PROCEEDINGS OF THE 1 th SYMPOSIUM ON ANALYTICAL AND ENVIRONMENTAL PROBLEMS 9 September 3 Edited by Zoltán Galbács SZAB
The 1 th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 9 September 3 ENERGIA ÉS VÍZFELHASZNÁLÁS CSÖKKENTÉS LEHETŐSÉGEINEK FELTÁRÁSA A HÚSIPARBAN MÉRNÖKI SZÁMÍTÁSOK SEGÍTSÉGÉVEL Eszes Ferenc 1, Rajkó Róbert, Szabó Gábor 1 Szegedi Tudományegyetem Élelmiszeripari Főiskolai Kar, Élelmiszertechnológia és Környezetgazdálkodási Tanszék Szegedi Tudományegyetem Élelmiszeripari Főiskolai Kar, Élelmiszeripari Műveletek és Környezettechnika Tanszék Szeged Moszkvai krt. 5-7 Telefon: 36-6-5463, Telefax: 36-6-54634 E-mail: feri@bibl.szef.u-szeged.hu 1 (szabo.g@bibl..szef.u-szeged.hu) (rajko@sol.uszeged,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 1-% 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 1-% 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 1 th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 9 September 3 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 7-es években az általános hőveszteség kérdésével foglalkoztak (RAO et al. 1976, 1978, SINGH 1978). A 8-as években a hőhasznosítás és hőfelvételi arányok témakörében jelentek meg közlemények (SIELAFF et al. 198, 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 () 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 3, RIEDEL (1969), JOWITT (1983), valamint legkisebb négyzetes eltérés módszerével hőpenetrációs görbékből határoztuk meg T T sin( β ) k n βn Fo Y = = 4 e cos( βn To Tk n= 1 βn + sin( βn)cos( βn) x ) l (1) T T J1( β n ) ( β ) + J ( β ) k βn Fo Y = = e J β n To Tk n= 1 βn J n 1 n r R () sin β = 1 β Y mag (3) (4) J1 = 1 β ( β ) 1 1 Y mag T = mért hőmérséklet [ C] T = kezdeti hőmérséklet [ C] Bi =αx/λ T a = közeghőmérséklet [ C] Fo =Fourier szám at/x/x 17
The 1 th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 9 September 3 α = felületi hőátadási tényező [W/mK] λ= a hús hővezetési tényezője [W/mK] X = jellemző hossz [m] a = hőmérsékletvezetési tényező [m/s] ß = a ßtg(ß)=Bi karakterisztikus egyenlet n-edik gyöke a síklap esetén ((1,3 egyenlet) ß=ßJ 1 (ß)=BiJ (ß) karakterisztikus egyenlet n-edik gyöke henger geometria esetén ((,4 egyenlet) Felvett hőmennyiség [J] Kezdeti hőtartalom [J] A hűtés során metamid rudat (4Xmm és 8Xmm) használtunk. A metamid hőtani paramétereit Fábry (1988) szerint tételeztük fel. Mivel itt a víztartalom nem játszott szerepet, a hőmérsékletvezetési tényezőt állandónak vettük. 1 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 ). 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> értéket, tehát egyszerűsítéssel nem élhetünk. A virslire és a Zala felvágottra számított felületi hőátadási tényező 3-4 W/m K illetve 15- W/m K és Biot szám tartomány az 5-15 illetve a -6 volt. A hőmérsékletvezetési tényező értékek (1,E-7-1,4E-7) a töltelékes árukra P=,9 szinten a termékek egyformának vehetők, de a hőmérséklet alakulás révén a 1 C-ra és 7 C-ra számolt értékek szignifikánsan különböztek egymástól (P>,95) Az 1. ábrából látható, hogy egy bizonyos hőátadási intenzitás (Biot szám) után nem nyerünk kezelési idő növekedést, 5mm 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 (. ábra). Ekkor akár 15- perces időmegtakarítás is elérhető. Mind a hűtés, mind a tartás szakasza alatt. A legnagyobb átmérőnél ez kezelésenként 7m 3 /év megtakarítást is jelenthet. Az elektromos teljesítmény megtakarítás mintegy 1% a tartás és 1% a hűtés alatt kezelésenként. A hűtési vízhőmérséklet csökkentése mind kapacitás, mind mikrobiológiai szempontból kívánatos, de 1 C alatt egyre kisebb eredményt hoz, így felesleges ráfordítást jelent, ha egyébként nem áll rendelkezésre (3. ábra). Viszont ez a 1 C különbség éppen a télnyár ingadozást mutatja, amit érdemes kihasználni, így a fent említett megtakarítások tovább növelhetők. 171
The 1 th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 9 September 3 Az átmérő és a Biot szám hatása a kezelési időre Kezelési idő [min] d= d=3 d=4 d=5 d=6 d=7 d=8 d=9 d=1 15 1 5 5 1 15 Biot szám [diemnzió nélküli] Hőfelvétel [kj] 65 6 55 5 1 8 4 7876 747 6 Közeghőmérséklet 1 [ C] 8 1 4 6 Biot szám [-] 6-65 55-6 5-55 1. ábra: A kezelési idő (bal) és a hőfelvétel (Zala felvágott, jobb) alakulása a Biot szám és az átmérő függvényében Hőkezelési egyenérték a hűtés alatt [min] 4 35 3 5 15 1 5 Minimális Maximális 5 4 65 8 15 Átmérő [mm]. ábra: A hűtés alatti hőpusztulás mértéke Maghőmérséklet [ C] 8 7 6 5 4 3 1 C 5 C 1 C C 4 6 8 1 Hűtési idő [min] 3. ábra: A maghőmérséket alakulása a különböző hűtővíz hőmérsékletek esetén 17
The 1 th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 9 September 3 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 1% elektromos energia megtakarítást érhetünk el mind a tartás, mind a hűtés alatt. Kezelési idő, térfogatátlag egyenérték [min] 4 35 3 5 15 1 5 7 76 8 Közeghőmérsékletek [ C] Eredeti kezelési idő Beforgatott kezelési idő Átlag egyenérték eredeti Átlag egyenérték beforgatott 4. ábra: A sonkák hőkezelési ideje hőkezelési egyenértékei eredeti és 9 -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 -3 W/m K, míg a nagy átmérőknél 1-15 W/mK 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=1- 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 %-kal kevesebb hőfelvétellel lehet megoldani a hőkezelést. A hőkezelés során a méretcsökkentéssel lehet elérni nagyfokú energiamegtakarítást és kapacitásnövelést. Törekedni kellene a d=8mm átmérő d=65mm-re csökkentésére. A legrövidebb oldalra állítsuk be a berendezésben elérhető legnagyobb hőátadási tényezőt. 173
The 1 th Symposium on Analytical and Environmental Problems, Szeged, 9 September 3 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=8-1mm tartományban. Kb. 3 l/kezelés Számításaink azt mutatják, hogy a hűtési körülmények kialakításban kicsit magasabb (kb. 1W/m K) 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 3748 és az OTKA T 3515 tematikus kutatási projekt támogatásával készült IRODALOMJEGYZÉK ANON (3): 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) 15-3. Fábry, Gy. (szerk)(1988) Vegyipari Gépészmérnökök Kézikönyve. Műszaki Könyvkiadó. Budapest Kemény, S., Deák, S. (): Kísérletek tervezése és értékelése. Műszaki Könyvkiadó. Budapest. Kerekes, S., Szlávik, J. (1996): A környezeti menedzsment közgazdasági eszközei. Környezetvé-delmi kiskönyvtár. 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) 457-46. Rao, M. A., Katz,J., Goel, V.K. (1978): Economic evaluation of measures to conserve energy in food processing plants. Food Technology (3) (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 (3) (3) 36. Sielaff, H., Andrae, W., Oelker, P. (198): Herstellung von Fleischkonserven und industrielle Speisenproduktion. VEB Fachbuchverlag Leipzig. 3-39. 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 (3) (4) 4-43. Szenes E-né (1997): Húsfeldolgozás kisüzemben. Integra Projekt Kiadó. Budapest. 174