В зависимости от вида и сорта плоды бананов могут сильно отличаться по размерам, форме, а также по свойствам и консистенции мякоти.
При использовании стандартных упаковок с идентичными размерами это приводит к большому различию теплофизических характеристик товарной массы отдельных упаковок, а в результате — к возрастанию технологической анизотропности всего грузового пространства.
Поэтому знание свойств затаренной массы плодов с учетом сортовых особенностей, характеристик тары и требуемых параметров технологического регламента в процессах хранения и дозаривания является чрезвычайно важным при проектировании и осуществлении технологических процессов.
При выполнении анализа процессов тепломассопереноса между плодами и окружающей средой необходимо точное знание геометрических характеристик бананов, к числу которых относятся радиус изгиба осевой линии плода, средний диаметр и длина плода, площадь наружной поверхности и объем плода.
Очевидно, что в зависимости от вида и сорта бананов эти размеры могут отличаться.
Поэтому в данном учебном пособии приводятся результаты исследований для наиболее распространенного сорта бананов Кавендиш.
Результаты исследований геометрических и других характеристик бананов приведены в публикациях Нгуен-Ван-Тхоа. Приведенные данные представлены в виде средних значений, и могут быть использованы, в основном, для определения сорта бананов Кавендиш на основе измерения их размеров, массы, и других характеристик.
Рассмотрение характеристик высшего, первого и второго сортов бананов позволяют сделать вывод о том, что идентичные упаковки с бананами разного сорта могут значительно отличаться по своим свойствам.
Например, при укладке в стандартную упаковку фирмы Dole плодов второго сорта, скважность, по сравнению с плодами высшего сорта, уменьшается, а удельная поверхность плодов в упаковке возрастает в 1,5 раза, что приводит к более высокой концентрации этилена и более быстрому дозреванию.
Обобщенные результаты измерений, выполненные в ОГАХ и представленные в виде номограммы, позволяют достаточно точно определять площадь поверхности и объем отдельных плодов по их длине, радиусу изгиба осевой линии и среднему диаметру, площади снятой кожицы на миллиметровой сетке.
Для построения номограммы объем плодов определялся экспериментально по объему вытесненной воды, а площадь наружной поверхности — путем определения площади снятой кожуры на миллиметровке. Результаты измерений систематизировались в зависимости требований действующих стандартов к размерам плодов при определении их сорта. Большое количество измерений, необходимое для статистических расчетов, было выполнено благодаря тесному сотрудничеству с компаниями ОАО «Янтарь» и «Укрторгмортранс».
Однако наибольший практический интерес представляет определение удельных геометрических характеристик, удельной поверхности и скважности насыпи плодов, так как знание этих параметров позволяет с большей точностью проанализировать процессы тепломассопереноса при хранении бананов в упаковках.
Бананы поступают на рынки Украины, России и других стран СНГ, как правило, в конце своего возможного срока пребывания в товарном виде, и это вызывает необходимость создания технологий, исключающих риск потери качества и порчи плодов на последнем этапе продвижения к потребителю. Для разработки этих технологий необходимо точное знание теплофизических свойств и химического состава плодов на всем протяжении послеуборочного периода, с момента поступления плодов на рынок Украины до их реализации.
Для проведения измерений были выбраны бананы наиболее распространенного сорта Кавендиш (Вьетнам, Эквадор).
При определении теплофизических свойств бананов плоды в упаковках размещались в камере созревания. Отбор проб осуществлялся из трех упаковок по высоте средней части камеры ежедневно на протяжении всего периода созревания.
Определение плотности бананов проводилось методом гидростатического взвешивания в масле ХФ-12-16 (ρ = 874 кг/м3). При этом весы размещались на консоли над климатической камерой, в которой поддерживалась температура +13± 0,2°С и размещался сосуд с маслом, охлажденным до этой же температуры. От плеча весов в объем камеры опускался капроновый тросик для крепления плода или кисти плодов, которые погружались в масло при проведении взвешивания. Измерения плотности были проведены при 8 закладках в камеру созревания, что позволило получить достаточно надежные результаты для данного вида плодов.
Для измерения теплопроводности использовался метод двух пластинок с охранным кольцом. При проведении этих исследований поддерживалась разность температур холодной и теплой сторон образца в пределах 3-5 градусов в температурном диапазоне 12-18°С.
Образцы для определения теплопроводности толщиной 15 мм вырезались в виде пластинок 15x20x20 мм и плотно укладывались рядом, образуя общую пластину размерами 200x200x15 мм.
Необходимо отметить, что при подготовке и нарезании пластин из мякоти плодов могли происходить частичные потери влаги и изменения плотности, что могло сказаться на результатах измерений.
Поэтому, учитывая неоднородность материала сложенных пластин, расчетным путем осуществлялась проверка коэффициента теплопроводности на основе полученных данных по температуропроводности, плотности и теплоемкости мякоти.
Теплоемкость материала плодов определялась калориметрическим путем с использованием теплоизолированного сосуда с мешалкой, погруженного в калориметр с мешалкой. При закладке в сосуд 3 кг плодов при температуре +25 °С начальная температура воды в сосуде и калориметре составляла +12±0,2 °С. Измерения проводились до выравнивания температур воды и плодов при периодическом перемешивании воды в сосуде.
Описанное устройство было предварительно проверено на материалах с известной теплоемкостью, и потери теплоты учитывались.
Определение коэффициента температуропроводности осуществлялось с помощью а-калориметра цилиндрической формы с набором цилиндров с внутренним диаметром от 34 до 44 мм, высотой 60 мм и толщиной стенки 3 мм, выточенных из алюминия. Это позволяло подбирать для плодов цилиндры требуемых диаметров, не прибегая к разрушению кожного покрова или к недопустимому сжатию плодов.
Измерение температур осуществлялось во всех случаях ХК-термопарами с погрешностью измерений, не превышающей 0,2 °С.
Результаты измерений коэффициента температуропроводности плодов Кавендиш на протяжении 12 дней созревания показали, что эти изменения настолько незначительны, что коэффициент температуропроводности можно принимать неизменным на протяжении всего периода. При измерении температуропроводности температура плодов предварительно повышалась до 24-26 градусов. В процессе охлаждения температура образцов в а-калориметре понижалась до +12 °С, и таким образом весь процесс измерений протекал в допустимом температурном диапазоне.
Очевидно, что общее изменение теплофизических параметров бананов сорта Кавендиш за период созревания достаточно мало, и в приближенных практических тепловых расчетах они могут быть приняты постоянными.
Известно, что температурно-влажностное поле в упаковках грузового пространства, в основном определяющее результаты хранения, формируется под воздействием внешних и внутренних факторов в зависимости от теплофизических свойств продукции. При этом свойства отдельных плодов в значительной степени отличаются от теплофизических свойств упаковок, заполненных этими плодами.
Поэтому оценка влияния технологических параметров (доля открытой поверхности упаковок, скважность плодовой массы, интенсивность инфильтрации) на изменение теплофизических свойств целых упаковок с грузом является важной задачей.
Исследование теплофизических свойств стандартных упаковок размером 0,56×0,4×0,25 м, заполненных плодами сорта Кавендиш, проводилось одновременно с исследованием теплофизических свойств самих плодов, что позволило сопоставить полученные результаты. При этом плотность условного материала единичной упаковки известного объема V = 0,056 м3 определялась путем взвешивания.
Теплоемкость определялась расчетным путем, исходя из предположений об аддитивности теплоемкости условного материала.
Коэффициент температуропроводности условного материала упаковки определялся методом регулярного режима при размещении единичной упаковки в потоке воздуха (w =1,5 м/с) с постоянной температурой +12 °С и изменении средней температуры упаковки, заполненной бананами, от +28 °С до 14 °С.
При этом коэффициент формы, определенный по зависимости Г. М. Кондратьева, для единичной прямоугольной упаковки составил kф= 3,93·10-3 м2.
При сопоставлении теплофизических параметров условного груза (упаковки) с теплофизическими параметрами плодов установлено, что среднее значение теплопроводности упаковки на 31,3% ниже, теплоемкости — на 3,8% ниже, плотности — на 26% ниже, а температуропроводность остается практически неизменной.
Среднее значение темпа охлаждения для исследованной упаковки с бананами при коэффициенте формы упаковки kф = 3,98·10-3 м2, полученное расчетным путем, составило m = 3,46·10-3 с-1, а экспериментальным m = 3,501·10-3 с-1, что допустимо. Однако при компоновке пакетов на паллетах в соответствии с рекомендациями МИХ охлаждающему воздействию воздуха открыта только часть поверхности упаковок, что исключает использование в расчетах значения темпа охлаждения, полученного для единичной упаковки.
При плотной укладке 5 упаковок в ряд на паллете в 7 рядов по высоте, доля открытой поверхности для всех вариантов размещения отдельных упаковок изменяется в пределах от 10,8 до 50%.
Выполненные расчеты показали, что темп охлаждения, соответственно величине доли открытой поверхности упаковок на паллете, составляет от 1,73·10-5 с-1 до 0,37·10-5 с-1, то есть в 2-9,3 раза ниже, чем у полностью открытой упаковки.
Это означает, что теоретически процесс охлаждения плодов во всех упаковках до одинаковой конечной температуры в идентичных точках невозможен даже за период, равный всей продолжительности созревания.
В то же время результаты экспериментальных исследований показали, что в начальный момент при укладке упаковок на паллете температурное поле достаточно однородно и одинаково во всех упаковках, а затем, по мере охлаждения, однородность нарушается, и разность температур в одинаковых точках разных упаковок к концу охлаждения может достигать 5-6 градусов при средней температуре плодов на паллете, соответствующей технологическому регламенту.
В дальнейшем на протяжении всего периода созревания разность температур в объеме сохраняется, хотя и постепенно уменьшается на 1,5-2 градуса. Однако наличие этой неоднородности температурного поля является причиной различной степени зрелости плодов в различных упаковках на паллете и, в результате, причиной снижения товарной ценности продукции.
Уменьшение плотности укладки упаковок на паллете до 3-4 в ряд приводит к увеличению доли открытой поверхности упаковок до 58-82%, и в результате к возрастанию темпа охлаждения до (2-2,8) ·10-5 с-1, что уменьшает неоднородность температурного поля до 1,5-2,0 °С.
Следует отметить, что все указанные измерения проводились при активном вентилировании упаковок на паллетах с расходом воздуха на одну упаковку 0,00754-0,0080 кг/с и полной потерей напора в воздухоохладителе — до 1504-170 Па, как это рекомендуется МИХ.
При этом оказалось, что рекомендуемый для активного вентилирования способ плотной укладки (6 упаковок в ряду) отличается наиболее высокой неоднородностью температурного поля, что можно объяснить перекрыванием большей части вентиляционных отверстий в упаковках при непосредственном прилегании друг к другу днищ и боковых стенок.
Попытки уменьшить температурный интервал путем увеличения расхода воздуха до 0,014-0,012 кг/с приводят лишь к незначительному уменьшению температурной неоднородности при одновременном увеличении потерь напора в 1,54-1,8 раза.
Для оценки эффективности существующих видов упаковки и способов ее укладки на паллетах при различных системах воздухораспределения было введено понятие технологической изотропности, позволяющее сопоставить условия теплообмена в единичной упаковке при соблюдении рекомендуемых технологических параметров с реальными условиями теплообмена отдельных упаковок на паллете. Значение коэффициента изотропности предложено определять путем сопоставления экспериментальных значений темпа охлаждения каждой из упаковок на паллете со значением темпа охлаждения для единичной упаковки.
Результаты исследований, проведенных при компоновке на паллете 4 пакетов в ряд по 6 рядов в высоту с чередующимися двухдюймовыми выступами, показали, что, в отличие от плотной укладки, коэффициент изотропности находится в пределах 0,494-0,82, т. е. практически в два раза выше. Предлагаемый метод может быть использован для оптимизации способов укладки, размеров паллет и упаковок.