Тепло- и массообмен при холодильном хранении

Хранение — неотъемлемая часть процесса консервирования пищевых продуктов и биологических материалов. С точки зрения теплофизических процессов хранение является стабилизацией режимных параметров на заданном уровне, обеспечивающем консервирование исходных свойств материала.

Цель хранения — увеличение срока годности продуктов пита­ния путем замедления изменений, ухудшающих их качество, по­этому продолжительность хранения является одной из основных его характеристик. Продолжительность хранения τ зависит от фи­зико-химических свойств материала, режимов холодильной обра­ботки, хранения и других факторов, т.е.

τ = f (А, В, С, ..., N), (69)

где А, В, С, ..., N — температура, влажность и скорость движения среды, ее состав и давление, наличие внешней оболочки (кожу­ры) и упаковки продукта и др.

Уровень значимости отдельных факторов различен. Температу­ра, состав и скорость движения среды — основные регулируемые параметры процесса хранения. Их рассмотрим ниже. В настоящее время, как правило, продукты питания хранятся в воздушной среде. Изменение состава среды может улучшить условия хранения, т.е. удлинить его срок.

Как уже говорилось, существуют методы хранения в модифи­цированной газовой среде и в регулируемой среде. В первом случае материал хранится в упаковке, обладающей селективной способностью пропускать углекислый газ и выводить кислород. Недостаток такого метода — большая продолжительность создания опре­деленного состава газовой среды, преимущество — максимальная защита продуктов от влияния внешних теплопритоков. Во втором случае материал хранится в регулируемой газовой среде, создаваемой в герметичных камерах при использовании газогенераторов, в которых происходит сжигание газа в присутствии катализатора. Такое хранение более совершенно. Рациональной можно считать среду, содержащую 2 — 3% СО₂.

Большое влияние на продолжительность хранения продуктов питания оказывает давление окружающей среды. Эксперименты показали, что хранение под давлением 0,15 МПа увеличивает срок хранения мясопродуктов в полтора раза. Таким образом, перспективным можно считать хранение в регулируемой среде при повы­шенных внешних давлениях. Естественно, внешняя оболочка (ко­жура) и упаковка продуктов питания уменьшают усушку и удли­няют продолжительность хранения, поэтому перспективно хранение охлажденных и замороженных продуктов в упакованном виде. Как уже отмечалось, продолжительность хранения зависит от Множества факторов, поэтому выявление аналитической зависи­мости от свойств материалов и режимов хранения — сложная задача. Кроме того, отсутствуют четкие критерии оценки результатов хранения. Однако основным параметром все же можно счи­тать температуру хранения. Д. Г. Рютов на основе экспериментальных исследований предложил справедливую в пределах темпера­тур -20 °С ≤ t ≤ -6 °С зависимость

τ = А · 10^-bt_в, (70)

где А и b — постоянные, зависящие от свойств продуктов; t_B — температура хранения, °С.

Приведем значение параметра А для некоторых продуктов: го­вядины и баранины — 2,15, свинины и нежирной рыбы — 1,78, кур — 1,58. Для всех этих продуктов b = 0,05. Для сливочного масла А = 2,85, b= 0,036.

В процессе хранения должна поддерживаться определенная тем­пература. Ее повышение отрицательно сказывается на качестве хранящихся продуктов. За рубежом появились встроенные инди­каторы, цвет которых изменяется при повышении температуры выше допустимой. Таким образом покупатель осведомлен о качестве купленного продукта. Работы по совершенствованию анало­гичных датчиков продолжаются.

Рис. 19. Схема тепло- и массопереноса при холодильном хранении продуктов:

а — полная; б — упрощенная; / — на­ружные стены камеры; // — источни­ки влаги помимо продукта; /// — воз­дух камеры; IV — продукт; V — прибо­ры охлаждения; 1— перенос теплоту конвекцией; 2 — перенос теплоты ра­диацией; 3— перенос теплоты испа­рением и конденсацией

На рис. 19, а дана принципиальная схема тепловлажностных процессов в камере холодильного хранения, предложенная Д. Г. Рютовым. В схеме учитываются конвективный и радиацион­ный переносы теплоты, а также перенос влаги испарением (суб­лимацией) и конденсацией (десублимацией). Однако для матема­тического описания процесса приняты некоторые допущения: влага в воздух камеры поступает только за счет испарения (сублимации) с поверхности продукта; продукт получает теплоту от воз­духа только путем конвекции.

Упрощенная схема переноса теплоты и массы в камере холо­дильного хранения при отсутствии лучистого теплообмена и по­сторонних источников влаги дана на рис. 19, б. Температура продуктов t_n, хранящихся в камере, несколько ниже температуры хра­нения t_B из-за испарения воды с поверхности продукта (усушки).

Таким образом, в камере хранения поддерживается температу­ра t_B > t_n > t_б, где t_б — температура охлаждающих приборов.

Условием переноса влаги будет

(t_в – t_п) < (t_в – t_б). (71)

Количество теплоты, отбираемое от воздуха и расходуемое на испарение влаги в единицу времени, будет равно

Q = α F(t_B – t_п), (72)

где α — коэффициент теплоотдачи между продуктом и воздухом, Вт/(м² · К); F — площадь поверхности продуктов, м².

Количество влаги, испарившейся из продукта в единицу вре­мени, кг/с,

W_и = βF (p_n – φp_в). (73)

Она оседает на батареях охлаждения, причемъ

W_и = β_б F_б (φp_в - р_б). (74)

где β, β_б — соответственно коэффициенты испарения и конденса­ции водяного пара, кг/(м² · с · Па); F_б — площадь поверхности ох­лаждающих приборов, м²; р_п, р_б — давление водяных паров соответ­ственно на поверхности продукта, батареи, Па; р_в — давление насы­щенных паров воздуха, Па; φ — относительная влажность воздуха.

Количество теплоты, затраченной на испарение, и количество испарившейся влаги связаны соотношением W_и = Q/r_n, где r_п — удельная теплота парообразования (сублимации), кДж/кг.

По закону Льюиса при испарении (сублимации) или конден­сации (десублимации) α/β = const. Преобразовав уравнения (43) и (74), получим

αF/(α_бF_б) = А(φ р_в – p_б) / (t_B - t_n), (75)

где α_б— коэффициент теплоотдачи между воздухом и поверхнос­тью охлаждающей батареи; А — постоянный коэффициент.

Анализ уравнения (75) показывает, что при данных F, α, t_B, t_n уменьшения усушки (φр_в – p_б) можно добиться, увеличивая α_бF_б, т. е. увеличивая поверхность охлаждающих приборов или коэффи­циент теплоотдачи α_б.

Математическое описание тепло- и массообменных процессов усложняется при учете лучистого теплообмена между продуктом, батареями охлаждения и стенками камеры, а также внутренних тепловых потоков, возникающих в результате колебания темпера­туры воздуха в камере хранения.

Учитывая теплоту, подводимую к продукту конвекцией и из­лучением от более теплой стенки камеры, теплоту, отводимую от продукта излучением к поверхности приборов охлаждения, и теп­лоту сублимации влаги, а также внутренние тепловые потоки, усушку определяют из уравнения

ΔG = F_б (d_п – d_в) / [c_б (1/α_б + 1/ α_п)], (76)

где F_б — площадь поверхности охлаждающих приборов, м²; d_n, d_в — влагосодержание насыщенного воздуха соответственно при температуре продукта и воздуха камеры, кг/кг; с_б — удельная теп­лоемкость влажного воздуха при температуре поверхности прибо­ров охлаждения, кДж/(кг • К); α_п — конвективный коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта, Вт/(м² · К).

Главный фактор, влияющий на усушку, — температура воздуха камеры хранения. Усушка уменьшается с понижением t_B, причем на каждые 10 °С приблизительно в два с половиной раза. Не случай­но в настоящее время рациональной температурой хранения замо­роженных продуктов считается -25...-30 °С, при этом не только уменьшается усушка, но и удлиняется срок хранения продуктов. Однако в некоторых старых холодильниках еще используется тем­пература -12 °С, а общепринятая температура равна -18...-20 ⁰С.

Относительнаявлажность воздуха почти не влияет на усушку при низких температурах хранения. При одной и той же относи­тельной влажности воздуха усушка может возрастать, когда воз­растает разность температур между воздухом камеры и поверхностью приборов охлаждения, и убывать, когда уменьшается. Увеличение приводит к возрастанию интенсивности конденса­ции влаги из воздуха и, следовательно, к увеличению усушки. Скорость движения воздуха в камерах хранения должна быть ми­нимальной, обеспечивающей ликвидацию застойных зон.

Абсолютная усушка практически не зависит от количества про­дукта в камере хранения, однако относительная усушка резко воз­растает, когда камера недогружена. Это объясняется увеличением удельной плотности теплового потока на единицу продукта. Самый лучший способ сократить усушку до минимальной — упа­ковка продуктов и понижение температуры, причем потери мас­сы зависят от паропроницаемости упаковочных материалов.