Тепло- и массообмен при размораживании

Процесс размораживания происходит при подводе теплоты к замораживаемому продукту. Количество теплоты, подводимой к размороженному продукту, находят по той же формуле, что и количество теплоты, отводимой при замораживании (68).

Различают два способа подвода теплоты к продукту. В первом случае теплота подводится путем теплообмена с внешней средой, причем внешней средой могут быть воздух, вода, пароводяная смесь или нагретые металлические плиты. В этом случае передача теплоты в продукте осуществляется теплопроводностью. Во вто­ром случае теплота генерируется внутри продукта за счет погло­щения энергии высокочастотных колебаний, которая переходит в тепловую.

Продолжительность размораживания при первом способе подвода теплоты сокращается с увеличением разности температур окружающей средой и поверхностью продукта; скорости циркуляции среды; относительной влажности воздуха; отноше­ния F/V, где F— поверхность продукта, V — объем продукта.

Продолжительность размораживания при высокочастотном нагреве зависит от электрофизических характеристик продуктов и параметров установки. С увеличением частоты колебаний продол­жительность размораживания уменьшается.

Процесс размораживания по первому способу условно делят на две стадии. Первая стадия — отепление материала до криоскопической температуры t_кp на его поверхности, осуществляемое конвективным теплообменом с окружающей средой. Вторая ста­дия — таяние льда, которое начинается на поверхности материа­ла и заканчивается в области его термического центра. При этом основной механизм передачи теплоты в продукте — молекуляр­ная теплопроводность как сухих веществ, так и влаги в виде воды или льда. При выводе формулы, определяющей продолжитель­ность процесса, приняты следующие допущения: продукт пред­ставляет собой однородное изотропное тело в виде неограничен­ной пластины, температура окружающей среды и коэффициент теплоотдачи, теплоемкость, теплопроводность и плотность мате­риала в процессе размораживания остаются постоянными.

Продолжительность первой стадии размораживания можно определить путем решения дифференциального уравнения тепло­проводности dt/dτ = λ(d²t/dx²) при условии, что количество теп­лоты, подводимой к поверхности продукта, должно быть равно количеству теплоты, отводимой от поверхности внутрь продукта путем теплопроводности (граничное условие третьего рода):

α (t₀ - t_п) = -λ dt/dx. (77)

Коэффициент теплоотдачи α находят из известной критериаль­ной зависимости

Nu = 0,032 Re^0,8. (78)

Не приводя подробного решения дифференциального уравне­ния, представим продолжительность первой стадии разморажи­вания в виде

τ = (l²/aμ₁²) ln[(t₀ – t_н) A₁ cosμ₁/(t₀ – t_кр)], (79)

где а — коэффициент температуропроводности продукта, м²/с; μ₁ — корень характеристического уравнения, находится в зависи­мости от Bi = αl/λ_np; A₁ — коэффициент, определяемый корнем характеристического уравнения μ₁:

А₁ = (2 sin μ₁) / (μ₁ + sin μ₁ cos μ₁). (80)

Так как корень характеристического уравнения μ₁полностью определяется критерием Bi, то и постоянный коэффициент А₁ является однозначной функцией Bi. Существуют таблицы, по ко­торым можно определить величину А₁, зная критерий Bi (табл. 4). Порядок расчета продолжительности первой стадии размора­живания следующий:

1) определить коэффициент теплоотдачи α по критериальному уравнению (78) и критерию Re;

2) определить критерий Bi;

3) по табл. 4 найти μ₁ в зависимости от найденного критерия Bi;

4) определить постоянную А₁по формуле (80) или из таблиц;

5) определить продолжительность первой фазы разморажива­ния по формуле (79).

Эксперименты и расчеты показали, что длительность первой стадии размораживания составляет в среднем около 30 % длитель­ности основной, второй стадии, поэтому в общую продолжитель­ность процесса в дальнейшем будет введен коэффициент т = 1,3.

Таблица 4