Практическая работа № 4. Расчёт процесса замораживания рыбы

Цель работы: изучить способы расчёта продолжительности процесса замораживания рыбы.

Задачи:

1. Рассчитать теплофизические характеристики продукта до замораживания и в процессе замораживания.

2. Рассчитать удельную теплоту, отводимую при замораживании.

3. Провести расчёт продолжительности замораживания по модифицированной формуле Планка и по формуле Рютова.

4. Сравнить полученные результаты и сделать вывод.

Расчёт процесса ведётся двумя методами: по модифицированной формуле Планка и формуле Рютова.

Для выполнения расчёта необходимо знать теплофизические показатели пищевых продуктов, а также количество вымороженной влаги при конечной температуре и температуре средней за процесс.

Для расчёта можно принять допущение, что криоскопическая температура (t_KP) равна минус 1 ºС. В этом случае для расчёта количества вымороженной влаги можно использовать формулу

(9)

где А_ω , В_ω – эмпирические коэффициенты, соответственно равные 1,105 и 0,31.

t – температура, для которой проводится расчёт.

Для нахождения теплоёмкости мороженого продукта необходимо знать теплоёмкость размороженного продукта

С = С_В·W + С_СВ·(1 – W), (10)

где С_В – теплоёмкость воды (4,19 кДж/(кг·К) );

С_СВ – теплоёмкость сухих веществ (1,42 кДж/(кг·К) для рыбы);

W – массовая доля влаги в продукте, в долях единицы;

Теплоёмкость мороженого продукта можно определить по следующей формуле:

С_М = С₀ – W·ω₁·(C_В –C_Л) (11)

где ω₁ – количество вымороженной влаги при температуре, средней за процесс (среднелогарифмической температуре между криоскопической и конечной);

С_Л – теплоёмкость льда (2,10 кДж/кг)

Теплопроводность продукта приблизительно можно определить по формуле

λ₀ = λ_W·W + λ_CB·(1–W) (12)

где λ_W и λ_CB – соответственно теплопроводности воды и сухих веществ (λ_W = 0,554 Вт/(м·К), λ_СВ = 0,23 Вт/(м·К))

Теплопроводность мороженого продукта определяется по формуле

, (13)

где А и В – эмпирические коэффициенты, равные соответственно 1,09 и 0,186 для мяса (говядины), 0,776 и 0,148 для рыбы

Продолжительность замораживания по формуле Планка τ, ч, определяется следующим образом:

(14)

где q – удельная теплота, отводимая при замораживании, кДж/кг:

q = q₁ +q₂ +q₃, (15)

где q₁ – удельная теплота, отводимая при охлаждении продукта от начальной до криоскопической тепмературы;

q₂ – удельная теплота, отводимая при вымораживании влаги;

q₃ – удельная теплота, отводимая при охлаждении замороженного продукта до конечной температуры;

q₁ = C₀·(t_Н – t_KP) (16)

q₂ = W·ω₂·r, (17)

q₃ = C_М·(t_КР – t_K), (18)

где r – скрытая теплота льдообразования (335 кДж/(кг·К))

ω₂ – количество вымороженной влаги при средней конечной температуре (её можно принять как среднеарифметическую между температурой центра и температурой поверхности t_П), определяемая по формуле (9);

t_П = (0,8…1) t₀;

t₀ – температура замораживающей среды, ºС.

δ – полная толщина продукта, м;

Ф – коэффициент формы, равный для пластины 2, для цилиндра – 4, для шара – 6;

n – коэффициент распределения температуры по толщине продукта (от 1 до 3)

α – коэффициент теплоотдачи, зависящий от способа замораживания (от 8 до 12 Вт/(м² К) при замораживании воздухом с естественной циркуляцией; до 30 Вт/(м² К) в случае принудительной циркуляции воздуха; ориентировочно в пределах от 250 до 1000 при плиточном замораживании в зависимости от плотности контакта);

- сумма термических сопротивлений упаковки.

Термические сопротивления отдельных видов упаковки приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Термические сопротивления упаковки [5]

Упаковка	, м2·с·К/кДж
Бумага парафинированная и навощенная	0,0043
Целлофан и полиэтилен	0,0084
Поддон алюминиевый с полиэтиленовой прокладкой	0,0130
Коробка открытая из навощенного картона (=1,5 мм)	0,015
Коробка открытая из навощенного картона (=1,5 мм) с полиэтиленовой оберткой	0,0364
Ящик закрытый из гофрированного волокнистого картона (=5 мм)	0,1300

Формула Рютова.

, (19)

где m¹ – поправочный коэффициент, выбираемый в зависимости от Bi (при Bi = 0,35 он равен 1,2; при Bi = 1 он равен 1,15; при Bi = 6 – 1,04; при Bi = 10 – 1,02; при Bi = ∞ - 1).

В этой формуле учитываются и начальная, и конечная температуры продукта.

Другие методы учитывают теплоёмкость замороженной части, а также другие приближения.

Варианты заданий для практической работы № 4 приведены в Приложении 4.

Литература: [5], c. 62-65; [8], c. 109-115, [4].

Вопросы для самопроверки

1. Напишите формулу для определения полной удельной теплоты, отводимой от рыбы при замораживании и при размораживании.

2. Как определить долю вымороженной воды?

3. Что надо изменить в формуле Планка, чтобы ее применять для расчетов процессов размораживания?

4. Что Вы понимаете под относительной теплотой замораживания?

5. Объясните, почему в формуле Планка в знаменателе указана теплоёмкость мороженого продукта, а не усреднённая величина.