Szeles ház

Kolbászszárítás folyamatának kísérleti vizsgálata újonnan kifejlesztett DC-inverter-vezérlésű hűtőaggregátokkal

1. Bevezetés

 

Magyarország legismertebb hagyományai közé tartozik a disznótor és az állat feldolgozásából keletkező élelmiszerek elkészítése. Utóbbiak közé tartozik a kolbász is, melynek készítése és fogyasztása tradicionálisan jellemző hazánkban. Ugyan ahány ember, annyi féle kedvenc kolbász létezik, mégis vannak alapvető követelmények a készáruval szemben. Ilyen például a megfelelő füstölés, illetve a megfelelő szárítás. Füstölésre elsősorban a tartósítás, másodsorban az ízvilág miatt van szükség. A szárítás pedig a kolbászt, mint élelmiszer minőségét javítja. A jó kolbász elkészítésének egyik elengedhetetlen lépése a friss nyersáru megfelelő minőségű szárítása, érlelése. A hagyományos úton ez igen hosszadalmas folyamat, akár több hónapig is eltarthat, melyhez megfelelő léghőmérséklet és páratartalom szükséges. Sem a túl gyors (órák), sem a túl lassú (félév) kolbásznedvességtartalom-csökkentés nem megfelelő élelmiszerminőséget produkál. Előbbi esetben a kolbász kérgesedik, azaz a külseje kiszárad, de a belseje túl nedves marad; míg utóbbi esetben fennáll a penészesedés veszélye. A mai tömegtermelő gazdasági viszonyok mellett féléves szárítási folyamat túl hosszadalmas, szükséges a szárítási idő rövidítése. A legtöbb nagy húsipari cég (egy tonna feletti kolbász egyidejű feldolgozása esetén) kolbászszárító kamrákat alkalmaz, ahol a megfelelő légállapotot légkezelő központ segítségével biztosítják. A hagyományos rendszereknél általános esetben a kamrába a kamra közelébe telepített légkezelő központból légcsatornában szállított meleg, száraz levegő befúvása történik, mely levegő felveszi a kolbászok felületén a parciális vízgőznyomás hatására kicsapódó nedvességet (kolbászok általi nedvességterhelést), majd elszívó anemosztátokon keresztül szintén légcsatornákat használva történik a levegő visszavezetése a légkezelő berendezésbe. A légkezelő központban elhelyezett hűtőkaloriferen átáramoltatott levegő hőmérséklete csökken, nedvességének egy része kicsapódik, így a közeg abszolút nedvességtartalma csökken, majd egy fűtőkaloriferen átáramoltatva ismét előáll a meleg, száraz levegő, mely az említett folyamatnak megfelelően recirkuláltatva van a rendszeren. A legtöbb esetben a fűtőkalorifer vizes hőcserélő, melyhez egy gázkazán, mint hőtermelő berendezés biztosítja a fűtési energiát, a hűtőkalorifer energiaigényét pedig vizes hőcserélő esetében folyadékhűtő vagy egy közvetlen elpárologtatós hűtőberendezés biztosítja. Az ilyen kialakítású rendszereknek azonban nagyon magas a beruházási költségük és energiaigényük. Bár utóbbi tényező is közismert a húsiparban dolgozó szakemberek számára, de pontos fogyasztási adatokat nem sikerült szerezni irodalomkutatásunk során, a feladat összetett, mert egy üzemben gyakori, hogy más, egyéb energiafogyasztó berendezések is üzemelnek (világítás, komortfűtés, hűtés, egyéb technológiai berendezések stb.), így a szárításból adódó üzemeltetési költségek közvetlenül nem mérhetőek. Nagyüzemeknél alkalmaznak kémiai alapú szárítási eljárást is szilikagél felhasználásával. Ekkor szilícium-dioxid segítségével kötik meg a felszabaduló nedvességet. Ennek előnye a légkezeléssel szemben kisebb energiaigénye. A szilikagél pozitív tulajdonsága, hogy ugyan a látszólagos felülete kicsi (golyók formájában tárolják), lyukacsos szerkezete miatt a fajlagos felülete óriási, pláne méretéhez viszonyítva. A gélt tornyokba szokták rakni, egyszerre kettő torony épül, amíg az egyiket víztelenítik (regenerálják forró levegővel), addig a másik ellátja az adszorpciós (vízelnyelési) feladatot. Hazánkban ilyen megoldást a szegedi PICK Szeged Szalámigyár és Húsüzem Zrt. gyárában alkalmaznak. Akármelyik szárító-érlelő eljárást is alkalmazzák, fontos, hogy az tervezetten, megfelelő paraméterekkel menjen végbe.

A kisebb cégek, őstermelők azonban, ahol pár száz kilogramm kolbász egyidejű feldolgozása a cél, az említett eljárással járó magas beruházási és energiaköltségeket nem engedhetik meg maguknak. A technológia fejlődésével lehetővé vált olyan élelmiszerszárító berendezések készítése, mely időben gyorsan és alacsony energiafogyasztás mellett lehetővé teszi a készáru igényeknek megfelelő, költséghatékony előállítását. A kutatási munkánk célja a kolbászszárítás folyamatának kísérleti vizsgálata kisméretű hűtőkamrában, újonnan kifejlesztett DC-inverter-vezérlésű, PID-szabályozóval működtetett aggregátok segítségével. A feladathoz egy kísérleti mérőállás épült a Kassai-Klíma Kft. bemutatótermében, melyben a feladat 200 kg friss kolbász szárítása volt. A cikk eredeti változata a Magyar Épületgépészet, LXVI. évfolyam, 2017/6. számában került lektorálást követően publikálásra. Tekintettel arra, hogy a kutatási téma megteremtése, annak elvégzéséhez szükséges teljes kísérleti eszközháttér és laboratóriumi helyszín támogatása a Kassai-Klíma Kft. által történt, így a kiadó hozzájárult a témának és a kutatási eredményeknek a hazai piacot jelentősen meghatározó cég saját honlapjain történő közléséhez is.

 

2.   A szabályozás elmélete

 

A szabályozás egy módja adott jellemző kívánt értéken tartásának. A szabályozás során a kívánt értéket vagy egy ahhoz kapcsolódó másik mennyiséget mérnek. Amikor a rendszer mért paraméterei eltérnek a kívánttól, a szabályozás beavatkozik (1. ábra).

 A szabályozás sematikus ábrája

1. ábra A szabályozás sematikus ábrája

 

Szabályozás során a beérkező alapjelet (Xa) egy negatív visszacsatolás jelével összegzik. Ez a visszacsatolás az Xs szabályozott jellemző. A kettő eltérése adja meg a hibát (Xr). Amennyiben nem lenne hiba, úgy a szabályozó sem avatkozna be, mivel eleve a kívánt érték jönne ki. Szabályozás során figyelembe kell venni a zavaró jellemzőket (Xz) is, azokat összegezni kell a szabályozott jellemzővel. A szabályozás pontossága a rendszer felépítésének függvénye [4-6]. Hűtőkamrák esetén rendszerint a kompresszor paramétereit (fordulatszám) változtatják a szabályozás függvényében [7-9].

Az inverteres berendezések esetén – szemben a hagyományos készülékekkel – folyamatos szabályozás, beavatkozás történik. A berendezés nem áll le, csupán a motor üzemi paraméterei (pl. fordulatszám) változnak a terhelés függvényében. Előnye ennek, hogy gyors és pontos szabályozhatóságot tesz lehetővé, ezzel csökkentve az üzemeltetési költségeket és növelve az élettartamot. Egy PID-szabályozás esetén (1. táblázat) a szabályozást minden esetben az adott berendezéshez kell igazítani, melyet a legtöbbször kísérleti úton valósítanak meg. Szabályozók közül megkülönböztethető proporcionális, integráló-, differenciálószabályzó, illetve ezek különböző kombinációjának együttes alkalmazása. Proporcionális szabályozás esetén a szabályozó a hibajellel arányos jelet küld. Ezzel szemben az integrálószabályozás figyelembe veszi a múltbéli hibákat is, azaz a válaszfüggvény-számításkor a nem állandó hiba integrálját is beleszámítja. Differenciálószabályozás esetén a rendszer a jövőbeli állapotot próbálja figyelembe venni, azaz a szabályozó a függvény meredekségére reagál.

 

Szabályozó típusa

Beavatkozó jel [u(t)] egyenlete

proporcionális (P)

Kp∙e(t)

integráló (I)

Ki∙∫e(τ)dτ

differenciáló (D)

Kd∙(d/dt)∙e(t)

PI

Kp∙[e(t)+(1/Ti)∙∫ e(τ)dτ]

PD

Kp∙[e(t)+Td∙(d/dt)∙e(τ)]

PID

Kp∙e(t)+Ki∙∫e(τ)dτ+Kd∙(d/dt)∙e(t)

 

1. táblázat A különféle szabályozótípusok beavatkozó jeleinek egyenlete

 

 

A táblázatban a jelölések a következők:

 

- Kp = arányos szabályozó erősítése

- Ki = az integrálótag átviteli tényezője

- Kd = a differenciálótag átviteli tényezője

- t = időállandó

- e(t)=a hibajel függvénye az idő függvényében

 

Az integrálást 0-tól t időpontig kell elvégezni. PI-szabályozás esetén a Ki tényező az erősítés és az integrálási időállandó hányadosa, PD-szabályozás esetén pedig Kd tényező értéke az erősítés és a differenciálási időállandó szorzata. A fent felsorolt szabályozótípusok egymással kombinálhatóak, akár mindhárom típus is egyesíthető. Ezt nevezik PID-szabályozásnak, melyet a kísérleti kutatásunk során alkalmaztunk [4].

 

 

3.   A kíséret során alkalmazott eszközök bemutatása

 

3.1. A tesztkamra és mérőállás bemutatása

 

A tesztkamra a cég bemutatótermének közepén helyezkedik el (2. ábra). Külső környezetében mindenhol 23 °C egységes hőmérséklet jellemzi. A kamra a Gabler-Mirelta Hungária Kft. gyártmánya, felépítését jellemző tulajdonságait a 2. táblázat tartalmazza.

 

Méret [mm]

1660x1660x2330

Faltípus

NZ70 70 mm-es

Szigetelés

FCKW-mentes poliuretán hab

Hőátbocsátási tényező [W/(m2K)]

0,27

 

2. táblázat A tesztkamra felépítése a műszaki leírás alapján

 A tesztkamra elhelyezkedése az épületben 

2. ábra A tesztkamra elhelyezkedése az épületben

 

A kamra belső terébe került elhelyezésre két, egymástól függetlenül működő aggregátorra csatlakoztatott közvetlen elpárologtatós hőcserélő (3. ábra).

  A mérőállás kapcsolási rajza

3. ábra A mérőállás kapcsolási rajza


A hőcserélők közül az egyik a levegő hűtését (elpárologtató), a másik a fűtését (kondenzátor) biztosítja (4-5. ábra).

  A beltéri hűtő-fűtő egység szembe nézetből

4. ábra A beltéri hűtő-fűtő egység szembenézetből

  A közvetlen elpárologtatós hőcserélők csővezetékei  

5. ábra A beltéri egységbe beépített közvetlen elpárologtatós hőcserélők csővezetékei (a légáramlásnak megfelelően a bal oldali hűtési, a jobb oldali fűtési energiát biztosít)

 

A hőcserélők együttesen működnek, ezzel elérhető, hogy a kamrában a megfelelő hőmérséklet mellett a páratartalom relatív és abszolút értéke is adott szükséges tartományon belül tartható legyen. Az említett hőcserélőket és egy ventilátort tartalmazó beltéri egység fejlesztése az Inter-Thermo Kft. együttműködésével történt (3. táblázat).

 

Típus

IT-SZ Érl. 31-1-054 B4

Hűtőteljesítmény [W]

5410

Hűtőközeg

R410A

Bruttó tömeg [kg]

51

Befoglaló méret [mm]

700x480x490

Légáram [m3/h]

1300

Felvett/leadott motorteljesítmény [W]

85/38

 

3. táblázat A beltéri egység főbb adatai a katalógus alapján

 

A kültéri egységek, melyek hűtőberendezésként (hűtőteljesítmény biztosításához) és hőszivattyús berendezésként (fűtőteljesítmény biztosításához) is használhatóak, illetve a PID-szabályzó gyártója is a Sinclair volt. A kültéri egységek pontos típusa: Sinclair ASGE-09AIN WK, mind a fűtésért, mind a hűtésért felelős egység esetén (6-7. ábra).

  A kültéri egységek  

6. ábra A kültéri egységek (a felső a fűtési, az alsó a hűtési funkciót biztosítja)

A PID szabályozó és mérőműszerek kijelzői  

7. ábra A kamrán elhelyezett PID-szabályozó és mérőműszerek kijelzői

 

A berendezések főbb műszaki adatai 4. táblázat foglalja össze.

 

 

Hűtés

Fűtés

Teljesítmény [kW]

2,7 (0,8-3,5)

2,9 (0,8-3,8)

Teljesítményfelvétel [W]

840

800

Üzemi áramfelvétel [A]

3,9

3,7

Szezonálisteljesítmény-tényező

6,1 (SEER)

3,8 (SCOP)

Energiaosztály

A++

A

Hűtőközeg

R410A

A kompresszor típusa

Scroll

Elektromosteljesítmény-igény

230 V / 50 Hz

Adagoló típusa

Elektronikus adagolószelep

Légszállítás [m3/h]

1800

Gépméret [mm]

850x540x320

Géptömeg [kg]

34

Üzemihőmérséklet-tartomány [°C]

-15-48

-15-24

 

4. táblázat A kültéri egységek főbb adatai a katalógus alapján

 

A rendszer egy közös áramforrásról működik, így fogyasztásuk könnyen meghatározható a kamra külső falán a hőmérséklet- és páratartalom-mérővel egy dobozban elhelyezett fogyasztásmérő segítségével. A közös áramforrás nem befolyásolja az aggregátorok külön szabályozott működését. A kamra szabályozása egy előre beállított léghőmérséklet és relatív nedvességtartalom-érték alapján történik adott hibahatáron belül. Az érzékelők a kamra belsejében vannak elhelyezve, a mért értékeket pedig a szabályozó összeveti a tartani kívánt értékekkel, és amennyiben szükséges, beavatkozik. A jelenlegi mérés során a beruházó javaslata alapján beállított értékek az 5. táblázat láthatók.

 

Tartani kívánt léghőmérséklet [°C]

14

Tartani kívánt levegő relatív páratartalma [%]

70%

Hőmérséklet-ingadozás értéke [°C]

± 2

Páratartalom-ingadozás mértéke [%]

± 5

 

5. táblázat A hűtőkamra beállított paraméterei

 

A működési ciklus a következő: a beállított felső érték elérésekor bekapcsol az elpárologtatót működtető kültéri egység, mely elkezdi hűteni a kamra belső levegőjét. Ez történik mindaddig, amíg el nem éri a minimum hőmérséklethatárt a kamra. Ekkor elindul a kondenzátor fűtési energiáját biztosító kültéri egység.

                                          

3.2. A kolbász anyagnedvesség-mérése

 

A kolbászok nedvességtartalmának mérése tömeg- és nedvességméréssel történt. Előbbihez a Taurus cég Easy Inox mérlegét használtuk, melynek maximális terhelhetősége 5 kg volt.

A kolbászok nedvességtartalmának mérésére a TK100 multifunkciós univerzális anyagnedvesség-mérőműszer állt rendelkezésre (8. ábra). Bár a gyártó értékesítője szerint elvileg ez alkalmas kellett volna, hogy legyen a mérésre, azonban a gyakorlatban a jelentős tömegváltozás ellenére állandó nedvességtartalmat mutatott, így az ezzel mért adatokat erre a célra nem lehetett felhasználni.

  A mérés során használt nedvességmérő  

8. ábra A mérés során használt nedvességmérő

 

4. A mérés menete

 

A feladat célja egy DC-inverteres hűtéstechnikai berendezéssel felszerelt hűtőkamra alkalmasságának vizsgálata kolbász gyors és megfelelő minőségű érleléséhez. A vizsgálathoz 200 kg frissen készített kolbász állt rendelkezésre (9. ábra).

A feladat során naponta 7 és 16 óra között 30 percenként feljegyzésre került a tesztkamra belső hőmérséklete és relatív páratartalma, mely az érzékelők által továbbított jel alapján a kamra külső felületén elhelyezett mérőről volt leolvasható.

Ezenfelül naponta egyszer leolvasásra került a kamra fogyasztása. Szintén naponta egyszer, minden mérési nap reggelén került mérésre öt darab, megjelölt kolbász tömege és anyagnedvesség-tartalma.

A mérés előkészítése során először beállításra került a kamra előzetes kívánt hőmérséklete és relatív páratartalma, majd leolvasásra került a fogyasztásmérő kezdeti állása.

  A kolbászok és elhelyezkedésük a kamrában  

9. ábra A kolbászok és elhelyezkedésük a kamrában

 

A tesztáru megérkezése után a kamrába helyezett kolbászok tartóállványán kiválasztásra került öt, különböző helyen elhelyezkedő kolbászköteg, melyek ötféle színű befőttes gumival meg lettek jelölve (10. ábra).

  A kolbászkötegek elhelyezkedése a kamrában

10. ábra A megjelölt kolbászkötegek elhelyezkedése a kamrában

 

Ezen kolbászkötegek tömege és nedvességtartalma rögzítésre került a kamrába behelyezés előtt. A mérés 2017. február 27-e 9 órától 2017. március 3-a 9 óráig tartott. A mérés folyamán naponta 7 és 16 óra között 30 percenként feljegyzésre került a kamra belső levegőjének hőmérséklete és a levegő relatív nedvességtartalma, továbbá minden reggel 7 órakor mérésre került a megjelölt öt darab kolbászköteg tömege és nedvességtartalma. A kötegeken 4-5 kolbász volt felfűzve, melyek tömege között volt kisebb különbség. A mérés végén a cég szakértő képviselője ellenőrizte a kolbászok állapotát, értékelése szerint az áru tökéletesen piacképes állapotban volt: a megfelelő nedvességvesztés megtörtént, további szárítás már a kolbászok minőségének rovására ment volna.

 

5.   A mérési eredmények

 

A naponta egyszer mért adatokat a 6. táblázat tartalmazza.

 

τ

mk,z

φk,z

mk,f

φk,f

mk,k

φk,k

mk,p

φk,p

mk,s

φk,s

E

02. 27.

3564

84

2725

84

3664

84

2507

84

2634

84

19095

02. 28.

3404

83

2591

83

3551

83

2400

83

2569

83

21049

03. 01.

3225

82

2469

82

3411

82

2272

82

2490

82

22508

03. 02.

3082

81

2376

81

3291

81

2188

81

2431

81

23084

03. 03.

2971

80

2250

80

3177

80

2100

80

2364

80

24255

 

6. táblázat A napi egyszer mért adatok összefoglalója

 

A táblázatban jelölései a következőek:

 

• τ=a mérés időpontja

• m=az egyes kolbászok tömege [g]

• φ=az egyes kolbászok nedvességtartalma [%]

• E=a kamra fogyasztásmérője által kijelzett adat [kWh]

 

Az indexelések a jelölő gumik színét jelentik

 

• z=zöld

• f=fehér

• k=kék

• p=piros

• s=sárga

 

Ahogyan a diagramon is látható, a kolbászok tömegcsökkenése közel lineáris volt, melyet az illesztett trendvonal és paraméterei is bizonyítanak (11. ábra).

  A kolbászok tömegváltozása diagramon ábrázolva  

11. ábra Az egyes kolbászok tömegváltozása diagramon ábrázolva

 

A leírt adatokból is kiszámítható az egyes kolbászok tömegcsökkenése, mely eredményét a 7. táblázat mutatja.

 

Kolbász jele

Zöld

Fehér

Kék

Piros

Sárga

Tömegvált. [g]

593

475

487

407

270

Fajl. tömegvált. [%]

16,63

17,43

13,29

16,23

10,25

 

7. táblázat Az egyes kolbászok tömegváltozása

 

6.   Következtetések

 

A kísérleti eredményekből látható, hogy a kolbászminták az elhelyezés függvényében változóak. Három minta fajlagos tömegváltozása közel azonos, azonban a kék és főleg a sárga színnel jelölt kolbászok jelentősen eltérnek a többitől (12. ábra).

  A kolbászok fajlagos tömegváltozása

12. ábra Az egyes kolbászok fajlagos tömegváltozása diagramon ábrázolva

 

Ennek oka, hogy nem alakult ki teljesen homogén légállapot az egész kamrában, így egyes kolbászokat jobban, másokat kevésbé ért az érleléshez szükséges, megfelelő állapotú levegő. Ennek javítása érdekében javasolt nagyobb távolságokat hagyni a kolbászkötegek között, annak érdekében, hogy a levegő megfelelő mértékben átjárja a szárítandó kolbászokat.

A fogyasztásmérő által kijelzett fogyasztási adatok alapján a kamra villamosenergia-fogyasztása a mérés ideje alatt 5160 kWh volt (13. ábra). Ez alapján, az ipari fogyasztói energiaár (26 Ft/kWh) ismeretében kiszámítható, hogy ez idő alatt 134.160 Ft energiaköltség keletkezett. Fontos azonban megjegyezni, hogy az ipari áram árát sok tényező befolyásolja, amikor a vállalkozó szerződést köt az elektromos szolgáltatóval, de általában jóval kedvezőbb a lakossági áram díjánál!

   A fogyasztásmérő állása az egyes mérési napokon

13. ábra A fogyasztásmérő állása az egyes mérési napokon

 

A mérési eredmények kiértékelése alapján látható, hogy a kolbászok a kamrában való elhelyezkedéstől függően változó tömegcsökkentést szenvedtek el, mely az idő függvényében lineáris tendenciát mutat. A tömegcsökkenés teljes egészében a kolbász víztartalmának csökkenéséből állt elő, mely a beltéri egységbe épített elpárologtató felületén kicsapódó nedvesség formájában is megjelent, mely vízmennyiség elvezetése a kamra közelében elhelyezett vödörbe (14. ábra) történt. Az árut biztosító cég képviselőjének elmondása szerint 20%-nál magasabb tömegcsökkenést már nem szerencsés elérni, mert akkor a hús minőségének romlása következik be.

   A kolbászokból kinyert nedvesség

14. ábra A szárítási művelet során a kolbászokból kinyert nedvesség mennyisége egy nap után

 

A mért fogyasztási eredményekből látható, hogy a mérés során a kolbászok tömegcsökkenésével már egyre kevesebb energia szükséges, időben a szárítási folyamat vége fele, valamint a tömegcsökkenés és a fogyasztás között időben egy exponenciális jellegű tendencia tapasztalható. A kolbászok a nedvességcsökkenés után, öt nap elteltével megfelelő, fogyasztásra kész állapotba kerültek az ezzel foglalkozó szakember elmondása szerint, aki az ellenőrzés során az áru minőségével is elégedett volt. Az érlelés során elfogyasztott energia mennyisége elfogadható mértékű, ennek ára nem terheli meg a kisebb vállalkozások költségkeretét sem.

Csatolt dokumentum

Ossza meg ismerőseivel!


Érdekelődés

Minden jog fenntartva a Kassai Klíma Kft. részére! 2020 Oldaltérkép