vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2023-68-2-137-148vestift-798Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERТеплообмен во влажных капиллярно-пористых телах различного состава при конвективном нагревании в паровоздушных средахHeat exchange in wet capillary-porous bodies of various compositions during convective heating in vapor-air mediaСмагинаМ. Н.SmaginaM. N.

Смагина Марина Николаевна – магистр технических наук, специалист по работе с магистрантами

пр. Шмидта, 3, 212027, Могилев, Республика Беларусь

Marina N. Smagina – Master of Sci. (Engineering), Specialist in Working with Undergraduates

3, Schmidt Ave., 212027, Mogilev, Republic of Belarus

m.n.smagina@mail.ruСмагинД. А.SmaginD. A.

Смагин Денис Алексеевич – кандидат технических наук, доцент

пр. Шмидта, 3, 212027, Могилев, Республика Беларусь

Denis A. Smagin – Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor

3, Schmidt Ave., 212027, Mogilev, Republic of Belarus

denis_smagin@mail.ruБелорусский государственный университет пищевых и химических технологийBelarusian State University of Food and Chemical Technologies202309072023682137148Copyright © Смагина М.Н., Смагин Д.А., 20232023Смагина М.Н., Смагин Д.А.Smagina M.N., Smagin D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/798

Приведены результаты исследования процесса нагревания влажных капиллярно-пористых тел различного состава (мясных изделий) при термообработке в сухом воздухе и паровоздушной смеси в условиях вынужденной циркуляции греющей среды. Исследования проводились на влажном обезжиренном образце (мясо куриного филе) и маловлажном жирном образце (лопаточная часть свинины), сформованных в виде цилиндра и пластины. Показано, что процесс нагревания мясных изделий различного состава подчиняется закономерностям теории нестационарной теплопроводности однородных тел, несмотря на многообразие сопутствующих фазовых и физико-химических преобразований. Установлено, что регулярный режим нестационарной теплопроводности наступает при Fo ≥ 0,2 для всех исследуемых вариантов. На основании обработки и анализа экспериментальных данных получены критериальные уравнения вида Θ = f(Fo,Bi) для центрального слоя исследуемых изделий в диапазоне температур 160–240 °С. Установлено, что особенности нагревания мясных изделий в среде паровоздушной смеси приводят к меньшим значениям коэффициентов μ1 и N(Bi) при регулярном режиме по сравнению с нагреванием в сухом воздухе. При этом для маловлажных жирных образцов характерны более низкие значения μ1 и N(Bi) по сравнению с влажными обезжиренными. В результате сравнения с табличными данными для твердых тел показано, что экспериментальные коэффициенты μ1 и N(Bi) характеризуются меньшими значениями для всех исследуемых вариантов. Установлено, что характер изменения N(Bi) и μ1 для твердых тел и изучаемых изделий противоположен, то есть при росте числа Bi для твердых тел характерно увеличение N(Bi) и μ1, в то время как для исследуемых изделий характерно их уменьшение. Практическая значимость исследований состоит в повышении качественных характеристик мясных рубленых изделий и оптимизации оперативного производственного планирования за счет применения методики прогнозного расчета продолжительности тепловых операций.

The results of the study of the heating process of wet capillary-porous bodies of various compositions (meat products) during heat treatment in dry air and steam-air mixture under conditions of forced circulation of the heating medium are presented. The studies were carried out on a moist fat-free sample (chicken fillet meat) and a low-moisture fat sample (pork shoulder blade) formed in the form of a cylinder and a plate. It is shown that the process of heating of meat products of various compositions obeys the laws of the theory of unsteady thermal conductivity of homogeneous bodies, despite the variety of accompanying phase and physico-chemical transformations. It is established that the regular mode of non-stationary thermal conductivity occurs at Fo ≥ 0.2 for all the studied variants. Based on the processing and analysis of experimental data, criterion equations of the form Θ = f(Fo,Bi) for the central layer of the studied products in the temperature range 160–240 °C were obtained. It has been established that the peculiarities of heating of meat products in a vapor-air mixture environment lead to lower values of the coefficients μ1 and N(Bi) at regular operation compared with heating in dry air. It was found that low-moisture fatty samples are characterized by lower values of μ1 and N(Bi) in comparison with moist fat-free ones. As a result of comparison with tabular data for solids, it is shown that the experimental coefficients μ1 and N(Bi) are characterized by lower values for all the studied variants. It is established that the nature of the change in N(Bi) and μ1 for solids and the studied products is opposite, i.e., with an increase in the number of Bi, an increase in N(Bi) and μ1 is characteristic for solids, while their decrease is characteristic for the studied products. The practical significance of the research consists in improving the quality characteristics of minced meat products and optimizing operational production planning through the use of the methodology of predictive calculation of the duration of thermal operations.

теплообменсухой воздухпаровоздушная смесьвлажное телонестационарная теплопроводностьрегулярный режимбезразмерная температурачисло Биочисло Фурьеheat exchangedry airsteam-air mixturewet bodynon-stationary thermal conductivityregular modedimensionless temperaturethe Bio criterionthe Fourier criterionReferencesНиколаев, Н. С. Моделирование процесса термообработки мясного сырья как сложной системы: автореф. дис. … д-ра. техн. наук : 05.18.12 / Н. С. Николаев; Моск. гос. акад. приклад. биотехнологии. – М., 1996. – 55 с.Nikolaev N. S. Modeling of the Process of Heat Treatment of Meat Raw Materials as a Complex System. Moscow, Moscow State Academy of Applied Biotechnology, 1996. 55 р. (in Russian).Рогов, И. А. Технология мяса и мясных продуктов / И. А. Рогов, А. Г. Забашта, Г. П. Казюлин. – М.: КолосС, 2009. – Кн. 2: Технология мясных продуктов. – 712 с.Rogov I. A., Zabashta A. G., Kaziulin G. P. Technology of Meat and Meat Products. Book 2. Technology of Meat Products. Moscow, KolosS Publ., 2009. 712 p. (in Russian).Гинзбург, А. С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: справочник / А. С. Гинзбург, М. А. Громов, Г. И. Красовская. – 2-е изд. – М.: Пищ. пром-сть, 1980. – 288 с.Ginzburg A. S., Gromov M. A., Krasovskaya G. I. Thermophysical Characteristics of Food Products. 2nd ed. Moscow, Pishchevaya promyshlennost’ Publ., 1980. 288 p. (in Russian).Marcotte, M. Thermophysical properties of processed meat and poultry products / M. Marcotte, Ali R. Taherian, Y. Karimi // J. Food Eng. – 2008. – Vol. 88, iss. 3. – P. 315–322. http://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2008.02.016Marcotte M., Taherian Ali R., Karimi Y. Thermophysical properties of processed meat and poultry products. Journal of Food Engineering, 2008, vol. 88, iss. 3, рр. 315–322. http://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2008.02.016Дульгер, Н. В. Экспериментальная оценка теплофизических характеристик продуктов животного происхождения / Н. В. Дульгер, Р. Н. Зарипов, В. Н. Лысова // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. – 2005. – № 2 (25). – С. 284–287.Dul’ger N. V., Zaripov R. N., Lysova V. N. Experimental evaluation of thermophysical characteristics of animal products. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of the Astrakhan State Technical University, 2005, no. 2 (25), pp. 284–287 (in Russian).Светлов, Ю. В. Эффективная теплопроводность и внутренняя поверхность переноса пористых и волокнистых структур (на примере пищевых материалов) / Ю. В. Светлов, Ю. Б. Никифоров // Тонкие хим. технологии. – 2015. – Т. 10, № 6. – С. 71–78.Svetlov Yu. V., Nikiforov Yu. B. Effective thermal conductivity and inner transfer surface of porous and fibrous materials on the example of foodstuffs. Tonkie Khimicheskie Tekhnologii = Fine Chemical Technologies. 2015, vol. 10, no. 6, pp. 71–78 (in Russian).Косой, В. Д. Совершенствование производства колбас: учеб. пособие / В. Д. Косой, В. П. Дорохов. – М.: ДеЛи принт, 2006. – 766 с.Kosoy V. D., Dorohov V. P. Improving the Production of Sausages. Moscow, DeLi print Publ., 2006. 766 p. (in Russian).Бражников, А. М. Теория термической обработки мясопродуктов / А. М. Бражников. – М.: Агропромиздат, 1987. – 271 с.Bragnikov A. M. Theory of Heat Treatment of Meat Products. Moscow, Agropromizdat Publ., 1987. 271 p. (in Russian).Расчет продолжительности процесса термовлажностной обработки полуфабрикатов на основе животного и растительного сырья / Л. Э. Глаголева [и др.] // Вестн. Воронеж. гос. ун-та инженер. технологий. – 2018. – Т. 80, № 2. – С. 51–57. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-2-51-57Glagoleva L. E., Zatsepilina N. P., Kopylov M. V., Nesterenko I. V. Calculation of the duration of the process of heat and moisture treatment of semi-finished products based on animal and vegetable raw materials. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologii = Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technologies, 2018, vol. 80, no. 2, рр. 51–57 (in Russian). https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-2-51-57Верболоз, Е. И. Особенности низкотемпературной тепловой обработки мясопродуктов в пароконвектомате с наложением ультразвуковых колебаний / Е. И. Верболоз, С. А. Романчиков // Вестн. Воронеж. гос. ун-та инженер. технологий. – 2017. – Т. 79, № 3. – С. 35–41. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2017-3-35-41Verboloz E. I., Romanchikov S. A. Features of low-temperature heat treatment of meat products in a steam convector with the imposition of ultrasonic vibrations. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologii = Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technologies, 2017, vol. 79, no. 3, рр. 35–41 (in Russian). https://doi.org/10.20914/2310-1202-2017-3-35-41Isleroglu, H. Modelling of heat and mass transfer during cooking in steam-assisted hybrid oven / H. Isleroglu, F. Kaymak-Ertekin // J. Food Eng. – 2016. – Vol. 181. – P. 50–58. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2016.02.027Isleroglu H., Kaymak-Ertekin F. Modelling of heat and mass transfer during cooking in steam-assisted hybrid oven. Journal of Food Engineering, 2016, vol. 181, рр. 50–58. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2016.02.027Ahmad, S. Mathematical modeling of meat cylinder cooking / S. Ahmad, M. A. Khan, M. Kamil // LWT – Food Science and Technology. – 2015. – Vol. 60, iss. 2, part 1. – P. 678–683. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2014.10.061Ahmad S., Khan M. A., Kamil M. Mathematical modeling of meat cylinder cooking. LWT – Food Science and Technology, 2015, vol. 60, iss. 2, part 1, рр. 678–683. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2014.10.061Combined heat transfer and kinetic models to predict cooking loss during heat treatment of beef meat / A. Kondjoyan [et al.] // Meat Sci. – 2013. – Vol. 95, iss. 2. – P. 336–344. https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2013.04.061Kondjoyan A., Oillic S., Portanguen S., Gros J.-B. Combined heat transfer and kinetic models to predict cooking loss during heat treatment of beef meat. Meat Science, 2013, vol. 95, iss. 2, рр. 336–344. https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2013.04.061Rinaldi, M. Real-time estimation of slowest heating point temperature and residual cooking time by coupling multipoint temperature measurement and mathematical modelling: Application to meat cooking automation / M. Rinaldi, E. Chiavaro, R. Massini // Food Control. – 2012. – Vol. 23, iss. 2. – P. 412–418. http://doi.org/10.1016/j.foodcont.2011.08.009Rinaldi M., Chiavaro E., Massini R. Real-time estimation of slowest heating point temperature and residual cooking time by coupling multipoint temperature measurement and mathematical modelling: Application to meat cooking automation. Food Control, 2012, vol. 23, iss. 2, рр. 412–418. http://doi.org/10.1016/j.foodcont.2011.08.009Chen, H. Modeling coupled heat and mass transfer for convection cooking of chicken patties / H. Chen, B. P Marks, R. Y Murphy // J. Food Eng. – 1999. – Vol. 42, iss. 3. – P. 139–146. https://doi.org/10.1016/S0260-8774%2899%2900111-9Chen H., Marks B. P., Murphy R. Y. Modeling coupled heat and mass transfer for convection cooking of chicken patties. Journal of Food Engineering, 1999, vol. 42, iss. 3, рр. 139–146. https://doi.org/10.1016/S0260-8774%2899%2900111-9Erdoğdu, F. Mathematical approaches for use of analytical solutions in experimental determination of heat and mass transfer parameters / F. Erdoğdu // J. Food Eng. – 2005. – Vol. 68, iss. 2. – P. 233–238. http://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2004.05.038Erdoğdu F. Mathematical approaches for use of analytical solutions in experimental determination of heat and mass transfer parameters. Journal of Food Engineering, 2005, vol. 68, iss. 2, рр. 233–238. http://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2004.05.038Multiscale modeling of food thermal processing for insight, comprehension, and utilization of heat and mass transfer: A state-of-the-art review / J. Li [et al.] // Trends in Food Sci. & Technology. – Vol. 131. – P. 31–45. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2022.11.018Jiaheng Li, Yong Deng, Weidong Xu, Runan Zhao, Tingting Chen, Mingzhe Wang, Enbo Xu, Jianwei Zhou, Wenjun Wang, Donghong Liu. Multiscale modeling of food thermal processing for insight, comprehension, and utilization of heat and mass transfer: A state-of-the-art review. Trends in Food Science & Technology, vol. 131, pp. 31–45. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2022.11.018Химический состав российских пищевых продуктов: справочник / под ред. И. М. Скурихина, В. А. Тутельяна. – М.: ДеЛи принт, 2002. – 236 с.Skurikhin I. M., Tutel’iana V. A. Chemical Composition of Russian Food Products. Moscow, DeLi print Publ., 2002. 236 p. (in Russian).Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник / Е. В. Аметистов [и др.]; под общ. ред. Е. А. Григорьева, В. М. Зорина. – М.: Энергоиздат, 1982. – 512 с.Grigor’ev V. A., Zorin V. M., eds. Heat and Mass Transfer. Thermal Engineering Experiment. Moscow, Energoizdat Publ., 1982. 512 p. (in Russian).Смагина, М. Н. Влияние изменения теплофизических характеристик материала на процесс нагревания изделий из мясного фарша / М. Н. Смагина, Д. А. Смагин, А. А. Смоляк // Пищевая промышленность: наука и технологии. – 2020. – № 4 (5). – С. 61–68. https://doi.org/10.47612/2073-4794-2020-13-4(50)-61-69Smagina M. N., Smagin D. A., Smoliak A. A. The influence of changes in the thermophysical characteristics of the material on the heating process of minced meat products. Pishchevaia promyshlennost’: nauka i tekhnologii = Food Industry: Science and Technology, 2020, no. 4 (5), pp. 61–68 (in Russian). https://doi.org/10.47612/2073-4794-2020-13-4(50)-61-69Смагин, Д. А. Методики расчета продолжительности запекания изделий из мясного фарша при тепловой обработке в конвекционных печах / Д. А. Смагин, А. А. Смоляк, М. Н. Смагина // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. аграр. навук. – 2020. – Т. 58, № 3. – С. 373–384. https://doi.org/10.29235/1817-7204-2020-58-3-373-384Smagin D. А., Smolyak А. А., Smagina М. N. Methods for calculating the duration of baking of minced meat products during heat treatment in convection ovens. Vestsі Natsyyanal’nay akademіі navuk Belarusі. Seryya agrarnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Agrarian series, 2020, vol. 58, no. 3, pp. 373–384 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1817-7204-2020-58-3-373-384Цветков, Ф. Ф. Задачник по тепломассообмену: учеб. пособие / Ф. Ф. Цветков, Р. В. Керимов, В. И. Величко. – 3-е изд. – М.: Изд. дом МЭИ, 2010. – 196 с.Tsvetkov F. F., Kerimov R. V., Velichko V. I. A Task Book on Heat and Mass Transfer. 3rd ed. Moscow, Publishing House of MEI, 2010. 196 p. (in Russian).Краснощеков, Е. А. Задачник по теплопередаче: учеб. пособие для вузов / Е. А. Краснощеков, А. С. Сукомел. – 4-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1980. – 288 с.Krasnoshchekov E. A., Sukomel A. S. Taskbook on Heat Transfer. 4th ed. Moscow, Energy Publ., 1980. 288 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.