Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая технология пищевых производств. Учебное пособие
.pdf
4.5. Основные сведения о холодильных машинах
Холодильной машиной называют комплект оборудования,
необходимого для осуществления холодильного цикла.
В зависимости от вида физического процесса, в результате
которого получают холод, холодильные машины подразделяют на
следующие типы: использующие фазовый переход рабочего тела из
жидкого в газообразное состояние (компрессионные паровые,
абсорбционные, сорбционные, пароэжекторные); использующие
процесс расширения воздуха (газовые, вихревые).
В зависимости от вида используемой энергии различают
холодильные машины: использующие механическую энергию
(компрессионные паровые, газовые), теплоиспользующие
(пароэжекторные, абсорбционные и сорбционные).
К холодильным машинам можно также отнести воздушные
детан-дерные, использующие процесс расширения воздуха с
производством внешней работы, и безмашинные
термоэлектрические, использующие непосредственно
электроэнергию на основе эффекта Пельтье. Холодильные машины
подразделяют и по другим типам.
1. Газовые холодильные машины. В газовых холодильных
машинах холодильным агентом являются газообразные вещества,
агрегатное состояние которых не изменяется при совершении цикла.
Холодильным агентом в таких машинах является в основном
воздух, поэтому их называют воздушными холодильными машинами.
Первые воздушные холодильные машины появились 100 лет
назад. Однако тогда они не получили широкого распространения и
были вытеснены с рынка парокомпрессионными, так как удельная
массовая хо-лодопроизводительность воздуха значительно меньше,
чем кипящего холодильного агента в цикле паровой холодильной
машины. При использовании воздушных холодильных машин
требуется большая массовая подача холодильного агента, поэтому
только по мере развития газотурбинной и особенно турбореактивной
техники удалось создать воздушные турбохолодильные машины,
близкие по экономичности в области относительно низких
температур (от -80 до -120°С) к парокомпрессионным.
2. Компрессионные паровые холодильные машины.
Подавляющее большинство действующих холодильных машин
51
представляют собой парокомпрессионные машины, которые в
зависимости от типа используемого компрессора подразделяют на
поршневые, ротационные, винтовые и центробежные. Для
обеспечения требуемых температур кипения и конденсации рабочего
тела используют одноступенчатые, многоступенчатые и каскадные
компрессионные паровые холодильные машины.
Для реализации цикла в комплект компрессионной паровой
холодильной машины входят компрессор, конденсатор, испаритель,
теплообменник, приборы автоматики, пускозащитная
электроаппаратура, монтажные трубопроводы и другие элементы.
Наиболее широко распространены компрессионные паровые
холодильные машины с поршневыми компрессорами, обладающие
наиболее высокими (по сравнению с машинами других типов)
энергетическими коэффициентами, способностью работать при более
высоком отношении давлений конденсации и кипения. Однако они
менее надежны, чем машины с центробежными и винтовыми
компрессорами. Эти машины средней холодопроизводительности
используют в рассольных системах охлаждения, но их можно
применять и в системе непосредственного охлаждения, так же, как и
машины малой холодопроизводительности.
Холодильные машины с центробежными компрессорами
имеют низкую энергетическую эффективность при небольшой
холодопроизводительности (менее 700 кВт), поэтому используются
при больших значениях холодопроизводительности.
Холодильные машины с винтовыми маслозаполненными
компрессорами характеризуются высокой надежностью,
удовлетворительными энергетическими показателями при
производительности, превосходящей верхний предел эффективного
использования холодильных машин с поршневыми компрессорами.
Несмотря на основной недостаток - наличие металлоемкой масляной
системы - холодильные машины с винтовыми компрессорами
получили в последние годы большое распространение.
Холодильные машины с ротационными пластинчатыми
компрессорами отличаются простотой устройства, изготовления и
эксплуатации, большей уравновешенностью, чем поршневые, так как
в них нет деталей, совершающих возвратно-поступательное
движение, нечувствительностью компрессора к гидравлическим
ударам. Однако они имеют недостатки: значительные потери на
52
трение, повышенный шум. При холодопроизводительности от
нескольких сотен ватт до нескольких киловатт сравнимы с
показателями холодильных машин с поршневыми компрессорами.
3. Абсорбционные и сорбционные холодильные машины.
Абсорбционные и сорбционные холодильные машины отличаются от
компрессионных тем, что в них отвод теплоты от охлаждаемого
объекта к окружающей среде осуществляется путем затраты внешней
энергии в виде теплоты, а не работы. В системе абсорбционной
холодильной машины циркулирует рабочее тело, представляющее
собой бинарный раствор веществ, имеющих различные нормальные
температуры кипения.
Низкокипящее вещество играет роль холодильного агента, а
высококипящее вещество – абсорбента (поглотителя).
Бинарными растворами, используемыми наиболее широко,
являются аммиак-вода и вода-бромистый литий. Причем аммиак в
первом растворе и вода во втором растворе являются холодильными
агентами. Водоаммиачные машины используют для получения
относительно низких температур (до -70°С), а бромистолитиевые–для
более высоких. Теплоиспользующие абсорбционные холодильные
машины перспективны с точки зрения экономии топливноэнергетических ресурсов, поскольку эти машины позволяют
использовать вторичные ресурсы (отходящие газы, отработанный
пар, горячая вода), теплоту ТЭЦ в неотопительный период. С точки
зрения экологии также есть положительные моменты: эти машины
позволяют избежать применения в качестве хладагентов
хлорфторуглеродов, отрицательно воздействующих на озоновый слой
атмосферы, а также выбросов машинного масла в окружающую
среду.
Однако абсорбционные холодильные машины работают при
температуре греющего источника 70-180°С (чаще – 115-180°С),
поэтому, диапазон температур до 70°С является нереализуемым, и
соответствующая теплота часто просто сбрасывается в атмосферу. В
этом диапазоне могут работать сорбционные холодильные машины, к
которым подводится теплота низкого уровня температур, а запасы
тепловой энергии в указанном температурном диапазоне огромны.
В сорбционных холодильных машинах используют рабочие
смеси, обладающие не только эффектом сорбции, но и эффектом
полной взаимной растворимости компонентов. Сорбционные
53
холодильные машины (СХМ) не имеют конкурентов в выработке
холода от теплоты низкого потенциала, начиная с температуры,
превышающей всего на 10-15°С температуру среды, охлаждающей
конденсатор. Рабочими веществами таких машин могут быть ацетон
(50 %) и пропанбутановая смесь техническая зимняя (50 %), а также
водные растворы роданида аммония и др. С помощью СХМ
возможно получение холода на уровне -30°С при тепловом
коэффициенте от 5 до 10 %, а в дальнейшем и выше.
Область применения СХМ – бытовые холодильники и
кондиционеры, автомобильный транспорт, выбрасывающий в
окружающую среду большое количество теплоты на уровне
температур выше 70°С.
В бытовых холодильниках и кондиционерах может быть
использована энергия солнечного излучения, полученная с помощью
солнечных коллекторов. СХМ, установленные на холодильниках
агропромышленного комплекса и торговли, позволяют
дополнительно выработать холод за счет использования теплоты
перегрева паров хладагента и теплоты охлаждающего масла винтовых
компрессоров.
Холодопроизводительность СХМ составляет порядка 1 кВт.
4. Пароэжекторные холодильные машины. Пароэжекторные
холодильные машины относятся к группе теплоиспользующих. В них
осуществляются одновременно два цикла: прямой (силовой), в
котором теплота превращается в механическую работу, и обратный
(холодильный), в котором эта механическая работа используется для
получения холода. В качестве рабочих тел в пароэжекторных
холодильных машинах могут быть использованы вода, аммиак и
хладоны. Однако практически применяют чаще всего пароводяные
эжекторные холодильные машины, в которых рабочим телом и
одновременно хладоносителем служит вода.
Пароводяные эжекторные холодильные машины работают при
температуре кипения выше 0°С. В них охлаждают воду для установок
кондиционирования воздуха и для производственно-технологических
нужд. Холодильный цикл протекает при давлении ниже
атмосферного, Температура кипения рабочей воды обычно 2-15°С,
что соответствует Остаточному давлению в испарителе 700-1700 Па.
Машины обычно выполняют в виде агрегатов, включающих
теплообменные аппараты, эжекторы, и внутримашинный
54
трубопровод с запорной, регулирующей и защитной арматурой.
Агрегатированные пароэжекторные холодильные машины имеют
холодопроизводительность от 200 до 2000 кВт.
4.6. Основные способы холодильной обработки сырья
и готовой продукции
4.6.1. Охлаждение сырья и готовой продукции
1. Охлаждение мяса теплокровных животных. Мясо в
зависимости от температуры и обработки холодом бывает парное, не
отдавшее после убоя теплоты, остывшее – охлажденное при
температуре окружающего воздуха выше 0ºС, охлажденное –
имеющее температуру, близкую к температуре замерзания 0 – минус
4ºС, мороженое – имеющее в толще температуру ниже минус 6ºС.
Охлаждение мяса (туши или полутуши) производят главным
образом воздушным способом с усиленной циркуляцией воздуха
повышенной влажности (воздушные оросительные установки).
Температура в камере перед загрузкой должна быть около минус 5ºС,
влажность воздуха – 95–98%. К концу охлаждения температура
повышается до минус 1ºС, влажность – до 90–92%, при этом мясо
покрывается сухой корочкой и имеет температуру 2–4оС.
Продолжительность охлаждения зависит от упитанности животного,
размера туш, режима охлаждения и составляет 24–28 ч. При
охлаждении теряется около 1,5% массы туши. Хранение
охлажденного мяса осуществляют в подвешенном состоянии при
температуре окружающего воздуха 1 – минус 1ºС и относительной
влажности воздуха 85% в течение 20 суток.
2. Охлаждение битой птицы производят на воздухе
водоледяной смесью или охлажденной до 0ºС водой. Наиболее
эффективным с точки зрения условий теплопередачи, затрат труда,
времени и возможности создания поточного технологического
процесса является метод погружного охлаждения в водоледяной
смеси или охлажденной воде. Для охлаждения тушек птицы этим
способом используют танки, ванны или барабаны.
Продолжительность охлаждения колеблется от 0,5 до 2,0 ч, в то время
как при охлаждении на воздухе она достигает 24 ч и более.
Разновидностью погружного метода является охлаждение птицы
55
охлажденной водой путем орошения тушек через распыляющие
форсунки. Существенным преимуществом этого способа является
значительное снижение общей бактериальной обсемененности
поверхности продукта по сравнению с погружным методом. Однако
при этом отмечается большой расход воды. При температуре
распыляемой воды 0ºС на каждую тушку расходуется около 12 л.
Срок хранения охлажденной птицы, упакованной в ящики
массой по 10–12 кг при температуре воздуха 0–4ºС и относительной
влажности 80–85%, составляет 4–5 суток.
3. Охлаждение молока. Свежевыдоенное молоко обладает
бактерицидной активностью, т.е. способностью в определенный
период (бактерицидная фаза) подавлять развитие попавших в него
микроорганизмов. Бактерицидные вещества поступают из крови
животного в молочную железу. К ним относят иммуноглобулины
(антитела), лейкоциты, лизоцим, лактенины и др. Эти вещества
разрушают бактерии, попавшие в молоко из окружающего воздуха
при нарушении гигиенических требований при выдое
(необработанное вымя коров, доильное оборудование,
молокопроводы и т.п.). Эти вещества имеют большое значение для
организма человека, так как повышают иммунитет организма.
Неохлажденное молоко теряет после доения свои бактерицидные
свойства через 2–3 ч, а, следовательно, и биологически активные
вещества и лечебные свойства. Продолжительность бактерицидной
фазы молока зависит от быстроты его охлаждения (чем быстрее
молоко будет охлаждено, тем дольше сохраняются бактерицидные
свойства) и от температуры, до которой оно охлаждено. При быстром
охлаждении молока до 10оС бактерицидная фаза длится 24 ч, до 6ºС –
36 ч, до 2ºС – 48 ч. Таким образом, при быстром охлаждении (не
более 2–3 ч) молока на ферме до 2ºС оно может храниться при данной
температуре в течение двух суток без снижения своих качественных
показателей. Этого времени достаточно для доставки молока на
перерабатывающие комбинаты, его обработку и направление на
выпуск продукции. С целью интенсификации процесса охлаждения
молока возможно использование жидкого азота.
Для увеличения срока хранения молока и доведения его до
состояния готового продукта молоко подвергают пастеризации, т.е.
тепловой обработке при температуре (76±2)ºСв течение 15–20 с и
немедленном охлаждении до 4–6ºС. Пастеризация обеспечивает
56
уничтожение вегетативной микрофлоры молока. Срок хранения
пастеризованного молока составляет 36 ч при температуре 0±8ºС.
4.6.2. Замораживание сырья и готовой продукции
Сроки хранения охлажденного сырья ограниченны (от 2 до 20
суток в зависимости от вида сырья и других факторов) и являются
недостаточными для его доставки на отдаленные пищевые
перерабатывающие предприятия или пункты реализации. Для
увеличения сроков хранения сырья и готовой продукции (на основе
мяса и молока – животное масло, творог), создания их резервных
запасов, обеспечения транспортировки на дальние расстояния при
максимально возможном сохранении их свойств применяют
замораживание.
Замораживание – физический способ консервирования,
основанный на принципе термоанабиоза, при котором температура
продукта быстро понижается от первоначальной (может колебаться в
среднем от 20 до 0ºС) до температуры ниже криоскопической (в
среднем минус 12 – минус 20ºС). При этом большая часть воды,
содержащейся в тканях, превращается в лед. В результате снижается
активность ферментов и практически прекращается
жизнедеятельность всех основных групп микроорганизмов (особенно
гнилостных бактерий) в связи с нарушением нормального процесса
питания, так как питательные вещества проникают в бактериальную
клетку через ее оболочку, а переносчиком этих веществ является
тканевый сок.
Низкие отрицательные температуры вызывают гибель только
части микроорганизмов. Другие микроорганизмы образуют споры и
переходят в анабиотическое состояние.
Кроме того, имеются холодоустойчивые (психрофильные)
группы бактерий, которые не снижают своей активности в условиях
низких температур. Также низкие температуры не инактивируют
полностью протеолитические и липолитические ферменты, которые,
воздействуя на белки и липиды, нарушают структуру продукта. Все
это приводит к тому, что даже замороженное сырье имеет
ограниченный срок хранения, хотя и более длительный, чем
охлажденное.
Процесс замораживания состоит из трех этапов:
57
– охлаждение до криоскопической температуры;
– льдообразование;
– понижение температуры до заданного значения (рис. 4.2).
Сырье или готовая продукция перед замораживанием имеют
температуру, которая выше криоскопической. На первом этапе
замораживания температура продукта снижается до
криоскопической, причем предпочтительнее более высокая скорость
охлаждения. Второй этап замораживания начинается с замерзания
внешнего слоя продукта, причем понижение его температуры резко
замедляется вследствие выделения теплоты кристаллизации и
составляет 0 – минус 2ºС.
Рис. 4.2. Кривые медленного (а) и быстрого (б) замораживания
После образования первых кристаллов возникают другие и
происходит рост уже образовавшихся кристаллов, так как
поверхности их служат местом образования новой фазы. В первую
очередь кристаллы образуются в межклеточном пространстве и
между волокнами, где тканевый сок имеет более низкую
концентрацию. При замораживании тканевого сока из него в виде
льда выделяется сначала вода, которая в результате диффузионноосмотического процесса перемещается из волокон и клеток в
пространство между ними, что способствует образованию крупных
кристаллов льда, которые могут повреждать ткань. Вследствие этого
58
при последующем размораживании структура ткани не
восстанавливается полностью.
Повреждение структуры ткани кристаллами льда при
медленном замораживании необратимо – оно стимулирует
окислительные и гидролитические реакции и влияет на
ферментативные процессы. При быстром замораживании образуются
мелкие, равномерно распределенные в ткани кристаллы.
Интенсивность отвода тепла при этом должна быть высокой, а
длительность данного этапа – минимальной (рис. 4.2).
Третий этап начинается при температуре минус 2 – минус 5ºС и
заканчивается по достижении конечной температуры замораживания
(минус 12 – минус 20ºС). При температуре минус 5ºС практически
завершается процесс вымораживания воды. При этом в интервале
температур от минус 2 до минус 5ºС происходит активная
денатурация белка. Чтобы свести к минимуму денатурационные
изменения, необходимо как можно быстрее пройти эту зону
температур, что достигается быстрым замораживанием.
Замораживание производят различными способами.
1. Замораживание с помощью естественного холода – это
наиболее простой и доступный способ замораживания, который
используют в широтах с устойчивой отрицательной температурой (не
выше минус 10ºС). При хранении сырья или готовой продукции в
условиях естественных низких отрицательных температур в
наибольшей степени сохраняются нативные (первоначальные)
свойства продукта.
2. Воздушное замораживание в искусственных условиях. Этот
способ заключается в замораживании сырья или готовой продукции
на стеллажах, изготовленных из труб, по которым циркулирует
хладагент (аммиак, фреон). Стеллажи размещены в камерах,
изолированных от внешних теплопритоков, при этом в камере
температура не должна быть выше минус 28ºС.
Разновидностью данного способа является замораживание
продукта в морозильных камерах с естественной и активной
принудительной циркуляцией воздуха при температуре около минус
30ºС. Длительность замораживания в первом случае составляет более
двух суток, во втором – от 18 до 36 ч.
В связи с тем, что замораживание данным способом
происходит медленно, его используют редко. Замораживание при
59
активной циркуляции воздуха применяют при обработке туш и
полутуш крупного рогатого скота, свиней, реже – крупных видов
рыб.
3. Воздушное замораживание в скороморозильных аппаратах.
Данный способ заключается в замораживании продукта в
специальных закрывающихся блок-формах с ребристой наружной
поверхностью, охлаждаемых воздухом (при температуре минус 40ºС),
движущимся со скоростью 5 м/с. Эти условия обеспечивают быстрое
замораживание продукта (в течение 3–5 ч). Замораживание по этому
принципу осуществляется в установках камерного (периодического
действия) или туннельного (непрерывного действия) типа.
4. Замораживание в жидких средах. В качестве хладагента
используют растворы хлористого натрия или хлористого кальция.
Способ заключается в погружении продукта в ванну, заполненную
непрерывно охлаждаемым раствором соли (рассолом).
Преимуществом рассольного замораживания является высокий
коэффициент теплоотдачи в жидкость и сравнительно простая
конструкция аппарата. На практике широко используют
бесконтактное замораживание в жидких средах, т.е. продукт перед
замораживанием предварительно упаковывают в различные
полимерные пленки. Особенно целесообразен этот способ для
замораживания продуктов неправильной геометрической формы
(например, тушек птицы). Он позволяет значительно
интенсифицировать процесс, механизировать и автоматизировать его.
5. Замораживание с помощью жидкого азота. В последние годы
для замораживания пищевых продуктов широко используются
криогенные жидкости, имеющие низкие температуры испарения
(жидкий азот с температурой испарения минус 196ºС). Применение
жидкого азота в качестве охлаждающего агента позволяет в
значительной степени повысить скорость замораживания и снизить
его продолжительность. Если при традиционных способах
замораживания длительность процесса составляет несколько часов,
то при использовании жидкого азота она сокращается от нескольких
минут до получаса. Высокая скорость замораживания позволяет
получать замороженные продукты более высокого качества,
обладающие повышенной стойкостью при хранении. Сохранение
качества продукта сопровождается уменьшением потерь клеточных
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]