1157

Глава 18. Аппараты для охлаждения и замораживания пищевых сред

Точное логическое определение понятий – главнейшее условие истинного знания. СОКРАТ (469–399 до н.э.), древнегреческий философ

Глава 18 Аппараты для охлаждения и замораживания пищевых сред

Охлаждение – процесс понижения температуры пищевых сред (но не ниже криоскопической) с целью задержания биохимических процессов и развития микроорганизмов. Это один из основных способов холодильного консервирования продуктов без изменения их структурного состояния. По принципу переноса теплоты способы охлаждения подразделяются на три группы:

– путем конвекции (охлаждение в воздухе продуктов, упакованных в непроницаемые искусственные или естественные оболочки, а также в жидких средах);

– в результате фазовых превращений (интенсивное испарение части содержащейся в продукте воды при его вакуумировании);

– смешанным теплообменом (передача теплоты осуществляется конвекцией, радиацией и за счет теплообмена при испарении влаги с поверхности продукта).

Замораживание – процесс понижения температуры ниже криоскопической на 10…30 °С, сопровождаемый переходом почти всего количества содержащейся в продукте воды в лед. Способы замораживания (контактные и бесконтактные) подразделяются на четыре группы:

– замораживание в кипящем хладагенте;

– замораживание в жидкостях как промежуточных хладоносителях;

– замораживание в воздухе как промежуточном хладоносителе;

– самозамораживание (испарительное).

…только имея ясную перспективу будущего, мы можем правильно направлять нашу работу в настоящем. Капица Петр Леонидович (1894–1984), физик, академик АН СССР

18.1. Научное обеспечение процессов охлаждения и замораживания пищевых сред

Процесс охлаждения пищевых продуктов условно рассматривается как отвод теплоты от тела, в котором отсутствуют внутренние источники теплоты. В этом случае количество теплоты, отводимой от продукта при охлаждении Q (кДж), представляется как произведение массы продукта G (кг) на его удельную теплоемкость с₀ [кДж/(кгК)] и на разность начальной t₁ и конечной t₂ (°С) среднеобъемных температур

.

Практически удобно пользоваться таблицами или диаграммами энтальпий пищевых продуктов и определять отводимую теплоту как произведение массы продукта на разность начальной i₁ и конечной i₂ (кДж/кг) удельных энтальпий

.

При охлаждении мяса, птицы, молока, рыбы, плодов и овощей в них протекают биохимические экзотермические процессы. Внутренние тепловыделения q (кДж/кг) могут составлять до 10 % для животных и до 30 % для растительных продуктов от общего количества отводимой при охлаждении теплоты.

Влияние испарения и конденсации на теплоту охлаждения учитывают в том случае, когда капельно-жидкая влага испаряется с поверхности продукта в воздух при удельной теплоте испарения r_и (кДж/кг), а пары из воздуха конденсируются на поверхности охлаждающих приборов при удельной теплоте конденсации r_к (кДж/кг), причем r_и > r_к. Тепловой эффект этого явления наиболее значителен, если конденсирующаяся влага замерзает, образуя так называемую «снеговую шубу». Если, охлаждаясь, испаряется G_и (кг) влаги, то относительная потеря влаги продуктом (усушка) составляет . Тогда за счет разницы теплот конденсации и испарения охлаждающее оборудование должно будет воспринимать теплоту, которая не была отведена от продукта,

.

Учитывая внутренние тепловыделения продукта и тепловой эффект испарения – конденсации при охлаждении продуктов, общее количество теплоты Q (кДж), отводимое при охлаждении продуктов в воздух, определяется как

.

Теплота, отводимая от продукта при его замораживании, представляет собой расход холода на замораживание. Обычно в морозильное устройство помещается продукт, начальная температура t₁ (°С) которого выше, а конечная t₂ (°C) ниже криоскопической t_кр (°С) в любой его точке. Этот интервал изменения температуры продукта включает в себя охлаждение его от начальной температуры до криоскопической и собственно замораживание, характеризуемое льдообразованием.

Охлаждение и льдообразование не разделяются во времени. Когда в периферийных слоях продукта уже началось льдообразование, центральные слои еще продолжают охлаждаться.

Теплота, отводимая от замораживаемого продукта, равна

,

где с_л – удельная теплоемкость продукта до льдообразования, кДж/(кгК); r_л – удельная теплота льдообразования, кДж/кг; W – относительное содержание влаги в продукте, кг/кг;  – удельная масса вымороженной воды, кг/кг; с₃ – удельная теплоемкость замороженного продукта, кДж/(кгК).

Сумма в прямых скобках этой формулы представляет собой теплоту, отводимую от единицы массы продукта. Первое слагаемое выражает теплоту охлаждения, второе – теплоту льдообразования, третье – теплоту, отводимую для понижения температуры до t₂.

Криоскопическую температуру (начала замерзания пищевого продукта) на основании уравнения Рауля для разбавленных растворов можно записать в виде

,

где К – криоскопическая константа растворителя; т_t – молярная концентрация раствора в исходном продукте до замораживания; G_p – масса растворенных веществ, кг; G_в – общая масса воды в продукте, кг;  – средняя молекулярная масса растворенных веществ.

При температуре ниже t_кр происходит вымораживание воды, вследствие чего концентрацию раствора т и температуру замерзания t₃ можно представить в виде

,

где G_л – масса льда при данной температуре, кг.

Масса вымороженной воды равна

.

При t₃ = t_кр масса вымороженной воды равна  = 0, а при эвтектической температуре t_э, когда вся вода вымораживается, должно соблюдаться равенство  = 1.

Продолжительность процессов охлаждения и замораживания зависит от теплофизических характеристик продуктов, условий теплообмена и др.

Продолжительность охлаждения определяют путем интегрирования дифференциального уравнения теплопроводности для тел простых стереометрических форм – пластины, цилиндра и шара. Решения представляются в виде функциональных зависимостей

,

где  – относительная (безразмерная) избыточная температура; t_н, t_к – соответственно начальная и конечная температуры тела, °С; t₀ – температура охлаждающей среды, °С; t_н – начальная температура тела, °С; B_i = (аl)/ – число Био; F₀ = (а)/l² – число Фурье;  = x/l – число геометрического подобия; f – коэффициент теплоотдачи на поверхности тела, Вт/(м²К); l – характерный линейный размер (для пластины – половина толщины, для цилиндра и шара – радиус), м;  – коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(мК); а – коэффициент температуропроводности продукта, м²/с; х – координата исследуемой точки.

Продолжительность охлаждения  (с) рассчитывают

.

Для анализа тепло- и массообмена при охлаждении пищевых продуктов используют закон регулярного теплового режима, заключающийся в том, что скорость охлаждения в любой точке охлаждаемого тела пропорциональна разности температур этой точки и охлаждающей среды

,

где t и t₀ – соответственно температура тела и среды, °С; т – темп охлаждения (зависит от формы и размеров охлаждаемого тела, его теплофизических свойств и от коэффициента теплоотдачи на поверхности тела), с^–1.

Приняв избыточные температуры как и , зависимость регулярного режима можно представить в виде

.

Выражение для определения длительности охлаждения после интегрирования имеет вид

.

Процесс замораживания рассматривается как изотермический с удельной теплотой, равной теплоте льдообразования. Теплофизические характеристики замороженной части объекта принимаются постоянными, не зависимыми от температуры, а теплоемкость замороженной части принимается равной нулю. Предполагается, что процесс замораживания происходит при постоянных температуре среды и коэффициенте теплоотдачи.

Продолжительность двустороннего замораживания плоскопараллельной пластины с учетом указанных допущений имеет следующий вид:

,

где r_л – удельная теплота льдообразования, Дж/кг;  – плотность продукта, кг/м³; t_кр – криоскопическая температура продукта, °С; t₀ – температура теплоотводящей среды, °С;  – толщина пластины, м; ₃ – коэффициент теплопроводности замороженного продукта, Вт/(мК);  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К).

Человек, по – настоящему мыслящий, черпает из своих ошибок не меньше познания, чем из своих успехов. Дьюи Джон (1859–1952), американский философ