Раздел IV. Приложение…………………………..…………………………...….268 6 страница

- теплопроводность материала теплоизоляции, Вт/(м×К).

Величины определяются скоростью движения воздуха. Полагаем, что эти величины неизменны и ими, для упрощения логики анализа, можно пренебречь.

Если принять постоянной отношение , то величина коэффициента теплопередачи будет определяться теплопроводностью теплоизоляции и ее толщиной .

Таким образом, если допустить, что все тепло, проникающее через теплоизоляцию, достигает поверхности продукта, то уменьшить усушку можно посредством установки более совершенной теплоизоляции. Это может быть достигнуто установкой теплоизоляции, имеющей малую величину теплопроводности материала из которого она изготовлена или посредством теплоизолирующих систем, обеспечивающих погашение теплопритоков.

Такие системы могут быть выполнены в виде “защитной рубашки” с конвективным (рис. 5.1) или принудительным движением в них воздуха (рис. 5.2).

Погашение теплопритока возможно посредством так называемых панельных систем(рис. 5.3).

Строительно-изоляционная конструкция с защитной рубашкой применяют преимущественно на больших холодильниках.

Системе с защитной рубашкойприсущи достоинства и недостатки. Достоинство системы – ее простота и способность к погашению теплопритоков. Недостатки состоят в неудобствах, вызванных удалением инея с поверхности батарей, неравномерным распределением температуры по объему продуха, т.е. пространства между стенами. Кроме того, не всегда удается обеспечить равенство температур в продухе и в холодильной камере. С тем, что бы иметь возможность погашать теплопритоки внутри камер, в них приходится устанавливать дополнительные батареи (рис. 5.1 поз.3).

В холодильных камерах с принудительным движением воздуха приходится решать проблему организации равномерного распределения потоков воздуха по всему объему канала, т.е. распределять воздух таким образом, что бы он омывал всю площадь поверхности каналов. Кроме того, при расположении воздухоохладителя внутри канала, появляются трудности в контроле за состоянием воздухоохладителя и, при необходимости, его ремонтом.

Проф. Чуклин С.Г. предложил панельную систему охлаждения, выполняющую функцию гасящего теплового экрана. Достоинством такой системы является простота и надежность.

Система представляет контур, выполненный из металлического листа к которому приварены трубы (рис. 5.3). В трубах может циркулировать хладоноситель или холодильный агент. Тепловой поток, проникающий через ограждение, гасится на поверхности металлического листа - испарителя холодильной машины. Наряду с погашением теплопритоков испаритель подобного типа с гипертрофировано развитой поверхностью теплообмена, обеспечивает стабильную температуру воздуха в холодильной камере.

Достоинство этой системы состоит еще и в том, что она позволяет существенно уменьшить разность температур между температурами воздуха в камере и температурой теплоотводящей среды.

Если тепло, подводимое к продукту и определяющее величину его усушки принять равным теплу, отводимому испарителем, то эту величину можно представить выражением (5.5).

, (5.5)

где: t_o – температура кипения холодильного агента или температура хладоносителя.

Выражение (5.5) отражает теплоотвод от плоской стенки и в случае конвективного движения воздуха отражает теплоотвод от плоской поверхности металлического листа испарителя.

Разность температур . При этих условиях испаритель должен иметь развитую поверхность, поскольку при конвективных условиях теплоотвода коэффициент теплопередачи испарителя невелик, k_о= 4…6 Вт/(м²×К).

Уменьшение разности температур t_вк - t_о обеспечивает минимальную величину усушки, поскольку уменьшается потенциал влагопереноса – разность влагосодержаний вблизи поверхности продукта и в воздухе холодильной камеры.

Недостатком системы является металлоемкость. Система наиболее пригодна для длительного хранения замороженных продуктов, например, для хранения государственного резерва мяса. Несмотря на то, что уменьшение усушки превалирует над затратами по созданию системы, эта система находит свое своеобразное отражение в некоторых типах торгового холодильного оборудования, прежде всего - в морозильных ларях.

5.3. Перекристаллизация льда(рекристаллизация) в тканях при холодильном хранении

При замораживании продуктов преследуется главная технологическая цель – сохранение исходных свойств продукта, иными словами, получение замороженного продукта высокого качества.

В основу любого из принятых методов замораживания положен принцип интенсификации процесса. При этих условиях тканевая влага замораживается в продукте без ее перераспределения по объему.

Наряду с другими методами, результат замораживания обычно оценивают, рассматривая под микроскопом гистологические препараты замороженной ткани.

Стандартная гистологическая методика анализа результатов льдообразования состоит в том, что в замороженной ткани, при температуре ткани, спиртом или иным веществом растворяют кристаллы льда. Препараты окрашивают и оставшиеся пустоты заполняют парафином. Таким образом, эффект льдообразования оценивается по величине и количеству пустот, которые рассматриваются как эквивалент кристаллов.

На рис. 5.4 представлены поперечные срезы мышечной ткани после 3.5 и 14 месяцев холодильного хранения при температуре -30^оС. На рисунке просматривается увеличение размера кристаллов при увеличении длительности хранения рыбы.

Изменение размеров кристаллов льда принято соотносить с различием упругости водяных паров над поверхностью кристаллов, имеющих малый и большой радиусы кривизны. Так, как у поверхности кристаллов, имеющих небольшие размеры, упругость насыщения больше, то они постепенно растворяются, пар перемещается к поверхности крупных кристаллов и конденсируется на этих кристаллах.

Изменение размеров кристаллов может происходить на основе процесса режеляции (смерзания). Оно вызывается неравномерностью удельных давлений на различные части кристаллов, плавления тех частей, где давление повышенное, и перемещением жидкости с последующим ее смерзанием в областях, характерных малым давлением. На этой основе отдельные кристаллы способны образовывать конгломераты, крупные слитки.

Рост кристаллов тем более ощутим, чем выше температура холодильного хранения продуктов и чем больше амплитуда колебаний температуры воздуха в охлаждаемом объеме и, как следствие, в объеме продукта.

Процесс растворения кристаллов обусловлен тем, что тканевый сок является многокомпонентной системой, в котором растворены компоненты, имеющие различные эвтектические температуры. При колебаниях температуры в продукте интенсифицируется процесс растворения мелких кристаллов. При повышении температуры они растворяются, при понижении температуры происходит намерзание влаги на поверхности больших кристаллов.

Рост кристаллов в процессе длительного хранения может быть обусловлен не только перераспределением тканевой влаги, но и биохимическими процессами при которых протекает денатурация белковых компонентов ткани с потерей связанной влаги. Оценка приращения количества вымороженной воды выполненная на основе калориметрических исследований подтверждает это мнение.

Таким образом, общее правило длительного хранения продуктов состоит в том, что продукт следует хранить при той температуре, при которой он замораживался или, по крайней мере, достаточно низкой температуре, при которой процесс перекристаллизации не будет выражен. Колебания температуры в продукте в процессе хранения недопустимы.

Контрольные вопросы:

32. Каковы основные требования к холодильному хранению продуктов животного и растительного происхождения?

33. В чем состоит суть методов хранения использующих эффект “биологического вакуума”?

34. Каково влияние барометрического давления на длительность холодильного хранения продуктов?

35. От чего зависит величина усушки при холодильном хранении продуктов?

36. Какими техническими средствами обеспечивается сохранность продукта?

37. От чего зависит перекристаллизация льда в продуктах при холодильном хранении и как перекристаллизация влияет на изменение качества продуктов?

38. Какие методы холодильного хранения продуктов широко используются в практике хранения продуктов в общественном питании и торговле?

Глава 6

6. Отепление и размораживание продуктов

6.1. Отепление продуктов

В технологическом плане отепление представляет собой процесс повышения температуры продукта в отсутствии влаговыпадения на его поверхности.

В осуществлении этого процесса нуждаются лишь отдельные продукты, такие, например, как яйца, фрукты, овощи.

Хотя значимость этого процесса несомненна, метод находит ограниченное применение в силу своей технической и технологической сложности.

Отепление проводят в специальных холодильных камерах с усиленной циркуляцией кондиционированного воздуха. Продукты в специализированной камере, укладываются свободно, обеспечивая доступ воздуха к продукту.

Температуру воздуха в камере повышают постепенно. Процесс осуществляют таким образом, чтобы разность температур воздуха и продукта составляла 2…3^оС. Этот процесс должен контролироваться техническими средствами, обеспечивающими заданный темп прогрева продукта.

Относительная влажность поддерживается на уровне 80% с тем, что бы продукт не увлажнялся и в то же время не высыхал.

Конечная температура продукта зависит от температуры и влажности наружного воздуха. При высокой влажности наружного воздуха продукт отепляют до температуры на 2…3^оС ниже его температуры наружного воздуха. Если влажность наружного воздуха составляет 40…45%, то конечная температура продукта устанавливается ниже температуры наружного воздуха на 4…5^оС.

Длительность процесса отепления зависит от размеров продуктов, вида тары, теплофизических свойств продуктов, температуры, скорости движения воздуха и продолжается от 1 до 2 суток, что, по технологическим меркам, является чрезвычайно продолжительным процессом.

Для равномерного распределения воздуха в объеме камеры направление движения воздуха периодически изменяют.

Схема камеры отепления представлена на рис. 6.1.

Процесс отепления осуществляется следующим образом. Воздух из камеры отепления поступает в воздухоохладитель 1, где охлаждается и подсушивается и далее направляется в калорифер 2, где нагревается при постоянном влагосодержании воздуха и вновь поступает в камеру отепления. В камере воздух соприкасается с продуктом, нагревает его. При этом воздух охлаждается и увлажняется. При нагреве продукта воздухом тепло расходуется не только на нагрев продукта, но и на испарение влаги из поверхностного слоя продукта.

6.1.1. Оценка условий влаговыпаденияна поверхности продукта

При отеплении продуктов регулируют состояние и движение воздуха, омывающего продукт. Температуру поверхности продукта постепенно повышают таким образом, чтобы разность температур между воздухом, поступающим к поверхности продукта, и поверхностью продукта составляла 20…25^оС. Это необходимо для того, что бы обеспечить высокую скорость теплоподвода.

Отепление завершается при достижении поверхностью продукта температуры, при которой влаговыпадение было бы исключено.

В рекомендациях Международного института холода приведена номограмма (рис. 6.2), которая позволяет оценить параметры процесса, при которых будет отсутствовать поверхностная конденсация.

Вертикальные прямые на номограмме представляют собой линии постоянного влагосодержания воздуха. Они же соответствуют температурам поверхности продукта. Горизонтальные прямые – изотермы воздуха, а наклонные прямые – линии равной относительной влажности.

Пользоваться номограммой достаточно просто. Например, если продукт поместить в камеру с температурой 29^оС и относительной влажностью 35% или в помещение с температурой воздуха 20^оС и относительной влажностью 60%, то при температуре поверхности продукта 12^оС, будет достигнута точка росы и на его поверхности произойдет конденсация атмосферной влаги. При меньшей влажности воздуха в помещении, влаговыпадение не будет наблюдаться.

Несмотря на достоинства номограммы, на практике чаще прибегают к оценке влаговыпадения на поверхности продукта на основе i – d диаграммы влажного воздуха (приложение, рис. 3.1).

Если состояние воздуха в помещении соответствует точке 1 (рис. 6.3), а процесс охлаждения воздуха на поверхности продукта отображается отрезком 1-2, (далее воздух охлаждается по линии насыщения - ), то при температуре поверхности продукта, соответствующей изотерме t_а, влаговыпадение не будет наблюдаться. Влаговыпадение будет наблюдаться, если температура воздуха в помещении соответствует изотерме t_b. Однако, если состояние воздуха помещения соответствует точке 3, то при любой из отмеченных температур воздуха (точки 1 и 3) влаговыпадение не будет наблюдаться.

6.2. Размораживание продуктов

Размораживание или, как его часто называют, пользуясь английской транскрипцией – дефростация (defrosting), является процессом восстановления исходного состояния продукта, при котором твердокристаллическое состояние тканевой влаги восстанавливается до состояния жидкости.

Общей целью размораживания является достижение технологической обратимости замораживания, т.е. восстановление тех свойств, которые определяют исходные свойства и, соответственно, качество продукта.

В зависимости от совершенства процесса замораживания мера обратимости замораживания продукта различна. Она обусловлена индивидуальными свойствами продукта, его свойствами, структурными особенностями, прочностью удержания влаги, особенностями ее распределения в тканевой системе, проницаемостью клеточных мембран для растворенных компонентов и влаги и т.д.

При медленном замораживании, как ранее отмечалось, формируются кристаллы льда простых стереометрических форм. При этом происходит перемещение внутриклеточной влаги в межклеточное пространство. Этот процесс для биологически активных растительных тканей имеет положительную направленность. Перемещение влаги в межклеточное пространство является одним из способов приспособления растительных тканей к понижению температуры в природных условиях. Известно, например, что ткани яблони хуже приспособлены к замораживанию, чем ткани смородины. Способность к миграции влаги из клеток в межклеточное пространство у смородины выше, чем у яблони в 30…40 раз. Поэтому смородина более устойчива к замораживанию, чем яблоня.

Перемещение влаги в тканях пищевых продуктов при замораживании сопровождается частичным нарушением клеточной структуры, гидратацией белков. Поэтому восстановление белками и клетками потерянной влаги при размораживании может рассматриваться лишь на уровне ткани в целом, заведомо полагая, что мера этого восстановления не будет полной. Например, при медленном замораживании при температуре воздуха -6…-8^оС отмечаются потери тканевого сока до 11…12% к начальному весу продукта. При продолжительном хранении продуктов процент потерь сока может увеличиться до 15…16%.

6.2.1. Размораживание посредством теплоподвода к поверхности продукта.

Размораживание продуктовпосредством теплоподвода к поверхности является традиционным, наиболее употребительным методом. Как и при замораживании, в выборе способа размораживания имеет значение интенсивность процесса. Классифицируя процесс размораживания по этому параметру, методы размораживания, в порядке уменьшения длительности процесса, можно классифицировать следующим образом. Длительность размораживания в порядке уменьшения этой величины обеспечивается:

- отеплением в воздухе при температуре 0…4^оС,

- отеплением в воздухе в паровоздушной среде при температуре 15…20^оС,

- орошением или погружением продукта в воду при температуре 2...4^оС при постепенном повышении температуры воды до 20^оС,

- размораживанием в среде мелкодробленого льда.

В воздухе размораживают продукты небольшого размера или измельченные продукты.

В воде размораживают преимущественно рыбу. Для размораживания рыбы может использоваться ток промышленной частоты, однако, сравнительно с традиционным методом размораживания рыбы в воде, он находит ограниченное применение.

При размораживании продуктов с нежной тканевой структурой, в бытовых условиях, традиционно используют естественную конвекцию воздуха. Для некоторых продуктов растительного происхождения процесс размораживания дополняют его погружением в раствор сахарного сиропа.

Промышленная установка для размораживания продуктов в воздухе представлена на рис. 6.4.

6.2.2. Механизм размораживания продуктов при теплоподводе к поверхности продукта

При теплоподводе к поверхности продукта размораживается тонкий поверхностный слой (рис 6.5) Поскольку теплопроводность жидкого тканевого сока в размороженном слое меньше теплопроводности замороженного слоя (практически в два раза), тепло из центральных слоев продукта к поверхности через размороженный обводненный слой проникает с меньшей скоростью.

При размораживании четко выраженной движущейся границы раздела фаз вода – лед от поверхности продукта к центру не отмечается. Тепло через замороженную часть продукта проникает глубоко к центру продукта. В объеме продукта образуются отдельные зоны таяния. Образование этих зон обусловлено тем, что тканевый сок представляет полидисперсную среду с компонентами, имеющими разные эвтектические температуры. Таким образом, процесс образования капель тканевого сока является объемным процессом, замедляющим проникновение тепла вглубь продукта. Вследствие этого, сравнительно с процессом замораживания, где тепло фазового перехода вода – лед отводится через замороженный слой, при размораживании длительность процесса больше в среднем на 25…30%.

6.2.3. Размораживание посредством тепловыделения в объеме продукта.

В основе методов объемного размораживания продуктов лежит процесс преобразования энергии того или иного вида в тепло непосредственно в объеме продукта. К таким видам энергии относят энергию электрического поля различной частоты, от промышленной частоты до СВЧ. К этому типу энергии также относят энергию ультразвуковых колебаний.

Достоинством объемного нагрева является тот факт, что подобные методы являются безградиентными, т.е. практически нет различий температуры в любой из выбранных точек объема продукта.

СВЧ-методы применяют преимущественно для размораживания овощей, кулинарных изделий и замороженных готовых блюд. СВЧ-метод является наиболее совершенным из рассмотренных ранее не только в технологическом, но и в энергетическом плане. Он обеспечивает высокую скорость размораживания при сохранении в продукте влаги, растворимых в воде белков и витаминов. Структура ткани сохраняется наилучшим образом.

6.3. Тепловой расчет размораживания

Физическая картина процесса размораживания не укладывается в рамки представления о движении границы раздела фаз. Неравномерность размораживания продукта по объему, не постоянство теплообмена на поверхности продукта, все это приводит к необходимости математического описания процесса размораживания с еще большими допущениями, чем при замораживании.

Процесс размораживания упрощенно представляют, как двухстадийный процесс. Первая стадия – отепление продукта от отрицательной начальной температуры до криоскопической. Эта часть задачи решается традиционными методами. Вторую часть Э. Алмаши предложил оценивать на основе метода элементарных тепловых балансов.

В.А. Сенютович, опираясь на представления Э. Алмаши, предложил рассматривать температуру и коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта постоянными.

Получено следующее выражение:

, с (6.1)

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

с_о – теплоемкость продукта до его замораживания, Дж/(кг×К),

- тепло плавления, Дж/кг,

t_п – температура поверхности продукта, ^оС.

Если принять в качестве средней температуры поверхности температуру поверхности второй стадии , то выражение (6.1) упрощается:

,с (6.2)

Выражение (6.2) не позволяет достаточно точно оценивать длительность размораживания, поскольку в выражение (6.2) вошли величины, являющиеся функцией температуры.

Аналогичное решение получено Г.Д. Кончаковым. Для оценки длительности второй стадии решение принимает вид:

,с (6.3)

Это выражение практически не отличается от аналогичной формулы Р. Планка для оценки длительности замораживания продуктов. Отличие состоит лишь в том, что в выражении (6.3) теплопроводность продукта принимается равной теплопроводности не замороженного продукта. Длительность же первой стадии предлагается оценивать как 30% от длительности второй стадии.

Для конкретного вида продукта, например, для размораживания говяжьего бедра в выражении (6.3) предлагается ввести множитель 0.57. Учет длительности первой фазы размораживания обеспечивается коэффициентом, численно равным 1.3. Таким образом, выражение длительности размораживания приобретает вид:

,с (6.4)

Выражение (6.4) позволяет с достаточной для практических целей точностью оценивать длительность размораживания. Оно пригодно только для частных условий – для оценки длительности размораживания говяжьих полутуш. Поэтому на практике длительность размораживания оценивают простыми эмпирическими выражениями, пригодными для каждого конкретного случая размораживания. Например, для оценки длительности размораживания блоков и мелких порций мяса в интервале температур от -10^оС до -0.5^оС предложено выражение (6.5):

, с (6.5)

где: m₁ и n₁ – постоянные, числовые значения, которых в зависимости от G_пр, приведены в таблице 6.1.

Набор таких эмпирических выражений не велик, поэтому приходится опираться в основном на опытные данные, полученные в конкретных условиях. Данное обстоятельство диктует необходимость разработки приемлемых аналитических зависимостей удовлетворительно описывающих процесс размораживания.

Контрольные вопросы:

39. В чем состоит цель отепления продукта?

40. Каким образом при отеплении продукта обеспечивается отсутствие влаговыпадение на его поверхности?

41. Какими техническими средствами осуществляется процесс отепления?

42. Какова цель размораживания продукта?

43. Какими техническими средствами обеспечивается размораживание продукта?

44. Каковы методы интенсификации процесса размораживания продукта?

Раздел II

Основы холодильной техники

Глава 7

7. Теоретические основы получения искусственного холода

Искусственное охлаждение- это процесс переноса теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой посредством совершения внешней работы.

Искусственное охлаждениеможет быть с разомкнутым циклом (одноразовым). Например, охлаждение водным, “сухим” льдом, жидким азотом или другим рабочим веществом без восстановления его первоначальных свойств.

Машинное охлаждение является охлаждением при помощи рабочего вещества, постоянно возвращаемого в холодильной машине в исходное состояние - охлаждение с замкнутым циклом.

В испарителе 4 (рис. 7.1) холодильной машины тепло от охлаждаемой среды Qо, Вт подводится к рабочему веществу, которое в холодильной технике принято называть холодильным агентом. В результате подвода тепла к холодильному агенту он кипит, превращаясь в пар. Пары холодильного агента отводятся из испарителя компрессором 1, сжимаются в компрессоре и направляются в конденсатор 2, где парообразный холодильный агент вновь превращается в жидкость.

При сжатии холодильного агента в компрессоре совершается работа, которая воспринимается холодильным агентом в виде теплоты L, Вт. Таким образом, от поверхности конденсатора в теплоотводящую среду отводится тепло, эквивалентное совершённой работе в компрессоре и отведённая от охлаждаемой среды в испарителе:

, Вт (7.1)

Количество теплоты отведенной от охлаждаемой среды в испарителе в удельной форме выражают удельной массовой холодопроизводительностью qo, Дж/кг. Она эквивалентна количеству тепла, которое можно отвести одним килограммом жидкого холодильного агента при превращении его в пар.

, Дж/кг. (7.2)

Удельная массовая холодо­произво­дительность холодильного агента величина не постоянная. Она зависит от свойств холодильного агента и температурного режима работы холодильной машины.

7.1. Физические принципы получения холода

Основой процесса охлаждения является теплообмен между двумя средами - охлаждаемой и охлаждающей. Любой процесс, сопровождающийся поглощением тепла, может быть использован для охлаждения.

Охлаждение среды достигается при помощи разнообразных физических процессов: при помощи фазовых превращений, сопровождающихся поглощением тепла (плавление, парообразование, растворение соли); десорбцией газов, расширением сжатого газа, дросселированием (эффект Джоуля - Томсона), посредством вихревого эффекта, размагничивания твердого тела, посредством термоэлектрического эффекта (эффекта Пельтье).

Охлаждение при помощи отдельных процессов (таяние льда, сублимации твердой углекислоты, дросселирования газов) протекает лишь до тех пор, пока не истощается запас этого вещества. Процесс с возобновлением рабочего вещества или, как его называют - круговой (цикличный) процесс, возможен лишь в условиях энергетических затрат.

Тепло переходит от тела, более нагретого к телу менее нагретому, но не наоборот. Некомпенсированный переход тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой невозможен.

В качестве компенсации должна быть совершена механическая работа или другой эквивалентный по направленности процесс.

В соответствии со вторым законом термодинамики непрерывное искусственное охлаждение не может происходить без затрат энергии. Совокупность процессов, которые при этом осуществляет рабочее тело, получила название обратного термодинамического цикла.

В прямом термодинамическом цикле тепло переносится от горячего тела к менее нагретому телу, при этом производится работа. В обратном цикле тепло переносится от холодного тела к нагретому телу, при этом затрачивается энергия на совершение работы.

7.2. Характеристика методов получения холода

7.2.1. Охлаждение при помощи десорбции

Суть метода состоит в последовательном насыщении, например, активированного угля газом (например, гелием) и последовательного откачивания его из этой среды. Данный способ протекает с большими энергетическими потерями и с термодинамической точки зрения он имеет смысл лишь при получении сверхнизких температур, т.е. температур в области жидкого гелия.