése alapján megvizsgáltuk a közeghőmérséklet és a Biot szám változtatásának, a hűtővíz változtatásának hatását. Ebben a folyamatos paraméterváltoztatás kísérlettervezési módszerét alkalmaztuk (Kemény és Deák 2002). EREDMÉNYEK A légsebesség mérések azt mutatták, hogy a főzőszekrényen belül az nem egyenletes. A legkisebb az elszívó ventilátor tengelyében illetve az ajtónál alul. A legnagyobb értéket a befújásnál tapasztaltuk. Egyik esetben sem értük el a Bi>200 értéket, tehát egyszerűsítéssel nem élhetünk. A virslire és a Zala felvágottra számított felületi hőátadási tényező 300-400 W/m2K illetve 150-200 W/m2K és Biot szám tartomány az 5-15 illetve a 20-60 volt. A hőmérsékletvezetési tényező értékek (1,2E-7-1,4E-7) a töltelékes árukra P=0,9 szinten a termékek egyformának vehetők, de a hőmérséklet alakulás révén a 10°C-ra és 70°C-ra számolt értékek szignifikánsan különböztek egymástól (P>0,95) Az 1. ábrából látható, hogy egy bizonyos hőátadási intenzitás (Biot szám) után nem nyerünk kezelési idő növekedést, 50mm körül szétválnak a görbék, és a leállási határ kicsit feljebb tolódik. A hűtés során hasonló képet kapunk, csak a leállási határok feljebb kerülnek. Ennek oka a két szakasz közti eltérő hőmérséklettartomány. Összevetve a kapott felületi hőátadási tényező értékkel azok nagyobbak, így megfontolandó a kisebb teljesítmény beépítése, vagy frekvencia szabályzóval beállítása. A hőfelvételt tekintve a HTST elv nem teljesen igaz, mert a nagy közeghőmérséklet és Biot szám nem ad már kisebb hőfelvételt bizonyos értékpárjaik után. A hűtés hőkezelésbe beszámítása a nagy átmérőknél lehetséges (2. ábra). Ekkor akár 15-20 perces időmegtakarítás is elérhető. Mind a hűtés, mind a tartás szakasza alatt. A legnagyobb átmérőnél ez kezelésenként 7000m3/év megtakarítást is jelenthet. Az elektromos teljesítmény megtakarítás mintegy 10% a tartás és 10% a hűtés alatt kezelésenként. A hűtési vízhőmérséklet csökkentése mind kapacitás, mind mikrobiológiai szempontból kívánatos, de 10°C alatt egyre kisebb eredményt hoz, így felesleges ráfordítást jelent, ha egyébként nem áll rendelkezésre (3. ábra). Viszont ez a 10°C különbség éppen a télnyár ingadozást mutatja, amit érdemes kihasználni, így a fent említett megtakarítások tovább növelhetők.
171
The 10th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 29 September 2003 Az átmérő és a Biot számhatása a kezelési időre d=20
d=30
d=40
d=50
d=70
d=80
d=90
d=100
Hőfelvétel [kJ]
d=60
650
600-650
600
550-600
Kezelési idő [min]
200 150
550
100 50
10 500 20 80 7876 74 60 40 72 Közeghő- 100
0 0
5
10
15
20
8
6
4
2
1
500-550
Biot szám[-]
mérséklet [°C]
Biot szám[diemnzió nélküli]
Hőkezelési egyenérték a hűtés alatt [min]
1. ábra: A kezelési idő (bal) és a hőfelvétel (Zala felvágott, jobb) alakulása a Biot szám és az átmérő függvényében 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Minimális Maximális
25
40
65
80
105
Átmérő [mm]
2. ábra: A hűtés alatti hőpusztulás mértéke
Maghőmérséklet [°C]
80 70 60 50 40 30
2°C
5°C
10°C
20°C
20 10 0 0
20
40 60 Hűtési idő [min]
80
100
3. ábra: A maghőmérséket alakulása a különböző hűtővíz hőmérsékletek esetén
172
The 10th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 29 September 2003
A nagyméretű sonkacsomagolásoknál a kísérlettervezési mérések és számítások során mindig előnyösebb képet kaptunk, ha a legrövidebb oldalak mentén biztosítottuk a legnagyobb lehetséges hőátvitelt. Így tehát vagy a hőközlő közeg áramlási irányának megváltoztatásával, vagy a csomagolás orientációjának megváltoztatásával mintegy 10% elektromos energia megtakarítást érhetünk el mind a tartás, mind a hűtés alatt. 400
Eredeti kezelési idő
Kezelési idő, térfogatátlag egyenérték [min]
350 300
Beforgatott kezelési idő
250 200 150
Átlag egyenérték eredeti
100 50 0 72
76
80
Átlag egyenérték beforgatott
Közeghőmérsékletek [°C]
4. ábra: A sonkák hőkezelési ideje hőkezelési egyenértékei eredeti és 90°-ban elforgatott esetben VÉGKÖVETKEZTETÉSEK • •
•
• • •
A pasztőrkád kis hőátadó képessége keringtetéssel, levegő befújással javítható, minimális beruházással és energiafelhasználással. Ezzel a hőveszteségek is jelentősen csökkenthetők. Az energiafelhasználás csökkentésekében egy bizonyos szint felett nem érdemes növelni a hőátadás intenzitását. – Ez felületi hőátadási tényezőre kifejezve a kis átmérőjű termékeknél 200-300 W/m2K, míg a nagy átmérőknél 100-150 W/m2K tartományt jelent – Ez alacsonyabb érték, mint amit a légsebesség méréssel és a Nusselt függvényekkel megállapítottunk. – Meggondolandó a rendelkezésre álló kisebb teljesítményű ventilátor fokozat alkalmazása, vagy frekvenciaváltóval a légsebesség szabályozása. Ezt támasztják alá a termék általi hőfelvétellel kapcsolatos számításaink is. – Bi=10-20 határérték után már nem csökken a hőfelvétel, sőt növekszik, ha nem csökkentjük le a közeghőmérsékletet. – Ez ellentmond a HTST elvnek is. A Biot szám és a közeghőmérséklet beállításával mintegy 20%-kal kevesebb hőfelvétellel lehet megoldani a hőkezelést. A hőkezelés során a méretcsökkentéssel lehet elérni nagyfokú energiamegtakarítást és kapacitásnövelést. Törekedni kellene a d=80mm átmérő d=65mm-re csökkentésére. A legrövidebb oldalra állítsuk be a berendezésben elérhető legnagyobb hőátadási tényezőt.
173
The 10th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 29 September 2003
A hűtés kihasználása nyújtja a legtöbb lehetőséget a kapacitás kihasználás és az energia megtakarítás növelésére jelen pillanatban. – A kis átmérők esetén a hűtést biztonsági tényezőként lehet kezelni a hőkezelésben. –
– – –
A nagy átmérőjű termékeknél, ha kapacitásnövelés érdekében intenzifikáljuk a hűtést, akkor a minimum hőkezelési egyenértékek felé tolódik el a hűtési szakasz, és egyre kisebb gőzenergia megtakarítást lehet elérni. – Viszont a mikrobiológiai megfontolások (túlélő baktériumok szaporodásának gátlása) szintén az intenzív hűtés irányában tolnak el bennünket. – Mintegy 15 perccel csökkenthető a hőkezelés a d=80-100mm tartományban. Kb. 300 l/kezelés Számításaink azt mutatják, hogy a hűtési körülmények kialakításban kicsit magasabb (kb. 100W/m2K) felületi hőátadási tényező alkalmazható, Érdemes figyelembe venni a tél és nyár közti hűtővíz hőmérséklet különbséget. Nem szükséges feleslegesen 5°C alá csökkenteni a hűtővíz hőmérsékletét, hacsak nem áll rendelkezésre ilyen hűtőegység.
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A munka az OTKA T 037480 és az OTKA T 035125 tematikus kutatási projekt támogatásával készült
IRODALOMJEGYZÉK ANON (2003): Codex Alimentarius Hungaricus. Bhowmik, S., R., Vichnevetsky, R., Hayakawa, K.-I. (1985): Mathematical model to estimate steam consumption in vertical still retort for thermal processing of canned foods. Lebensmittelwissenschaft und Technologie (18) (1) 15-23. Fábry, Gy. (szerk)(1988) Vegyipari Gépészmérnökök Kézikönyve. Műszaki Könyvkiadó. Budapest Kemény, S., Deák, S. (2002): Kísérletek tervezése és értékelése. Műszaki Könyvkiadó. Budapest. Kerekes, S., Szlávik, J. (1996): A környezeti menedzsment közgazdasági eszközei. Környezetvé-delmi kiskönyvtár 2. Közgazdasági és Jogi Könyvkiadó. Peterson, W. R., Adams, J. P. (1983): Water velocity effect on heat penetration parameters during institutional retort pouch processing. Journal of Food Science.(48) (3) 457-460. Rao, M. A., Katz,J., Goel, V.K. (1978): Economic evaluation of measures to conserve energy in food processing plants. Food Technology (32) (4) 34. Rao, M. A., Kenny, J. F., Katz, J., Downing, D.L.(1976): Computer estimation of heat losses in food processing plants. Food Technology (30) (3) 36. Sielaff, H., Andrae, W., Oelker, P. (1982): Herstellung von Fleischkonserven und industrielle Speisenproduktion. VEB Fachbuchverlag Leipzig. 230-239. SING, R. P. (ed.) (1986): Energy in Agriculture Volume I. Energy in Food Processing. Elsevier Amsterdam-Oxford-New York-Tokio. Singh, R. P. (1978): Energy accounting in food process operations. Food Technology (32) (4) 40-43. Szenes E-né (1997): Húsfeldolgozás kisüzemben. Integra Projekt Kiadó. Budapest.
174
