4. Термодинамические основы процессов трансформации тепла

   1. Замораживание

Замораживание продуктов производится с целью их длительного хранения. Процесс замораживания влагосодержащих продуктов [5] имеет три фазы (рис. 2.22).

В первой фазе (отрезок a-b) происходит охлаждение продукта от начальной температурыдо криоскопической, т.е. до температуры начала образования кристаллов льда.

Вторая фаза (отрезок b-c) является собственно замораживанием. Теоретически эта фаза должна быть представлена горизонтальной линией (при замораживании чистой воды). В действительности по мере вымораживания воды растет концентрация клеточного сока, а криоскопическая температура непрерывно уменьшается. Это вызывает отклонение кривой от горизонтального положения. В точке, где кривая становится крутой (точкас), начинается новая фаза - домораживание продукта (отрезокс-d).

В этой фазе почти вся вода в продукте находится в виде льда, а снижение температуры продолжается до температуры охлаждающей среды, т.е. до температуры настройки морозильной камеры . Разделение второй и третьей фаз чисто условно и на практике за окончание второй фазы принимают точкуf, лежащую на пересечении отрезковb-cиc-d. Для большинства продуктов точкесоответствует температура -, при которой замораживается около 73 % общего количества воды.

Замораживание представляет собой движение границы замороженного слоя в глубь продукта. Пусть замораживаемый продукт имеет форму бесконечной пластины толщиной l, охлаждаемой с двух сторон (рис. 2.23). Замораживание начнется, когда температура продукта на поверхности опустится до значения криоскопической температуры.

Элементарное количество теплоты , которая передается в охлаждающую среду в течение времени, можно выразить на основе закона теплопроводности Фурье по формуле

, (2.31)

 

где k- коэффициент теплопередачи от замораживаемого слоя к охлаждающей среде;

,

где - - коэффициент теплообмена между поверхностью тела и охлаждающей средой;- теплопроводность продукта в замороженном состоянии;x- толщина замороженного слоя;S- площадь активной поверхности замораживания;;- продолжительность замораживания.

Достаточное количество теплоты , которую необходимо отвести от продукта для замораживания слоя, составит

, (2.32)

где r- скрытая теплота замораживания (кристаллизации).

Значение rрассчитывается по формуле

e ,

где - удельная теплота замораживания;- плотность тела в замороженном состоянии.

Приравняв (2.31) к (2.32), получим

,

откуда скорость замораживания будет

. (2.33)

В конечном итоге интерес представляет продолжительность замораживания. Для бесконечной пластины она находится из интеграла

, (2.34)

где - время замораживания до полного промерзания;

Решив уравнение (2.34), получим

.

Аналогичные рассуждения дают следующее: для тел в форме бесконечного цилиндра диаметром de в замороженном состоянии

;

для тел в форме шара диаметром

. (2.35)

Для тел неправильной геометрической формы, но приближающихся к шару, применяют уравнение (2.35) с расчетом

,

где V- объем тела.

Для тела в форме параллелепипеда размерами a, b, l, гдеa>b>l, замораживаемого со всех сторон, продолжительность замораживания

.

Коэффициенты РиRзависят от соотношения сторон параллелепипеда и являются табличными [5] .