4. Температурные графики и тепловой расчет

ЗАМОРАЖИВАНИЯ

Температурные графики заморажива­ния характеризуют графические изменения температу­ры в различных точках продукта во времени и разли­чаются в зависимости от размеров и теплофизических свойств замораживаемых продуктов, а также от интен­сивности теплоотвода (рис. 3.1).

К

а

t°L

6

Рис. 31. Температурные графики замораживания рыбы:

а — на воздухе при температуре — 35 °С и скорости циркуляции воздуха 5 м/с; б — в растворе хлористого натрия при температуре — 20 °С

t'r

ак видно из графиков, в первый период темпера­тура в теле рыбы быстро понижается до криоскопичес­кой как при воздушном, так и при рассольном замора­живании. Во второй период снижение температуры за­медляется, наклонная кривая переходит в пологую или горизонтальную линию. Замедление снижения темпера­туры, особенно в диапазоне температур —1...—5 °С, объясняется выделением скрытой теплоты льдообразо­вания, так как в этот период почти 80 % воды, содер­жащейся в рыбе, превращается в лед. Длина и наклон линии, характеризующей этот процесс, также зависят от интенсивности теплоотвода (на поверхности продук­

та прн быстром замораживании второй период может отсутствовать).

Третий период показывает изменение температуры продукта после замораживания, когда основная часть несвязанной воды перешла в твердокристаллическое состояние.

Прн тепловых расчетах замораживания задается на­чальная и конечная температуры продуктов. Исполь­зуемые же числовые значения тепловых характеристик продуктов должны относиться ко всему процессу, поэ­тому в расчетах берутся значения тепловых характерис­тик продуктов при средней температуре процесса.

Среднюю температуру продукта (в интервале от t\ до t₂) при условии, что оба эти значения лежат в об­ласти от криоскопнческой температуры до температуры окончания льдообразования, можно определить по урав­нению

*c_P=(/₂-*.)/2,31g(/₂//,).

При замораживании температурное поле продукта остается неравномерным до конца процесса. Выполняя тепловые расчеты замораживания, нужно знать харак­теристики состояния продукта в конце замораживания. Обычно для этого усредняют температуры в различных точках замороженного тела и вводят понятие о средней конечной температуре замораживания.

Средней конечной называют температуру, характе­ризующую состояние замороженного продукта, поме­щенного в камеру хранения, когда наружного теплооб­мена практически нет (температура на поверхности те­ла близка к температуре воздуха в камере), а внутрен­ний теплообмен между различными слоями продукта происходит довольно интенсивно из-за возросшей тем­пературопроводности тела (происходит выравнивание температуры по всему объему продукта). Средняя ко­нечная температура тела практически равна средней арифметической между конечными температурами про­дукта на поверхности и в центре (в последнем случае она не должна превышать —8 °С). Конечная темпера­тура на поверхности тела зависит от размеров и тепло­физических свойств продукта, а также от температуры теплоотводящей среды и коэффициента теплоотдачи.

Среднюю конечную температуру продукта рассчи­тывают по формулам, полученным И. Г. Алямовским:

для пластины

^с.к= (2/_ц+/_п)/2,

для цилиндра

^с.к= (^ц~Мп)/2,

для шара

/с.к= (2/ц4-3/п)/5,

где /_ц и /_п — соответственно температура в центре и на поверхности тела, °С.

Для соблюдения постоянного температурного режи­ма в камере хранения при внесении в нее продуктов сразу после замораживания, а также для предотвраще­ния домораживания продуктов необходимо, чтобы сред­няя конечная температура продукта после заморажи­вания была равна температуре воздуха в камере хра­ненная

/Если средняя конечная температура продукта отли­чается от температуры в камере хранения, в которую его поместят, то температурный режим охлаждаемого помещения может нарушиться. Конечную температуру замораживания в центре тела рассчитывают, принимая среднюю конечную температуру равной температуре воздуха в камере хранения:

/_ц=(2/_с.к(Я/+1)— f_cЈi)/(Ј<+2),

где /_с — температура теплоотводящей среды, °С;где а — коэффициент теплоотдачи при замораживании, Вт/(м² К); / — минимальное расстояние от поверхности продукта до центра, м; ?._м — коэффициент теплопровод­ности продукта при средней конечной температуре за­мораживания, Вт/(м*К).

В задачу теплового расчета заморажи­вания входит определение продолжительности замора­живания продуктов и количества теплоты, отводимой при этом.

Продолжительность замораживания — время, необ­ходимое для понижения температуры продукта от на­чальной до заданной конечной, при которой большая часть воды, содержащейся в тканях, превращается в лед. Зависит она от скорости и конечной температуры замораживания, начальной температуры и теплофизн- ческих свойств продуктов, их толщины, а также от тем­пературы и свойств охлаждающей среды и др.

Продолжительность процесса замораживания про­дуктов определяют, представляя их в виде тел простой стереометрической формы (пластины, цилиндра, шара, параллелепипеда). В холодильной технологии наиболее часто используют формулу Планка

q др* / I 1 \

^ 3,6(/кр—^ сМ 4^-м о I*

где q₃—полная удельная теплота, отводимая от про­дукта при замораживании от заданной начальной тем­пературы продукта до заданной средней конечной, кДж/кг: q₃ = i_K—t_c._K, где i_K — энтальпия продукта при начальной температуре, кДж/кг; i_c._K — энтальпия про­дукта при средней конечной температуре, КДж/кг; р- плотность замороженного продукта, кг/м^г; / — толщи­на продукта, м; /_кр — начальная криоскопическая тем­пература продукта, °С; t_c — температура теплоогводя- щей среды, °С; Х_м — коэффициент теплопроводности продукта при средней температуре его в процессе за­мораживания между криоскопнческой и средней конеч­ной температурами, Вт/(м‘К); а — коэффициент тепло­отдачи к теплоотводящей среде, Вт/(м₂'К)? А — коэф­фициент, значение которого зависит от формы замора­живаемого тела (для плоскопараллельной пластины при двустороннем замораживании А = 2, для бесконеч­

но него прямого круглого цилиндра А = 4, для шара — ,4=6); 1 — характерный размер, м (для плоскопарал­лельной пластины I — толщина пластины, для беско­нечного круглого прямого цилиндра / — диаметр ци­линдра, для шара I — диаметр шара).

Тело в форме цилиндра замерзает в два, а в форме шара — в три раза быстрее, чем тело в форме плас­тины. * •

При расчете продолжительности замораживания упакованных продуктов формула Планка приобретает вид

Я ЗР6 /W ip (Li V⁶ у\ \

^Т“ 3,6(/кр-/сН

где 6 — толщина замораживаемого продукта; R и Р — коэффициенты, значение которых зависит от соотноше­ния размеров тела и направления тепловых потоков; 2(6уДу) — сумма тепловых сопротивлений слоев упа­ковки, м²*К/Вт.

На продолжительность замораживания оказывают влияние тепловое сопротивление упаковки и степень плотности прилегания упаковочного материала к про­дукту.

Сокращение продолжительности замораживания до­стигается понижением температуры теплоотводящей среды /_с, уменьшением толщины замораживаемого про­дукта 6 и увеличением коэффициента теплоотдачи у поверхности тела а. Для замораживания продуктов пи­тания температура охлаждающей среды должна быть —30...—40 °С и ниже.

Наиболее перспективно и экономично заморажива­ние полуфабрикатов и готовых или полуготовых блюд в мелкой фасовке, что существенно сокращает продол­жительность замораживания, способствует сохранению потребительских свойств продуктов.

При небольших значениях коэффициента теплоотда­чи (5—10 Вт/(м²-К)) повышение его сокращает про­должительность процесса. Этот эффект тем больше, чем меньше толщина продукта. При больших абсолютных значениях коэффициента теплоотдачи эффект его уве­личения ослабляется.

Для морозильных устройств с принудительной цир­куляцией воздуха коэффициент теплоотдачи определя­ют по эмпирической формуле в зависимости от скорос­ти движения воздуха

a = S,73v⁰'⁸,

где v — скорость движения воздуха, м/с.

По этой зависимости а будут иметь следующие зна­чения:

и, м/с 23 45 6 7 8 9 10

а, Вт/(м²-К) 15,1 20,9 26,4 31,0 36,5 42,4 46,1 50,5 55,0

Количество теплоты, отводимой от продуктов при замораживании,

Q=M (Со (ti—/_кР) + г.-. V ’(о+См (/_кр—i’i)) •

где М — масса замораживаемого продукта, кг; С₀ — удельная теплоемкость продукта при температуре выше начальной криоскопнческой, Дж/(кг*К); t\ — начальная температура продукта (выше криоскопнческой), °С; /ч_Р — начальная криоскопическая температура, °С; г_л— скрытая теплота замерзания воды, Дж/кг; №—относи­тельное содержание воды в продукте; со — количество замороженной воды в продукте, определяемое при сред­ней конечной температуре; С_м — теплоемкость моро­женого продукта, определяемая при средней темпера­туре /_ср между криоскопнческой и средней конечной, Дж/(кг*К); t₂ = tc._K — средняя конечная температура продукта, °С.

Первое слагаемое выражает теплоту охлаждения, отнимаемую от продукта при понижении его темпера­туры от начальной t\ до криоскопнческой /_кР; второе — наибольшее, так как большое численное значение имеет удельная теплота льдообразования г_л (335 кДж/кг); третье — определяет количество теплоты, отводимой от замороженного продукта в интервале температур от криоскопнческой до средней конечной /_с.к-

Количество теплоты, которое нужно отвести от про­дукта при его домораживании от начальной темпера­туры /’кр, лежащей ниже начальной криоскопнческой, до конечной /с.к,

Q = M(r. № ((02—03') -1-См(7'_Кр—/с.к)),

где о>2 и (o' — количество вымороженной воды при тем­пературах /_с.к и /'к_Р соответственно; /'_кр— начальная температура продукта, поступающего на домораживание (определяется как среднеобъемная), °С; /_с.к — средняя конечная температура продукта, °С; С_м — удельная теплоемкость продукта, Дж/(кг-К).Подмораживание — понижение температуры продуктов ниже криоскопической точки. Суть данного метода холодильной обработки заключается в частич­ном подмораживании продовольственных продуктов при низких отрицательных температурах (—30...—35 °С) и последующем хранении при —2...4-1°С. В процессе подмораживания мяса животных, птицы или рыбы на их поверхности создается замороженный слой опреде­ленной толщины с температурой —3...—5°С. Внутрен­няя часть продукта остается незамороженной (темпе­ратура не достигает криоскопической и составляет в среднем +4...— 1°С). После помещения продуктов на хранение при —2°С в течение первых суток происходит перераспределение температуры по всей массе мяса, птицы или рыбы, затем она выравнивается и во всех точках продукта достигает —2 °С.

Подмораживание необходимо для сохранения про­дукта более продолжительное время, чем охлажденно­го, и менее, чем замороженного.

Подмороженные продукты в результате замедления ферментативных и микробиологических процессов доль­ше хранятся, по потребительским достоинствам почти не отличаются от охлажденных, приобретают упругость, позволяющую транспортировать и хранить с высокой эффективностью.

Мясо подмораживают в морозильных камерах, ос­нащенных современным оборудованием. Продолжи­тельность подмораживания обусловлена прежде всего температурой воздуха в морозильной камере. При —25 °С и ниже и принудительной циркуляции подмора­живание мяса осуществляется достаточно эффективно: температура полутуш на глубине 1 см составляет —6,0... —4,5 °С, в глубине бедра 1-1,0...—0,5 °С, в лопаточ­

ной части —+1,5...—2,5 °С. По окончании подморажи­вания полутуши становятся упругими, при подъеме не прогибаются. Если же этот процесс протекает при не­достаточно интенсивном отводе тепла, то подморожен­ный слой четко не выделяется либо вообще отсутству­ет. По истечении определенного времени температура на глубине 1 см составляет —2...—3 °С, мясо остается мягким, неупругим.

При подмораживании следует учитывать, что после помещения в морозильную камеру парного мяса (34... 36 °С) температура в ней повышается, условия тепло­обмена ухудшаются, что сказывается на качестве мя­са. Поэтому перед загрузкой его в морозильные каме­ры необходимо оттаивать приборы охлаждения, а про­должительность загрузки не должна превышать 3—4 ч.

Условия подмораживания, его длительность, степень загруженности морозильных камер, а также время загрузки и выгрузки влияют на величину усушки мяса. Чем ниже температура в камере перед загрузкой мяса при прочих равных условиях, тем меньше усушка.

При медленном подмораживании мяса явно подмо­роженный слой отсутствует, что приводит к увеличению продолжительности холодильной обработки и увеличе­нию потерь массы.

На величину усушки при подмораживании влияет длительность нахождения мяса в холодильнике до пос­тупления в морозильные камеры. Так, в партиях мяса, которые находились до подачи в морозильные камеры при температуре 4 °С в течение 4 и 6 ч, наблюдалась повышенная усушка.

Последняя возрастает и при использовании моро­зильных камер большой вместимости. Например, при вместимости до 30 т средняя убыль массы при подмо­раживании мяса составляет 1,3 %, а свыше 30 т —

4. 1,5 %.

Из морозильных камер подмороженное мясо направ­ляют в камеры-накопители (температура воздуха —2... —3 °С) и располагают на подвесных путях на 2—4 сут. В течение первых суток происходит выравнивание тем­пературы по всему объему полутуш и температура по всей толще мяса становится одинаковой (—2±0,5°С). Усушка подмороженного мяса при краткосрочном хра­нении составляет в среднем 0,2—0,3 %.

За счет частичного вымораживания воды подморо­женное мясо приобретает упругость и механическую прочность, что дает возможность перевозить его в шта­белях. Перевозка мяса в подмороженном состоянии поз­воляет по сравнению с охлажденным увеличить исполь­зование грузового объема рефрижераторных вагонов в два раза, снизить себестоимость транспортирования, задействовать рефрижераторные вагоны, не приспособ­ленные для охлажденного мяса.

Подмораживание рыбы осуществляют рассольным контактным и воздушным способами в рассольных кон­вейерного типа и воздушных морозильных аппаратах. Процесс проводят в воздушной среде при температуре

—30...—35 °С и скорости движения воздуха 5—6 м/с.

При использовании рассольного контактного спосо­ба оптимальной является температура — 15 °С. Продол­жительность процесса зависит от температуры и разме­ров рыбы.

При рассольном контактном способе подморажива­ния действие рассола на рыбу непродолжительно, поэ­тому просаливание ее не превышает 1,0 %. Рыба со­храняет естественный внешний вид, отварное мясо бе­лое, куски целые, консистенция нежная и соч­ная.

Для получения высококачественной продукции на подмораживание направляют рыбу сразу после ее вы­лова (в любом другом случае срок ее предваритель­ного хранения во льду не должен превышать более 6 ч).

После подмораживания температура поверхностных слоев тела рыбы составляет —3...—5 °С, а толщина под­мороженного слоя — 5—10 мм в зависимости от раз­мера рыбы. В основной массе тела рыбы кристаллооб­разования не происходит и температура равняется —0,5...—1,0 °С. В первые 10—12 ч хранения температу­ра выравнивается, становится одинаковой по всему объ­ему рыбы и составляет в среднем —2 °С. Одновременно с выравниванием температуры происходит перераспре­деление кристаллов льда равномерно по всей толще мышечной ткани.

Подмораживание птицы до температуры в поверх­ностном слое —3 °С происходит при температуре воздуха —15 °С в течение 7 ч, при —20 °С — 4 ч, при —30 °С — 2 ч пребывания мяса птицы в камерах замораживания. К этому времени температура внутри тушек достигает 1 '’С, а среднеобъемная 2°С.

В целях уменьшения продолжительности подморажи­вания, увеличения оборачиваемости морозильных камер подмораживание птицы целесообразнее осуществлять при низких температурах. При снижении температуры до —30 °С время, необходимое для подмораживания пти­цы. по сравнению с температурой —15 °С уменьшается в 3,5 раза.

Для интенсификации процесса и увеличения сроков хранения рекомендуется упаковывать птицу в полимер­ные пленки и подмораживать в охлажденной жидкости, а также покрывать тушки ледяной глазурью.