Раздел IV. Приложение…………………………..…………………………...….268 3 страница

3.4. Теплота, отводимая при охлаждении

Наиболее просто количество отведенного тепла при охлаждении оценивают на основе выражения (3.23):

, Дж, (3.23)

где: М – масса продукта, кг,

- теплосодержание продукта до и после охлаждения, Дж/кг.

Этот метод, применяемый на практике, не учитывает неравномерности температурного поля продукта до начала охлаждения. Поэтому его используют для приближенных расчетов. Кроме того, применение метода предполагает, что продукт имеет небольшие геометрические размеры, небольшую величину коэффициента теплоотдачи от поверхности, высокую теплопроводность.

Если требуется высокая точность расчетов, то расчеты должны учитывать характер температурного поля и среднеобъемную температуру продукта.

Количество тепла, отводимого при охлаждении продуктов, оценивают выражением:

, (3.24)

где с_пр – теплоемкость продукта, Дж/(кг×К),

- плотность продукта, кг/м³,

V - объем продукта, м³,

- среднеобъемная температура, ^оС.

Среднеобъемную температуру устанавливают на основе решения для продуктов стандартной стереометрической формы.

Структура выражения для тела, форма которого подобна пластине и шару, одинакова:

. (3.25)

Среднеобъемные температуры ,^оС для пластины и шара определяются величинами и .

Для тела, форма которого подобна цилиндру:

. (3.26)

3.5. Потери влаги с поверхности продукта(усушка) при его охлаждении

В процессе охлаждения с поверхности не упакованного продукта испаряется влага. Испарение, иными словами массоперенос, совпадает с направлением переноса тепла. Общее количество тепла, отведенное от продукта конвекцией и испарением, составит:

Q = Q_к + Q_и, (3.27)

Теплота, отведенная конвекцией, составляет:

, (3.28)

где: - коэффициент теплоотдачи(конвективный), Вт/(м²×К),

t_п, t_с – температуры поверхности продукта и теплоотводящей среды,

F – площадь поверхности теплообмена, м².

Теплота, отводимая испарением, составляет:

. (3.29)

где: - коэффициент испарения, м/с,

i_п, i_с – теплосодержание при температуре поверхности продукта и температуре теплоотводящей среды, Дж/кг.

С учетом соотношения Льюиса получаем:

, (3.30)

Поскольку относительная масса испаренной влаги (усушка) составит:

. (3.31)

Анализ процесса испарения с поверхности продукта на основе выражения (3.31) показывает, что его величина зависит от интенсивности охлаждения, геометрических размеров продукта, точнее от соотношения площади поверхности и объема продукта, от длительности выполнения процесса.

Разность температур поверхности и теплоотводящей среды не постоянна. В процессе охлаждения эта разность убывает в соответствии с закономерностями процесса охлаждения. Она носит экспоненциальный характер.

Закономерность (3.31) не учитывает индивидуальных свойств продукта, особенностей его структуры, не описывает механизм внутреннего массопереноса и потому является наглядной качественной характеристикой процесса.

Процесс испарения влаги с поверхности продукта может быть отображен в i – d диаграмме влажного воздуха, (приложение, рис.3.1).

Потенциалом переноса влаги с поверхности продукта является разность влагосодержаний воздуха, прилегающего к поверхности продукта, и воздуха, омывающего продукт. При понижении температуры воздуха понижается парциальное давление водяных паров, потенциал влагопереноса уменьшается, а вместе с ним уменьшаются и потери влаги продуктом.

Точка “А” характеризует состояние воздуха в охлаждаемом объёме, точки “Б, С, D, Е” характеризуют последовательное изменение состояния воздуха над поверхностью продукта при условии его полного насыщения влагой, т.е. при j=100%.

Состояние точки “С” соответствует равенству температур в охлаждаемом объёме (точка “А”) и воздуха над поверхностью продукта.

При равенстве температур (точки “А” и “С”) сохраняется разность влагосодержаний d_а,г/кг и d_с,г/кг, что свидетельствует о наличии потенциала влагопереноса и, следовательно, о возможности усушки продукта.

Разность влагосодержаний, а следовательно и усушка, равны нулю при достижении температуры, равной температуре точки росы t_p (точка “Е”).

Таким образом, массоперенос с поверхности, т.е. усушка продукта, в значительной мере зависит от разности влагосодержаний воздуха вблизи поверхности продукта и теплоотводящей среды. Они, в свою очередь, является функцией разности определяющих их температур.

3.6. Параметры охлаждения продуктов

Практическая целесообразность охлаждения продуктов определяется требованиями реализуемых технологических процессов. Технология охлаждения должна учитывать индивидуальные свойства продуктов, теплофизические требования по интенсификации процесса.

Несмотря на индивидуальные свойства сырья или кулинарных изделий, процесс охлаждения должен осуществляться в ограниченные по времени сроки и при минимальных изменениях исходных свойств.

Выбор способа охлаждения базируется на оценке параметров, влияющих на длительность процесса (см. выражения 3.2; 3.3; 3.4; 3.17). Эти параметры включают температуру теплоотводящей среды (t_c,^oC), определяющий геометрический размер продукта (R,м), и коэффициент теплоотдачиот поверхности к теплоотводящей среде ( , Вт/м²×К).

Температуру теплоотводящей средыпри охлаждении принимают с учетом индивидуальных свойств продуктов (продуктjd животного и растительного происхождения) и ограничений технологии производства. Уменьшить длительность охлаждения можно понижением температуры теплоотводящей среды ниже криоскопической температуры, вплоть до -10…-12^оС. Этот метод используют на мясокомбинатах при охлаждении полутуш крупного рогатого скота после разделки животных. Полутуши транспортируются в подвешенном состоянии на транспортере и обдуваются из форсунок холодным воздухом. Скорость движения воздуха составляет 3…5м/с, температура воздуха составляеет (-5…-8^оС). Однако, если исходная температура продукта или кулинарного изделия выше, применяют более низкие температуры. Например, при охлаждении кулинарной продукции в функциональных емкостях в холодильном шкафу ШХИ (шкаф холодильный интенсивного охлаждения) от температуры +80^оС до +10^оС в центре функциональной емкости, используют температуру теплоотводящей среды -12^оС.

Применение теплоотводящей среды отрицательной температуры возможно, если установлена длительность достижения поверхностью продукта криоскопической температуры. По истечении этого времени продукт должен быть перемещен в холодильную камеру, в которой осуществляется выравнивание температуры по объему и последующее его доохлаждение. Подобный метод охлаждения называют двухступенчатым. Этот метод обеспечивает существенное уменьшение длительности процесса и сокращения потерь влаги продуктом, т.е. его усушку.

Определяющий размер продуктасвязан с видом охлаждаемой продукции или изделия и произвольно не может быть изменен. Однако, при выборе технического устройства для охлаждения продукта, размер продукта является одним из наиболее значимых компонентов.

Увеличение коэффициента теплоотдачиот продукта к теплоотводящей среде, в рамках используемой среды, достигается увеличением скорости ее движения. Практика и технико-экономические расчеты систем охлаждения свидетельствуют, что скорость движения воздуха вблизи поверхности продукта более 5…7м/с технически и экономически не оправдана.

Увеличение коэффициента теплоотдачиот продукта к теплоотводящей среде более эффективно при замене самой среды.

В ряду интенсивностей теплоотвода от поверхности продукта можно выстроить следующий ряд: охлаждение воздухом, движущимся конвективно, = 3…5Вт/(м²×К), воздухом, движущийся принудительно, посредством вентилятора, = 20…30Вт/(м²×К). При охлаждении продукта жидкой средой, коэффициент теплоотдачисоставляет =300…600 Вт/(м²×К). При охлаждении продукта посредством контакта с твердой теплоотводящей средой, коэффициент теплоотдачи теоретически стремится к бесконечности ( ). Однако, увеличение коэффициента теплоотдачи не приводит к пропорциональному уменьшению длительности охлаждения. При малых абсолютных значениях коэффициента теплоотдачи его увеличение заметно ускоряет процесс охлаждения, при больших величинах этого коэффициента его изменение оказывается менее заметным.

Коэффициент теплоотдачи возрастает, когда, как отмечено ранее, теплообмен на поверхности дополняется испарением влаги с поверхности продукта или, когда радиационная составляющая теплообмена становится заметной или определяющей.

Системы, использующие радиационный теплообмен, применяются в основном для замораживания продуктов. Они представляют собой плоские испарители, выполненные из труб, внутри которых кипит холодильный агент. Продукт, в подвешенном состоянии, по транспортеру перемещается между испарителями и замораживается.

Достоинство этого метода состоит в том, что из основных слагаемых теплообмена (конвекции, испарения и радиации) при определяющей величине радиационной составляющей остальные менее значимы. Это приводит к уменьшению усушки продукта.

Опираясь на представленные функциональные связи процесса охлаждения, все известные способы охлаждения можно подразделить на три основные группы: охлаждение посредством воздуха, посредством капельно-жидкой влаги, контактом с твердым телом. Каждый из перечисленных методов может сочетаться с другим.

Воздух, как теплоотводящая среда описывается следующими параметрами: температурой, скоростью движения, относительной влажностью, влагосодержанием, теплосодержанием, барометрическим давлением. Из перечисленных параметров, для интенсификации охлаждения, широко используют в основном первые два. При охлаждении большинства продуктов относительная влажность не регулируется. Она является самоустанавливающимся параметром. Подобная ситуация обусловлена отсутствием надлежащих приборов контроля и регулирования относительной влажности.

3.7. Методы охлаждения основных продуктов

Представляемый материал не в состоянии отразить все многообразие методов охлаждения продуктов. Здесь рассмотрены лишь отдельные, употребительные в практике холодильной технологии.

Мясо в виде туш и полутушохлаждают в камерах и туннелях на подвесных путях. Применяют одно- и двухстадийное охлаждение мяса.

Камерное одностадийное охлаждение осуществляют при температуре -2…-5^оС и скорости движения воздуха 0.5…2.0м/с. Процесс одностадийного охлаждения полутуш говядины или свинины является длительным по времени и составляет 16…36ч.

Двухстадийное охлаждение может выполняться в одной камере или последовательным перемещением мяса из камеры в камеру. Температура воздуха на первой стадии составляет -10…-12^оС. Далее мясо доохлаждается при температуре 0^оС и скорости движения порядка 0.5м/с. Принципиально возможно охлаждение мяса при температуре воздуха на первой стадии -20…-25^оС и скорости его движения 5…7 м/с до достижения криоскопической температуры на поверхности. На второй стадии осуществляется процесс доохлаждения мяса при криоскопической температуре и скорости движения воздуха 0.5м/с. Метод привлекателен, прежде всего, тем, что он позволяет уменьшить усушку продукта, однако требует качественного технического контроля процесса охлаждения.

Битую птицуохлаждают в воздухе, посредством орошения тушек холодной водой или погружением их в холодную воду. Охлаждение воды достигается посредством работы холодильной машины или в рамках разомкнутого холодильного цикла, т.е. пропуская через воду диоксид углерода или жидкий азот. При этом образуется водный лед, что является дополнительным фактором, интенсифицирующим процесс охлаждения.

В процессе погружного охлаждения птица поглощает до 8% влаги. При последующем подсушивании тушек в воздушном потоке количество поглощенной влаги уменьшается до 4%.

Свежую рыбуохлаждают преимущественно чешуйчатым льдом. Может также использоваться дробленый лед, снег. Кроме того, рыба может охлаждаться морской водой, холодным воздухом. Охлаждение рыбы осуществляют в инвентарной таре.

В ряде случаев рыбу охлаждают до температуры на 1.5…2.0^оС ниже криоскопической. Строго говоря, этот процесс нельзя считать охлаждением, поскольку происходит подмораживание рыбы. Однако в технической литературе этот процесс именуют, как “super cooling” или, иначе как, - “light freezing”, поскольку в тканях образуются кристаллы льда. Такое состояние лежит на границе охлаждения и замораживания. В отечественной литературе подобный процесс называют “подмораживанием”. Приоритет в разработке метода принадлежит проф. Головкину Н.А.

В общественном питании охлаждение является составной частью технологических процессов. Например, в технологической схеме приготовления изделий из пресного слоеного текста, процесс его выдерживания после раскатки при температуре 2…4^оС осуществляют не менее трех раз.

В определенной мере это относится и к производству изделий из дрожжевого теста, которое в технологической цепочке производства охлаждается до 6…8^оС.

Растительные продуктыявляются биологически активными. Основным процессом растительных продуктов является процесс дыхания, который связан с потерей ими влаги, увяданием, потерей устойчивости к заболеваниям. Таким образом, охлаждение растительных продуктов является биологически обусловленным процессом, обеспечивающим сохранность продуктов.

Для предупреждения нежелательных качественных изменений в продуктах необходимо их охлаждать сразу после сбора. Задержка в охлаждении, например, яблок после сбора на один день сокращает их срок хранения при 0^оС на 9…10 дней, задержка на 3 дня – на месяц.

Для охлаждения растительных продуктов используют воздух и жидкости. В воздухе охлаждают яблоки, груши, цитрусовые, т.е. те, которые нуждаются в последующем холодильном хранении.

Зелень охлаждают преимущественно холодной водой или снегом. Зелень может быть охлаждена посредством технологии вакуумного охлаждения. Оно применяется вслед за мойкой зелени, когда поверхность не подсушена.

Вакуумное охлаждение дает хорошие результаты в отношении скорости охлаждения без заметной потери влаги продуктом. Охлаждение до 1^оС достигается для большинства продуктов за 10…20 мин при потере влаги 2…3% от исходной массы.

3.8. Технические средства охлаждения

В преобладающем большинстве технические средства для охлаждения и замораживания являются идентичными. Сравнительно с замораживающими устройствами, охлаждающие устройства имеют меньшую площадь поверхности испарителя и меньшую холодопроизводительность холодильной машины.

В большинстве своем охлаждение является составной частью процесса замораживания. Поэтому подробный анализ основных устройств и методов замораживания будет представлен в разделе “замораживание”.

Для охлаждения готовой продукции, преимущественно в общественном питании, находит широкое применение холодильное оборудование шкафного типа и специализированное камерное холодильное оборудование. Как правило, это оборудование является универсальным и позволяет кроме охлаждения, замораживать продукты.

Шкаф интенсивного охлаждения и аналогичный по форме универсальный шкаф для охлаждения и замораживания представлен на рис. 3.4. Электронное управление и цифровой показ температуры обеспечивают точное задание температуры охлаждения. Температура охлаждаемого продукта контролируется термометром.

Длительность процесса охлаждения продуктов в функциональной таре составляет порядка 1.5 часов. Холодопроизводительность шкафов, например, шкафов серии БЦ (БЦ10, БЦ20, БЦ35, БЦ50) составляет соответственно 10, 20,35,50 кг/ч. Производительность определяется габаритными размерами шкафов. Наружные габаритные размеры составляют 680´795´(1055, 1490, 1975, 2040) мм, внутренние варьируют в пределах 360´635´(400, 700, 1285, 1505)мм.

Холодопроизводительности холодильных машин для охлаждения продуктов составляют от 0.93 до 2.68 кВт.

Указанные справочные холодопроизводительности холодильной машины нуждаются в уточнении в соответствии с конкретным видом охлаждаемого продукта и конечной температурой процесса. На длительность охлаждения, как известно, влияет толщина слоя продукта, используемая посуда, тип упаковки и т.д.

Камеры интенсивного охлаждения обеспечиваются холодом посредством присоединения к системам централизованного холодоснабжения. Они поставляются без холодильного агрегата.

Холодопроизводительность холодильных камер серии БЦ70…БЦ280 составляет соответственно 70, 90, 120, 150, 200, 280 кг за 1.5 часа. Холодильные камеры БЦ70, БЦ90, БЦ120 рассчитаны на одну передвижную тележку, камеры БЦ150, БЦ200 и БЦ280 – на две тележки. Требуемые холодопроизводительности холодильной машины при температуре кипения холодильного агента -12^оС составляет соответственно 7.8, 9.6, 12.3, 16.5, 19.2, 24.5 кВт.

Габаритные наружные размеры камер с одной тележкой составляют 1200 1200 2350мм, размеры камер с двумя тележками соответственно 1200 2400 2350мм.

Габаритные внутренние размеры камер с одной тележкой составляют 690 1000 1850мм, размеры камер с двумя тележками соответственно 690 2100 1850мм (рис. 3.5).

Контрольные вопросы:

13. Что включает в себя понятие температурное поле продукта?

14. Чем отличается начальные и граничные условия?

15. В какой мере влажная поверхность влияет на длительность охлаждения?

16. Как учитывается при охлаждении радиационная составляющая теплового баланса?

17. Какие факторы влияют на усушку продукта?

18. Каковы методы борьбы с усушкой?

19. Какие методы охлаждения используются для охлаждения растительных продуктов?

20. В чем состоит суть метода регулярного теплового режима?

21. Как оценить длительность охлаждения?

22. Дать краткую характеристику основных методов охлаждения продуктов.

23. Каким образом обеспечивается охлаждение продуктов в предприятиях общественного питания и торговли?

Глава 4

4. Замораживание продуктов

В технологическом плане замораживаниеявляется процессом, предшествующим последующему холодильному хранению.

С физической точки зрения замораживание– это превращение тканевой влаги в лед. Оно протекает с одновременным понижением температуры продукта.

Основной причиной высокой стойкости замороженных продуктов является превращение тканевой влаги в лед, а действию низкой температуры принадлежит второстепенная роль. Практически оба эти явления неразделимы и результирующий эффект замораживания принадлежит обоим факторам.

Кристаллизация тканевой влаги препятствует развитию всех процессов,- химических, ферментативных, микробиологических, процессов тепло- и массопереноса в объеме продукта и с его поверхности.

Результирующий эффект замораживания сходен с процессом теплового обезвоживания, но является более щадящим, существенно не меняющим структуру ткани, ни биологическую активность ферментов.

4.1. Льдообразование в тканевых системах

В настоящее время нет единого представления о процессе льдообразования. Это объясняется не отсутствием знаний о процессе в целом, а многообразием самого процесса и форм его протекания.

Наиболее старой теорией, объясняющей процесс роста кристаллов и льда в частности, является теория поверхностного натяжения. Согласно ей, кристалл, находящийся в равновесии с жидкой фазой, должен иметь форму, отвечающую минимуму его суммарной поверхностной энергии при постоянном объеме.

Молекулярно-кинетическая теории и теория “дислокаций”(нарушений в формировании кристаллической решетки) основаны на представлениях об образовании совершенных и несовершенных форм кристаллов. Теории раскрывают закономерности построения кристаллической решетки, что представляет преимущественный интерес при выращивании искусственных кристаллов.

В основе диффузионной теории, получившей широкое распространение, лежит представление о формировании кристалла при выполнении законов диффузии растворенного вещества к его поверхности и удаления примесей от границы раздела фаз.

Слой раствора повышенной концентрации вблизи границы раздела фаз получил название слоя концентрационного уплотнения раствора(рис. 4.1). Распределение концентрации растворенного вещества, не успевшего диффундировать в раствор, описывается экспоненциальным законом.

Толщина слоя зависит от скорости линейного перемещения границы раздела фаз, т.е. от скорости замораживания и свойств растворенного вещества. В растворах с низкомолекулярными соединениями, например, в растворе сахарозы, кристаллы льда, как одну из разновидностей формы, приобретают форму остроконечных кристаллов (рис. 4.2). С возрастанием скорости теплоотвода разветвленность кристаллов возрастает, формируются дендритные кристаллы правильной формы. (Дендриты– кристаллы папоротникоподобной формы).

При аналогичных условиях теплоотвода в растворе с высокомолекулярными соединениями, диффузия растворенного вещества от границы раздела фаз затруднена, образуются дендриты неправильной формы (рис. 4.3).

При образовании дендритных кристаллов растворенное вещество распределяется в пространствах между ветвями. Концентрация этого вещества повышается. При соприкосновении растворенного вещества с поверхностью клетки, происходит осмотическое обезвоживание клетки. Чем выше разветвленность дендритных кристаллов, тем более равномерно распределяется растворенное вещество в его ветвях и тем в меньшей мере возможно обезвоживание клеток.

При замораживании продуктов животного и растительного происхождения, картина процесса несколько меняется. В тканевых системах процесс льдообразования существенно зависит от скорости теплоотвода. При медленном замораживании в объеме ткани образуются центры кристаллизации в переохлажденном тканевом соке продукта. Переохлаждение тканевого сока зависит от состояния ткани и может достигать -4^оС. Далее происходит образование кристаллов с выделением теплоты льдообразования. Если теплоотвод не интенсивен, то часть кристаллов растворяется, часть укрупняется. Это явление носит название “рекристаллизация”. Рекристаллизация может привести к нарушению клеточной структуры.

При интенсивном теплоотводе льдообразование следует рассматривать как процесс перемещения замороженного слоя от поверхности вглубь продукта. Переохлаждения тканевого сока перед кристаллическим фронтом практически нет, формируются дендриты. Уровень разветвленности дендрита зависит от свободы формирования, которую ему предоставляет тканевая структура. Например, в мышечной ткани кристаллы движутся точно повторяя изгибы мышечного волокна. Мера разветвленности кристаллов невелика (рис. 4.4).

После замораживания структура мышечного волокна изменяется. Результаты стандартной гистологической обработки препарата свидетельствуют, что после замораживания миофибриллы (волоконца внутри волокон) утратили начальное состояние, протоплазма разрушена (рис. 4.5).

В растительной ткани формирование кристаллов льда внутри клетки не ограничено, как в мышечном волокне, рамками межволоконных пространств, поэтому кристаллы льда имеют более разветвленную форму (рис. 4.6). Однако, разветвленность недостаточна что бы сохранить исходное распределение внутриклеточной влаги, свойственное клетке до замораживания. Это означает, что сохранение тканевой структуры возможно лишь с увеличением скорости замораживания.

Осмотическая концентрация межклеточной жидкости меньше внутриклеточной, поэтому межклеточная жидкость вымерзает в первую очередь. Возрастание осмотической концентрации межклеточной жидкости приводит к определенному осмотическому обезвоживанию клеток, тем большему, чем меньше скорость замораживания.

Следует иметь в виду, что превращение тканевой влаги в лед сопровождается ее расширением на 8%, что является одним из факторов разрушающего воздействия льда на структуры клеток.

Механическое разрушение кристаллами льда клеточной и внутриклеточной структуры является лишь одним из многих факторов, влияющих на состояние ткани. Увеличение осмотической концентрации межклеточной жидкости может привести к растворению липопротеидных биологически активных полупроницаемых внутриклеточных мембран, в результате чего внутриклеточная влага способна перемещается в межклеточное пространство.

Таким образом, появляется настоятельная необходимость в точной оценке длительности замораживания и параметров, влияющих на интенсивность этого процесса.

4.2. Количество вымороженной воды

В холодильной технологии, при замораживании продукта, воду, превратившуюся в лед, принято называть вымороженной.

Под количеством вымороженной воды понимается отношение количества льда G_л при данной температуре, отнесенное к суммарному количеству льда G_л и воды G_w, при той же температуре или к количеству влаги пищевого продукта. Количество вымороженной воды выражают в долях единицы или в процентах от общего содержания воды в продукте.

На основе закона Рауля количество вымороженной воды описывают следующим образом:

, (4.1) (4.1)

где: t_кр – криоскопическая температура, температура начала замерзания тканевого сока, ^оС,

t – температура, для которой вычисляется количество вымороженной воды, ^оС.

Полученное выражение может быть представлено графически (рис. 4.7).

Анализ рисунка 4.7 свидетельствует, что при t=t_кр, ; при , . Поскольку эвтектическая температура (t_эвт) большинства продуктов, т.е. температура полного превращения влаги в лед, лежит в интервале -55…-85^оС, то температура холодильного хранения продуктов выше эвтектической всегда сопряжена с наличием в замороженном продукте определенной доли незамерзшей влаги.