18.7. Установки криогенного замораживания

Криогенное замораживание пищевых продуктов жидким азотом протекает быстро и при очень низких температурах. Существует несколько способов замораживания пищевых продуктов с помощью жидкого азота: при непосредственном контакте с газообразным азотом; погружением в азот; орошением жидким азотом. При обычных условиях азот – инертный газ без запаха и вкуса, который при контакте с пищевыми продуктами вредного влияния на них не оказывает. Получают азот путем сжижения воздуха с последующим его разделением на азот и кислород в ректификационных колоннах, используя разности температур кипения при атмосферном давлении: азота –196 °С, а кислорода –183 °С.

Температура замерзания азота составляет –210 °С, удельная теплота парообразования 200 кДж/кг, плотность жидкости 0,81 кг/л, плотность газа 1,251 кг/м³, коэффициент теплопроводности жидкости 0,207 Вт/(мК), газа 0,026 Вт/(мК), удельная теплоемкость жидкости 0,573 Вт/(кгК), газа – 0,29 Вт/(кгК). Для устранения растрескивания при замораживании в жидком азоте продукт предварительно охлаждают парами азота.

Рис.18.33. Принципиальная схема установки для замораживания продуктов жидким азотом

Установка для замораживания продуктов жидким азотом (рис. 18.33) состоит из конвейера загрузки 1, грузового конвейера 2, размещенных в изолированной камере 4, снабженной вентилятором 3, а также коллектора 5 с форсунками для распыления жидкого азота и конвейера выгрузки 7.

Пары азота из средней II зоны с помощью вентилятора 3 направляются в I зону предварительного охлаждения, где продукт 6 охлаждается до –1 °С. Затем продукт поступает в зону замораживания II, а оттуда в зону выравнивания температур III по объему продукта до средней конечной температуры. Азот выходит из установки с температурой –50…–60 °С. В такой установке отсутствует машинное охлаждение, она проста в обслуживании, в ней не требуется постоянный источник энергии, а также отсутствует система оттаивания.

Рис. 18.34. Принципиальная схема установки для замораживания пельменей жидким азотом

Установка для замораживания пельменей жидким азотом представлена на рис. 18.34. Штамповка и замораживание пельменей осуществляется непосредственно на металлической ленте 16 конвейера из коррозионно-стойкой стали, над которой установлен пельменный аппарат 1. На раме конвейера установлена изотермическая морозильная камера 17 с двойными стенками с поворотной заслонкой 2. В камере установлены четыре температурные зоны. В зоне предварительного охлаждения 3 продукт охлаждается холодными парами газообразного азота. В зоне штамповки 10 тестовая трубка с фаршем подается под штамп, где образуются пельмени. В зоне орошения 12 пельмени замораживаются путем орошения их жидким азотом, поступающим из емкости под избыточным давлением. В зоне выравнивания температур 14 устанавливается одинаковая температура по всей массе продукта. В зоне предварительного охлаждения размещается нагнетательный воздуховод 5 прямоугольного сечения с щелевыми насадками, обращенными к ленте, и двумя шиберными заслонками 6, позволяющими регулировать количество подаваемого газа, изменять его скорость и направление движения над продуктом.

Для получения и подбора необходимых температур в воздуховод врезан трубопровод подачи жидкого азота 11, который, испаряясь, охлаждает воздушный поток до –50…–120 °С. В зоне штамповки установлен штамповочный пельменный барабан 8 и вентилятор 7 с электродвигателем 4 для нагнетания с помощью воздуховода 9 паров азота, образующихся в зоне орошения, в зону предварительного охлаждения.

В зоне орошения установлено три коллектора 13, с десятью форсунками на каждом, для распыления жидкого азота при температуре –196 °С. Для сбора неиспарившегося жидкого азота под лентой конвейера установлен поддон 15 из коррозионно-стойкой стали. При переполнении поддона азот насосом снова подается в форсунки, при этом перекрывается соленоидный вентиль на трубопроводе подачи жидкого азота из емкости.

Зона выравнивания температур специально не охлаждается, но из-за близкого расположения зоны орошения в ней достигается температура –20…–60 °С. Время обработки пельменей в зонах: предварительного охлаждения – 60 с, штамповки – 10 с, орошения – 90 с, выравнивания температур – 30 с. Выравнивание температур продолжается 3…5 мин. Для уменьшения длины установки целесообразно зону выравнивания температур устанавливать под основной лентой конвейера (под зоной орошения).

Инженерные расчеты. Оценка затрат энергии на замораживание продукта до различных температур при использовании криопроцессов производится на основе величины холодильного коэффициента 

,

где Ф₀ – расход теплоты, отводимой от продукта при замораживании, кВт; N – затраты мощности на замораживание, кВт.

Расход теплоты Ф₀ (кВт), отводимой от продукта при замораживании от заданной начальной до заданной конечной температуры, равен

,

где m – масса продукта, кг; i – разность удельных энтальпий продукта при начальной и конечной температурах продукта, кДж/кг;  – продолжительность замораживания, с.

Продолжительность замораживания  рассчитывается по формуле Планка как

,

где  – коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К;  – коэффициент теплопроводности, Вт/мК;  – плотность продукта кг/м³;  – толщина продукта, м; – комплекс, зависящий от вида, размеров продукта и условий замораживания; Т_нз – температура начала замерзания, К; Т₀ – температура кипения хладагента, К.

Затраты мощности на замораживание N (кВт) рассчитывается в виде

,

где Т – температура окружающей среды, К.

…Какова бы ни была профессия молодого специалиста – рабочий ли он, инженер, педагог, агроном, врач, научный работник, - важно чтобы он был творческим человеком. Несмеянов Александр Николаевич (1899–1980) химик-органик, академик АН СССР