Тепловой расчет процесса охлаждения

В задачу теплового расчета входит определение продолжитель­ности охлаждения продуктов и количества теплоты, отводимого от них в процессе охлаждения.

Продолжительность охлаждения — основа расчета количества теплоты, отводимой от продуктов в процессе охлаждения, оцен­ки эффективности работы холодильной камеры, оборудования и др. Она зависит от вида и параметров охлаждающей среды, размеров и теплофизических характеристик охлаждаемых про­дуктов. Наибольшей продолжительностью характеризуются про­цессы охлаждения продуктов в воздушной среде, наименьшей — в вакууме.

Продолжительность охлаждения продуктов, имеющих правиль­ную геометрическую форму или близкую к ней, определяют, пользуясь номограммами, выражающими графическую зависимость безразмерной температуры от критериев Фурье и Био для середины пластины, оси цилиндра и центра шара.

Безразмерная температура

Θ = (t – t₀) / (t_H – t₀), (50)

где t, t_H — соответственно текущая и начальная температуры про­дукта, °С; t₀ — температура охлаждающей среды, ⁰С;

t= f (х, τ). (51)

Критерий Био, характеризующий эффективность теплообмена поверхности продукта с охлаждающей средой, рассчитывается по уравнению

Bi = α l / λ, (52)

где α — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности про­дукта охлаждающей среде, Вт/(м² • К); l— половина толщины про­дукта, м; λ — коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м · К).

Коэффициент теплопроводности продукта определяют по таб­лице (см. табл. 3), а коэффициент теплоотдачи — из критериаль­ных зависимостей теплообмена при вынужденном и естественном движении охлаждающей среды у поверхности продукта.

Приближенно коэффициент теплоотдачи от продукта к возду­ху находят из зависимости Юргенса:

α = 1,16 (5,3 + 3,6 v), (53)

где v — скорость движения воздуха у поверхности продукта, м/с.

Для приближенных расчетов коэффициент теплоотдачи от про­дукта к жидкой среде при естественной конвекции можно при­нять равным 200 — 230 Вт/(м² · К), при скорости движения жид­кости 0,5 м/с - 1000 Вт/(м² · К).

По полученным значениям безразмерной температуры и критерия Bi из номограммы для пластины, цилиндра или шара (см. приложение 2) определяют точку пересечения соответствую­щих прямых. Из полученной точки опускают перпендикуляр на ось абсцисс и находят значение критерия Фурье Fo, или безраз­мерное время

Fo = а τ / l², (54)

где а — коэффициент температуропроводности продукта, м²/с; τ — продолжительность охлаждения, с; l — половина толщины про­дукта, м.

Отсюда продолжительность охлаждения

τ = Fo l²/a. (55)

Коэффициент температуропроводности продукта а в формуле находят по таблицам теплофизических характеристик. В прибли­женных расчетах его можно принять равным 1,25 · 10^-7 м²/с.

Количество теплоты, отводимой при охлаждении, можно оп­ределить, пользуясь выражением

Q = G c_o (t_H – t_K) (56)

Или

Q = G (i_H – i_K), (57)

где G — масса продукта, кг; с₀ — удельная теплоемкость продув та, кДж/(кг • К); i_н - i_к — разность удельных энтальпий продукта при его начальной и конечной температурах, кДж/кг.

При охлаждении продуктов воздухом необходимо учитывать, что часть теплоты отводится вследствие испарения влаги с их по­верхности, т.е. конвективный теплообмен сочетается с испари­тельным. Причем теплота, отводимая вследствие испарения влаги, может составлять до 50 % общего количества теплоты в зависимо­сти от температуры воздуха и свойств охлаждаемых продуктов.

Испарение влаги с поверхности продуктов значительно умень­шается при наличии естественного защитного слоя или упаковки.

При медленном охлаждении продуктов количество теплоты, отводимой от мяса, птицы, рыбы и др., увеличивается за счет биохимических процессов, происходящих в продукте на началь­ной стадии созревания. В этом случае общая формула количества теплоты, отводимой от продукта, с учетом его внутренних тепло­выделений и теплового эффекта испарения имеет следующий вид:

Q = G [c_o (t_H – t_K) + q_BH + g(L_K - L_И)]; (58)

где G — масса продукта, кг; t_H- t_K — разность начальной и конеч­ной температур продукта; q_ВН — внутреннее тепловыделение еди­ницы массы продукта в процессе всего охлаждения, Дж/кг; g — удельное количество испарившейся воды; L_K - L_И — удельная теп­лота конденсации и испарения с единицы массы продукта, Дж/кг.