Раздел IV. Приложение…………………………..…………………………...….268 4 страница

Характер вымерзания влаги носит экспоненциальный характер. Наибольшее количество влаги во влагосодержащих продуктах (мясо, рыба, овощи и фрукты) вымерзает в узком интервале температур -0.5…-2.5^оС. Понижение температуры продуктов ниже этого уровня приводит к вымерзанию 60…75% влаги. В продуктах, в которых влаги мало или она связана, например, в бананах, влага вымерзает в широком интервале температур (рис. 4.7, кривая 2).

Количество вымороженной воды зависит только от свойств продукта и температуры, до которой заморожен продукт и не зависит от интенсивности теплоотвода. По сути, эта величина “статическая”, поэтому ее количественно оценивают в конце процесса замораживания.

Более точно количество вымороженной воды оценивается на основе полуэмпирических зависимостей, учитывающих индивидуальные свойства продуктов.

4.3. Средняя конечная температура

Средняя температура по объёму продукта в конце процесса замораживания - tск,оС. Необходимость ее оценки обусловлена требованиями технологии. При замораживании преимущественно задают имущественно температуру центра продукта. После завершения замораживания происходит перестроение температурного поля продукта. При этом, средняя температура по объему продукта (средняя объемная или, что равноценно, средняя конечная температура) может существенно отличаться от технологически заданной, что недопустимо. Поэтому в технологических расчетах оценка средней конечной температуры является необходимым условием получения достоверных результатов.

При , т.е. при интенсивном теплоотводе от поверхности продукта при , среднюю конечную температуру выражают:

,^оС, (4.2)

где: t_п – температура поверхности продукта, ^оС.

При конвективных условиях теплоотвода от поверхности продукта среднюю конечную температуру выражают:

, (4.3)

где: .

Хотя температура поверхности продукта отлична от температуры теплоотводящей среды, однако, в конце процесса замораживания эти различия не существенны и не ограничивают возможность выполнения приближенных технических расчетов.

4.4. Изменение теплофизических характеристик пищевых продуктов при замораживании

Теплофизические расчеты процессов холодильной обработки продуктов неразрывно связаны с оценкой величины теплофизических характеристик продуктов и направленности этих изменений в объеме продукта и во времени.

В тепловых расчетах наиболее значимыми являются следующие теплофизические характеристики: плотность продукта, ,кг/м³, удельная массовая теплоемкость продукта - с, Дж/(кг×К), теплопроводность - ,Вт/(м×К), тепературопроводность - а, м²/с, теплосодержание(энтальпия) - i, Дж/кг.

Плотность продукта является аддитивной величиной. Она может быть установлена на основе сложения плотностей отдельных компонентов продукта с учетом их массовых долей. Если масса продукта M, а массы составляющих его компонентов m₁, m₂, ...m_n , (M=m₁+m₂+ ...+m_n), то плотность продуктасоставит:

. (4.4)

При замораживании плотность продуктов уменьшается на 5...8%. В технических расчетах эту величину принимают неизменной, не зависящей от изменения температуры.

Удельная массовая теплоемкостьпродукта подчиняется закону аддитивности, т.е.:

, (4.5)

гдe: g₁,g₂,...g_к - весовые доли компонентов смеси,

с₁, с₂,...с_к - удельные теплоемкости компонентов смеси.

В простейшем случае, представляя пищевые продукты как двухфазные системы, содержащие тканевую влагу (дисперсионную среду) и дисперсную фазу - остальные компоненты (сухие вещества), теплоемкость продукта составит:

, (4.6)

где: с_w, с_c - теплоемкости воды и дисперсной фазы, Дж/(кг×К),

W, (1-W) - содержание в продукте весовых частей влаги и дисперсной фазы.

Для продуктов животного происхождения с_с составляет 1,38...1.68 кДж/кг, для продуктов растительного происхождения, - 0.71...1.36 кДж/кг.

При замерзании тканевой влаги удельная теплоемкость продукта может быть оценена на основе соотношения (4.7):

, (4.7)

где: с_л - теплоемкость льда, Дж/(кг×К),

- количество вымороженной воды, т.е. количество воды, превратившейся в лед.

График зависимости расчетной и полной теплоемкостей от температуры представлен на рис. 4.8.

Для недиссоциированных растворов количество вымороженной воды может быть приближенно оценено на основе закона Рауля:

, (4.8)

, (4.9)

Результат, получаемый по формуле (4.9) является приближенным, поскольку не учитывает зависимости теплоемкости продукта до замораживания от температуры. Однако, эта погрешность не велика и ощутимо не влияет на точность конечного результата.

Если в выражении отводимого тепла льдообразования принять изменение температуры замораживаемой массы продукта равное 1^оС, то количество тепла получит размерность и смысл составной части удельной теплоемкости:

, (4.10)

где: L_л - теплота льдообразования, L_л =335,2 кДж/кг.

Сумма расчетной теплоемкости с_м и теплоты льдообразования L_л при изменении температуры на 1 град. дает полную удельную теплоемкость:

, (4.11)

При оценке продолжительности замораживания или размораживания продуктов тепловой эффект соответствует полной удельной теплоемкости. В технических расчетах, обычно отражают раздельно тепло, обусловленное теплоемкостью с_м и тепло фазового превращения. Последняя методика не является ошибочной. Она - лишь один из способов представления материала.

Одним из способов приближенной оценки величины полной теплоемкости является ее оценка по формуле (4.12):

, (4.12)

где: n, m - эмпирические величины (таб. 4.1).

Таблица 4.1

Значения коэффициентов m и n для приближенной оценки полной теплоемкости отдельных продуктов

Теплопроводность продукта не является аддитивной величиной. В области положительных температур ее принимают постоянной. При замораживании продукта теплопроводность отражает общую тенденцию, связанную с процессом превращения тканевой влаги в лед.

, (4.13)

где: - теплопроводность продукта до замораживания, Вт/(м×К),

- изменение теплопроводности в интервале температур от криоскопической до конечной.

Изменение теплопроводности принимают с учетом влажности продукта в интервале от 70 до 90% равной от 0.9 до 1.16 Вт/(м×К).

Теплопроводность льда отличается от теплопроводности воды примерно в четыре раза. Характер изменения теплопроводности связан с количеством вымороженной воды, повторяя эту закономерность (рис. 4.9).

Коэффициент температуропроводности (а, м²/с) характеризует теплоинерционные свойства продукта, т.е. интенсивность нагрева или охлаждения. Температуропроводностьоценивается соотношением:

, (4.14)

где: - теплопроводность замороженного продукта, Вт/(м×К),

- теплоемкость замороженного продукта, Дж/(кг×К).

Характер изменения температуропроводности от температуры представлен на рис. 4.10.

Теплосодержание (энтальпию продукта) при изменении температуры до криоскопической температуры выражают соотношением:

, (4.15)

В области отрицательных температур теплосодержаниевыражают:

, (4.16)

Различие влияния изменений температуры на величину теплоемкостей с_о и с_w, приводит к заметному изменению теплосодержания продуктов в интервале температур, соответствующем области вымерзания основного количества воды. Это отчетливо видно на рисунке 4.11.

Следует отметить, что в технической литературе в ряде случаев представлены различные значения величин теплосодержаний продуктов при одной и той же температуре. Последнее обусловлено тем, что принимаются различные точки отсчета температуры при i=0. Однако, разность теплосодержаний для любых значений температур одинакова.

4.5. Длительность замораживания продукта

При оценке длительности замораживания тела, заданной стереометрической формы, возможны два подхода.

В первом случае решение задачи базируется на решении уравнения нестационарной теплопроводности Фурье, что, однако, сопряжено с затруднениями из-за нелинейности граничных условий.

Второй подход состоит в том, что процесс замораживания описывают дифференциальными уравнениями теплового баланса, при решении которых задаются законом распределения температуры по толщине замороженного слоя. Полученные решения являются приближенными. Мера их точности определяется соответствием температуры действительному ее распределению в замороженном слое. Решения, полученные этим методом относительно просты и потому применимы в инженерных расчетах.

4.5.1. Порядок решения задачи

Решение задачи об оценке длительности замораживания называют задачей о теплопроводности в системах с подвижной границей.

Исходные условия при решении задачи:

- тело однородно, изотропно,

- тело перед замораживанием охлаждено до криоскопической температуры tкр, оС т.е. температуры начала замерзания тканевых соков,

- льдообразование в теле происходит без переохлаждения и совершается изотермически при криоскопической температуре,

- теплофизические свойства тела не зависят от температуры, при этом теплоемкость замороженной части продукта равна нулю.

Замораживание происходит путем отвода тепла от поверхности тела при постоянном коэффициенте теплоотдачи и постоянстве температуры теплоотводящей среды (рис. 4.12)

Процесс замораживания тела рассматривается как процесс промерзания с движущейся границей раздела фаз лед-влага. Отвод тепла льдообразования осуществляется через замороженный слой от поверхности тела.

За время граница переместилась на dR. Для замораживания слоя толщиной dR и площадью F следует отвести тепло:

, (4.17)

де: - теплота льдообразования, Дж/кг,

- плотность продукта, кг/м3.

Количество тепла, отведенное через замороженный слой, применительно к стационарным условиям теплообмена через плоскую стенку для граничных условий третьего рода, можно выразить:

, (4.18)

где: - теплопроводность продукта, Вт/(м×К),

- коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к теплоотводящей среде, Вт/(м2×К),

Обозначив и приравнивая выражения (4.17) и (4.18) получают в конечном итоге решение относительно длительности замораживания при двухстороннем теплоотводе :

, (4.19)

Аналогичные решения получены для тел, форма которых подобна цилиндру и шару:

, (4.20)

, (4.21)

Выражения (4.19), (4.20), (4.21) не учитывают того, что продукт перед замораживанием имеет температуру, отличную от криоскопической. Теплопроводность замороженного продукта отличается от теплопроводности льда, поэтому для практического пользования применяют выражения для пластины, цилиндра и шара в которых теплота льдообразования заменена теплотой замораживания :

, Дж/кг (4.22)

Первое слагаемое представляет собой теплоту охлаждения. Третье слагаемое учитывает тепло домораживания, т.е. тепло, которое отводится от продукта после того, как границы раздела фаз встречаются в его геометрическом центре.

Теплопроводность льда в формуле Р. Планка заменена теплопроводностью замороженного продукта . С учетом выполненной коррекции формулы Р.Планка, достоверность получаемых результатов стала близка к реальной длительности замораживания , где: - расчетная длительность замораживания, с., - длительность замораживания, полученная в эксперименте, с.

Полученные решения относительно длительности замораживания телав виде пластины и цилиндра не учитывают конечные размеры продукта и то, что он, как правило, охлаждается со всех сторон. Поэтому на практике чаще прибегают к видоизмененной формуле Р. Планка для условий обтекания ее потоком воздуха параллельно двум основным плоскостям:

, (4.23)

где: - теплосодержания продуктов при температуре начальной и средней конечной (t_н, t_ск), Дж/кг,

- плотность замороженного продукта, кг/м³,

- полная толщина продукта, м,

K, P – коэффициенты, зависящие от формы и относительных размеров продукта . Для тела, форма которого подобна бесконечной плоскопараллельной пластины толщиной при одностороннем теплоотводе, K=0.5, P=1 при двухстороннем теплоотводе, K=0.125, P=0.5.

Для прямоугольной плиты неограниченной длины шириной “b” и толщиной при теплоотводе от четырех граней и данные относительно P и K получают из таблицы 4.1 и 4.2 приложения.

4.5.2. Методы интенсификации замораживания

Основная задача любого технологического процесса состоит в сохранении исходного качества продукта, свойственного ему, например, до замораживания. Технологическая обратимость замораживания определяется интенсивностью выполнения процесса, которая предполагает уменьшение длительности замораживания. Это достигается изменением следующих параметров (см. выражение 4.23): понижением температуры теплоотводящей среды, уменьшением геометрических размеров продукта и увеличением коэффициента теплоотдачи от поверхности продукта к теплоотводящей среде.

Каждый из перечисленных параметров может быть изменен в определенных ограниченных рамках.

Технико-экономические расчеты свидетельствуют, что при использовании холодильных машин, применение для замораживания продуктов температуры воздуха ниже -35…-40^оС энергетически не целесообразно. Это условие относится в основном к промышленным методам замораживания продуктов. Однако, в отдельных случаях, например, для замораживания мяса тунца при его последующем потреблении в сыром виде, возможно применение температуры воздуха до -50^оС.

Уменьшение размеров продуктов ограничено технологическими требованиями, т.е. в ряде случаев, по технологическим соображениям, продукт не целесообразно разрезать на части меньшего размера.

Увеличение коэффициента теплоотдачи от поверхности продукта путем увеличения скорости движения воздуха ограничено скоростями 5…7 м/с. Большие скорости энергетически не выгодны и технически трудно реализуемы, прежде всего, в специализированном холодильном оборудовании, применяемом в общественном питании и торговле.

Наиболее эффективный путь увеличения коэффициента теплоотдачи состоит в замене воздуха жидкой или твердой теплоотводящей средами.

В качестве жидких теплоотводящих сред чаще всего используют криогенные жидкости (хладоны, жидкий азот, рассолы). Применение жидких теплоотводящих сред, интенсифицируя процесс замораживания, одновременно порождает технические и технологические проблемы. Например, замораживаниев жидком азоте предполагает разработку последовательного замораживания продукта вначале в парах азота и только затем погружением его в жидкость или орошением продукта этой жидкостью. В противном случае возможно разрушение продукта от внутренних напряжений.

Скорость замораживания, выраженная как линейная скорость движения границы раздела фаз, составляет:

,м/с, (4.24)

Анализ данных, полученных на основе выражения (4.24) позволяют установить, что при увеличении коэффициента теплоотдачи на малом удалении от поверхности продукта, скорость замораживания велика. При увеличении толщины слоя продукта от поверхности, скорость замораживания существенно падает.

Для сокращения длительности замораживания, сравнительно с другими методами интенсификации процесса, уменьшение толщины продукта обеспечивает больший эффект, чем остальные отмеченные методы.

Замораживание продуктов в контакте с твердой теплоотводящей поверхностью предполагает применение двухстороннего теплоотвода. Выполнение этого условия ограничено свойствами продукта и возможностью сжатия продукта поверхностями теплообмена. Этот метод широко используют для замораживания рыбы в блоках в плиточных скороморозильных аппаратах.

4.6. Подмораживаниепродуктов

Подмораживание, или по терминологии автора метода - проф. Головкина Н.А. - переохлаждение, как технологический прием, позволяющий удлинить срок холодильного хранения продукта, базируется на представлении о возможности частичного замораживания продукта без существенных нарушений его структуры и свойств.

Применительно к продуктам растительного происхождения метод опирается на природные явления, связанные с подготовкой растений к наступлению холодов. Это - комплексный процесс, связанный, прежде всего с перераспределением клеточной и межклеточной влаги, накоплением сахаров и глицеридов и т.д. Вследствие чего отдельные растения, например, береза, смородина после замораживания способны адаптироваться к замораживанию и весной восстанавливать биологическую активность.

Теоретически выполнение процесса подмораживания не должно вызывать трудностей. Однако, на практике весьма сложно выполнить технологические требования к подмораживанию продуктов, особенно в том случае, если подмораживанию подвергается большая масса продуктов.

Главным и определяющим требованием процесса, в первую очередь применительно к растительным продуктам, состоит в том, чтобы скорость понижения температуры вблизи криоскопической температуры составляла не более 0.2^оС/ч.

Существуют два метода, которыми пользуются для подмораживания продуктов. Первый метод подмораживания состоит в том, что продукт помещают в камеру, в которой температура воздуха составляет -3^оС. Температура продукта постепенно понижается до температуры воздуха холодильной камеры. Этим методом подмораживают птицу и рыбу.

В реальной практике обработки растительных продуктов метод практически не используют.

Второй метод состоит в подмораживании тонкого слоя продукта в скороморозильном аппарате, после чего продукт перемещается в холодильную камеру с температурой -2…-3^оС, где происходит перераспределение температуры в объеме продукта.

Оба эти метода, несмотря на теоретическую привлекательность, практически не находят широкого применения в силу определенных технических трудностей и отсутствия точного инструментального контроля процесса.

4.7. Технические средства замораживанияпродуктов

Для интенсификации процесса замораживания, в практике холодильной обработки продуктов, используют холодильное оборудование, имеющее общее название – аппараты для замораживания продуктов.

Аппараты для замораживания продуктов подразделяют на воздушные, аппараты для бесконтактного замораживания в жидких средах и в контакте с твердой теплоотводящей средой и аппараты для контактного замораживания.

К воздушным скороморозильным аппаратамотносят тележечные, конвейерные, гравитационные, флюидизационные аппараты.

В тележечном аппарате (рис. 4.13) перемещение тележек обеспечивается цепной передачей. Загрузка и выгрузка осуществляются одновременно. Шаг транспортера равен размеру одной тележки.

В верхней части аппарата установлены 4 вентилятора, периодически изменяющие направление движения воздуха. Достоинство аппарата – простота, недостаток – металлоемкость.

При создании конвейерного скороморозильного аппарата преследуется цель сокращения его длины, что позволяет поместить его в помещение ограниченного размера. Это достигается увеличением высоты аппарата, одновременно порождая другие проблемы. Они касаются решения способа загрузки в аппарат продукта и его выгрузки. Кроме того, есть проблемы со способом перемещения продукта с одного транспортера на другой. В ряде случаев продукт самостоятельно сбрасывается с одного транспортера на другой. Простейшим аппаратом подобного типа является конвейерный скороморозильный аппарат, представленный на рис. 4.14. В скороморозильном аппарате типа “Гирофриз” (рис. 4.15) продукт перемещается по транспортеру, который прикреплен барабану. Барабан приводится в движение от электрического или от гидравлического привода. Это позволяет изменять скорость вращения барабана и скорость движения ленты транспортера. Это позволяет изменять длительность пребывания продукта в аппарате и тем самым конечную температуру замороженного продукта (при неизменной температуре воздуха в аппарате). Холодный воздух равномерно проходит через ярусы, обеспечивая эффективный теплоотвод от замораживаемого продукта.

Скороморозильный аппарат оборудован устройством для мойки и сушки ленты транспортера.

В гравитационных аппаратах движение продукта осуществляется последовательно с верхнего уровня на нижний уровень. Вместо традиционного транспортера реализован принцип единовременного перемещения специальным устройством (гребенкой) всех противней, рассоложенных на направляющих, вначале в одну сторону, затем в другую. Аппараты этого типа оригинальны конструктивно, но чрезвычайно требовательны к качеству изготовления и обслуживания.

Во флюидизационных аппаратахиспользуется эффект замораживания продуктов во взвешенном состоянии. В промышленных условиях широкое применение находят аппараты, в которых продукт, подаваемый через бункер, находится во взвешенном состоянии над перфорированным поддоном. Благодаря организации потока воздуха продукт непрерывно перемещается к разгрузочному окну и далее на расфасовку и упаковку. Аппараты этого типа в основном используют для замораживания растительных продуктов – зеленого горошка, клубники, малины и т.д. Аппараты энергоемки и вследствие этого их применяют преимущественно на крупных специализированных сельскохозяйственных предприятиях.

К аппаратам бесконтактного замораживанияпродуктов относят плиточные и аппараты для замораживания продуктов в жидких хладоносителях.

Аппараты бесконтактного замораживания предназначены для замораживания продуктов в виде блоков и мелкоштучных товаров, как имеющих упаковку, так и ее не имеющих. Аппараты этого типа, вследствие эффективной теплоотдачи от поверхности продукта, позволяют уменьшить, сравнительно с воздушными аппаратами, длительность замораживания. Плиты (испарители) с хладоносителем или с кипящим холодильным агентом, прижимаются к продукту, что обеспечивает его формовку и подпрессовку. Плиточные аппараты интенсивны, компактны, экономичны. Недостаток аппарата состоит в том, что замораживать можно только ограниченный ассортимент продуктов.

В контактных скороморозильных аппаратах обеспечивается непосредственный контакт теплоотводящей среды с поверхностью продукта. В качестве теплоотводящей среды чаще всего используют жидкий азот, углекислоту, раствор хлористого натрия.

Жидкий азот в многосекционных скороморозильных аппаратах используют на второй или третьей стадиях замораживания продукта. В аппарате продукт вначале подмораживается в парах азота и только затем он может быть орошен жидким азотом или в него погружен. При нарушении этой технологии, т.е. при погружении продукта в жидкий азот без его предварительного подмораживания, в продукте возникают внутренние напряжения при которых продукт разрывается на части.

Достоинство аппаратов этого типа состоит в высокой интенсивности замораживания, компактности и простоте. Недостаток аппарата обусловлен тем, что он работает в условиях разомкнутого холодильного цикла. Температура паров азота, выходящих из аппарата составляет порядка -30…-40^оС, что предполагает целесообразность последующего использования паров для целей холодильной обработки продуктов, например, для их холодильного хранения.