Сутність теплових процесів у харчових виробництвах

Виробництво кулінарної продукції практично не може бути здійснено без теплової обробки. Кулінарна готовність основних продуктів харчування (м’ясних, рибних, молочних, рослинних)визначається їх тепловою обробкою. Нагрівання продукту, здійснене різними методами, спричиняє зміну його фізико-хімічних, структурно-механічних, органолептичних властивостей. Важливими параметрами, що визначають кулінарну готовність їжі, є температура і час витримування продукту при цій температурі. Співвідношення між цими параметрами повинно бути оптимальним.

Рухомою силою теплових процесів є різниця температур. Перенос теплоти згідно ІІ закону термодинаміки здійснюється від більш нагрітого тіла до менш нагрітого.

Кількість теплоти, що передається за певний період часу в процесі теплопередачі при наявності поверхні контакту між середовищами, що нагрівають і охолоджують з урахуванням рухомої сили теплообмінних процесів, визначаються основним рівнянням теплопередачі:

dQ = K Δt S dτ,

де К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м² · К);

Δt ‑ різниця температур між середовищем, що нагрівають і нагрівальним агентом (температурний напір),  С.

S – площа поверхні теплообміну, м²;

τ – тривалість теплообміну, с.

Основне рівняння теплообміну не можна використовувати при об’ємному способі теплової обробки (за відсутності межі між нагрівальною та охолоджувальної поверхнями).

Джерела теплової енергії: теплова енергія, утворена внаслідок спалювання твердих, рідких і газоподібних видів палива, електроенергія, що перетворюється на теплову енергію.

Теплоносії: водяна пара, гаряча вода, гаряче повітря, високотемпературні носії (перегріта вода, мінеральні масла, високо киплячі органічні рідини та їх пари, розплавлені солі, рідкі та розплавлені метали).

Охолоджуючі агенти: холодна вода, холодне повітря, розчини кухонної солі, хлориду кальцію, рідкий аміак, хладони (фреони).

Види обігріву теплового обладнання: обігрів від теплоносіїв, електричний, полум’яний.

Теплофізичні закономірності процесів варіння і смаження

Основними тепловими процесами для виготовлення харчової продукції є варіння і смаження. В основі цих процесів лежить дія теплоти на продукт. При варінні відбуваються дифузійні, екстракційні, сорбційні, коагуляцій ні процеси, а також процеси розчинення і вологопереносу.

• Сутність процесу варіння полягає у тепловій обробці продуктів у киплячій рідині або атмосфері водяної пари з метою доведення продукту до кулінарної готовності.

Варіння полягає у тепловій обробці продуктів у киплячій рідині або атмосфері водяної пари з метою доведення продукту до кулінарної готовності.

Процес варіння складається з двох етапів:

1. Нагрівання рідини до температури кипіння, носить стаціонарний характер.

2. Нагрівання продукту до потрібної температури.

Тривалість процесу варіння залежить від питомої поверхні апарату для варіння (ємкість) – максимальна тривалість нагрівання рідини до температури кипіння буде в апаратах з діаметром, що однаковий або перевищує робочу висоту.

Тривалість процесу нагрівання рідини до температури кипіння без урахування теплових втрат можна представити рівнянням:

τ = ,

де G – кількість рідини, кг;

С – питома теплоємкість рідини, Дж/(кг · К);

t_к. та t_п – температура кипіння і початкова температура рідини,  С;

S – робоча поверхня апарату для варіння, м²;

Скорочення процесу варіння можна досягти за рахунок збільшення коефіцієнту теплопередачі К та середньої різниці температур Δt_ср. Максимально можливу різницю температур доцільно підтримувати на першому етапі варіння.

Нагрівання продукту до потрібної температури (другий етап) залежить від ряду факторів:

• вільна конвекція при передачі теплоти від рідини до продукту;

• властивості теплоносія та умови його підведення;

• властивості самого продукту – теплоємкість, теплопровідність, структура, розмір, форма.

• питома поверхня продукту (питома поверхня тим більше, чим ближча його форма до форми пластини. Найменшу питому поверхню, тобто найгірші умови для нагрівання продукту створюються якщо шматки продукту мають форму куба).

Умови збереження втрат поживних речовин в процесі варіння:

• забезпечення швидкого прогрівання рідини до моменту закипання;

• варіння продукту при спокійному (помірному) кипінні без википання рідини (виключення варіння у вакуумі);

• тривалість варіння не повинна перевищувати час, що необхідний для доведення продукту до кулінарної готовності.

Особливість варіння:

• практично не відбувається кипіння води в продукті (виключення процес варіння в атмосфері перегрітої пари);

• при варінні весь продукт занурений у рідину або знаходиться в атмосфері пари, що мають практично однакову температуру в усіх шарах.

• тепловий потік направлений від периферії до центру продукту;

• при варінні перенесення теплоти від теплоносія до продукту відбувається завдяки конвекції та теплопровідності.

• Сутність процесу смаження.

Смаження – процес приготування продукту, коли кулінарна готовність продукту характеризується наявністю специфічної скоринки.

За теплообмінними процесами смаження буває двох видів:

1. Смаження відбувається на відкритій нагрівальній поверхні шляхом контакту продукту з цією поверхнею (з використанням жиру як проміжного середовища або без нього).

2. Смаження відбувається за відсутності безпосереднього контакту продукту з нагрівальним середовищем. Смаження відбувається при контакті з теплоносієм (гріюче середовище). Теплоносієм виступають розплавлений жир (фритюр) або повітря (випікання).

Особливість смаження:

• відбувається кипіння води в продукті завдяки значної різниці температур між теплоносієм і температурою кипіння;

• нагрівання відбувається або з однієї сторони продукту (смаження шляхом контакту продукту з нагрівальною поверхнею), або з усіх сторін, але в середовищі, що має різну температуру в різних шарах (смаження во фритюрі та в жарочних шафах);

• тепловий потік спрямований від периферії до центру.

Рівняння теплового балансу для всіх випадків смаження має вигляд:

G c (t_к. – t_п.) + D H = K S Δt_ср τ,

де G – маса продукту, кг;

С – питома теплоємкість продукту, Дж/(кг · К);

t_к. та t_п – кінцева та початкова температури продукту,  С;

D – кількість вологи, що випарилася, кг;

Н – ентальпії пари, утвореної під час смаження, Дж/кг;

К – коефіцієнт теплопередачі від граючої поверхні або гріючого середовища до продукту, Вт/(м² · К);

S ‑ поверхня нагріву, м²;

Δt_ср – середня температура між граючим середовищем і продуктом,  С;

τ – тривалість процесу, с.

• Процеси охолодження, заморожування і розморожування.

У процесах охолодження і заморожування використовують холодоносії – рідкі або газоподібні середовища з низькою температурою. Теплота від продукту переходить до холодоносія. При охолодження продукції до 0 С не змінюється її агрегатний стан. При температурі нижче 0 С відбувається заморожування вологи (теплообмінний процес із зміною агрегатного стану) продукту.

Теплообмінні процеси при заморожуванні відбуваються у два етапи:

1. Продукт охолоджується до кріоскопічної температури.

2. Перетворення вологи на лід.

Для складання теплового (енергетичного) балансу при охолодженні і заморожуванні продуктів нехтують тепловими втратами і втратами продукту (вони незначні).

Тепловий баланс при охолодженні продукту при використанні льоду має вигляд:

G_п с_п (t_п.п. – t_к.п.) = G_л (q_л + с_в t_к.в.),

де G_п – маса продукту, в кг;

с_п – питома теплоємкість продукту Дж/(кг · К);

t_п.п. та t_к.п – початкова та кінцева температури продукту,  С;

G_л – маса льоду, кг;

q_л – теплота фазового перетворення (теплота плавлення льоду), Дж /кг;

с_в – питома теплоємкість води, утвореної при плавленні льоду, Дж/(кг · К);

t_к.в – кінцева температура цієї води,  С.

Тепловий баланс при заморожуванні продукту можна представити у вигляді рівняння:

Q_o.п. + Q_з. + Q_o.з. = Q_х,

де Q_o.п. – кількість теплоти, відданої продуктом при охолодженні від початкової до його кріоскопічної температури, Дж;

Q_з ‑ кількість теплоти, відданої продуктом при фазовому перетворенні (заморожуванні) води (утворення льоду), Дж;

Q_o.з. ‑ кількість теплоти, відданої продуктом при його охолодженні після заморожування, Дж;

Q_х – кількість теплоти, прийнятої холодоносієм, Дж.

При охолодженні і заморожуванні тепловий потік направлений від центру до периферії, перенесення теплоти здійснюється завдяки конвекції та теплопровідності від продукту до навколишнього середовища.

Ефективність процесів заморожування і охолодження залежить від розмірів і форми продукту, які суттєво впливають на якість замороженої продукції.

Процес розморожування продукту відбувається із зміною його агрегатного стану – лід переходить у воду. Процес теплообміну при розморожуванні складається з двох стадій:

1. Підведення теплоти до замороженого продукту.

2. Перенесення теплоти за рахунок теплопровідності від периферії продукту до його центру.

На межі поділу теплоносія і продукту утворюється шар, в якому лід перейшов у воду. Цей шар збільшується по мірі нагрівання продукту від периферії до центру. перенесення теплоти при розморожуванні визначається коефіцієнтом теплопередачі.

Кількість теплоти, переданої від теплоносія до продукту, що розморожують, витрачається на плавлення льоду та на нагрівання продукту до необхідної температури:

K S Δt_ср τ = G_лq_л + G_п (t_к.п. – t_п.п.),

де K – коефіцієнт теплопередачі: К = , дані для обчислення а, γ та К визначаються експериментально.

S – поверхня контакту продукту з теплоносієм, м²;

Δt_ср – середня різниця температур між продуктом і теплоносієм,  С;

τ – тривалість процесу, с;

G_л – кількість розплавленого льоду, кг;

q_л – теплота плавлення льоду, Дж/кг;

G_п – кількість продукту, що розморожують, кг;

t_к.п. та t_п.п – кінцева та початкова температури продукту,  С.

Розморожування продуктів по можливості повинно проходити швидко. Установлено, що при швидкому заморожуванні правильно заморожений продукт значною мірою зберігає свої властивості, скорочуються втрати його маси. Практикою встановлено, що розморожування м’яса, риби, кисломолочного сиру необхідно проводити при температурі оточення 15 – 25 С.

 За своїм призначенням теплові машини поділяють на три основні типи:

• теплові двигуни: поршневі, турбінні та реактивні; (трансформують теплоту в роботу. При виконанні роботи теплота від більш нагрітого тіла – нагрівача через робоче тіло передається більш холодному тілу – холодильнику).

• теплові насоси (перетворюють теплоту нижчого потенціалу в теплоту вищого потенціалу і передають її споживачеві. За рахунок виконуваної роботи та теплоти, що відбирається з середовища (з меншою температурою), нагрівають тіла, які мають вищу температуру). Застосовують для потреб опалення.

• холодильні машини: газові та парові (за типом робочих тіл). (Відбувається зворотний процес: передача теплоти від менш нагрітих тіл до більш нагрітих. Теплова енергія відбирається у тіл, що охолоджують і відводиться в оточуючий простір з більш високою температурою. Для здійснення такого процесу потрібно витратити енергію).

Холодильна машина – це тепловий двигун, що працює у зворотному напрямі.

Виробництво холоду нерозривно пов’язано з енергетикою. Штучне охолодження нижче температури зовнішнього середовища може відбуватися тільки із затратою енергії, що витрачається на привід холодильної машини. Залежно від холодопродуктивності потужність сучасних холодильних машин коливається в межах від декількох десятків ватт до тисяч кіловат енергії. Для зменшення використання енергії людство намагалось створювати холодильне обладнання з вищою енергетичною ефективністю, проте не замислювалось щодо екологічних аспектів експлуатації холодильної техніки. Широкого застосування набули у промислових і побутових холодильних установках, а також в кондиціюванні повітря фреонові парокомпресійні холодильні машини (ПКХМ) – високоефективні агрегати з простою елементною базою.

Основною проблемою використання ПКХМ є емісія (витікання) фреонів (використовуються як робоче тіло), що спричинило загострення глобальних проблем: зменшився озоновий шар Землі та збільшився „парниковий ефект”.

1987р. – підписання Монреальського протоколу щодо озоноруйнівних речовин (ряд фреонів, що належать до класу фторопохідних вуглеводнів, повинні бути виключені з практичної діяльності та замінені альтернативними робочими речовинами).