Камеры охлаждения представляют собой теплоизолированные помещения вместимостью I5...45 т. Средняя нагрузка на 1 м под­весного конвейера составляет 250 кг, а нагрузка на 1 м² площади пола камер - 200...250 кг мяса. В последнее время камеры проек­тируют шириной не более 6 м и длиной - не более 30 м. Высота камер равна строительной высоте этажа, а их ограждающие кон­струкции являются частью ограждающих конструкций холодиль­ника.

Туннели представляют собой теплоизолированные аппараты высотой до 4 м. Вместимость туннелей не превышает 12 т, как пра­вило, в них предусматривают не более трех подвесных путей дли­ной до 18 м.

Известны также камеры и туннели для охлаждения мяса в кон­тейнерах. При этом сначала мясные полутуши охлаждают (при более высокой температуре воздуха, чем при обычном охлаждении) до достижения среднеобъемной температуры мяса t= 12...20°C, при которой рекомендуется разделывать полутуши на отруба. Отруба размещают в контейнерах, а затем контейнеры загружают в камеры или туннели для доохлаждения. Вместимость камер охлаждения мя­са при загрузке контейнерами увеличивается почти в два раза.

Принципиальные схемы камер и туннелей (в разрезе) для ох­лаждения мясных полутуш показаны на рис. 3.1, принципиальные схемы аппаратов для охлаждения мясных продуктов на рис. 3.2. Помимо аппаратов, приведенных на рис. 3.2, для охлаждения мяс­ных продуктов воздухом применяют также туннели и аппараты конвейерного типа. При этом продукт охлаждают на движущемся конвейере, на котором размещены этажерки с продуктом, картонные коробки, штучные упакованные продукты, лотки, поддоны и т. п. Направление движения воздушных потоков в таких аппаратах за­висит от формы продуктов и способа их размещения на конвейере.

Оборудование для охлаждения пищевых жиров. Мягкое пище­вое жиросырье охлаждают в чанах (рис. 3-3, а), оборудованных на­сосом, охлаждающими батареями и оросительным устройством. Вода, подаваемая насосом в оросительное устройство, равномерно стекает вниз, охлаждается, соприкасаясь с охлаждающими батарея­ми, и поступает в чан. Температура воды, подаваемой в чан, под­держивается па уровне 1...2°С. Для ускорения охлаждения в чане предусматривают барботирование воды сжатым воздухом.

Животные пищевые жиры охлаждают после их вытопки в охладителях периодического и непрерывного действия. К охладителям периодического действия относятся аппараты емкостного типа, изго­товленные в виде вертикальных резервуаров (рис. 3.3, б), оборудо­ванных водяной рубашкой, лопастной мешалкой и пластинами. Ло­пастная мешалка установлена на планетарном валу, а пластины закреплены на центральном валу и предназначены для удаления с поверхности резервуара застывшего жира. В качестве хладоносителя применяют воду с температурой 10°С.

К охладителям непрерывного действия относятся тонкослойные поточные аппараты цилиндрического или пластинчатого типа.

4-1430

97

Для охлаждения жиров чаще применяют охладители цилиндри­ческого типа, состоящие из одного или нескольких цилиндров (рис. 3.3, в, г, д).

Рис. З.1. Схемы камер для охлаждения мясных полутуш:

а - с установкой воздухоохладителя в направляющем канале и с продольным движением воздушного потока; б - с установкой воздухоохладителя в направляющем канале и с по­перечным движением воздушного потока; в - с установкой воздухоохладителя в наплавля­ющем канале и с распределением воздуха через щели ложного потолка; г - с установкой напольных воздухоохладителей к межрядных радиационных батарей и с распределением воздуха через щели ложного потолка; д - с установкой подвесных воздухоохладителей; е - с установкой подвесных воздухоохладителей и межрядных радиационных батарей: ж - с установкой воздухоохладителя вне камеры и с распределением воздуха через круглые соп­ла цилиндрической или конической формы воздухораспределительных каналов; з - с уста­новкой воздухоохладителя вне камеры и с распределением воздуха через плоские сопла воздухораспределительных каналов: 1 - камера; 2 - верхний направляющий канал; 3 - воз­духоохладитель: 4 - осевой вентилятор: 5 - боковой направляющий канал; 6 - пространство ложного потолка; 7 —ложный потолок: 8 - напольный воздухоохладитель; 9 - круглое соп­ло цилиндрической формы. 10 - межрядная радиационная батарея: 11 - подвесной воздухо­охладитель; 12 - воздухораспределительный канал с круглыми соплами; 13 - круглое сопло конической формы: 14 - приточный воздуховод; 15 - центробежный вентилятор: 16 - возду­хораспределительный канал с плоскими соплами

Наиболее совершенны двух- и трехцилиндровые охладители с ножевым турбулизатором. Ножи - скребки ножевого турбулизатора, шарнирно закрепленные на вращающихся вытеснителях, скользя по поверхности цилиндров - охладителей, непрерывно снимают застыв­шие слон жира и перемешивают их с основным потоком жира, находящемся в кольцевом зазоре

98

Рис. 3.2. Схемы аппаратов для охлаждения мясных продуктов:

а - погружением в ванну с водой: б - орошением водой: о - орошением водой и обдувом воздушным потоком; г, д, е - обдувом воздушным потоком (с применением воздухоохладителя, оборудованного: г - направляющими патрубками, д - направляющими каналами с на­сечками, е - воздухораспределительными каналами): 1 - желоб; 2 - трубопровод подачи холодной воды; 1 - продукт; 4 - ванна; 5 - наклонный транспортер; 6 - лоток для подачи охлажденного продукта на упаковку; 7 - охлаждающая батарея; 8 - насос; 9 - трубопровод подачи рециркуляционной воды; 10 - коллектор с форсунками; 11 - конвейер с подвесками: 12 - корпус; 13 - осевой вентилятор: 14 - тележка с продуктом; 15 - подвесной воздухоохладитель; 16 - направляющие патрубки; 11 - направляющий канал: 18 - направляющие насеч­ки; 19 -подвесная рама с продуктом; 20 - воздухораспределительный канал; 11 - перфорированный воздухораспределитель.

4*

аппарата. Аппараты характеризуют­ся интенсивным теплообменом и незначительным расходом энергии на перемещение жира через охладитель. При частоте вращения ва­ла 400...600 об/мин коэффициент теплопередачи этих аппаратов

а) б) в)

Рис. 3.3. Схемы аппаратов для охлаждения пищевого жиросырья и жиров:

а - чан с оросительным устройством: б - вертикальный резервуар с охлаждающей рубашкой и мешалкой: в - одноцилиндровый охладитель с лопастным турбулизатором; г - одноцилинд­ровый охладитель с ножевым турбулизатором; д - трехцилиндровый охладитель с ножевым турбулизатором: е - охладитель смешанного типа; 1 - оросительное устройство: 2 - охлаждающие батареи; 3 - чан; 4 - насос для воды; 5 -резервуар; 6 - охлаждающая рубашка: 7 - мешалка; 8 - цилиндр с охлаждающей рубашкой и тепловой изоляцией; 9 - лопастной турбулизатор; 10 - застывший слоя жира; 11 - ножевой (скребковый) турбулизатор; 12 - нож: 13 - охлаждающая рубашка со спиральными вставками; 14 - трубопровод для подачи охлажденной воды; 16 - корпус: 16, 20 - насос для жира; 17 - охладитель змеевикового ти­па; 18 - охладители с ножевым турбулизатором: 19 - пластификатор

составляет700..750 Вт/(м²·К), в то время как коэффициент тепло­передачи аппаратов с лопастным турбулизатором не превышает 600 Вт/(м²·К), при этом расход энергии в 1,5...2 раза меньше, чем у аппаратов с лопастным турбулизатором. Для охлаждения жиров применяют также охладители смешанного типа, в которых осущест­вляют двух - или трехстадийную обработку продукта. В таких аппа­ратах предварительное охлаждение жира предусматривают в охла­дителе змеевикового типа, а затем его обрабатывают в охладителе-пластификаторе цилиндрического типа в одну или две стадии (рис.3.3, е).

Оборудование для охлаждения молока и других жидких про­дуктов. Молоко охлаждают в охладителях погружного типа, а также в аппаратах емкостного, оросительного и пластинчатого типа.

100

Охладители погружного типа представляют собой бассейны, запол­ненные охлаждающей жидкостью (вода, рассол) или смесью охлаж­дающей жидкости со льдом, в которые устанавливают фляги и дру­гие емкости с молоком. Охладители характеризуются большими размерами в связи с отсутствием принудительной циркуляции ох­лаждающей жидкости. Более совершенными охладителями явля­ются аппараты емкостного типа, оборудованные охлаждающей рубашкой и мешалкой. В качестве аппаратов емкостного типа при­меняют ванны-охладители и резервуары различной конструкции. Наиболее распространенная конструкция ванны-охладителя, обо­рудованной встроенной холодильной машиной, приведена на рис. 3.4, а, а резервуара - на рис. 3.4, б. Кроме того, применяют ванны-охладители, не имеющие встроенной холодильной машины. Ледя­ная вода в охлаждающую рубашку таких аппаратов поступает от испарителя центральной холодильной установки предприятия.

Аппараты оросительного типа (рис. 3.4, в) имеют несколько вертикально установленных секции, наружная поверхность кото­рых орошается охлаждаемым продуктом. В секции подают охлаж­денную воду и рассол. Толщина пленки подаваемого продукта ре­гулируется с помощью оросительного устройства. Продолжитель­ность охлаждения в этих аппаратах невелика, но существуют потерн массы продукта, возникающие вследствие частичного испарения влаги при контакте продукта с окружающим возду­хом.

Аппараты пластинчатого типа применяют в качестве охладите­лей, очистительно-охладительных и пастеризационно-охладительных установок. Пластинчатые охладители могут иметь одну, две и три секции охлаждения.

В односекционном охладителе в качестве хладоносителя приме­няют рассол (охлаждение воды, пивного сусла, вина и др.).

В двухсекционном охладителе применяют ледяную воду и рас­сол (охлаждение молока, предназначенного для производства кис­ломолочных продуктов и сыра, смесей мороженого, творога, пива и других продуктов).

В трехсекционных охладителях применяют воду с температурой 10°С на первой стадии, 2°С на второй стадии, на третьей стадии ох­лаждения - рассол и хладон с температурой кипения -5°С (охла­ждение парного молока с температурой t_нач=35°С, молока и соков после их пастеризации при начальной температуре t_нач = 76°С).

Многосекционные аппараты пластинчатого типа, имеющие более трех секций, предназначены для тепловой и холодильной обработки жидких пищевых продуктов (пастеризационно-охладительные уста­новки).

Схема двухсекционного охладителя пластинчатого типа показа­на на рис. 3, г. Секции охлаждения набираются из пакетов, соеди­ненных в группы однотипных теплообменных пластин. Благодаря рифленой поверхности теплообменных пластин коэффициенты теплопередачи при охлаждении молока достигают

101

3500...4500 Вт/(м²·К) и в 2...3 раза превышают коэффициенты теплопередачи аппаратов другого типа.

17 18 19

Рис. 3.4. Схемы аппаратов для охлаждения молока, молочных и других жидких или вязких пищевых продуктов:

а - ванна-охладитель, оборудованная охлаждающей рубашкой и холодильной машиной; б - вертикальный peзервуаp, оборудованный охлаждающей рубашкой и оросительным устройст­вом: в - аппарат оросительного типа; г - двухсекционный охладитель пластинчатого типа; д - одноцилиндровый охладитель: с - двухцилиндровый охладитель; ж - трубчатый охлади­тель: 1 - мешалка; 2 - корпус с водяной рубашкой: 3 - тепловая изоляция: 4 - холодильная машина: 6 - насос: 6 - испаритель; 7 - оросительное устройство; 8 - распределительный ло­ток; 9 - верхняя секция охлаждения; 10 - нижняя секция охлаждения: 11 - желоб: 12 - емкость для охлажденного творога: 13 - нож: 14 - вращающийся валик; 15 - бункер: 16, 17 - цилиндр с рассольной рубашкой: 18 - разгрузочный шнек: 19 - вращающийся вытеснительный барабан; 20 - питательный шнек; 21 - патрубок для подачи творога; 32 - цилиндр с тепловой изоляцией; 23, 25 - патрубки для входа и выхода воды: 21 - патрубки для выхода охлажденного творога

При охлаждении вязких смесей (смесей мороженого - сливочных, сливочно -шоколадных, шоколадного пломбира) коэффициент теплопередачи для секции водяного охлаждения в среднем составляет 230...460 Вт/(м²·К), а для секции рассольного охлаждения - 115...230 Вт/(м²·К). Кро­ме того, узкие каналы между теплообменными пластинами позво­ляют проводить охлаждение жидких продуктов в тонком слое при интенсивном движении продукта и хладоносителя (до 1 м/с) и при малых температурных напорах (до 1,5...2°С). Аппараты пластинча­того типа компактны и характеризуются наименьшей металлоемко­стью, поэтому получили наибольшее распространение для охлаж­дения жидких пищевых продуктов.

102

Для охлаждения сливок, изготовляемых как готовый к употреб­лению продукт, применяют те же аппараты, что и для охлаждения молока, а также аппараты цилиндрического типа (рис. 3.3, д).

Для охлаждения сливок, предназначенных для производства масла, применяют сливкосозревательные ванны и резервуары вер­тикального типа. Сливкосозревательная ванна представляет собой горизонтальный полуцилиндр с крышкой, оборудованной охлажда­ющей рубашкой. Ванна снабжена мешалкой качающегося типа, из­готовленной из труб, по которым циркулирует рассол. Сливкосозревательный резервуар по конструкции подобен резервуару, схема которого приведена на рис. 3.4, б.

Для охлаждения творога применяют аппараты цилиндрическо­го и трубчатого типа (рис. 3.4, д, е, ж). Творог охлаждают от на­чальной температуры t_нач=30..32°C до конечной t_кон=8...12°С. Для охлаждения творога в линиях поточного производства приме­няют пластинчатые охладители, аналогичные пластинчатым охла­дителям для молока и отличающиеся только формой и размерами теплообменных пластин. Зазор между пластинами для прохода творога увеличен до 6 мм, в то время как для охладителей молока он равен 2...2,5 мм.

Для охлаждения сгущенных молочных продуктов применяют ванны-кристаллизаторы и вакуум-кристаллизаторы. В ваннах-крис­таллизаторах охлаждение проводят от t_нач= 50...52°С до температу­ры t₁= 30...32⁰С. Затем добавляют тонкоизмельченную лактозу и вы­держивают при температуре t₁ в течение 40...50 мин. За этот период происходит процесс кристаллизации. После кристаллизации про­дукт охлаждают до температуры t_кон=18°С. При первой и второй стадиях охлаждения (а также при кристаллизации) непрерывно работает мешалка.

Аппараты характеризуются относительно незначительными ко­эффициентами теплопередачи [К=120...150 Вт/(м²·К)] из-за высо­кой вязкости обрабатываемых продуктов. При относительно боль­ших диаметрах ванноохладителей (обычно 1100...1200 мм) интен­сивно охлаждается только слой продукта, расположенный вблизи охлаждающей рубашки.

В вакуум-кристаллизаторах продукт равномерно охлаждается по всему объему в результате применения разреженной среды и не­прерывной работы охлаждающей мешалки. Охлаждение проводят в три стадии с двумя промежуточными выдержками при температу­ре t₁=32°С и t₂ = 27,5°С с целью равномерной кристаллизации ох­лаждаемого продукта. Коэффициент теплопередачи таких аппаратов 1,3... 1,5 раза выше коэффициента теплопередачи ванн-кристалли­заторов.

Упакованные молочные продукты охлаждают в воздушной среде в камерах, оборудованных охлаждающими приборами и системой воздухораспределения.

Оборудование для охлаждения рыбы. Для охлаждения рыбы водой применяют цистерны, бункера и рыбоохладители - аккумуляторы. При охлаждении рыбы в цистернах сначала охлаждают воду с помощью рассольных батарей.

103

Для ускорения охлаждения воды применяют барботеры, через которые подают сжатый воздух. Барботирование ускоряет охлаждение воды примерно в 1,5 раза. После охлаждения воды цистерны загружают рыбой, начальная темпера­тура которой в среднем составляет 25°С. При этом температура воды повышается на 6...8°С. С целью понижения температуры воды осуществляют ее непрерывную циркуляцию с помощью насоса и дополнительной цистерны меньшей вместимости, играющей роль резервуара для подохлаждения

в оды. Охлажденная вода из дополнительной

цистерны насосом подается в цистерну с рыбой (рабочая цистерна), где отни­мает теплоту от охлаждаемой рыбы, а затем охлаждается с помощью рассоль­ных батарей рабочей и дополнительной цистерн.

При охлаждении рыбы в бункерах применяют охлажденную воду и лед. Рыбу обрабатывают в приемном бункере и в бункере-аккумуляторе. В приемном бункере - осуществляют предварительное охлаждение рыбы льдоводяной смесью. Охлажденная вода в при­емный бункер подается из бункера-

Рис. 3.5. Схема рыбоохлади­теля- ак­кумулятора. После предварительного ох-

аккумулятора: лаждения рыбу направляют на сортировку и

1 — корпус; 2 — транспортер; дальнейшую обработку.

3 —охлаждающие трубы; 4 — Бункер-аккумулятор предусматрива­ют для

перфорированные трубопроводы охлаждения и кратковременного хранения

разделанной ры­бы, т. е. подготовленной к последующей обработке (заморажива­нию или консервированию). Охлаждение производится ледяной водой температурой 1…2°С, получаемой в водоохладителе, обору­дованном рассольными или хладоновыми батареями.

Рыбоохладители-аккумуляторы предназначены для охлаждения рыбы путем контакта с охлажденной поверхностью труб и конвей­ера, а также путем орошения водой.

Схема рыбоохладителя-аккумулятора показана на рис. 3.5. Ап­парат состоит из теплоизолированного корпуса, в котором установ­лены транспортеры, размещенные друг под другом. Рыба поступает на верхний транспортер и последовательно проходит сверху вниз все транспортеры, передвигаясь в каждом последующем транспор­тере в противоположную сторону. Охлажденный продукт выгружа­ется через нижний люк. На нечетных транспортерах продукт ох­лаждается с помощью труб, в которых циркулирует хладоноситель (контактный способ охлаждения). На четных транспортерах про­дукт охлаждается путем орошения его охлажденной водой, пода­ваемой из оросителей. В нижней части рыбоохладителя установлен поддон для сбора воды. Отрабовшая вода поступает в фильтр, а затем насосом

104

подается на охлаждение до заданной температуры и повторное использование.

При охлаждении рыбы льдом применяют баки и ванны. В ука­занных емкостях рыбу послойно пересыпают мелкодробленым или чешуйчатым льдом.

Для охлаждения в воздушной среде копченой рыбы, а также рыбных кулинарных изделий применяют камеры и аппараты, обо­рудованные приборами охлаждения и системой воздухораспределения. По устройству они аналогичны камерам и аппаратам, схемы которых показаны на рис. 3.1 и 3.2.

Для охлаждения рыбы применяют также вакуумные рыбоохладители. Вакуумный рыбоохладитель состоит из герметичной каме­ры, вакуум-насоса, а также батарей для конденсации водяных па­ров. Противни с рыбой размещают на этажерках. После загрузки этажерок и закрывания крышки камеры включают вакуум-насос, с помощью которого в аппарате поддерживается давление 540... 600 Па. При пониженном давлении происходит интенсивное испа­рение влаги с поверхности продукта, в результате чего понижается его температура. Образовавшийся пар оседает на поверхности охлаждающих батарей, конденсируется, а затем удаляется через отводной трубопровод.

Оборудование для охлаждения плодов и овощей. Для охлажде­ния плодов и овощей в воздушной среде применяют камеры и ап­параты, изотермические вагоны, вагоны-холодильники и авторе­фрижераторы.

Камеры, специально предназначенные для охлаждения плодов и овощей, обычно предусматривают только на производственно-за­готовительных холодильниках. После окончания периода заготовки эти камеры используют для хранения плодов, а также в качестве помещений для сортировки грузов после хранения перед отгрузкой их в торговую сеть. На холодильниках для хранения фруктов и овощей (фрукто - и овощехранилища, плодоовощные и продоволь­ственные базы) предусматривают камеры хранения, в которых про­водят охлаждение и хранение продуктов, хотя желательно указан­ные процессы проводить в отдельных камерах. Камеры оборудуют воздухораспределительными каналами или выполняют без каналов. При этом применяют батарейную, панельную и воздушную систему охлаждения.

Для охлаждения плодов и овощей в воздушной среде применя­ют также аппараты конвейерного типа. Такие аппараты по конст­рукции аналогичны флюидизационным аппаратам для заморажи­вания плодов и овощей. Аппараты оборудуют хладоновой системой охлаждения с температурой кипения не ниже —10°С. Продукт, по­ступающий на обработку, вибрационным питателем подают на кон­вейер, а затем на флюидизационное сито, где он охлаждается в те­чение нескольких минут, при этом его конечная температура равна 1°С.

В последнее время начинают находить практическое применение камеры охлаждения и хранения фруктов с регулируемой газовой средой, описание которых приведено в 3.4 «Хранение пище­вых продуктов».

105

Некоторые овощи, преимущественно зелень, охлаждают водой, снегом или льдом. При охлаждении растительных продуктов при­меняют ледяную воду температурой 2°С. Плоды и овощи в ящиках, корзинах или россыпью помещают на конвейер. Воду подают из оросителей, предварительно ее охлаждают с помощью водоохладителя. Разбрызгиваемая вода равномерно орошает продукты, пере­двигающиеся на сетчатом транспортере. Длину транспортера и скорость его движения выбирают таким образом, чтобы конечная температура охлаждаемых продуктов была равна t_кон=3...4°С. В среднем расход воды составляет 2 м³ на 1 т продукта.

При охлаждении овощей снегом или льдом применяют установ­ки, в состав которых входит снеговальный агрегат или ледогенератор чешуйчатого льда, бункер с шибером для подачи снега или льда и роликовый конвейер, по которому ящики с продуктом по­ступают к бункеру, откуда с помощью шибера в ящики с овощами засыпается лёд или снег в количестве 40% от массы овощей. За­тем ящики по конвейеру подаются для погрузки в транспорт.

Методы расчета. Продолжительность охлаждения зависит от вида и параметров охлаждающей среды, а также от размеров и теплофизических характеристик охлаждаемых продуктов. Наиболь­шей продолжительностью характеризуются процессы охлаждения продуктов в воздушной среде, наименьшей — процессы вакуумного охлаждения.

Продолжительность охлаждения продуктов, имеющих правиль­ную геометрическую форму или близкую к ней, можно определить с помощью номограмм, выражающих зависимость безразмерной температуры Θ от критериев Био и Фурье для середины пластины, оси цилиндра и центра шара.

Безразмерная температура

Θ=(t_кон - t_c )/(t_нач - t_c)

где t_нач, t_кон — среднеобъемная температура продукта до и после охлаждения, ⁰С; t_с — температура охлаждающей среды, °С.

Критерий Био, характеризующий эффективность теплообмена между поверхностью продукта и охлаждающей средой, рассчиты­вают по уравнению

Bi=αl/λ_пр

где α — коэффициент теплоотдачи от охлаждающей среды к по­верхности продукта, Вт/(м²·К); λ_пр — коэффициент теплопровод­ности продукта, Вт/(м·К); l— половика определяющего разме­ра, м.

Зная относительную температуру Θ и критерий Вi, по номограм­ме (рис. 3.6, а - в) определяют значение критерия Fо. По найден­ному значению Fо определяют продолжительность охлаждения

Τ=Fol²/α_пр,

106

Рис. 3.6, а. Номограмма для определения продолжительности охлаждения пла­стины

Рис. 3.6, б. Номограмма для определения продолжительности охлаждения цилиндра

где τ —продолжительность охлаждения, с; α_пр — коэффициент тем­пературопроводности продукта, м²/с

Коэффициент теплопроводности λ_пр и коэффициент температу­ропроводности α_пр определяют из таблиц теплофизических характеристик продуктов, а коэффициент теплоотдачи α определяют как сумму коэффициентов, учитывающих теплообмен конвекцией, испа­рением и радиацией.

При охлаждении продуктов воздухом в в жидких средах отвод теплоты от продуктов осуществляется, в основном, конвекцией.

0 1 2 3 5 10 15 F₀

Рис. 3.6, в. Номограмма для определения продолжительности охлаждения шара

Отводом теплоты радиацией пренебрегают ввиду его незначительно­сти.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией определяют из критери­альных зависимостей или уравнений, учитывающих зависимость α_к от скорости движения охлаждающей среды.

При охлаждении продуктов воздухом коэффициент теплоотда­чи конвекцией ориентировочно можно определить по формуле Юргеса

α_к=6,16 + 4,19ω (3.1а)

или по формуле

α_к=8,5 ω^0,7 (3.1б)

где ω —средняя скорость движения воздуха в зоне размещения продукта, м/с.

При охлаждении мясных полутуш воздушными струями, на­правленными сверху вниз, коэффициент теплоотдачи конвекцией можно определить из критериальной зависимости

Nu=0,33Re^0,58 ,

где Nu —критерий Нуссельта (Nu = α_кδ/λ_в ); δ -толщина бедрен­ной части полутуши, м; λ_в - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·К);

108

Re — критерий Рейнольдса (Re = ωδ/ν_в); ν_в - кине­матическая вязкость воздуха, м²/с.

При охлаждении продуктов воздухом необходимо учитывать, что часть теплоты отводится вследствие испарения влаги с их по­верхности, т. е. конвективный теплообмен сочетается с испаритель­ным, причем теплота, отводимая вследствие испарения влаги, мо­жет составлять до 50% от общего количества теплоты в зависимо­сти от температуры воздуха и свойств охлаждаемых продуктов.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, учитывающий испаре­ние влаги с поверхности продуктов, определяют по формуле

α_ик= α_к (З.1в)

где α_ик - коэффициент теплоотдачи, учитывающий конвективный и испарительный теплообмен, Вт/(м²·К); i_п - энтальпия насыщенно­го водяного пара, находящегося на поверхности продукта и имею­щего температуру t_п, кДж/кг; i_в - энтальпия воздуха при задан­ных температуре и относительной влажности, кДж/кг; t_n — темпе­ратура насыщенного водяного пара, находящегося на поверхности продукта, равная средней температуре поверхности, °C; t_м — темпе­ратура воздуха по мокрому термометру при заданной температуре и относительной влажности, °С; с_в - удельная теплоемкость возду­ха, кДж/(кг·К).

Испарение влаги с поверхности продуктов значительно умень­шается при наличии на поверхности естественного защитного слоя (кожного покрова у тушек птицы, жировой ткани у свиных полу­туш, покровного слоя у картофеля, плодов и овощей, чешуи у ры­бы, корочки подсыхания у говяжьих полутуш др.). Для сравне­ния ниже приведены зависимости α_ик при обработке влагосодержащих продуктов, не имеющих защитного покрова и не образую­щих корочки подсыхания в процессе охлаждения, и мясных полу­туш:

при охлаждении влагосодержащих продуктов

α_ик = 13,3 + 6,67ω (З.1г)

при охлаждении мясных полутуш

α_ик =ll + 4,9ω (3.1д)

Зависимость (3.1д) действительна в случае охлаждения мяса от t_нач = 30°С до t_кон =3⁰С при температуре воздуха t_в = 0°С и отно­сительной влажности φ_в = 90%. Зависимость учитывает, что в на­чальной стадии охлаждения испарение влаги происходит как с обычной влажной поверхности, а затем, после образования короч­ки подсыхания, оно значительно уменьшается.

Охлаждение продуктов воздухом с использованием флюидизации характеризуется увеличением коэффициента теплоотдачи и по­верхности теплообмена (коэффициент теплоотдачи для одних и тех же продуктов увеличивается в 3...4 раза по сравнению с коэффи­циентом теплоотдачи при движении воздушного потока над слоем продукта).

109

Это объясняется тем, что при проникании воздуха через слой продукта его скорость у поверхности продукта значительно больше скорости движения в свободном пространстве.

При охлаждении продуктов воздухом с использованием флюидизации коэффициент теплоотдачи конвекцией рассчитывается с учетом средних параметров воздуха в слое продукта:

α_к = λ_в.ср Nu/d ,

где λ_в.ср - коэффициент теплопроводности воздуха для средних ус­ловий в слое продукта, Вт/(м·К); d — диаметр (или равновесный диаметр) частиц продукта, м.

При определении Nu для взвешенного слоя рекомендуют следу­ющие формулы:

Nu = 0,62 Re^0,3 при 150<Re<30 000;

Nu=0,032 Re^0,9 при 200<Re<10000.

Определяя критерий Рейнольдса, учитывают скорость движения воздуха над ситом, при этом коэффициент теплоотдачи испарением рассчитывают с учетом α_к:

α_и = α_к 1500 ,

где α_и - коэффициент теплоотдачи испарением, Вт/ (м²·К); Δp_ср.л - средняя логарифмическая разность парциальных давле­ний водяного пара, находящегося на поверхности продукта и в воз­духе, Па; Δt_ср.л.п - средняя логарифмическая разность температур поверхности продукта и воздуха, °С.

Средняя логарифмическая разность парциальных давлений

Δp_ср.л= ,

где Δp₁, Δp₂ — разность парциальных давлений водяного пара, оп­ределяемая по уравнениям Δp₁=p_п – р_в1; Δp₂=p_п – р_в2, где p_п - парциальное давление насыщенного водяного пара, нахо­дящегося на поверхности продукта, Па (определяется по средней температуре поверхности t_п); р_в1, р_в2 - парциальное давление во­дяного пара в воздухе под ситом и над слоем продукта, Па.

Средняя логарифмическая разность температур поверхности продукта и воздуха

Δt_ср.л.п= ,

где Δt₁,Δt₂ — разность температур, определяемая по уравнениям:

Δt₁=t_п – t_в1; Δt₂=t_п – t_в2

где t_п - средняя температура поверхности продукта, °С; t_в1, t_в2 средняя температура воздуха под ситом и над слоем продукта, °С

110

При небольшой толщине насыпного слоя продукта и разности температур воздуха t_в2 - t_в1 не превышающей 6°С, можно учиты­вать среднюю арифметическую разность температур по формуле

Δt_ср.п=t_п – (t_в1 + t_в2)/2.

При охлаждении продуктов путем погружения их в воду или рассол коэффициент теплоотдачи можно найти с помощью крите­риального уравнения

Nu = O,023Re^0,8Pr^0,43,

где Re - критерий Рейнольдса для условий охлаждения продук­тов в воде или рассоле; Рr - критерий Прандтля, Pr =ν_ω/а_ω — кинематическая вязкость воды или рассола, м²/с; а_ω — коэффици­ент температуропроводности воды или рассола, м²/с.

Критерий Рейнольдса

Re=ω_ωd_э/ ν_{ω ,}

где ω_ω - скорость движения воды или рассола, м/с; d_э - эквива­лентный диаметр продукта, м.

При вакуумном охлаждении продуктов коэффициент теплоотда­чи ориентировочно определяют по формуле

α_и= (3.2)

Ниже приведена формула для определения продолжительности охлаждения продуктов правильной геометрической формы:

τ=А_{ф ,}

где А_ф - эмпирический коэффициент, учитывающий форму продук­та А_ф=1 для продуктов в виде пластин; А_ф =0,5 для продуктов в виде цилиндров; А_ф =0,33 для продуктов в виде шара).

Если известен темп охлаждения, то продолжительность про­цесса

τ= ,

где m - темп охлаждения, с^-1; t — текущая температура продукта, °С; τ' — продолжительность стадии неупорядоченного режима ох­лаждения, с.

Темп охлаждения зависит от формы, размеров и теплофизичес­ких характеристик охлаждаемых продуктов, а также от коэффици­ента теплоотдачи. Его определяют опытным путем или рассчитыва­ют по эмпирическим уравнениям. Продолжительность стадии не­упорядоченного режима охлаждения τ' учитывает начальное рас­пределение температуры в продуктах, зависит от тех же парамет­ров, что и темп охлаждения, и определяется также опытным путем или по эмпирическим уравнениям. Для большинства продуктов продолжительность τ' незначительна и

111

поэтому в расчетах не учи­тывается. Например, при охлаждении ягод и косточковых плодов τ' не превышает 0,03 мин.

Количество теплоты, отводимой от продуктов при их охлажде­нии от начальной температуры t_нaч до конечной заданной t_кон, оп­ределяют с учетом разности температур или разности энтальпий по формуле (2.1) или (2.2).

При охлаждении растительных продуктов необходимо учиты­вать теплоту дыхания

Q_пp=G_пр (i_нач - i_кон) + q _дG_прτ·10^-3,

где Q_np — количество теплоты, отводимой от продукта при его ох­лаждении, кДж; G_пр — масса продукта, кг; i_нач, i_кон - энтальпия продукта при начальной и конечной температуре, кДж/кг; q _д - удельная теплота дыхания, Вт/кг.

Если отвод теплоты от продукта осуществляется конвекцией, то расчет выполняют с помощью формулы (2.7).

Если конвективный теплообмен сочетается с теплообменом ис­парения, то количество отводимой теплоты

Q_пр=Q_к + Q_и=α_кF_пр(t_п-t_c)τ·10^-3 + W_прr_п ,

где Q_и - количество теплоты, отводимой испарением, кДж; F_np - площадь поверхности продукта, соприкасающаяся с охлаждающей средой, м²; Q_K - количество теплоты, отводимой конвекцией, кДж; W_пр - количество влаги, испарившейся с поверхности продукта, кг; r_п — скрытая теплота парообразования, кДж/кг.

Количество влаги W_пр, испарившейся с поверхности продуктов при охлаждении их воздухом, определяют с учетом коэффициента массообмена:

W_пр=α_mε_FF_пр(p_пε_н – p_в)τ (3.3)

где а_т - коэффициент массообмена, кг/(м²·с·Па); ε_{F -} коэффи­циент, учитывающий площадь поверхности массообмена; ε_н - по­правочный коэффициент к насыщающей упругости водяного пара, учитывающий вид поверхности (для мяса

ε_н= 0,66).

Количество влаги W_пр можно также найти, учитывая коэффици­ент теплоотдачи испарением:

W_пр= . (3.4)

При вакуумном охлаждении теплота от продуктов отводится ис­парением, при этом Q_пр определяется по формуле

Q_пр= Q_и= G_прс_пр(t_нач - t_кон) ,

где с_пр — удельная теплоемкость продукта, кДж/ (кг·К).

Количество теплоты Q_пр учитывают при определении тепловой нагрузки на компрессор и охлаждающие приборы. При охлажде­нии продуктов в воздушной среде и вакууме дополнительно определяют влажностную нагрузку на охлаждающие приборы, расчет которой выполняют с учетом количества влаги W_пр.

112

Определяя тепловую нагрузку, вначале рассчитывают теплоприток от продукта. Если разность температур охлаждаемого продук­та незначительна, то теплоприток определяют как среднее коли­чество теплоты, отводимой в единицу времени:

Q_nPo= Q_пр/τ= G_прс_пр(t_нач - t_кон) /τ (3.5)

где Q_nPo —, теплоприток от продукта, кВт.

Если разность температур охлаждаемого продукта значительна, например, при охлаждении парного мяса (t_нач = 35...37°С; t_кон = 0...4°С), то теплоприток от продукта определяют с учетом изме­нения его температуры во времени. Для мясных полутуш измене­ние температуры учитывают с помощью уравнения

t_кон=t_в+( t_нач - t_в)е^Аτ/Ф ,

где А - показатель экспоненты, определяемый по формуле

А= ,

где с_пр — удельная теплоемкость продукта, Дж/(кг·К); Ф — фактор формы, учитывающий отличие формы продукта от пластины.

После подстановки t_кон в уравнение (3.5) получаем

Q_nPo= (3.5а)

Подставляя в уравнение (3.5а) вместо τ значения τ', τ" и т. д., характеризующие продолжительность отдельных стадий охлажде­ния (или характеризующие равные промежутки времени), опреде­ляют значения теплопритока Q'_nPo, Q’'_nPo и т. д., учитывающие среднее количество теплоты, отводимой в единицу времени на соот­ветствующих стадиях. Полученные значения дают возможность оп­ределить характер изменения Q_nPo в процессе охлаждения и мак­симальное значение теплопритока, что позволяет более правильно подобрать компрессор и охлаждающие приборы.

Теплоприток Q_nPo является основной составляющей теплового баланса камеры или аппарата для охлаждения продуктов. Тепло­вую нагрузку на охлаждающие приборы определяют по итоговому результату теплового баланса, учитывающего теплопритоки от про­дукта, через ограждающие конструкции и эксплуатационные теплопритоки:

Q_o= Q_np₀ + Q_огр+Q_{экс ,}

где Q_o - тепловая нагрузка на охлаждающие приборы, кВт; Q_oгp - теплопритоки через ограждающие конструкции, кВт; Q_экс - экс­плуатационные теплопритоки (от электродвигателей вентиляторов, конвейеров и аппаратов, при открывании дверей и др.), кВт. По тепловой нагрузке определяют площадь поверхности охлаждаю­щих приборов

113

F_охл= ,

где F_охл - площадь поверхности, м²; k - коэффициент теплопере­дачи, Вт/(м²·К); Δt_ср.л - средняя логарифмическая разность тем­ператур между теплопередающими средами, °С.

По тепловой нагрузке Q_o рассчитывают необходимое количество охлаждающей среды.

При охлаждении продуктов воздухом его количество определя­ют по разности энтальпий:

G_в= Q_o-( i_в1 - i_в2)

где G_B — количество циркулирующего воздуха, кг/с; i_в1, i_в2 - эн­тальпия воздуха соответственно на входе и выходе из воздухоохла­дителя, кДж/кг.

При охлаждении продуктов в жидких средах (погружением с применением принудительной циркуляции и орошением) количест­во охлаждающей среды определяют с учетом разности ее темпера­тур:

G_w= ,

где G_w - количество охлаждающей среды, необходимой для обра­ботки продуктов путем погружения или орошения, кг/с; c_w - удельная теплоемкость охлаждающей среды, кДж/(кг·К); t_ω1, t_ω2 - температура охлаждающей среды до и после охлаждения, °С. При испарительном охлаждении продуктов водой ее количество определяют с учетом скрытой теплоты парообразования:

G_ωисп= Q_o/r_п ,

где G_ωисп - количество воды, необходимой при испарительном ох­лаждении, кг/с.

При охлаждении продуктов льдом его количество рассчитывают с учетом скрытой теплоты плавления льда:

G_л= Q_oτ/r_л ,

где G_л — необходимое количество льда, кг; r_л — скрытая теплота плавления льда, кДж/кг.

При определении влажностной нагрузки на охлаждающие при­боры рассчитывают влагоприток от продукта. Его рассчитывают как среднее количество влаги, отводимой в единицу времени, если охлаждают продукты, характеризующиеся незначительным испаре­нием влаги с их поверхности (например, карамель):

W_np0=W_пр/τ, (3.6)

где W_np0 - влагоприток от продукта, кг/с.

114

Если охлаждают продукты, характеризующиеся интенсивным испарением влаги в начальной стадии охлаждения (например, пар­ные полутуши), то влагоприток определяют с учетом изменения потерь массы продукта во времени. При известном изменении по­терь влагоприток определяют по формуле

W_np0= (3.6а)

где ΔG_нач - потери массы продукта в начальный момент времени, кг.

Если изменения потерь массы не известны, то неравномерность поступлений влаги от продукта определяют с учетом коэффициен­та m_w:

W_np0=W_npm_w/τ, (3.6б)

где m_w—-коэффициент, учитывающий неравномерность потерь мас­сы продукта.

Влагоприток W_nPe является основной составляющей влажностного баланса камеры или аппарата для охлаждения продуктов. Влажностную нагрузку на охлаждающие приборы определяют по итоговому результату влажностного баланса:

W_o= W_np0 + W_экс ,

где W_o - влажностная нагрузка на охлаждающие приборы, кг/с; W_экс - эксплуатационные влагопритоки (через щели и проемы в ограждающих конструкциях, при открывании дверей и др.), кг/с.

После определения влажностной нагрузки W_o выполняют расчет тепловлажностной характеристики и коэффициента влаговыпадения.

Тепловлажностную характеристику процесса охлаждения про­дуктов воздухом определяют через отношение количества теплоты и влаги, отводимых за весь период охлаждения, или через отноше­ние тепловой нагрузки к влажностной:

ε_охл=Q_охл/W_охл=Q_o/Wo,

где ε_охл - тепловлажностная характеристика процесса охлажде­ния продуктов воздухом, показывающая, какое количество отводи­мой теплоты приходится на 1 кг испарившейся влаги, кДж/кг; Q_охл - количество теплоты, отводимой за весь период охлаждения, кДж; Q_охл = Q_oτ; W_охл - количество влаги, отводимой за весь пе­риод охлаждения, кг; W_охл = W_oτ.

Тепловлажностная характеристика ε_охл находится в следующей зависимости от коэффициента влаговыпадения:

ξ= ,

где ξ — коэффициент влаговыпадения (энтальпийный коэффициент), характеризующий, во сколько раз полная теплота, отводимая при охлаждении, превышает явную; Q_я — количество явной тепло­ты кДж; Q_с — количество скрытой теплоты, кДж.

115

Коэффициенты ε_охл и ξ позволяют сравнивать относительную величину поступлений влаги при охлаждении различных продук­тов воздухом Чем больше значения ε_охл и меньше значения ξ, тем меньшее количество влаги поступает от охлаждаемых продуктов и следовательно, меньше потери их массы.

Относительные потери массы продуктов (усушку) определяют по формуле

ΔG= ,

где G - относительные потери массы (усушка), %.

Если усушка продукта известна, то из последнего уравнения оп­ределяют количество влаги W_пр, испарившейся с поверхности про­дукта за весь период охлаждения (общие потери массы в кг).

3.3. Замораживание пищевых продуктов

Процесс замораживания осуществляется с использованием различных составляющих теплообмена (см. табл. 3.1). В связи с этим ниже изложены принципы технического решения и методы расчета оборудования в порядке, предусмотренном классификацией.

Замораживание с использованием конвективного теплообмена в воздушной среде. Воздух оказался универсальной промежуточной неагрессивной средой для отвода теплоты от продукта. При прину­дительном движении и низких температурах среды обеспечивается необходимая скорость замораживания. Эта среда получила наи­большее распространение. Замораживание производят в устройст­вах камерного типа или в воздушных скороморозильных аппаратах.

Устройства камерного типа. Морозильные устрой­ства камерного типа применяются в мясной промышленности для замораживания мяса в тушах, полутушах, четвертинах (в рыбной для крупных рыб). В зависимости от организации технологического процесса камеры предназначают для одно- и двухфазного замора­живания мяса. Камеры первого типа предназначены для замора­живания мяса в виде туш, полутуш и четвертин немедленно после убоя и первичной обработки скота, т. е. когда мясо находится в парном состоянии. В камеры двухфазного замораживания направ­ляются туши предварительно охлажденного мяса.

Камеры однофазного замораживания отличаются от камер двухфазного замораживания большей тепловой нагрузкой, что тре­бует большей площади поверхности охлаждающих приборов.

Камеры конструктивно изготовляются тупиковыми (мясо загру­жается и выгружается через общий дверной проем) и проходными (загрузка и выгрузка осуществляется через разные дверные проемы, располагаемые обычно в торцах камеры). Мясо для заморажи­вания располагают на подвесных путях или в стоечных поддонах.

116

Оборудование с естественным конвективным теплообменом. На действующих предприятиях старой постройки осуществляют замо­раживание пищевых продуктов в камерах с естественной циркуля­цией воздуха, где подвижность воздуха составляет 0,1 ... 0,15 м/с,

Рис. 3.7. График продолжительности однофазного замораживания мясных полутуш с толщиной бедра 0,2 м

и, в лучшем случае, в камерах с радиационно-конвективной систе­мой охлаждения - 0,2 ... 0,25 м/с. По этой причине температура воздуха в морозильной камере на разной высоте неодинакова, так при замораживании парного мяса разность температур воз­духа по высоте камеры на уровне бедра и шейной части достигает 5...7°С и более. В результате наиболее толстая (бедренная) часть указывается в зоне наиболее высоких температур, как след­ствие - существенное различие в продолжительности заморажи­вания разных частей туши. В целом время замораживания парных мясных полутуш при естественной скорости движения воздуха ха­рактеризуется графиками изменения температуры в толще мяса от + 38 до — 18°С (рис. 3.7). Графики характеризуют изменение тем­пературы t_ц в толще мяса при ее понижении от +38°С до начала замерзания и при замораживании до конечной температуры, ука­занной на оси ординат. Задаваясь конечной температурой в толще мяса, при известной температуре помещения t_B находят общую продолжительность однофазного замораживания, включая его ох­лаждение от -38°С, или до некоторых промежуточных ее значений в пределах от +38 до -18°С.

Анализ продолжительности процесса однофазного заморажи­вания парных мясных полутуш показывает, что в условиях сниже­ния температуры воздуха на 1° в диапазоне от -15 до -20°С при естественной конвекции сокращается длительность процесса на 2…1,5 ч, в диапазоне от -20 до -25°С – соответственно на 1,5…1,2 ч, а

117

в диапазоне от -25 до -30°С на 1,2...1 ч, т. е. эф­фект сокращения продолжительности уменьшается по мере сниже­ния температуры воздуха. В процентном отношении это снижение времени соответствует в среднем 3...4,5% на каждый градус сни­жения температуры воздуха (для полутуш с толщиной бедра 0,2... 0,22 м).

Оборудование камер подобного типа имеет низкую эффектив­ность, особенно при замораживании парного мяса. Среднее значе­ние коэффициента теплопередачи гладкотрубных батарей в таких камерах за цикл составляет около 5,5 Вт/(м²·К). Даже в камерах, оборудованных V-образными межрядными батареями с хорошим радиационным теплообменом [α_Р около 2,3 Вт/(м²·К)], коэффи­циент теплопередачи также не более 6,0...5,3 Вт/(м²·К). К кон­цу замораживания снижается тепловая нагрузка от мяса, что при­водит к уменьшению конвективной и радиационной составляющих коэффициентов теплоотдачи от наружной поверхности охлаждаю­щих приборов, коэффициент теплоотдачи со стороны холодильно­го агента также уменьшается. Из-за нарастания снеговой шубы на батареях увеличивается термическое сопротивление теплопереда­че. Все это приводит к существенному сокращению значения коэф­фициента теплопередачи к концу замораживания. Так, в камере с верхней подачей хладагента в батареи из гладкостенных труб 057x3,5 мм он уменьшается за цикл от 5,8 до 2,3 Вт/(м²·К). В ка­мерах рассматриваемого типа значительна разность температур воздуха и хладагента, доходящая до 17...20°С. Влажность возду­ха в отдельных случаях достигает своего максимального значения 100% (99... 95%) в начале процесса (в первые 1...4 ч) и снижа­ется к концу цикла до 70 ... 82%.

В табл. 3.2 приведены режимы замораживания некоторых мя­сопродуктов, применяемые в отечественной практике. Режимы за­мораживания мяса в тушах и полутушах приведены в 1.6.

Таблица 3.2

Вид продукта	Способ замораживания	Параметры воздуха		Продол­житель­ность, ч не более
		температура, ºС	скорость
Субпродукты	Однофазный, двухфазный	Не выше -18	Естественная циркуляция	24
Блочное мясо	Однофазный Двухфазный	Не выше -23 Не выше -23	То же »	36 30
Шпик	На противнях охлажденный или парной несоленый	Не выше -23	»	24
Пельмени и фри­кадельки	На противнях	-20.. .-25 -30.. -35	0,1...0.2м/с 0,1...0,2 м/с	4 3

118

Приступая к рассмотрению существующих устройств для замо­раживания, необходимо особо отметить следующее обстоятельство. Замораживание мяса в тушах является процессом вынужденным, вызванным пока еще существующей диспропорцией между произ­водительностью мясокомбинатов и производительностью цехов об­валки мяса. По мере сглаживания сезонности, с развитием меха­низации и автоматизации производственных процессов неминуем переход к замораживанию лишь отрубов мяса в блоках и полу­фабрикатов с четким разграничением этих продуктов на два пото­ка: сырье промышленного назначения; сырье и продукты, предназ­наченные для торговли. Только таким образом может быть достиг­нута организация холодильной обработки в условиях, приближаю­щихся к оптимальным.

Данные (§1.6), относящиеся к системам замораживания мяса в тушах и полутушах, включены в настоящую книгу, так как в бли­жайшее десятилетие упомянутые системы будут еще превалирую­щими. Однако на вновь строящихся предприятиях камеры с естест­венной циркуляцией не предусматривают.

Для расчета продолжительности замораживания охлажденного мяса может быть использована формула Р. Планка. При расчете продолжительности однофазного замораживания формула Р. Планка приводит к большим расхождениям с опытными данны­ми. Рекомендуется использовать зависимость И. Г. Чумака:

τ_общ= (3.7)

где τ_общ - общая продолжительность однофазного замораживания мяса, включая продолжительность его охлаждения от t_ч.нач до _Vкр, с;α - коэффициент теплоотдачи от поверхности мяса к воздуху, Вт/(м²·К); ρ_пр - плотность мяса, кг/м³ (принимается 1050 кг/м³); δ - толщина бедра, м; с_пр - удельная теплоемкость охлажденного мяса, кДж/(кг·К); t_ч.нач - начальная температура парного мяса в центре бедра при загрузке, равная 35... 37°С; t_кр - криоскопическая температура мяса, -1°С; t_в.ср - средняя температура воздуха в камере за цикл, ^СС; с_ω - полная удельная теплоемкость при за­мораживании, кДж/(кг·К); С_пр.з - удельная теплоемкость заморо­женного мяса, кДж/(кг·К); t_ч.кон - конечная температура мяса в центре бедра, -8°С.

Коэффициент конвективной теплоотдачи может быть определен по зависимости Н. А. Герасимова:

Nu = 0,38(Gr-Pr)^0,313,

где Gr, Рr — числовые значения соответственно критерия Грасгофа и критерия Прандтля, или по упрощенной формуле

α_к = 3,2·Δt⁰.³¹³,

где α_к - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²·К); Δt=t_п.б -t_в - разность

119

температур; t_п.б, t_в - температуры соответст­венно поверхности бедра и воздуха, °С.

Значение коэффициента теплоотдачи за счет радиации составляет около 1 Вт/(м²·К), а испарением - около 0,5 Вт/(м²·К).

Оборудование с принудительным движением среды при непод­вижном продукте. Применение принудительной циркуляции возду­ха сокращает продолжительность процесса замораживания. Сред­ние данные, характеризующие

п родол­жительность процесса однофазного за­мораживания мяса в тушах и полуту­шах, приведены на рис. 3.8. Они по­строены на основании расчетов про­должительности замораживания по формуле Р. Планка для толщины за­мораживаемого мяса δ=0,2 м и δ =0,1 м и в зависимости от температу­ры помещения (от -18 до -30°С) и коэффициен-

Рис. З.8. Зависимость продол­жительности та теплоотдачи, а от по­верхности мяса однофазного замо­раживания мяса к воздуху. Увеличение коэффициента теп-

в тушах и по­лутушах от коэффициента лоотдачи, снижение температуры и умень-

теплоотдачи теп­лоотдачи при шение толщины продукта приводит к сокра толщине бедрен­ной части δ щению про­должительности процесса. В таких ка­мерах меньший перепад температур воздуха (наибольший перепад по высоте достигает 2,5°С). Воздух с наиболее низкой температурой и наибольшей скоростью должен циркулировать у бедра полутуши, что способствует уменьшению неравномерности замораживания ее различных частей.

Режимы замораживания мясопродуктов, применяемые в оте­чественной практике, приведены в 1.6.

В камерах замораживания применяется несколько систем воз-духораспределения:

бесканальная; с плоскими щелями в ложном потолке (рис. 3.9,а); с плоскими щелями или соплами в воздуховодах, размещенных над (рис. 3.9,б) или между подвесными путями (рис. 3.9,в) с поперечными щелями или соплами в воздуховодах постоянного ста­тического давления (рис. 3.9,г); «душирующее» воздухораспределение (рис. 3.9, д,е); бесканальная неорганизованная система воз-духораспределения (рис. 3.9,ж) и туннельная система воздухораспределения (рис. 3.9,з).

Наиболее широко распространены две системы воздухораспределения - через плоские щели или сопла и круглые насадки. По­следняя система называется воздушным душированием. В послед­нее время находит распространение система с потолочными возду­хоохладителями с неорганизованным и туннельным воздухораспределением (рис. 3.9, ж, з).

Воздух камеры охлаждается как напольными, так и потолочны­ми воздухоохладителями.

120

Ниже изложены некоторые закономерности движения воздуш­ных струй¹ (рис. 3.10).

1. Плоские продольные сопла. Изменение относительной скоро­сти ŵ = ω_х/ω в поперечном сечении основного участка свободной струи на расстоянии до 500 мм от щели описывается уравнением

ŵ = ω_х/ω =[1 - (х/b)^2,25]², (3.8)

где ω, ω_х - соответственно скорость на оси струи и на удалении (на расстоянии) х от нее, м/с; b - половина ширины струи, м; х - расстояние от оси до места измерения, м.

На расстоянии более 500 мм. от щели закон изменения относи­тельной скорости в поперечном сечении представляется в виде эм­пирической формулы

ω_х/ω =0,95e^{-0,47x B} ,

где В — половина расстояния между воздуховодами, м.

Относительная осевая скорость свободной струи воздуха, исте­кающего из продольной плоской щели, изменяется по закону

ω_х/ω = 0,655(Xˉ)^0,12e^-0,018S/bo ,

где S=x/b₀ - безразмерная абсцисса; ω₀ - начальная скорость ис­течения воздуха из сопла, м/с; S - расстояние от щели до измеряе­мого сечения, м; b₀ - половина ширины щели (сопла), м.

2. Радиальные щели. На расстоянии 400 мм от сопла струи, вы­ходящие из разных щелей, сходятся, не влияя друг на друга, и за­кон изменения относительной скорости в поперечном сечении опи­сывается уравнением (3.8) для свободной струи.

Относительная осевая скорость определяется эмпирической за­висимостью

ω/ω₀ = 0,885(Xˉ)^0,45e^-0,0103S/bo ,

3. Душирующее воздухораспределение. Закон изменения про­филя струй подчиняется зависимости (3.8) на расстоянии до 800 нм. На расстоянии от сопла более 800 мм наблюдается влия­ние соседних потоков на основной и с учетом влияния соседних по­токов закон изменения относительной скорости в поперечном сече­нии будет

ŵ=( ω_х- ω_см)/( ω - ω_см)=[1 – (х/b)^2,25]² ,

где ω_х - скорость на расстоянии х от оси, м/с; ω_см - скорость смежных потоков, м/с.

Изменение относительной осевой скорости струп воздуха, истека­ющего из круглого сопла:

ω/ω₀ = 0,659(Xˉ)^0,27e^-0,031S/bo .

____________

¹По данным И. Г. Чумака и В. Т. Олейниченко.

121

Как показали исследования Одесского технологического института холодильной промышленности, смежные потоки влияют на ос­новной в струях, истекающих из радиальных щелей.

Скорость воздуха, истекающего из узкой продольной щели в рабочей зоне (на расстоянии 400...500 мм от щели), уменьшается в 2,6...2,8 раза, а при тех же расстояниях скорость воздуха, исте­кающего из радиальной щели, уменьшается лишь в 2,2 раза. Из исследований был сделан вывод, что в камерах замораживания це­лесообразно применять круглые воздуховоды переменного сечения по длине и размещать их между подвесными путями, с тем, чтобы воздух выходил из радиальных щелей.

Общее количество воздуха м³/(т·ч), необходимого для замора­живания тонны груза:

V_в=(V₀/ε_эф)·L·3600 ,

где для круглых сопл V₀=(π ²/4)nω₀, м³/(с·м); для плоских сопл V₀ = 2b₀l₀n ω₀ , м³/(с·м).

В указанных зависимостях V_o — количество воздуха, вытекаю­щего из сопл или щелей, обслуживающих 1 м длины подвесного пути, м³/(с·м); L — длина подвесного пути, необходимая для раз­мещения 1 т мяса, м/т; d₀ — диаметр круглого сопла, м; l₀, b₀ - длина и половина ширины плоского сопла, щели, м; ω₀ - скорость истечения воздуха из сопла, щели, м/с; п — количество сопл (ще­лей), располагаемых на 1 м длины подвесного пути, м^-1; ε_эф - коэффициент эффективности воздухораспределения.

Эффективность воздухораспределения

ε_эф=(i_в2 – i_в1)/(i_в3 – i_в1)≈ (t_в2 – t_в1)/(t_в3 – t_в1) ,

где i_в1, t_в1 - энтальпия и температура воздуха, поступающего в ка­меру; i_в2, t_в2 - энтальпия и температура воздуха, после смешения части байпасированного воздуха и участвовавшего в теплообмене с мясом; i_в3, t_в3 - энтальпия и температура воздуха, воздуха меж­ду полутушами.

____________________________________________________________________

Рис. 3.9. Системы воздухораспределения в камерных морозилках с принудитель­ным движением воздуха:

а - ложный потолок с плоскими соплами в виде щели; б - воздуховод постоянного статического давления с плоскими соплами в виде щели. расположенный над подвесными путями; в - то же, расположенный между подвесными путями: г - воздуховод постоянного статического давления с радиальными прямоугольными соплами; д — подвесной сухой воздухоохладитель с "душирующим" устройством: 1 —батареи непосредственного охлаждения; 2,6 - коллекторы жидкостной и паровой; 3 - полутуши; 4 - подвесной путь; .5 - подвеска конвейера; 7 - воздуховод с соплами: е - схема непосредственного воздушного душирования из каналов, расположенные на каркасе подвесных путей (левый рисунок) и установленных под каркасом подвесных путей; 1 - воздуховод: 2 - сопло: 3 - подвесной путь: 4 - воздушная струя: 5 - полутуши: ж — схема неорганизованного воздухораспределения с потолочными воздухоохладителями: 1 - воздухоохладитель; 2 - вентилятор; 3 - подвесной путь; з - схема туннельной циркуляции воздуха с воздухоохладителями расположенными над валками под­весных путей; 1 — воздухоохладитель; 2 - вентилятор: 3 - подвесной путь

123

Этот показатель характеризует неравномерность воздухораспределения и определяется степенью неравномерности температур­ного поля. Эффективность воздухораспределения для различных систем составляет: для плоских сопл в ложном потолке -0,755; для круглых воздуховодов и плоских щелей с направляющими на­садками -0,755...0,880; для неорганизованного движения возду­ха -0,500...0,675.

Рис. 3.10. Схема струи, вытекающей из сопла (а), и раз­личные формы сопл (б, в)

При замораживании желательно обеспечить меньший подогрев подаваемого в камеру воздуха у поверхности полутуш и в резуль­тате смешения с воздухом камеры, например до 1°С. Эти условия обеспечиваются при оборудовании камер замораживания воздухо­водами, размещенными между подвесными путями, при этом рас­стояние от сопла до поверхности полутуш сокращается до 0,4...0,5 м. Более совершенна подача воздуха через поперечные ради­альные щели (по 8 сопл на 1 м воздуховода). При истечении воз­духа из радиальной щели с начальной скоростью 4,6 м/с средняя скорость его у поверхности полутуш составляет около 3,4 м/с.

Достижение высоких скоростей движения воздуха возможно в любой системе воздухораспределения, однако статистический ана­лиз фактических скоростей на уровне рабочей зоны у бедра можно характеризовать такими данными:

124

Система воздухораспределения Неорганизованная циркуляция воздуха Через щели в ложном потолке..... Через продольные щели в воздуховодах Продольные сопла в ложном потолке ни­же балок подвесных путей Радиальные щели в воздуховодах Душирующее устройство с межпутевым воздухоохладителем Непосредственное воздушное душирование Циркуляция воздуха в туннелях

Скорости воздуха на уровне рабочей зоны на различных, предприятиях, м/с 0,6.. .3,1 0,36.. .0,9 1...3.0 0,5.. .4 ' До 3.5 0,7.. .0,8 2,11 0,8.. .0,83

В камерах замораживания скорость движения воздуха должна быть не менее 3....4 м/с, при этом максимальная скорость должна быть у бедренной части полутуши.

При воздушной системе охлаждения камер интенсифицируется процесс теплообмена в воздухоохладителях. Среднее значение коэффициента теплопередачи воздухоохладителя составляет от 9 до 16 Вт/(м²·К) для оребренных труб ø57X3,5 мм. Для оребренных труб ø38X2,25 мм он уже выше и составляет 14...18,3 Вт/(м²·К). Наибольшее значение коэффициента теплопередачи 18,3 Вт/(м²·К) соответствует воздухоохладителю, изготовленному из труб ø25,4 мм с пластинчатыми ребрами толщиной 0,6 мм и шагом оребрения 20 мм.

Известно, что увеличение как диаметра труб, так и шага оребрения приводит к возрастанию капитальных затрат на изготовление воздухоохладителей из-за большей металлоемкости. Рекомен­дуется применять одноходовые воздухоохладители, что особенно важно в системах с высокими скоростями движения воздуха.

Продолжительность замораживания охлажденного мяса определяется по формуле Р. Планка, продолжительность однофазного замораживания в секундах - по зависимости И. Г. Чумака:

τ_общ=91 ,

где входящие в уравнение величины аналогичны использованным в уравнении (3.7).

При расчете теплофизических констант мяса для процесса замо­раживания в условиях вынужденного движения воздуха значения средних за процесс температур принимаются по следующим дан­ным:

Конечная темпе­ратура мяса в центре

при за­мораживании,°С....... -3 -4 -5 -6 -7 -8 -10 -12 -14

Средняя темпе­ратура мяса, °С -1,9 -2,9 -3,9 -4,9 -6,0 -7,0 -8,5 -10,3 -12,3

125

Коэффициент конвективной теплоотдачи при этом может быть определен по зависимости И. Г. Чумака и В. М. Московченко:

Nu = 0,17Re^0,7, (3.9)

где за определяющий размер принята толщина бедра полутуши.

Коэффициент теплоотдачи радиацией и испарением можно при­нять приближенно равными соответственно 1 и 0,5 Вт/(м²·К).

Рис. 3.1. Линейная (а) и объемная (б) скорости замораживания мясного ци­линдра внешним радиусом R = 0,12 м при коэффициентах теплоотдачи, Вт/(м²·К):

1 - 8,15; 2 - 11,63; 3 - 17,4; 4 - 23,2; 5 - 29; 6 - 35; r - убывающий радиус не­замороженной сердцевины цилиндра, м; t_в =-25°С; F_np - площадь наружной поверхности продукта; х — толщина замороженного слоя.

Замораживание в камерах в условиях переменного конвектив­ного теплообмена. Обычно продукты замораживают при постоян­ной за процесс скорости движения воздуха и в этих случаях кон­вективный коэффициент теплоотдачи меняется за время протека­ния процесса незначительно. Исключение составляют камеры, обо­рудованные воздухоохладителями с малым шагом оребрения, ко­торые в камерах с большими влаговыделениями применять неце­лесообразно. Вместе с тем известно, что линейная и объемная ско­рости замораживания резко возрастают с увеличением коэффици­ента теплоотдачи при малой толщине замороженного слоя, а при увеличении толщины этот эффект сглаживается. Эта закономер­ность представлена на рис. З.11. Поэтому замораживание таких продуктов, как мясо в тушах, полутушах и четвертинах, в начале процесса, когда практически замерзает влага, находящаяся на поверхности, необходимо производить с возможно большим коэффи­циентом теп-

126

лоотдачи с постепенным его уменьшением по мере про­движения к центру границы замороженного и незамороженного слоев.

Процесс замораживания целесообразно вести по экспоненциаль­ному закону снижения конвективного коэффициента теплоотдачи по уравнению

α_τ=α_наче^-bτ ,

где α_τ - текущее значение коэффициента теплоотдачи, Вт/(м²·К); α_нач - коэффициент теплоотдачи в начале процесса, Вт/(м²·К); е - основание натуральных логарифмов; b- коэффициент уравне­ния; τ — время (текущее значение), с.

Способ может быть использован при замораживании в следую­щих трех вариантах:

1. Замораживание в камерах периодического действия: вначале пускаются все вентиляторы, затем постепенно некото­рые из них останавливаются по разработанной программе;

вначале вентиляторы пускают на полное число оборотов, затем скорость их вращения по программе снижают с помощью вариато­ров скоростей.

2. Замораживание в камерах непрерывного действия. При ис­пользовании этого варианта вся камера разделяется на зоны с раз­ной скоростью движения воздуха, вначале, при входе продукта в камеру, продукт обдувается с максимальной скоростью, после ско­рость снижается следующим образом:

в камерах, оборудованных воздуховодами постоянного статичес­кого давления, происходит «фронтальное замораживание», при этом скорость воздуха у продукта меняется плавно по мере продвиже­ния продукта в камере;

в камерах каждая зона оборудуется своей системой воздухораспределения, так что скорость воздуха снижается от зоны к зоне ме­нее плавно (ступенчато).

3. Замораживание в холодильнике, в котором имеется несколь­ко камер с разными условиями циркуляции воздуха. Расположение камер по ходу движения продукта позволяет обеспечить поточность замораживания, при этом в первой камере поддерживается более высокая скорость (в камере предварительного замораживания 5...6 м/с), далее продукт поступает в камеры с меньшими скорос­тями.

Кроме скорости движения воздуха целесообразно регулировать также температуру по зонам и холодопроизводительность воздухо­охладителей.

По данным Московского технологического института мясной и молочной промышленности, ведение процесса при снижающихся скоростях движения воздуха позволяет сократить продолжитель­ность замораживания на 10% и усушку продукта на 20%, а также сократить общий расход электроэнергии по сравнению с процес­сом, протекающим с постоянными скоростями движения воздуха (при одних и тех же

127

расходах электроэнергии на привод вентиля­торов в морозильной камере). Упрощается также эксплуатация воздухоохладителей, так как к концу процесса небольшие скорости движения воздуха не приводят к большим потерям напора в воз­душной системе в условиях возрастания толщины снеговой шубы на поверхности батарей.

Время замораживания мяса в тушах и полутушах τ = 0,56τ_пл, где τ_пл - время замораживания мясной пластины, с.

Время полного промерзания неограниченной пластины для экс­поненциально снижающегося коэффициента теплоотдачи, а следо­вательно, и скорости движения воздуха определяется с использо­ванием зависимости Д. Н. Ильинского

τ_пл= ,

где

K= ; ;

здесь f[Kl/(2λ₁)] определяется численными методами.

В указанных зависимостях q - теплота льдообразования, Дж/кг; ρ_пр - плотность продукта, кг/м³; l - половина толщины пластины, м; b - коэффициент уравнения для определения α_τ, ха­рактеризующий интенсивность снижения коэффициента теплоот­дачи.

Оборудование с принудительным движением среды и продукта. Замораживать пищевые продукты в морозильных аппаратах считается наиболее целесообразным со многих сторон - с технологической, технической и экономической.

Более полное сохранение основных качеств продукта достигается при высоких скоростях замораживания, которые могут быть обес­печены различными способами, в том числе увеличением коэффициента теплоотдачи, значения которого приведены ниже.

Среда, в которой происходит замораживание Жидкая среда при побудительном ее движении Металлические плиты Воздух: быстродвижущийся (7...7,5 м/с) с умеренной скоростью движения (4.. .4,5 м/с) при слабом вынужденном движении (1,7... 2,3 м/с) со свободным движением (0,1 ...0,2 м/с)

Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К) 1100. ..2900 175.. .230 42 29 17 11

В аппаратах достигается средняя линейная скорость замораживания, доходящая до 2...2,5 при -35С и до 2,7...3,3см/ч при -45°С, при этом меньшие скорости характерны для воздушных аппаратов при замораживании продуктов значительной толщины и в упаковке.

128

Морозильные аппараты применяют при замораживании мень­ших по размеру продуктов, чем туши и полутуши. В них замо­раживают мелкофасованную продукцию массой до 0,5 кг, а также в блоках массой 10 ..12 кг и толщиной 40...100 мм. Большую часть продукции замораживают в упакованном виде. Наиболее ши­роко применяются аппараты для замораживания рыбы и морепро­дуктов, птицы. На смену замораживанию мяса в полутушах и чет­вертинах должно прийти замораживание упакованных в полимер­ную пленку сортовых отрубов и более мелких кусков, т. е. после разделки туши и полутуши, а также блоков мяса после обвалки. При этом можно продлить срок хранения и снизить усушку мяса, комплексно механизировать погрузочно-разгрузочные работы, уве­личить коэффициент использования грузовой емкости камер.

Целесообразность производства блочного мяса (для последую­щей его переработки) и мяса в мелкой фасовке (для торговли) общеизвестна. Для этой цели необходим переход к полной перера­ботке сырья (разделка, обвалка, фасовка и т. п.), сложность орга­низации которой, особенно в сезон массовой переработки скота, также общеизвестна. Блоки, имеющие правильную геометрическую форму, укладываются в штабеля плотностью 650 кг/м³ и даже бо­лее, что увеличивает использование объема холодильника в два и более раза по сравнению с хранением мяса в полутушах, четверти­нах, отрубах (заметим, что норма загрузки штабеля бараньими ту­шами - 300 кг/м³).

За последнее время возрос спрос на быстрозамороженные про­дукты (вторые блюда, полуфабрикаты вторых блюд, фрукты, ово­щи, салаты, торты, кексы, сервированные обеды на одного челове­ка и др.), поэтому за рубежом они выпускаются в большом ассор­тименте (около 600 наименований). Развивается их производство в нашей стране. Созданию морозильных аппаратов уделяется все большее внимание. Разумеется, при замораживании упакованных в пленку продуктов возрастает продолжительность процесса из-за дополнительного сопротивления теплопередаче упаковки и воздуха между продуктами и упаковкой, которое при расчетах сле­дует учитывать введением в формулу Р. Планка (в выражение, стоящее в скобках) члена

,

где δ_уп/λ_уп - сумма термических сопротивлений слоев упаковки и промежуточных слоев (табл. 3.3).

Промежуточными слоями являются воздух между упаковкой и продуктом, плиты в плиточных морозильных аппаратах и мембра­ны в мембранных аппаратах, стенки форм.

Преимущественное распространение получили аппараты тун­нельного типа с интенсивным движением воздуха. Конструктивно они состоят из двух отсеков - для груза и для воздухоохладите­лей. Грузовой отсек представляет собой туннель, вдоль или попе­рек которого движется воздух. Груз в туннелях перемещается: 1) с

5—1430 129

помощью тележек или рам, подвешенных на подвесном пути, или по направляющим, расположенным в полу; 2) с помощью конвейеров; 3) за счет массы (гравитационно); 4) с помощью потока воз­духа. В соответствии с этим аппараты классифицируют на тележечные, конвейерные, гравитационные и флюидизационные. В отсеке для воздухоохладителя кроме охлаждающих секций воздухоохла­дителя и обогреваемого поддона для сбора талой воды устанавли­вают также вентиляторы.

Таблица 3.3

Промежуточный слой	δуп, м	λуп,
Бумага парафинированная	0,00027	0,076	0,0036
То же	0,000475	0,076	0,062
»	0.0062л	0,076	0,0082
Целлофан	0,000028	0,042	0,00067
Обертка из четырех слоев целлофана толщиной по 0,000028 м	0,00012	0,1	0,0012
Пергамент двойной вощеный	0,000053	0,071	0,00075
Пакет из одного слоя картона, в котором находится тонкий слой алюминиевой фольги или воска	0.00054	0,09	0.006
Обертка из алюминиевой фольги в четыре слоя	0 00004	204	0,000000196
Алюминиевая форма (тазик)	0,002	204	0.0000098
Форма (тазик) из нержавеющей стали	0,001	15,1	0,000066
Стальные мембраны в мембранных блокоморозильных аппаратах	0,004	15,1	0,000264
Чугунные плиты в плиточных морозильных аппаратах	0.006	58,2	0,000103
Полихлорвиниловая пленка	0,00025	0,104	0,0025
Бумага оберточная	—	0,07	—
Картон гофрированный	—	0,18	—
Пленка из полиэтилена высокого давления нестабилизированная	0,00004	0,29	0,000138
Воздушная прослойка между продуктом и упаковкой	0,0009	0,021	0,043

Применение в некоторых конструкциях реверсивных двигателей, переменного шага оребрения в воздухоохладителях, а главное - замораживание продукта в упаковке позволяют продолжительное время поддерживать интенсивный теплообмен. У большинства аппаратов оттайка приборов охлаждения производится раз в одну - две недели.

Низкотемпературный контур аппаратов в большинстве случаев имеет теплоизоляцию. Лишь некоторые аппараты, если предусмот­рена их установка в низкотемпературных камерах, теплоизолиро­ванного ограждения не имеют.

Одна из многочисленных схем аппаратов тележечного типа представлена на рис. 3.12. В этих аппаратах продолжительность замораживания продуктов от +10 до -18°С составляет (ч):

130

Куры непотрошеные..............................................................4

Гуси непотрошеные...............................................................4,5

Утки потрошеные..................................................................2,5

Субпродукты в блоках толщиной 150 мм ………….7—8

Конвейерные аппараты по конструктивному оформлению разно­образны и в зависимости от вида конвейера бывают с цепным, лен­точным или со спиральным конвейером.

Рис. 3.12. Морозильный аппарат тележечного типа с интенсивным поперечным движением воздуха:

1 - выносной двигатель вентилятора; 2 - реверсивный вентилятор; 3 - изолированное ограждение аппарата; 4 - грузовые отсеки с размещенными тележками и грузом: 5 - ложный потолок или нижнее днище цилиндрического канала; 6 - направляющие для воз­духа; 7 - охлаждающие батареи

В аппарате с зигзагообразным цепным конвейером (рис. 3.13) замораживаемые продукты укладывают в формы, шарнирно под­вешенные к конвейеру 2, благодаря чему форма 3 остается па всем протяжении в горизонтальном положении. Применение зигзагооб­разного конвейера уменьшает длину аппарата и площадь, занимае­мую им. Блок-форма заполняется продуктом на поворотном бара­бане вне изолированного контура. Чаще всего применяют импуль­сное перемещение цепи. Поперечное обдувание блок-форм вырав­нивает продолжительность замораживания правого и левого бло­ков.

Аппарат со спиральным конвейером (рис. 3.14) может быть вписан в технологическую линию производства продуктов (полу­фабрикатов, готовых блюд и т. д.). Продукция поступает непосредственно на конвейер аппарата с технологичес-

5* 131

кой линии. В аппара­те использована транспортерная лента, обладающая относительной подвижностью в горизонтальной плоскости и движущаяся вокруг вертикального барабана (одного или двух) по спирали. Продукт загружается и выгружается вне изолированного контура. Аппарат снабжается автоматическим устройством для мойки и сушки транспортерной ленты.

Рис. 3.13. Схема конвейерного морозильного аппарата с зигзагообразным цеп­ным конвейером:

1 - цепь конвейера: 2 - узлы зигзагообразного конвейера: 3 - формы с продуктом: 4 - узел загрузки; 5 - узел разгрузки; 6 - воздухоохладитель; 7 - вентилятор: 8 - двигатель вентилятора

Просты по своему устройству и надежны аппараты с ленточны­ми конвейерами (рис. 3.15). Они предназначены для заморажива­ния упакованных продуктов. Операции по загрузке и выгрузке мо­гут осуществляться вручную (рис. 3.15, а) или механически с по­мощью толкателей (рис. 3.15,6). Режим работы конвейеров пре­рывистый.

Для расчета продолжительности замораживания пищевых про­дуктов в аппаратах используется зависимость (2.13) с учетом влия­ния фактора формы и упаковки, при этом коэффициент теплоотда­чи [Вт/(м²·К)] находят по формуле Планка:

α=8,7ω^0,8 ,

где ω - скорость движения воздуха в аппарате, м/с.

Скорости движения воздуха здесь принимают для аппаратов с поперечным продуванием воздуха - в пределах 4...6 м/с, а для аппаратов с продольным продуванием - в пределах 6...7 м/с.

Расход циркулирующего в аппарате воздуха составляет:

объемный (м³/с) V_в =ωF_ж,

массовый (кг/с) G_в=V_вρ_в,

где F_ж - живое сечение грузового объема аппарата, через которое проходит воздух, м²; ρ_в — плотность воздуха, кг/м³.

Практически расход воздуха принимают на 15% больше расчет­ного, учитывая, что по боковым зазорам грузового конвейера (из-за меньшего сопротивления) будет проходить несколько больше воздуха.

132

Рис. 3.14. Морозильный аппарат со спиральным конвейером и одним барабаном для замораживания готовых блюд и кулинарных изделий:

а-общий вид: б - схема конвейера: в - схема движения воздуха (вертикальная); 1-грузовой конвейер; 2 - устройство для мойки транспортерной ленты; 3 – вентилятор; 4 - щит управления; 5 - охлаждающие батарее; 6 - перегородка; 7-теплоизолированная камepa.

Полученное значение массового расхода циркулирующего воз­духа (кг/с) должно быть проверено по формуле

G_в=Q/(i_в2-i_в1) ,

где Q - тепловая нагрузка аппарата, кВт; i_B2-i_B1 - разность эн­тальпий воздуха, поступающего в воздухоохладитель аппарата и прошедшего через него, кДж/кг.

4

5

Рис. 3.15. Конвейерные морозильные аппараты для замораживания упакованных продуктов:

а - с ленточным конвейером и продольным движением воздуха; б - с сетчатым конвейером и поперечным движением воздуха; 1 - центральный вентилятор; 2 - изолированное ограждение; 3 - воздухоохладитель; 4 - упакованный продукт; 5 - конвейер; 6 - двига­тель вентилятора

При определении i_в2 и i_B2 необходимо учитывать, что подогрев воздуха (при расчете его количества) не должен превышать в ап­паратах с поперечным продуванием 2 ... 4°С, а с продольным про­дуванием - не более 6°С.

При проектировании аппаратов температуру воздуха принимают от -40 до -50°С.

Оборудование, в котором принудительное движение среды вызывает движение продукта. Сначала рассмотрим гидродинамику процессов псевдоожижения. Метод флюидизации используется для замораживания неупакован­ных продуктов, мелких или нарезанных овощей, фруктов, ягод, го­роха, фасоли, картофельной стружки, рыбных палочек, моркови и других продуктов диаметром приблизительно до 40 мм или длиной до 125 мм. Аппараты этого типа имеют широкий диапазон производительности - от 0,5 до 15 т/сут.

134

В этих аппаратах теплообмен значительно интенсивнее, чем в обычных воздушных аппаратах.

Под псевдоожижением понимается превращение слоя материа­ла в так называемый кипящий слой под действием восходящего по­тока газа, достаточного для поддержания мелких или измельчен­ных продуктов во взвешенном состоянии. Слой напоминает кипя­щую жидкость, поэтому способ широко известен как метод флюи­дизации.

При достижении скорости витания продукт, помещенный в по­ток воздуха, оказывается в нем как бы в «невесомости», в непод­вижном состоянии. Скорость витания - это минимальная ско­рость, при которой частицы данных размера и массы могут уно­ситься потоком воздуха. В подобных условиях продукт находится под действием двух равных сил - силы сопротивления от действия потока и силы тяжести: Если представить продукт в виде шара с диаметром d_np, то скорость витания ω_вит находится из равенства

,

где ρ_пр, ρ_в - плотность продукта и воздуха соответственно, кг/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; С — коэффициент сопро­тивления движению частицы в потоке воздуха; π = 3,14.

Как правило, продукт располагают на перфорированной ленте, решетке, размещенной в аппарате, а через слой продукта снизу проходит восходящий поток ожижающего его охлажденного воз­духа. Гидродинамическое состояние слоя продукта зависит от ско­рости потока. При плавном изменении ее от нуля до некоторого критического значения происходит процесс фильтрации воздуха через слой продукта, при этом твердые частицы остаются непод­вижными.

Кривая идеального псевдоожижения слоя продукта показана на рис. 3.16, а. Кривая псевдоожижения выражает зависимость пе­репада статического давления в слое от скорости потока. Процессу фильтрации соответствует восходящая ветвь. Прямолинейная ветвь ОА характерна для ламинарного режима движения воздуха в слое. При переходном и турбулентном режимах характер линии - нели­нейный. Псевдоожижение наступает при достижении критической скорости или скорости начала псевдоожижения (точка Л). При дальнейшем увеличении скорости растет высота всевдоожиженного слоя, а перепад давления остается постоянным.

Перепад давления при прохождении воздуха через псевдоожиженный слой, т. е. гидравлическое сопротивление слоя,

Δp_п.с.=ρ_пр(1-ε₀)h₀ ,

где ρ_пр - плотность продукта; ε₀ - порозность (пористость) непод­вижного слоя; h₀ — высота неподвижного слоя.

В холодильной и сушильной технике для псевдоожижения ис­пользуется также вибрация (для получения виброкипящего слоя).

В реальных условиях (рис. 3.16,6) кривая псевдоожижения характеризуется

135

наличием пика давления Δр' в момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние, что вызвано необходимостью затра­ты дополнительной энергии на преодоление сил сцепления частиц. Величина Δр' обычно составляет 5...10% от перепада давления при прохождении газа через псевдоожиженный слой, т. е. Δр' = (0,05÷0,1 )Δp_п.с.

В плотном слое ветвь 1 кривой псевдоожижения поднимается круче, чем в рыхлом слое (ветвь 2). Линия изменения Ар при уве­личении скорости потока (ветвь 1 или 2) не совпадает с линией обратного хода (кривая 3) , характеризующей изме-

Рис 3.16. Кривые идеального (а) и реального

(б) псевдоожижения

Δp=f(ω)

1 - плотного неподвижного слоя; 2 -рыхлого неподвижного слоя; 3 – кривая обратного хода

нение Δр при сни­жении скорости движения воздуха, т. е. реальная кривая псевдо­ожижения слоя обладает гистерезисом. Фактическая картина гид­равлики процесса более сложна.

Для простоты началом ожижения считают момент, когда гидра­влическое сопротивление потока воздуха уравновешивается массой материала.

Псевдоожиженный слой может устойчиво существовать в опре­деленном диапазоне скоростей ожижающего воздуха <ω_опт< .

Нижним пределом является скорость начала псевдоожижения, или первая критическая скорость . Верхним пределом явля­ется скорость начала уноса замораживаемого материала из слоя, или вторая критическая скорость .

Вторая критическая скорость зависит от большого числа фак­торов, в том числе от конструктивных особенностей аппаратов, она не полностью совпадает со значением скорости витания ω_вит, при этом ω_вит > . Часто принимают в первом приближении = ω_вит

Если скорость воздуха превышает ω_вит, то частицы выносятся из всевдоожиженного слоя.

Скорость (м/с) определяют из уравнения

R

где , Ar - критерии Рейнольдса и Архимеда соответственно; d_э - диаметр или эквивалентный диаметр частиц, м; v_B - коэффициент кинематической вязкости

136

воздуха, м²/с; ε₀ - порозность слоя зернистого материала.

Для неподвижного слоя порозность определяется как

ε₀=1—ρ_пр.н/ρ_пр (3.11)

где ρ_пр.н - насыпная плотность продукта, кг/м³; ρ_пр - плотность твердых частиц продукта, кг/м³.

Для продуктов шаровой формы, у которых ε₀=0,38÷0,42,

R (3.12)

Для некоторых плодов критические скорости составляют (м/с): зеленый горошек - 1,49, вишня - 2,3, слива - 2,9, абрикосы - 3,4.

Вторую критическую скорость и скорость витания определяют из уравнения

(3.13)

пригодного для всех режимов. Критерий Архимеда

Ar= ,

где g- ускорение свободного падения, м/с²; ρ_пр - плотность про­дукта, кг/м³; ρ_в - плотность воздуха, кг/м³.

Диаметр шара, эквивалентный отдельным объектам, определя­ется, как

dэ= ,

где G_np - масса плодов в произвольной пробе, кг; п - количество плодов в произвольной пробе, шт.; π = 3,14.

Таким образом, область существования псевдоожиженного слоя находится в области, отмеченной на рис. 3.17.

В зависимости от размера аппарата и продукта, свойств про­дукта бывают три режима псевдоожижения - однородный, неод­нородный и поршневой.

Характер псевдоожижения определяется значением критерия Фруда Fr, который рассматривают как критерий устойчивости си­стемы. При Fr<l,0 режим однородный, а при Fr>l,0 преобладает неоднородный режим. Поршневой режим наблюдается в аппаратах с диаметром около 50 мм и при отношении h/D_a>1 критерий пе­рехода к поршневому режиму выражается уравнением

,

137

где h - высота расширенного слоя, м; D_a - диаметр аппарата, м; ω - скорость, м/с.

При однородном режиме псевдоожижения порозность слоя

(3.14)

К

Рис. 3.17. Область су-

ществования псевдо-

ожиженного слоя уз­кой фракции зернисто-

­го материала:

1-кривая начала псевдо-

ожижения;2 - кри­вая нача-

ла уноса

онструкции аппаратов. Аппараты выпускаются малой, средней (рис. 3.18) и большой производительности (рис. 3.19 и 3.20). Кон­структивно аппараты состоят из изолированного контура, в кото­ром расположены воздухоохладители с венти­ляторами (чаще с центробежными). Отеплен­ный воздух подается вентиляторами в воздухо­охладитель и далее под решетку снизу перфо­рированного поддона. Продукт располагается па решетке или на поддоне. Продукт, направ­ляемый на решетку, предварительно моется и подсушивается, чаще всего с помощью встряхи­вания на вибрационной решетке (см. рис. 3.18) или путем охлаждения его.

Своеобразное решение принято в некоторых конструкциях, когда продукт замораживается во вспомогательной взвешенной в воздухе про­межуточной среде, выполняющей роль подвиж­ной насадки (см. рис. 3.20). В качестве проме­жуточной среды используют мелкодробленый лед, полимерные шарики, а также композиции, например смесь, состоящую из манной крупы, сахара, соли и мелкодробленого льда. Эта сре­да под действием направленного вверх воздуш­ного потока с небольшой скоростью (0,5 м/с), создаваемого вентиля­торами, превращается в кипящий слой, через который движется за­мораживаемый продукт. Размеры частичек кипящего слоя от 0,3 до 0,5 мм. Использование подвижной насадки несколько повышает интенсивность теплообмена. В аппарате применены две охлажда­ющие системы: одна -испарительная батарея змеевикового типа, предназначенная для охлаждения кипящего слоя, и вторая, состоя­щая из двух воздухоохладителей, предназначенная для охлажде­ния воздуха и работающая при более низкой температуре кипения. Аппарат отличается от обычных флюидизационных скороморозиль­ных аппаратов, в которых кипящий слой образуется самим замора­живаемым продуктом, имеющим большие размеры, чем мелкие час­тицы вспомогательного слоя. Аппарат позволяет замораживать не поддающиеся флюидизации продукты, в том числе упакованное мясо, цыплят (цельные или в кусках), упакованные готовые блюда средней величины, цельную птицу, филе птицы в упаковке и другие продукты.

Для поддержания высокой интенсивности теплообмена между воздухом и поверхностью воздухоохладителя в аппаратах большой производительности приме-

138

Рис. 3,18. Флюидизационный морозильный аппарат средней производительности;

1 -изолированный контур аппарата; 2 -дверь: 3 - секции воздухоохладителя; 4 -щиты для закрытия секции воздухоохладителя; 5 -теплоизолирующая перегородка; 6 -поддон с перфорированный дном; 7 -вибрационная решетка; 8 -щит; 9 -центробежные вентиляторы

Рис. 3.19. Флюидизационный аппарат большой производительности с орошаемым воздухоохладителем:

1 -изолированный контур; 2 -поддоны с перфорированным дном; 3 -воздухоохладители; 4 -вентиляторы; 5 -каплеотделители; 6 - концентратор этиленгликоля; 7 -паровой змее­вик дли выпаривания воды из этиленгликоля: 11- трубопровод для возврата этиленгликоля в поддон. 9 -теплообменник; 10 - вентиль; 11 - трубопровод для подачи этиленгиколя в концентратор; 12 -поддон с раствором этиленгликоля; 13 -циркуляционный насос; 14 -оросительная гребенка

няют орошение поверхности воздухоох­ладителя этиленгликолем (см. рис. 3.19).

В некоторых конструкциях воздухоохладителей применяют двухскоростные двигатели вентиляторов и шиберы для регулирова­ния скорости движения воздуха.

По способу транспортировки продуктов аппараты бывают лот­ковые (см. рис. 3.18, 3.19) и конвейерные (см. рис. 320). В первых продукт перемещается в поддоне в форме лотка из-за действия по тока воздуха и наклона лотка. В конвейерных аппа-

Рис. 3.20. Флюидизационный морозильный аппарат с промежуточной средой:

1 - перфорированный воздуховод; 2 - гладкотрубная змеевиковая батарея. 3 - транспорте­ры; 4 - окна: 5 — воздухоохладитель; б - подвижные насадки; 7 - центробежный вентиля­тор: 8 - изолированный контур

ратах продукт движется с помощью сетчатого конвейера.

Методы расчета. Для расчета флюидизационных аппаратов должны быть заданы их производительность, температура среды, начальная и конечная температуры продукта.

Оптимальная скорость движения воздуха

ω_опт=2,25+1,95lg ,

где ω_опт - оптимальная скорость движения воздуха в грузовом от­секе флюидизационной установки, м/с; ,- масса единичного продукта, г.

Необходимо убедиться, что оптимальная скорость

< ω_опт<

где - определяется уравнением (3.10) или (3.12), а - по уравнению (3.13).

Коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта [Вт/(м²×K]

α=0,62 .

140

Задаваясь температурой среды, размерами продукта, определя­ют продолжительность замораживания по формуле Р. Планка для тел сферической формы. Используют также эмпирические зависи­мости полученные А. М. Войтко и Т. С. Дидык для плодоовощного сырья шарообразной формы, имеющего начальную температуру 15…25°С:

в плотном слое τ_пл=2·10³

в псевдоожиженном слое τ_пс=1,75·10³

где τ_пл, τ_пс - продолжительность замораживания, ч; d_э - эквивалентный диаметр, м; р_в — плотность воздуха, кг/м³; ω_опт - опти­мальная скорость движения воздуха, м/с; t_в - абсолютное значе­ние температуры воздушной среды, °С

Площадь (м²) решетки, поддерживающей продукты:

F_p=Gτ/(ρ_пр.нh₀) ,

где G - производительность морозильного аппарата, кг/с; τ - продолжительность замораживания, полученная по вышеприве­денным зависимостям с учетом продолжительности стадии охлаж­дения, с; ρ_пр.н - насыпная плотность продуктов, кг/м ; h₀ - высо­та слоя продуктов, м.

Высота неподвижного слоя продукта принимается ориентиро­вочно 0,04...0,06 м.

Рабочая высота флюидизированного слоя

h=h₀(1-ε₀)/(1-ε_пс) ,

где ε_пс и ε₀ определяют из уравнений (3.14), (3.11).

Принятые размеры решетки, на которой замораживается про­дукт, длина L_p и ее ширина B_Р, связаны выражениями:

F_p=B_pL_p= ,

_где с_в - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К); Δt_в - подо­грев воздуха только во флюидизационном слое, принимаемый 1…3°С; ω_опт — оптимальная скорость воздуха, м/с; р_в - плотность воздуха' кг/м³; Q₂ - тепловая нагрузка от замораживаемого про­дукта, кВт, равная Q₂=G(i_np.нач - i_пр.кон), где G - производитель­ность аппарата, кг/с; i_np.нач, i_пр.кон - соответственно начальная и конечная энтальпии продукта, ,кДж/кг.

Масса загружаемого на решетку аппарата продукта (кг)

G_пр=F_ph₀ρ_пр.

Объемный (V_в) и массовый (G_в) расходы циркулирующего воз­духа связаны уравнением V_в= G_в/ р_в=F_pω_опт.

Теплота, отводимая от продукта и подведенная к воздуху (кВт), Q_в = G_вc_в·Δt_в. Если Q_в Q₂ , то необходимо изменить Δt_в, чтобы расхождение не превышало ±10%.

Теплота, отводимая от поверхности продукта:

Q_п=αF_пр·Δt_ср ,

141

где F_пр - площадь поверхности продуктов, м², находящихся во флюидизационном слое, определяемая по зависимости F_пр= 6G_пр/(ρ_прd_э); Δt_ср - средняя разность температур между возду­хом и поверхностью продукта, °С.

При расчете должно соблюдаться равенство Q₂=Q_в = Q_п. В случае отличия Q_п изменить количество находящихся на решетке про­дуктов (h₀, G_пр) с целью изменения F_пр и расчеты произвести вновь. Полученные действительные значения h₀^д , G_пр^д, F_пр^д использовать в дальнейших расчетах.

Действительная температура воздуха на выходе из флюидизационного слоя (°С)

,

где t температура воздуха в камере замораживания, °С; - температура воздуха, входящего во флюидизационный слой, ^°С; n - показатель степени, определяемый из соотношения

n=α /(10³ с_пр) ;

с_пр - удельная теплоемкость продукта, кДж/(кг·К); е - основание натуральных логарифмов.

Действительная скорость воздуха в грузовом отсеке аппа­рата должна быть меньше (м/с):

< .

Действительная величина критерия Рейнольдса

Re^д= .

Аэродинамическое сопротивление флюидизационного слоя (Па)

.

Аэродинамическое сопротивление решетки¹ (Па)

.

В дальнейшем определяют тепловую нагрузку на воздухоохла­дители, рассчитывают площадь поверхности воздухоохладителя, определяют аэродинамическое сопротивление всей воздушной си­стемы, подбирают вентиляторы.

Особенности использования воздушных турбохолодильных машин. За последние годы созданы воз­душные турбохолодильные машины (ТХМ) для диапазона от —70 до — 180°С. В зависимости от уровня температуры воздуха в холо­дильной камере ТХМ разделены на три типа: ТХМ1 с диапазоном от -80 до - 120°С; ТХМ2 с диапазоном от -5 до +20°С; ТХМЗ с диапазоном от -140 до -180°С.

________________

¹Для решетки с диаметром отверстий 3 мм и живым сечением 0,308 м²/м².

142

Воздушные турбохолодильные машины из-за своей прецизион­ности и высокооборотности требуют квалифицированной эксплуа­тации. Процессы протекают в них практически при атмосферном давлении, для них не требуется вода, они быстро выходят на заданный режим, просты в монтаже, у них малые металлоемкость и габаритные размеры. Однако они чувствительны к влажности воз­духа, для них требуется зву­ковая изоляция.

а)

Д

Рис. 3.21. Термодинамические циклы и схе­мы работы воздушных турбохолодильных машин:

а – с давлением и регенерацией; б - с разрежением и регенерацией: К - компрессор: ТО - теплообменник; Р - регенератор: Д - двигатель: ХК –холодильная камера; Г - турбодетандер

ля морозильных аппаратов с технологическим ре­жимом по воздуху -40°С и даже -50°С парокомпрессионные машины по энерге­тическим показателям в 2-2,5 раза экономичнее турбохолодиль-ных. При темпера­туре воздуха от -80 до -90°С воздушные турбохо­лодильные машины по энер­гетическим показателям при­ближаются к парокомпрессионным и лишь при более низких температурах воз­душные холодильные маши­ны становятся более эконо­мичными. Однако столь низ­кие температуры требуются редко. Самым слабым ме­стом этих машин является их малая производитель­ность, не превы-шающая 30 кВт.

Применяют открытые и замкнутые циклы получения холодного воздуха, при-чем воздух во всех процессах, составляю-щих цикл, находится под давлением, равным и выше атмосферного, а в некоторых случаях и ниже ат­мосферного. В зависимости от этого цикл называют «цикл с давле­нием» или «цикл с разрежением». В холодильной камере лучше создавать атмосферное давление.

В схеме замкнутого термодинамического цикла с давлением и регенерацией (рис. 3.21, а) воздух при любом начальном давлении (чаще всего близком к атмосферному) сжимается в компрессоре К (в T-S-диаграмме процесс 1-2), затем охлаждается водой или воздухом (процесс 2-3) и теплообменнике ТО. Далее воздух на­правляется в регенератор Р (процесс 3-4) для охлаждения встреч­ным потоком воздуха, расширяется в турбодетандере Т (процесс 4-5) и поступает в холодильную камеру ХК, где в результате теп­лообмена с продуктом нагревается (процесс 5-6) и вновь направ­ляется в регенератор (процесс 6-1), а затем в компрессор.

143

В разомкнутом (или открытом) цикле (рис. 3.21,6) воздух из атмосферы поступает вначале в регенератор Р, где охлаждается до температуры, необходимой для замораживания продуктов, и на­правляется в холодильную камеру ХК. В результате теплообмена с замораживаемым продуктом температура воздуха повышается (процесс 4-5). Далее воздух расширяется в турбодетандере Т (процесс 5-6) и вновь поступает в регенератор (процесс 6-1) при давлении ниже атмосфер-

Рис. 3.22. Схема использования ТХМ для замораживания сыпучих продуктов в псевдоожиженном слое:

1 - дроссельная заслонка; 2 - центробежный вентилятор: 3 - турбохолодильная машина; 4 - осевой вентилятор; 5, 7 - клапанные коробки; 6; 19 - регенератор; 8 - система рычагов: 9 - морозильный аппарат; 10 и 13 - выходной и входной шлюзы; 11 - теплоизоляционная шахта морозильного аппарата; 12 - металлические лотки; 14 и 15 - гидроцилиндры; 16 -турбодетандер : 17 - мультипликатор; 18 – компрессор

ного, откуда забирается компрессором, сжимается (процесс 1-2) и направляется в атмосферу при темпе­ратуре более высокой, чем температура атмосферного воздуха.

Машины изготовляют в стационарном и передвижном вариан­тах. В качестве технологического оборудования используются спи­ральные и туннельные конвейерные морозильные камеры, плиточ­ные аппараты и аппараты, действие которых основано на принципе флюидизации. В технологических условиях, создаваемых ТХМ, мо­гут замораживаться различные продукты в виде блоков (мясо, ры­ба, готовые кулинарные блюда), а также чай, плоды, ягоды и овощи на местах массового сбора, прямо в поле. В последнем случае наиболее целесообразны ТХМ в передвижном варианте.

При использовании ТХМ в комплекте с флюидизационным ап­паратом для замораживания сыпучих продуктов в псевдоожиженном слое (рис. 3.22) атмосферный воздух в систему попадает через дроссельную заслонку 1 и с помощью центробежного вентилятора 2 и осевого вентилятора 4 через клапанную коробку 5 поступает в регенератор 6 турбохолодильной машины 3. Здесь воздух охлаж­дается и подается через клапанную коробку 7 в морозильный аппарат 9, Воздух в аппарате подогревается на 30°С. Далее отеп­ленный воздух направляется в турбодетандер 1б, где расширяется, при этом его температура понижается.

144

В самом аппарате в шахте 11 располагаются друг над другом металлические лотки 12 с сетчатым дном. Загрузка лотков продук­том и выгрузка его в замороженном виде производятся через вход­ной 13 и выходной 10 шлюзы. Лотки перемещаются с помощью ав­томатически работающих гидроцилиндров 14 и 15, управляемых по сигналам реле времени. Холодный воздух продувается через слой продукта снизу, при этом замораживание производится либо в ре­жиме псевдоожижения (частиц размером до 25 мм), либо в плот­ном слое (частиц более крупных по размерам). Время нахождения продукта в шахте на лотках регулиру-

Рис. 3.23. Иммерсионный аппарат с зоной предварительного охлаждения:

1 - вытяжной вентилятор; 2 - изолирован­ный контур: 3 - ванна с жидким азотом; 4 - грузовой конвейер: 5 - продукт; 6 - цепная передача; 7 - электродвигатель; 8 - направляющие ролики; 9 - зона предвари­тельного охлаждения

ется с помощью реле вре­мени в зависимости от продолжительности замораживания, опреде­ляемой размерами продукта.

Замораживание с использованием конвективного теплообмена в жидких кипящих и некипящих средах. Оборудование такого типа отличается компактностью, большой интенсивностью теплообмена, сравнительно малой продолжительностью процесса.

Оборудование для замораживания путем кон­такта продукта с кипящей жидкостью. Это обору­дование компактно, просто по устройству, характеризуется высокой скоростью замораживания, хорошим качеством и товарным видом готового продукта. Высокая скорость замораживания способствует формированию внутри продукта мельчайших кристаллов льда, уменьшающих отрицательное влияние замораживания. К данному оборудованию относятся установки, в которых используются сжи­женные газы, в том числе криогенные, и в первую очередь N₂, CO₂ и хладоны. Несмотря на сравнительно высокую стоимость жидкого азота, СО₂ и хладонов, преимущества подобного оборудования — простота конструкции и удобство эксплуатации — привлекают вни­мание производственников. Разнообразие типов морозильных аппаратов вызвано различной их производительностью, назначени­ем и способами использования жидкостей.

Криогенные аппараты. В криогенных аппаратах в качестве теплоотводящей среды используют азот, реже - жидкий воздух. В ап­паратах продукт для замораживания погружается в жидкий азот (погружные аппараты) пли орошается им.

Погружной аппарат состоит из изолированного контура (рис. 3.23), изготовленного из нержавеющей стали и теплоизоляционного материала.

145

В изолированном контуре расположена ванна с жид­ким азотом 3. Подлежащий замораживанию продукт 5 поступает на загрузочный стол, затем на грузовой конвейер 4, а затем при перемещении конвейера продукт погружается в ванну с жидким азотом. Следует оговориться, что подобные аппараты должны удовлетворять повышенным требованиям для обеспечения безопас­ной работы.

Рис. 3.24. Аппарат для замораживания продуктов в жидком азоте методом его

распыления:

а - схема аппарата; б - характер распределения температур по зонам аппарата во время замораживания; 1 - центробежный вентилятор для удаления отработавшего газообразного азота; 2 - осевые вентиляторы: 1 - оросительное устройство: 4 - продукт; I - зона предва­рительного охлаждения; II - зона орошении: III - зона выравнивания температур объекта; t_ц - температура центра продукта; t_п - температура поверхности продукта; t_кон - среднеобъемная конечная температура продукта: t_c - температура среды

Аппарат с распылением жидкого азота в грузовом отсеке полу­чил наибольшее распространение. Расход жидкого азота для замо­раживания составляет 1 ... 1,2 кг на 1 кг продукта. Аппараты отли­чаются простотой автоматизации, возможностью регулирования производительности с помощью вариаторов скоростей. Подавляю­щее большинство аппаратов изготовлено в виде изолированного туннеля, в котором транспортером перемещается продукт (рис. 3.24,б). Туннель состоит из трех-четырех зон. Каждая зона имеет свое назначение. Продукт поступает в первую зону и затем после­довательно проходит все зоны. Чаще всего в первой зоне объект охлаждается газообразным азотом, поступающим из других зон. В средней зоне продукт орошается жидким азотом с помощью фор­сунок, расположенных чаще всего сверху. В последней (по ходу движения продукта) зоне температурное поле объекта выравнива­ется до заданной среднеобъемной величины (рис. 3.24, б).

Резкое различие в распределении температур в различных зо­нах связано с разной интенсивностью теплообмена. Так, в зоне предварительного охлаждения коэффициент теплоотдачи α от про­дукта к газообразному азоту изменяется примерно от 20 до 35 Вт/(м·К). В зоне орошения продукт орошается жидким азотом, поэтому коэффициент α резко увеличивается и составляет около 175 Вт/(м²·К). К концу последней зоны после испарения остатков азота с поверхности продукта

146

коэффициент теплоотдачи снижается до 10...15 Вт/(м²·К). Соотношение между продолжительностью пребывания продукта в зоне охлаждения и в зоне замораживания, а следовательно, и соотношение длин этих зон составляет 7:1.

Для обеспечения необходимой скорости движения газообразно­го азота в первой и последней зонах установлены вентиляторы, причем наибольшее количество (до 99...95%) испарившихся хо­лодных паров азота из средней зоны подается в зону предвари­тельного охлаждения, а остальная часть направляется в зоны вы­равнивания температуры и для предупреждения входа теплого воздуха в туннель. В некоторых конструкциях скорость газообраз­ного азота в зоне предварительного охлаждения равна 20...35 м/с. Температура паров азота на выходе из аппарата достигает - 20°С; из аппарата азот удаляется в атмосферу центробежным вентилято­ром.

Для распыления жидкого азота в зоне замораживания чаще всего устанавливают коллекторы. Длина каждого коллектора рав­на длине зоны. В коллекторах имеются отверстия или устанавли­ваются специальные форсунки мелкого распыла. Жидкий азот к форсункам подается или под давлением, создаваемым в питающем резервуаре, на уровне 20...240 кПа, или насосом, создающим давление перед форсунками 150 кПа. В некоторых конструкциях аппаратов применяется ороситель в виде перфорированного лотка или бака, монтируемого над зоной замораживания (над продук­том). Длина лотка (бака) равна длине зоны. Неиспарившегося азот собирается в нижней части аппарата в поддоне и оттуда стекает в питающий резервуар для повторной циркуляции с помощью насоса.

Существуют аппараты, в которых жидкий азот направляется вначале в охлаждающие батареи и в газообразном состоянии по­дается в грузовой объем камеры.

В аппаратах устанавливаются конвейеры различного типа, го­ризонтально или наклонно расположенные. Ленточные конвейеры изготовляют из нержавеющей стали в виде сетки; скорость движе­ния конвейера с помощью вариатора скоростей может меняться (в различных аппаратах обычно от 1 до 12 м/мин). Применяют так­же вертикальные или наклонные винтовые конвейеры.

Учитывая низкую температуру кипения азота при атмосферном давлении (—195,6^°С), эффект интенсивности замораживания сле­дует признать весьма высоким. Так, например, бифштекс толщиной 12...20 мм замораживается за несколько минут. Вместе с тем столь низкая температура азота усложняет регулирование темпе­ратуры продукта и оптимизацию процесса, так как требуется ко­нечная среднеобъемная температура продукта не ниже -20...-25°С. В настоящее время создано несколько типов отечественных аппаратов, в частности для сырья, направляемого на производство медицинских препаратов.

Расчет продолжительности замораживания проводят для раз­личных зон отдельно, поэтому минимальное время пребывания про­дукта в аппарате

147

τ= τ_I+ τ_II+ τ_III

где τ_I, τ_II, τ_III - продолжительность замораживания продукта в I, II и III зонах.

Продолжительности τ_I, τ_II и τ_III определяют по формуле Р. Планка, при этом в качестве величины q каждый раз нужно брать значение, соответствующее своей зоне. Так, для зоны III (зона домораживания) величина q будет определяться видом про­дукта, его среднеобъемной температурой при входе в третью зону и выходе из нее. Обычно принимают τ_I = τ_III или берут τ_III=(0,5...0,75) τ_I, иногда отказываются от третьей зоны вообще, тогда τ_III =0.

При определении продолжительности τ_I коэффициент теплоот­дачи к газообразному азоту принимают согласно уравнению

Nu =0,0296 Re^0,8Pr^0,43,

где в качестве определяющего размера принят эквивалентный диа­метр единичного продукта.

Температура газообразного азота в зоне I

t_c1=(t_г+t₀)/2 ,

где t_г - температура отработавшего газообразного азота, удаляе­мого из зоны предварительного охлаждения, принимается от -20 до -30°С; t₀= -196°С - температура кипения азота.

Скорость движения газообразного азота принимают 20 ... 35 м/с.

Коэффициент теплоотдачи [Вт/(м²·К)] в зоне орошения (зона II) рассчитывают по уравнению

α_II=25,06λ_{г ,}

где λ_г - теплопроводность газообразного азота, Вт/(м·К); с_г - удельная теплоемкость газообразного азота, кДж/(кг·К); Δt_a - разность температур между продуктом, поступающим в зону оро­шения, и кипящим азотом, °С; ρ_ж, ρ_г - плотность азота соответст­венно жидкого и насыщенных паров, кг/м³; σ_ж - поверхностное натяжение жидкого азота, Н/м; r - скрытая теплота парообразо­вания азота, кДж/кг.

Хладоновые аппараты. Этот тип аппаратов предназначен для замораживания мелкоштучных продуктов, в том числе фруктов, овощей, мясных полуфабрикатов, птицы, продуктов моря. Особен­ность аппаратов - наличие хладоносителя, роль которого выпол­няют хладоны. Теплообмен в такой жидкой кипящей среде с про­дуктом протекает очень интенсивно.

Аппарат (рис. 3.25) состоит из изолированного контура, внут­ренняя обшивка которого изготовлена из листов нержавеющей ста­ли, а внешняя обшивка — из листового пластика. Между обшивка­ми уложена пенополиуретановая тепловая изолиния. Подающий и разгрузочный конвейеры располагаются в соответствующих туннелях. Грузовой ленточный конвейер, изготовленный из нержавею­щей стали,

148

снабжен двигателем с вариатором скоростей, обеспечи­вающим изменение скорости перемещения ленты 1 ... 5 м/мин.

П

Рис. 3.25. Схема аппарата для замо­раживания мелкоштучных продуктов в жидком фреоне:

1 - загрузочный конвейер; 2 - конденса­тор-испаритель; 3 — изолированный кон­тур; 4 - разгрузочный конвейер; 5 — поддон; 6 - орошающее устройство; 7 - грузовой конвейер; 8 - лоток; 9 - насос

родукт, подлежащий замораживанию, подающим конвейером подается в лоток с жидким хладоном, а затем — на ленту грузово­го конвейера, где орошается жидким хладоном, поступающим из орошающего устройства. Для уменьшения расхода хладона обра­зовавшиеся при теплообмене пары конденсируются с помощью обычной холодильной машины на поверхности конденсатора-испарителя

расположенного над оросителем. Сконденсировавшийся хладон стекает в орошающее устройство. Конденсатор-испаритель работает при более низкой температуре ( -43°С), чем температура теплоотводящей среды (-30°С). Хладоновые аппараты компактны и по интенсивности теплообмена близки к криогенным.

Продолжительность замораживания для некоторых продуктов от +20 до - 18°С составляет (с): зеленый горошек - 30, зеленые бобы - 60, кусочки птицы - 90, рыбные палочки - 150, нарезан­ные хлебцы - 20, булки -720, клубника - 120, креветки - 150, цыплята - 600.

Недостатком аппаратов является утечка хладона, из-за чего за­грязняется окружающая среда, поэтому приходится принимать ме­ры по их герметизации. Не полностью выяснено влияние хладона на продукты и таких продуктов на организм человека. Изложен­ные теневые стороны метода требуют весьма осторожного подхода к промышленному распространению таких аппаратов.

Оборудование, в котором осуществляется непосредственный теплообмен объекта с жидкими некипящими средами. При выборе оборудования (аппаратов) для контактного или непрямого контактного заморажи­вания первостепенное значение имеет хладоноситель, его токсич­ность, вязкость, теплоотдача, плотность, летучесть. В качестве сред применяют растворы:

хлорида натрия (дешев, обладает самой высокой теплопро­водностью, но имеет высокую коррозионную способность, не позво­ляет снижать температуру теплоотводящей среды ниже -20°С, при замораживании неупакованных продуктов возможно их проса­ливание);

149

хлорида кальция (дешев, имеет высокую теплопроводность и низкую вязкость, но вызывает значительную коррозию металла и токсичен);

пропиленгликоль (не взаимодействует с металлами, нетоксичен, но имеет высокую вязкость и малую теплопроводность).

Достоинство указанного оборудования (аппаратов) - отсутст­вие летучей среды, что упрощает их конструкцию и эксплуатацию. Продукт замораживается погружением в хладоноситель или путем орошения.

Рис. 3.26. Аппарат для контактного замораживания мелкоштучных про­дуктов хладоносителем:

1 - загруженная воронка; 2 - пустотелый вал; 3 - вращающиеся перфорированные лопасти: 4 - ороситель; 5 - виб­рирующее сито; 6 - ванна с хладоносителем; 7 - изолированный контур

При применении раствора хлорида натрия возможно кон­тактное замораживание (без упаковки) некоторых продуктов (ры­бы, баклажанов, перца), а также мелкоштучных продуктов, где до­пустимо небольшое просаливание.

На рис. 3.26 показана схема аппарата для замораживания мелкоштучных продуктов (фрикаделек, пельменей). Аппарат состоит из изолированного контура, в котором находится ванна с раство­ром хлорида натрия. Хладоноситель охлаждается в испарителе и подается в ванну насосом через вращающийся пустотелый вал. На валу закреплены перфорированные лопасти. Продукт поступает в ванну с рассолом для замораживания через загрузочную воронку и в замороженном виде удаляется вращающимися перфорирован­ными лопастями. Частота вращения вала составляет 0,005...0,0а с^-1 в зависимости от настройки вариатора скоростей. Чтобы осла­бить влияние просаливания, после замораживания продукт подвер­гается орошению водой, в результате чего пленка хладоносителя удаляется.

Кроме отмеченных к недостаткам оборудования относится за­грязнение продукта, пенообразование вследствие попадания бел­ковых веществ в рассол, если продукт замораживается без упа­ковки.

В последние годы вновь возрастает интерес к оборудованию для замораживания продуктов в жидких некипящих средах. Этому способствует наличие полимерных пленок, используемых в качест­ве герметичных упаковок. В этом случае продукт может заморажи­ваться в токсичных хладоносителях, например в растворе хлорида кальция.

150

При замораживании тушек кур, упакованных в пакеты из сара­на и полиэтилена марки А, погружением в хлорид кальция (в условиях его циркуляции) скорость замораживания в 8 раз вы­ше, чем в воздухе при тех же температурах. Пакеты из сарана воздухонепроницаемы и после удаления воздуха из-под упаковки хорошо облегают тушки, уменьшая термическое сопротивление теплопередаче. В результате продолжительность замораживания тушек, упакованных в сарановые пакеты, примерно в 1,5 раза меньше, чем упакованных в полиэтиленовые пакеты.

Рис. 3.27. Аппарат для замораживания упакованных продуктов в жидком хла-

доносителе:

1 - охлаждающая ванна; 2 - разгрузочный гидравлический затвор; 3 - разгрузочный тран­спортер с вентиляторами для обдува продукта: 4, 7 - выталкиватели; 5 - транспортер для подачи продукта к гидравлическому затвору; 6 - загрузочный гидравлический затвор; 8 - перфорированный поддон с распределительный коллектором; 9 - транспортерная лента с клетьми; 10 - изолированный контур; 11 - циркуляционный насос; 12 - испаритель

Для замораживания упакованных мякотных субпродуктов при­меняют также монопропиленгликоль - неядовитую, не вызываю­щую коррозии жидкость, лишенную цвета, запаха и вкуса, и поэтому наиболее пригодную для этих целей в виде 50%-ного раство­ра. Замораживанию погружением в жидкость предшествует авто­матическая упаковка продуктов в пакеты. После замораживания пакеты промывают и подсушивают. Схема аппарата для замора­живания продукта в упаковке (тушки птицы) представлена на рис. 3.27.

Достоинство способа контактного замораживания в хладоносителе заключается в том, что при высоких коэффициентах теплоот­дачи уменьшаются потери массы при замораживании упакованных продуктов небольших размеров и сокращается продолжительность процесса, уменьшается потребность в обслуживающем персонале и производственной площади.

Оборудование для криоконцентрирования. Концентрированные продукты, получаемые удалением части воды, могут храниться в течение длительного времени без ухудшения качества, для их хранения и перевозки требуются меньшие площади

151

и меньше транспорта. Концентраты используются для получения в короткие сроки готовых к употреблению напитков путем добавле­ния к ним простой или газированной воды. Концентрирование ис­пользуется также для увеличения содержания определенных ком­понентов в растворе (для увеличения содержания алкоголя в ви­не), для ускорения процесса образования осадков (при очистке ви­на и пива), для сохранения ароматических веществ. Оборудование для криоконцентрирования обеспечивает наиболее полное сохра­нение качества продуктов, так как процесс в нем протекает быстро и при низких температурах, что замедляет течение химических и биохимических процессов в продуктах, сохраняет все ценные ком­поненты в концентрате. Кроме того, в продуктах сохраняется при­сущий им вкус и аромат, отсутствует так называемый «привкус варки». Это оборудование менее энергоемко по сравнению с обо­рудованием для других способов концентрирования.

По некоторым данным, выход продукта на каждый 1 кВт·ч за­траченной энергии в процессе вымораживания молока составляет 22,5 кг/(кВт·ч), при концентрировании выпариванием -9,6. кг/(кВт·ч). Имеется также ряд эксплуатационных преимуществ, связанных с проведением криоконцентрирования при низких тем­пературах: снижение коррозии аппаратов, уменьшение бактериаль­ной обсемененности продукта. Криоконцентрированию подвергают многие жидкие продукты - напитки, фруктовые и овощные соки, молоко, сыворотку, пахту, кофе, чаи, пиво, вина, мясные бульоны и др.

Криоконцентрирование состоит из двух основных этапов - кри­сталлизации и сепарирования. Первый этап, протекающий в кри­сталлизаторах, заключается в превращении воды или части ее, составляющей значительную долю продукта, в лед. На втором этапе концентрат и кристаллы льда, имеющие различную плот­ность, разделяются в сепараторах.

Оборудование для кристаллизации. В результате кристаллиза­ции получается суспензия, содержащая крупные одинаковые по размеру кристаллы льда, которые пригодны для сепарирования. Скорость образования зародышей кристаллов зависит от переох­лаждения жидкой фазы и связана с переохлаждением соотноше­нием

I=C_kexpΔT

где I - число зародышей, образовавшихся в единичном объеме за единицу времени; С_к - константа, зависящая от концентрации и состава сухого вещества; ΔT - переохлаждение жидкой фа­зы, ^°С.

Скорость образования зародышей льда зависит также от гидродинамического поведения суспензии. Чтобы уменьшить переохлаж­дение жидкости, применяют интенсивное перемешивание суспен­зии. Если скорость замораживания мала, то кристаллы льда вы­растают до больших размеров (рис. 3.28), а при большой скорости образуется большое количество мелких кристаллов.

152

В переохлаж­денных водных растворах образуются шестиугольные кристаллы льда в форме пластинок, при переохлаждении менее 0,9°С крис­таллы имеют форму дисков. Рост кристаллов, определяемый ли­нейной скоростью, зависит от степени переохлаждения и содержа­ния растворенных сухих веществ (рис. 3.29).

Для приготовления суспензии «кристаллы льда - концентрат» используют кристаллизаторы различных типов. Их можно классифицировать (автор Л. Пап) на

ΔT,°C

Рис. 3.28. Зависимость размеров образующихся кристаллов льда (d_кр) от переохлаждения жид­кой фазы (ΔT) (автор Л. Пап)

Рис. 3.29. Зависимость скорости роста кристаллов льда (С_кр) от концентрации (ξ) и степени переохлаждения раствора сахара:

1 - степень переохлаждения 1°С и диаметр кристалла 0,1 мм: 2 - степень переохлаждения 0,1° С и диаметр кри­сталла 0,1 мм (автор Л. Пап)

две большие группы - кристалли­заторы прямого охлаждения (вакуумные кристаллизаторы) и кри­сталлизаторы косвенного охлаждения. Последние в свою очередь могут быть более детально классифицированы следующим обра­зом:

1. Кристаллизаторы с внутренним отводом теплоты, которые в зависимости от содержания льда в суспензии могут быть с высо­ким пли низким содержанием льда.

2. Кристаллизаторы с внешним отводом теплоты в свою оче­редь разделяются на кристаллизаторы переохлажденной жидкости и кристаллизаторы с аппаратом для созревания кристаллов (по­следние разделяются на кристаллизаторы с рециркуляцией суспен­зии и кристаллизаторы с рециркуляцией жидкости).

В кристаллизаторах косвенного охлаждения с внутренним от­водом теплоты теплообмен осуществляется через охлаждаемые стенки, В этой группе кристаллизаторов широко применяются ци­линдрические кристаллизаторы (рис. 3.30). На охлаждаемой по­верхности вращающегося (горизонтального) пли неподвижного (вертикального) цилиндра с внутренним охлаждением непрерывно образуется слои льда, который снимается скребковыми неподвиж­ными или подвижными ножами. Суспензия направляется в сбор­ную емкость, в том числе с помощью транспортера. Цилиндр ох­лаждается хладагентом, циркулирующим в рубашке. Диаметр кристаллов льда при выдержке в течение 3 ч составляет

153

2

Рис. 3.30. Схема кристаллизатора с теплообменной поверхностью:

а - с неподвижными ножами и вра­щающимся цилинд-ром; б - с подвижными ножами и неподвиж-ным цилиндром: 1 - нож для со­скабливания льда; 2 - намораживающая поверхность барабана; 3 – полость для циркуляции хладагента; 4 - бак для жидкости; 5 - лен­та транспортера; 6 - вал скребкового ножа 7 –теп-лоизоляция; 8 - патрубок для входа хладагента: 9 - патрубок для поступления со­ка; 10 - патрубок для вы-хода сус­пензии кристаллов льда с концент­ратом; 11 - патрубок для выхода хладагента

00…300 мкм. В теплообменниках с поверхностью соскабливания (рис. 6.60, б), где выдержка суспензии составляет несколько ми нут, образуются мелкие крис-

мелкие кристаллы льда размером 50 мкм и менее поэтому эти аппараты используются на первой стадии приготовле­ния суспензии для образования зародышей кристаллов льда.

Рис. 3.31. Схема процесса кристаллизации с внешним отводом теплоты и с баком для роста кристаллов:

1 - поступление продукта; 2 - участок отвода теплоты; 3 - суспензия с зародышами кристал­лов льда; 4 - бак для роста кристаллов льда; 5 - мешалка; 6 - суспензия, содержащая кристал­лы льда больших размеров; 7 - фильтр; 8 - ре­циркуляция концентрата, прошедшего через фильтр

Рис. 3.32. Поршневой сепаратор льда:

1- перфорированный поршень; 2 - патрубок подачи суспензии кристал­лов льда с концентратом; 3 - фильтр; 4 - вращающиеся ножи для размалывания льда; 5 - выход льда; 6 - патрубок выхода концентрата

В кристаллизаторах с внешним теплоотводом теплота кристал­лизации отводится введенной извне холодной циркуляционной жидкостью или кристаллами льда.

В одной из схем (рис. 3.31) используется процесс выращивания кристаллов. Здесь стадии образования зародышей и роста крис­таллов отделены друг от друга. После получения мелких кристал­лов они направляются в бак для роста, где рост продолжается адиабатно путем расплавления части образовавшихся зародышей. Температура плавления кристаллов зависит от их размеров. У за­родышей она выше, чем у крупных кристаллов. Такая разница приводит к плавлению мелких и росту крупных кристаллов. Ин­тенсификация роста кристаллов обеспечивается интенсивной циркуляцией суспензии, в том числе с помощью мешалок. Для отделе-

154

ния крупных кристаллов устанавливается фильтр. Часть раствора, не содержащего кристаллов, отводится через фильтр из бака и направляется на участок образования зародышей.

Оборудование для сепарирования. Эффективность разделения компонентов суспензии на лед и концентрат, а также производи­тельность аппаратов для этих целей в основном определяются раз­мерами образующихся кристаллов льда и вязкостью концентрата. Сепарирование производят в поршневых сепараторах, центрифу­гах, в промывочных колоннах.

В поршневых сепараторах (рис. 3.32) разделение производится следующим образом. При положении поршня 1 в крайнем левом положении через патрубок 2 с помощью дозирующего насоса смесь подается в цилиндр. При движении поршня вперед под действием давления концентрат выдавливается из слоя кристаллов льда и че­рез фильтр 3 направляется в выходной патрубок 6. Лед под действием давления, достигающего примерно 9,8 МПа, спрессовывается в плотную массу, которая выдавливается из аппарата через за­уженную часть конуса 5. Выступающий конец спрессованного льда размалывается вращающимися ножами 4. Максимальная производительность поршневого сепаратора - 500 кг льда в час. Досто­инство метода отделения льда прессованием заключается в отсутствии контакта продукта с воздухом.

В центрифугах концентрат выжимается из вращающегося ба­рабана через фильтр, при этом кристаллы льда спрессовываются в плотный слой под действием центробежной силы и удаляются скребковой или транспортной системой. В настоящее время цент­рифугирование с периодической подачей суспензии является самым распространенным методом, который позволяет снизить потери сухих веществ до 1 % и менее.

В промывочных аппаратах применяется принцип разделения льда, основанный на разнице плотности кристаллов льда и кон­центрированного раствора. Промывочные аппараты сравнительно просты. В них (в колоннах) концентрат проходит между кристаллами льда и через фильтр удаляется из аппарата с одной стороны, а ледовый слой промывается противоточной водой по мере про­движения к противоположному концу аппарата. Затем лед расплавляется и удаляется.

В производственных способах криоконцентрирования из про­дуктов приходится удалять значительное количество воды, поэтому процесс целесообразно осуществлять в несколько ступеней или с помощью рециркуляционных процессов. В первом случае исполь­зуют двух - трехступенчатое вымораживание и сепарирование (рис. 3.33). Во втором случае некоторая часть готового продукта непре­рывно добавляется к исходному жидкому продукту.

Углекислотные аппараты. Длительное время исполь­зование СО₂ для замораживания пищевых продуктов сдерживалось тем, что при атмосферном давлении это вещество находится в твердом состоянии (сухой лед). Теплофизические свойства сухого льда на первый взгляд не способствуют его

155

применению для замо­раживания (низкие коэффициенты теплообмена). За последние годы положение изменилось. Появились методы использования жидкого СО₂, в результате дросселирования которого при атмо­сферном давлении получается сухой лед (точнее, сухой снег) с температурой -79°С.

К

Рис. 3.33. Схем произ-водственного способа крио-концентрирования

1 - подача исходного продук-та; 2 – теплообменник крис-таллиза­тор; 3 - центрифуга; 4 - выход готового продукта (концентрата): 5 - вывод льда; 6 - добав­ление разбавленного концентрата

онструктивно аппараты, использующие жидкий СО₂, состоят из изолированного контура (камеры) с конвейером для перемеще­ния продукта. В камере устанавливаются коллекторы с форсунка­ми для впрыскивания в грузовой объем жидкой углекислоты, подавае­мой автоматически из бака. В процес­се дросселирования жидкой углекисло­ты от давления в баке около 3000 кПа до атмосферного в камере образуется смесь газообразной и мелкодисперс­ной (а виде снега) твердой углекисло­ты. Для интенсификации процесса замораживания в грузовом отсеке ус­танавливают вентиляторы, обеспечи­вающие при продольной или попереч­ной циркуляция скорость движения среды 25 ...35 м/с. Температура в кон- туре обычно поддерживается в пределах

-30...-70°С. Более низкие температуры усложняют эксплуатацию.

Оборудование для замораживания с помощью кондуктивного теплообме­на через герметичные перегородки. Замораживание продукта в упаковке происходит между двумя металличе­скими или эластичными перегородками, которые могут быть по­движны или неподвижны относительно друг друга. Достоинством этого типа аппаратов является возможность производства продукта правильной прямоугольной формы, удобной для последующего скла­дирования, а недостатком - невозможность замораживания многих продуктов неправильной формы, нарушать которую (деформиро­вать) нельзя (неразделанные тушки домашней птицы и крупных рыб, замораживаемых без разделки). Процесс замораживания про­текает очень интенсивно, время замораживания по сравнению с вре­менем замораживания в воздушных аппаратах снижено в полтора-два раза. Аппараты устанавливаются в линии производства различ­ных продуктов в виде блоков, используются для замораживания субпродуктов, полуфабрикатов, готовых блюд, рыбы и рыбного фи­ле, морепродуктов, фарша, творога и т. д. Аппараты конструктивно делят на горизонтально-плиточные, вертикально-плиточные, ротор­ные, а также аппараты барабанного типа.

Горизонтальноплиточные и вертикальноплиточные морозильные аппараты. В горизонтально-плиточных и вертикально-плиточных морозильных аппаратах основ-

156

ным рабочим органом являются плиты. Они изготовляются из вы­сокопрочного сплава алюминия. Внутри плит имеются каналы или уложены трубы для циркуляции хладагента. Толщина плит в современных аппаратах составляет около 25 мм при толщине стенки 5 мм, длина плит от 1,5 до 2,0 м, ширина от 0,7 до 1,2 м.

Рис.. 3.34. Многоплиточный морозильный аппарат с нижним расположением гид­равлического подъемника:

а - плиты раздвинуты; б - плиты сдвинуты; 1 - охлаждающие плиты; 2 - пантографы; 3, 4 - подставки; 5 - гидравлический подъемник; 6 - пакеты с продуктом; 7 - поршень

Некоторые схемы горизонтально-плиточных аппаратов представ­лены на рис. 3.34 и рис. 3.35. Охлаждающая среда в плиты пода­ется с помощью терморегулирующего вентиля (ТРВ) или насосами в коллекторы или распределители, откуда по гибким бронирован­ным резиновым шлангам - в полости или трубки плит, где хлад­агент испаряется, и по таким же шлангам от каждой плиты пары направляются в паровой коллектор. Для быстрого оттаивания не­которые аппараты оборудуются системой, состоящей из электри­ческого нагревателя и вентилятора. В последнее время созданы комплексные механизированные линии и отдельные аппараты с механизированной системой загрузки и выгрузки в них при движу­щемся объекте.

Вертикально-плиточные аппараты также поддаются механиза­ции загрузки и выгрузки. По способу выгрузки есть аппараты с нижней, боковой и верхней выгрузкой продукта (рис. 3.36, а, б, в). Существуют аппараты жесткой конструкции (с неподвижными плитами) и аппараты с подвижными плитами. Для выемки замо­роженного продукта в некоторых конструкциях морозильных аппаратов производят

157

подогрев неподвижных плит и подтаивание по­верхности блоков. Раздвигая плиты, в зависимости от способа выгрузки, блоки вынимают, сбрасывают или выдвигают на раз­грузочный конвейер или специальную сетку.

Роторные морозильные аппараты. Основным эле­ментом аппаратов являются морозильные секции, состоящие из двух плит (рис. 3.37), изготовленных из алюминиевого сплава.

Рис. 3.35. Многоплиточный аппарат с верхним расположением гидропривода:

а - плиты раздвинуты; б - плиты сдвинуты; 1 - охлаждающие плиты; 2 - нижние подстав­ки; 3 - деревянные подставки; 4 - болты; 5 - пакет с продуктом; 6 - поршень; 7 - гидравлический подъемник

Продукт замораживается между плитами. Верхняя плита подвиж­ная, а нижняя - неподвижная. По каналам внутри плит циркули­рует хладагент, поступающий и отводящийся через полый вал ро­тора. Современные роторные морозильные аппараты (рис. 3.38) механизированы. В связи с равномерной загрузкой продуктом они характеризуются стабильностью тепловой нагрузки на холодиль­ную установку. Таким показателем является коэффициент непре­рывности η_а работы аппарата, под которым понимают отношение количества разовой загрузки продукта G_np1 к единовременной вместимости аппарата G_np=G_np1+ G_np2, где G_np2 - количество про­дукта, оставшегося в аппарате. Коэффициент

η_а = G_np1/( G_np1+G_np2).

Значение этого коэффициента составляет: для тележечных, шкафных и стеллажных аппаратов η_а = 0,3; для роторных аппара­тов η_а = 0,034-0,04; для конвейерных морозильных аппаратов η_а = 0,0044-0,005. Меньшим значениям η_а соответствует более высо­кая стабильность тепловой нагрузки.

Для уменьшения сил сцепления замороженного продукта с ох­лаждающими плитами и для упрощения процесса выгрузки применяют различные средства.

158

Рис. 3.3.5. Вертикально-плиточные аппараты:

а, б - с верхней выгрузкой; а - с боковой разгрузкой (общий вид); 1 - гидравлический пресс для вертикального перемещения и выемки блоков замороженного продукта; 2 - мо­розильные плиты; 3 - гидравлический пресс для сдвигания и раздвигания морозильных плит; 4 - блоки продукта; 5 - боковая стенка; 6 - прибор управления гидропривода; 7 - коллекторы; 8 - вертикальные направляющие

Среди них использование антиадгезион­ного упаковочного материала, оттаивание поверхностного слоя блока перед выгрузкой, снижение температуры хладагента, посту­пающего в плиты, покрытие плит специальными полимерными ан-тиадгезионными материалами.

Продолжительность замораживания мясопродуктов и рыбы (килька, пикша мелкая, сайда, хек, салака, корюшка) в блоках толщиной 75 мм при температуре -40°С составляет около 2 ч. В отечественной практике применяются аппараты МАР-8А (для работы на рассоле), МАР-8АМ (для работы на рассоле и на ам­миаке) АРСА-10 и АРСА-3-15 (на аммиаке), УРМА.

159

Продолжительность замораживания в аппаратах, где теплота отводится в основном за счет кондуктивного теплообмена, опреде­ляется методом последовательного приближения по зависимости Р. Планка.

Рис. 3.37. Морозильная плита конического профиля роторного морозильного ап­парата:

1 - поперечная планка. 2 - каналы для циркуляции хладагента

Для решения задачи предварительно задаются продол­жительностью замораживания τ (в секундах) и определяют тепло­вой поток

q_ср=Q_бл/(2F_блτ) ,

г де q_ср - средний тепловой поток от замораживаемого блока к площади поверхности морозильной плиты, кВт/м^г; Q_бл = G_бл - количество теплоты, отводимой

Рис. 3.38. Роторный морозильный аппарат:

1 - кольцевые коллекторы подачи и отвода хладагента; 2 - щит подпрессовывающего устройства; 3 - морозильные плиты; 4 — лоток; 5 - весы; 6 - подпрассовывающее устрой­ство; 7 - механизм передвижения стола; 8 - загрузочное устройство; 9 - механизм выгрузки замороженных блоков; 10 - транспортер; 11 - привод; 12 - вал ротора; 13 - бандаж ро­тора

160

от блока массой G_бл при его замора­живании, кДж; F_бл - площадь поверхности соприкосновения бло­ка с плитой, м²; q - количество теплоты, отводимой от 1 кг блока при его замораживании, кДж/кг.

Определяют среднее значение коэффициента теплоотдачи при кипении хладагента, используя зависимости вида α_х.а = aq_cp^b. где а, b - коэффициенты уравнения. Для аммиака уравнение имеет вид α_х.а = 1,76q^0,7_ср Вт/(м²·К). Здесь q_ср - удельная тепловая на­грузка, кВт/м².

Для расчетов коэффициентов теплоотдачи в каналах и трубах при турбулентном режиме (Re≥10⁴) применяют формулу М. А. Михеева, полученную в результате обобщения исследований многих жидкостей:

Nu=0,021R ,

где за определяющую температуру принята средняя температура жидкости, а за определяющий размер - эквивалентный диаметр d_э =4F_кан/u. Здесь F_кан - площадь поперечного сечения канала для хладагента, м²; u - полный периметр канала, м.

Коэффициент ε_L учитывает изменение коэффициента теплоотда­чи по длине канала морозильной плиты. При отношении длины ка­нала L к его диаметру L/d_э >50 принимают ε_L = 1. Отношение Pr_ж/Pr_ст принимают также равным 1.

Подставляя найденное значение коэффициента теплоотдачи в формулу Р. Планка, определяют продолжительность заморажива­ния. Если расчетное значение продолжительности замораживания намного отличается от принятого значения, то расчет повторяют, задаваясь новым значением продолжительности замораживания. Изменение тепловой нагрузки (кВт/м²) может быть описано уравнением

q_τ=q_начe^-c_н^τ ,

где q_нач - тепловая нагрузка в начальный период времени, кВт/м²; С_н -коэффициент, определяемый в зависимости от начальной t_нач и конечной t_кон среднеобъемных температур продукта. Средний тепловой поток

q_ср= ,

где Δτ=τ/n выбирается в зависимости от количества п морозильных секции в аппаратах роторного типа.

Коэффициент неравномерности тепловой нагрузки m_т =q_ср/q_нач составляет для морозильных аппаратов роторного типа 0,865, для конвейерного воздушного морозильного аппарата 0,977, для аппа­рата периодического действия 0,175.

6—1430 161

При расчетах продолжительности замораживания учитывается наличие дополнительных термических сопротивлений от морозильных плит, упаковки, воздушных прослоек.

Неплотность контакта продукта с замораживающей плитой учитывается коэффициентом φ_о= 0,83 0,9, тогда действительная| продолжительность замораживания

τ^д=τ/φ₀

Вместимость аппарата G' = G/n_u, где G - производительность аппарата, кг/сут; n_ц—количество циклов работы аппарата в сутки, составляющее n_ц=τ_с/τ_ц, где τ_с = 22 ч - продолжительность рабо­ты аппарата в течение суток, τ_ц - продолжительность цикла ра­боты аппарата с учетом продолжительности замораживания т и времени загрузки и выгрузки τ_з.в. = 0,25...0,33 ч.

Необходимое количество плит в аппарате

n=z_б/z’_б +1

где z_б - количество блоков, находящихся в аппарате; z’_б' - коли­чество блоков, располагаемых на одной морозильной плите (меж­ду двумя плитами).

При проектировании аппаратов производят также тепловые и гидравлические расчеты, определяют вместимость испарительной системы аппарата, производительность насоса для хладагента и мощность его двигателя.

Оборудование, основанное на радиационно-конвективном тепло­обмене. Оборудование этого типа применяется в мясной промыш­ленности при холодильной обработке мяса в тушах, полутушах и четвертинах. Оборудование осуществляет замораживание путем использования конвективной и радиационной составляющих тепло­обмена. Радиационный теплообмен обеспечивается установкой батарей между подвесными путями на уровне наиболее толстой (бедренной) части туши, полутуши (рис. 3.39). В радиационных системах охлаждения конвективный теплообмен обеспечивается при естественной скорости движения воздуха у поверхности бата­рей и продукта, достигающей 0,2 м/с. В воздушно-радиационных системах с помощью воздухоохладителей и вентиляторов достигается у продукта и радиационных батарей принудительная циркуляция воздуха, скорость воздуха достигает 4 м/с.

Наличие междурядных радиационных батарей обеспечивает увеличение общего коэффициента теплоотдачи. Интенсивность про­цесса теплоотдачи при естественной скорости движения воздуха возрастает при замораживании охлажденного мяса в 1,6...1,7 ра­за, что позволяет сократить продолжительность процесса в 1,5 ра­за, увеличить коэффициент использования строительной площади камер. При принудительной циркуляции воздуха естественные по­тери сокращаются на 20...30%.

Усушка ΔG при замораживании мяса зависит от количества теплоты Q₂, отводимой от продукта, и температуры воздуха в ка­мере, т. е. ΔG=f(Q₂, t_в), где t_B - температура воздуха; Q₂=GΔi;

162

G - производительность морозильной камеры или количество за­мораживаемого продукта, кг/с; Δi - разность энтальпии продукта до и после замораживания, кДж/кг. Известно, что при радиацион­ном теплообмене доля теплоты, отводимой радиацией Q_p, не уча­ствует в массообмене, и поэтому усушка зависит не только от ко­личества теплоты Q₂, но и от способа ее отвода, в данном случае от разности Q₂-Q_P. Доля составляющей Q_P равна 20 ...30%.

Рис. 3.40. Характер изменения коэффици­ентов теплоотдачи при однофазном замо­раживании говяжьих полутуш (скорость воздуха на уровне бодренной части 3,7 м/с) за счет:

1 - испарения влаги с поверхности (α_и); 2 - радиации (α'_р, α_р), отнесенные соответственно к разностям температур на поверхности мяса и поверхности батарей на поверхности мяса и воздуха в камере; 3 - конвекции (α_к); 4 - суммарное значение коэффициента теплоотда­чи (α)

Рис. 3.39. Камера замораживания с воздушно-радиационной системой охлаждения:

1 - изолированный контур камеры: 2 - подвесной воздухоохладитель; 3 - балка подвесного пути; 4 - межрядные радиацион­ные батареи; 5 - мясные полутуши

На рис. 3.40 представлено изменение коэффициентов теплоотда­чи от мяса в камере с воздушно-радиационной системой охлажде­ния. Суммарный коэффициент теплоотдачи непостоянен во времени и зависит от снижения в процессе замораживания всех его состав­ляющих. В общем коэффициенте теплоотдачи доля конвективной составляющей изменяется от 76 (при скорости ω= 4 м/с) до 64% (при ω=0,5 м/с) и является основной величиной в сумме коэффи­циентов теплоотдачи конвекцией, радиацией и испарением.

Доля радиационной составляющей α_р равна 20 (при ω= 4 м/с) и 30% (при ω= 0,5 м/с). Доля составляющей коэффициента тепло­отдачи испарением 4 (при ω= 4 м/с) и 6% (при ω= 0,5 м/с), т. е. небольшая, однако в начале процесса его значение достигает зна­чительных размеров. Несмотря на отмеченные положительные сто­роны этого метода, наличие междурядным батарей существенно усложняет эксплуатацию подобных камер (оттаивание снеговой шубы, уборку снега и т. п.).

6* 163

Этим обстоятельством определяется ограниченность применения данного метода в подобном техниче­ском решении.