2.1.2. Влажностный баланс холодильной камеры

В холодильной камере, как и в любом другом помещении, устанавливается влажностный баланс в результате стремления воздушной системы к влажностному равновесию.

Влажностное равновесие наступает в холодильной камере тогда, когда влагоприток , кг/ч, в нее равен влагооттоку , кг/ч, из нее. Влажность воздуха при таком состоянии называется равновесной относительной влажностью.

, (15)

Влагоприток в холодильную камеру складывается из влаги, испаряющейся с поверхности продукта , влаговыделений людей, работающих в камере , притока влаги из окружающей камеру среды через периодически открывающиеся двери и другие технологические проемы .

. (16)

Рисунок 2 – Холодильная камера: 1- охлаждающие приборы; 2 - теплоизоляция; 3 – продукт.

При хранении в холодильной камере охлажденных или замороженных продуктов всегда будет иметь место явление испарения влаги с их поверхности (за исключением случаев использования для упаковки продуктов влаго- и паронепроницаемых пленок). Это объясняется тем, что всегда будет иметь место разница температур продукта и воздуха в холодильной камере (продукт всегда имеет температуру несколько выше температуры воздуха холодильной камеры), следовательно, всегда будет иметь место разница парциальных давлений водяных паров в воздухе, непосредственно вблизи поверхности продукта, и в воздухе во всем объеме холодильной камеры. Эта разница парциальных давлений представляет собой движущую силу процесса испарения.

Количество влаги, испаряющейся с поверхности продукта, может быть вычислено на основе закона испарения

, (17)

где - коэффициент испарения;

- площадь поверхности продукта, м²;

- парциальное давление водяных паров в воздухе над поверхностью продукта, Па;

- парциальное давление водяных паров в воздухе во всем объеме холодильной камеры, Па.

При хранении продукта, как было сказано выше, из-за разницы температур, имеет место неравенство

. (18)

Что означает, что процесс хранения продуктов в холодильной камере всегда сопровождается испарением влаги с их поверхности, то есть происходит «усушка» продуктов.

Используя формулы (10) и (11) выразим парциальное давление водяных паров воздуха камеры через относительную влажность воздуха и парциальное давление водяных паров в стадии насыщения, затем полученное выражение подставим в уравнение (17), получим

. (19)

С течением времени в холодильной камере устанавливается состояние теплового и влажностного равновесия, при котором , а . У поверхности продукта парциальное давление водяного пара, таким образом, будет соответствовать стадии насыщения, из чего следует

. (20)

Выражение (20) характеризует величину «усушки» продукта при хранении в холодильной камере.

Анализ уравнений (19) и (20) позволяет сделать вывод о том, что на величину усушки продукта оказывают влияние следующие факторы:

- площадь поверхности продукта , чем она больше, тем больше усушка;

- величина коэффициента испарения , чем она больше, тем больше усушка;

- парциальное давление водяных паров в воздухе в стадии насыщения для заданных условий процесса (температуры и барометрическом давлении), чем оно выше, тем усушка будет больше;

- относительная влажность воздуха в холодильной камере, чем выше , тем меньше усушка (характер зависимости обратно пропорциональный).

Таким образом, выражение для определения влагопритока в холодильную камеру будет иметь вид

. (21)

Количество влаг, отводимой из холодильной камеры ,кг/ч, путем конденсации на поверхности охлаждающих приборов, сопровождающееся образованием «снеговой шубы», может быть определено следующим уравнением

, (22)

где - коэффициент конденсации;

- площадь поверхности охлаждающих приборов, м²;

- парциальное давление водяных паров в воздухе над поверхностью охлаждающих приборов, Па;

- парциальное давление водяных паров в воздухе во всем объеме холодильной камеры, Па.

Уравнение влажностного баланса холодильной камеры, с учетом уравнений (21) и (22) примет вид

. (23)

Анализ уравнения (23) позволяет сделать выводы о факторах, влияющих на величину усушки продуктов при хранении в холодильной камере:

1. чем меньше продуктов находится в холодильной камере, тем ниже в ней будет относительная влажность воздуха;

2. в охлаждаемом помещении постоянно отводится влага в результате непрерывной конденсации пара на охлаждающих приборах;

3. по этой причине в подавляющем большинстве случаев в холодильных камерах требуется увлажнять воздух, чтобы меньше была усушка, чтобы повысить его влажность.

Воздух, как было показано выше, существенно влияет на процессы охлаждения, замораживания и усушку продукта. Движение воздуха оказывает влияние на теплоотдачу между воздухом и охлаждающими приборами, на влагообмен и на распределение температуры и влажности в объеме камеры. Тепло, отводимое охлаждающими приборами выражается уравнением

, (24)

где - тепло, отводимое от рыбы, кДж;

- площадь поверхности охлаждающих приборов, м²;

- коэффициент теплопередачи от рыбы к охлаждающей среде;

- температура воздуха в охлаждающей камере, °С;

- температура поверхности охлаждающих приборов, °С.

Коэффициент теплопередачи для охлаждающих приборов можно приблизительно считать равным коэффициенту теплоотдачи , .

Схематично, процесс охлаждения рыбы в холодильной камере изображен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема процесса охлаждения: 1 – охлаждающий прибор, поверхность которого имеет температуру ; 2 – продукт; 3 – холодильная камера; 4 – циркулирующий воздух, характеризуемый коэффициентом теплоотдачи.

Если рассматривать теплопередачу через поверхность охлаждающих приборов как теплопередачу через плоскую стенку, то коэффициент теплопередачи можем рассчитать по формуле

, (25)

где - коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлены охлаждающие приборы, Вт/(м·К);

- толщина стенки охлаждающего прибора, м, пренебрежимо мала;

- коэффициент теплоотдачи от поверхности охлаждающих приборов к воздуху холодильной камеры, Вт/(м²·К).

Таким образом, можем заменить в уравнении (24) коэффициент теплопередачи на коэффициент теплоотдачи , характеризующий воздух. Для воздуха коэффициент теплоотдачи очень мал и в значительной степени зависит от скорости циркуляции воздуха в холодильной камере (как правило, составляет от 0,1 до 3,0 м/с). Влияние скорости циркуляции воздуха в холодильной камере на величину описывает эмпирическое уравнение

, (26)

где - скорость циркуляции воздуха в холодильной камере, м/с.

Уравнение (26) действительно в диапазоне от 1,0 м/с. Скорость циркуляции влияет также на величину усушки продуктов в холодильной камере, при охлаждении рыбы, так как коэффициент испарения влаги зависит от скорости циркуляции воздуха, эмпирическая зависимость от имеет вид

. (27)

Применяя циркуляцию можно усилить все теплообменные процессы. Циркуляция влияет на процесс испарения влаги. Чем интенсивнее будет циркуляция воздуха, тем больше будет его усушка.