Отдельных видов продуктов

При размораживании к мороженым продуктам подводится теп­лота, количество которой зависит от удельной теплоты размора­живания и массы продукта. Удельная теплота размораживания, в свою очередь, зависит от начальной и конечной температур про­дукта и количества содержащейся в нем воды.

Количество теплоты, необходимое для полного разморажива­ния продукта, определяется по формуле

Q = G [c_м (t_кр –) + rWω + c₀ (t_с.к – t_кр)], (83)

где G — масса продукта, кг; с₀, с_м, — удельная теплоемкость продукта соответственно до и после размораживания, Дж/(кг • К); t_кр - криоскопическая температура продукта, °С; t_н, t_с.к — соот­ветственно начальная и средняя конечная температуры продукта, °С; r — скрытая теплота плавления кристаллов льда, Дж/кг; W — содержание воды в продукте, в долях единицы; ω — степень вы­мораживания воды.

Как следует из формулы, количество теплоты, которое необхо­димо подвести к продукту, состоит из теплоты для повышения его внутренней температуры до криоскопической, теплоты таяния (фа­зовое превращение) и теплоты, требуемой для повышения темпе­ратуры уже размороженного продукта до заданной конечной.

Окончание процесса размораживания определяют по криоско­пической температуре в тепловом центре продукта. Конечная же температура размороженного продукта зависит от его целевого назначения (употребление, кулинарная обработка, производство других продуктов и т.д.).

Продолжительность размораживания продуктов при обработке в одном и том же интервале температур зависит от способа пере­дачи теплоты. Процессы, передача теплоты в которых осуществ­ляется с использованием поверхностного нагрева продуктов (пу­тем теплообмена между поверхностью продукта и теплопередающей средой, а затем путем теплопроводности от поверхности к внутренним слоям продукта), продолжаются часы и сутки, в то время как размораживание с объемным нагревом продукта про­исходит за минуты.

Продолжительность процессов размораживания при всех спо­собах передачи тепла зависит от размеров продуктов. Кроме того, при объемном нагреве она зависит от электрофизических харак­теристик, частоты и напряжения электрического поля; при поверхностном — от теплопроводности и теплоты фазового перехо­да, а также температуры, скорости движения и вида теплопередающей среды (воздух, вода, рассолы, растворы).

Продолжительность размораживания в воздушной среде про­дуктов, имеющих форму пластины, рассчитывают по формуле (52) из подраздела 12.4 без учета коэффициента формы продукта К_ф. Для продуктов, имеющих неправильную геометрическую форму, приближающуюся к шару, можно в эту формулу подставить сред­нее значение половины диаметра продукта d_np вместо l:

(84)

где V_np — объем продукта, м³.

Для расчета коэффициента теплоотдачи от поверхности мяс­ных полутуш к воздуху, подаваемому струями, направленными сверху вниз, применяют зависимость

Nu = 0.17 Re^0.7, (85)

в которой за определяющий размер принимают толщину бед­ренной части. Критерий Рейнольдса рассчитывают с учетом ско­рости движения воздуха в зоне расположения бедренных частей полутуш. Теплофизические константы воздуха принимают по сред­ней его температуре у полутуши.

Продолжительность размораживания мясных полутуш в воз­душной среде можно определить также с помощью номограмм, рекомендованных А. М. Бражниковым (рис. 24). Номограммы пре­дусматривают определение Bi и Fo для мороженого и разморо­женного мяса:

Bi_м = al / (2λ_np.м);Bi = al / (2λ_np); (86)

Fo_м = а_пр.м τ₁ / (l / 2)²; (87)

Fo = а_пр τ₂ / (l / 2)², (88)

где Bi_м — критерий Био для мороженого мяса; l — толщина бед­ренной части полутуши, м; λ_np.м — коэффициент теплопроводно­сти замороженного мяса, Вт/(м · К); Bi — критерий Био для раз­мороженного мяса; λ_np — коэффициент теплопроводности размо­роженного мяса, Вт/(м • К); Fo_м, Fo — критерий Фурье соответ­ственно для мороженого и размороженного мяса; а_прм и а_пр — ко­эффициенты температуропроводности соответственно мороженого и размороженного мяса, м²/с;τ₁и τ₂ — продолжительность размо­раживания соответственно поверхностного слоя бедренной части полутуши и центра бедренной части, полутуши, с.

Рис. 24. Номограммы для определения продолжительности разморажива­ния мясных полутуш при различной температуре воздуха:

а — поверхностного слоя бедренной части; б — внутренних слоев (центра) бедрен­ной части; 7 — при 6°С; 2 — при 10°С; 3 — при 16°С; 4 — при 20°С; 5— при 25°С

По номограмме (см. рис. 24, а) определяют значение критерия Фурье Fo_M, соответствующее продолжительности размораживания поверхностного слоя бедренной части полутуш, а из форму­лы (87) рассчитывают. Затем по номограмме (см. рис. 24, б) определяют значение критерия Фурье Fo, соответствующее про­должительности размораживания центра бедренной части полу­туш, и с помощью формулы (88) определяют τ₂.

Общую продолжительность размораживания рассчитывают как сумму τ₁ и τ₂. Номограммы позволяют определить τ для полутуш от начальной температуры -18°С до криоскопической температуры в центре бедренной части полутуш.

Продолжительность размораживания мясных блоков и мелких порций мяса в воздушной среде ориентировочно определяют с помощью эмпирической зависимости

τ = {[m₁ / t₀ + 1)] + n₁} 3600, (89)

где m₁ и n­₁ — коэффициенты, значения которых зависят от массы блока и порции мяса (для блоков массой около 7 кг т₁ =180, n₁ = 4, для порций мяса массой 0,5 кг — соответственно 85 и 0,5); t_о — температура воздушной среды, °С.

Формула (89) действительна при размораживании в условиях естественной циркуляции воздуха и изменения температуры про­дукта от -10 до -0,5 °С.

Продолжительность размораживания блоков рыбы и других про­дуктов при орошении водой ориентировочно можно определить по зависимости

τ = {[3150 l / (t_w² + 200)] + 0,91} 3600, (90)

где t_w — температура воды, °С.

Продолжительность размораживания блоков рыбы и других продуктов в вакууме определяют с помощью уравнения

(91)

где G_пр — масса размораживаемого блока, кг; ψ— темп размора­живания, с^-1.

ψ = αΔt K_ф / (3qγ_пр^2/3), (92)

где Δt — разность между температурой теплопередающей среды (пара) и средней температурой поверхности продукта, °С; К_ф — коэффициент формы, м^-1.

Коэффициент теплоотдачи ориентировочно определяют по формуле

(93)

Коэффициент формы рассчитывают с помощью отношения

К_Ф = F_пр / V_пр^2/3, (94)

где F_пр и V_np — площадь поверхности (м²) и объем (м³) размора­живаемого продукта.

Для определения продолжительности размораживания рыбы (блоков или отдельных видов) путем погружения их в воду и оро­шения водой разработаны номограммы, учитывающие зависимость τ от массы продукта, его начальной температуры и температуры воды (рис. 25, а, б). Для определения продолжительности разморажива­ния блоков рыбы в вакууме также разработана номограмма, учи­тывающая зависимость τ от массы продукта, его начальной темпе­ратуры и температуры среды (рис. 25, в).

По этим номограммам продолжительность размораживания определяется в такой последовательности:

на нижней горизонтальной шкале откладывают температуру теплоносителя t_w и двигаются вверх по изотерме (стрелка 1) до пересечения с линией определенной массы;

на левой вертикальной шкале отыскивают значение массы про­дукта _Gпр и двигаются по стрелке 2 вправо до пересечения со стрел­кой 7;

из точки пересечения стрелок 1 и 2 проводят вверх вправо пря­мую, параллельную наклонным линиям (стрелка 3) до пересече­ния с изотермой начальной температуры продукта t_нач;

на верхней горизонтальной шкале находят значение начальной температуры продукта t_нач и по изотерме (стрелка 4) получают точку пересечения со стрелкой 3;

из этой точки проводят горизонтальную прямую (стрелка 5) до правой вертикальной шкалы τ, с которой считывают продол­жительность размораживания.

Если с помощью приведенных номограмм определить продол­жительность размораживания блока рыбы массой 10 кг от началь­ной температуры -7 °С до криоскопической при его обработке с водой температурой 20 °С путем погружения и орошения, а также обработке в вакууме при той же температуре, то продолжитель­ность размораживания при погружении будет равна 4,5 ч, ороше­нии — 2 ч, в вакууме — 0,82 ч, т.е. наиболее интенсивным являет­ся размораживание в вакууме, наиболее продолжительным — пу­тем погружения в воду.

При построении номограмм приняты следующие усредненные параметры: плотность продукта γ_пр =1000 кг/м³; криоскопическая температура продукта t_кр = -1 °С; температура воды изменяется от 10 до 35 °С; коэффициент теплопроводности размороженного про­дукта λ_пр = 0,465 Вт/(м · К); коэффициент теплоотдачи при погру­жении продуктов в воду α_погр = 350 Вт/(м² · К), что Соответствует скорости движения воды не более 0,1 м/с; коэффициент теплоот­дачи при орошении продуктов водой α_ор = 800 Вт/(м² · К).

Номограммы позволяют определять продолжительность размо­раживания не только рыбы, но и других продуктов, близких к ней по теплофизическим параметрам, а также продуктов в условиях, незначительно отличающихся от указанных.

На практике расчет можно произвести по разности энтальпий продукта в размороженном и мороженом виде:

Рис. 25. Номограммы для опреде­ления продолжительности размо­раживания блоков рыбы погруже­нием в воду (а), орошением (б), в вакууме (в)

Q_р = G_пр(i_р – i_м), (95)

где G_np — масса размораживаемого продукта, кг; i_р и i_м — энтальпия соответственно размороженного и мороженого продук­тов при конечной и начальной среднеобъемной температуре, кДж/кг.

Фактически удельное количество теплоты, необходимое для размораживания говядины и свинины при начальной температу­ре -8 °С, колеблется в пределах 226,8 и 201,6 кДж/кг, а при тем­пературе -18 °С оно возрастает примерно на 20 %. При разморажи­вании молока от -20 до 0°С удельная теплота равна 317,8 кДж/кг, фруктов — 271,7, сливочного масла с содержанием 13 % воды — 95 кДж/кг.

При размораживании в воздушной среде необходимо учиты­вать, что в результате массообмена среды с поверхностью про­дуктов теплообмен сопровождается испарением или конденсаци­ей влаги. Количество испарившейся или сконденсированной вла­ги зависит от способа и режима размораживания. При способах обработки продуктов в течение нескольких суток (мясные полуту­ши, блоки сливочного масла и др.) применяют постепенное по­вышение температуры воздуха и поверхности. Температура поверх­ности продуктов остается на протяжении всего процесса несколь­ко ниже температуры точки росы циркулирующего воздуха, по­этому испарение влаги отсутствует и происходит конденсация водяного пара из воздуха.

При ускоренных способах размораживания продуктов, когда процесс длится не более суток (в среднем 6 — 24 ч в зависимости от вида и размеров продуктов, а также параметров воздуха), кон­денсация влаги происходит в период неустановившегося режима. В этот период параметры воздуха изменяются от начальных t_в.нач и φ_в.нач до заданных технологическими условиями t_в и φ_в. Продолжи­тельность периода составляет примерно 25 % общей продолжи­тельности процесса. При этом температура поверхности продукта изменяется от t_п.нач до t'_п < t_p, где t_p — температура точки росы воздуха заданного состояния В (см. рис. 26).

Рис. 26. Построение на I — d - диаграмме области изме­нений состояния воздуха и поверхности продукта в период неустановившегося и установившегося режи­мов размораживания.

Конденсация влаги на поверхности продуктов отрицательно сказывается на их качестве. Кроме того, при конденсации на по­верхности осаждаются частицы пыли и микроорганизмы, что так­же способствует ухудшению качества. В связи с этим применяют процессы двухстадийного и программного размораживания, при которых в период неустановившегося режима температура воз­душной, паровоздушной или газовой среды является завышен­ной и изменяется по заданной программе. В таком случае продолжительность неустановившегося режима сокращается в 2 — 4 раза.

За весь период установившегося режима размораживания из­менение температуры воздуха обычно составляет ±1 ⁰С, относи­тельной влажности ±5 %. На рис. 26 область изменения параметров воздуха в данный период изображена четырехугольником В'_тах — B_min — В'_min — B_max, а область изменения состояния поверхности продукта в начальной стадии — линией П'— П_min, а затем линией П_min — П_mах. При этом происходит чередование периодов испаре­ния и конденсации влаги на поверхности. Максимальная раз­ность парциальных давлений водяного пара, находящегося на поверхности продукта и в воздухе, обусловливающая испарение влаги, соответствует максимальной температуре воздуха и его минимальной относительной влажности, т.е. ΔP_mах = Р_п.mах — Р'_в.mах, где Р_п.mах — парциальное давление водяного пара, находящегося на поверхности продукта при максимальной температуре t_п.mах; Р'_в.mах — парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе при максимальной температуре t_в.max и минимальной влаж­ности φ_в.min.

Для определения тепловой и влажностной нагрузки на уста­новку кондиционирования рассчитывают теплоприток к продук­ту Q_про и влагоотток от продукта W_npo.

Теплоприток Q_npo характеризует среднее количество теплоты, подводимой к размораживаемому продукту в единицу времени. Но процесс размораживания характеризуется значительной не­равномерностью подвода теплоты, так как ее количество, необ­ходимое для размораживания продукта в различные периоды, непостоянно.

В период неустановившегося режима количество теплоты, не­обходимой для нагревания всего объема продукта и разморажива­ния его поверхностных слоев, максимально. При установившемся режиме теплота расходуется в основном на размораживание внутренних слоев продукта. При этом ее количество значительно уменьшается и в конце процесса составляет 0,15 — 0,2 от Q_npo. Неравно­мерность подвода теплоты можно учесть с помощью поправочных коэффициентов Q_про1 = Q_про m_τ1; Q_про2 = Q_npo m_τ2, где Q_про1 и Q_про2 - средний теплоприток к продукту в периоды неустановившегося и установившегося режимов размораживания, кВт; т_τ1, т_τ2 — поправочные коэффициенты, учитывающие неравномерность теплопритока.

При размораживании мясных полутуш с использованием при­нудительной циркуляции воздуха и продолжительностью процес­са τ = 16 —24 ч средние значения поправочных коэффициентов равны: т_τ1 = 2,2 — 2,5; т_τ2 = 0,28 — 0,5.

Расчет тепло- и влагопритоков от других источников (через ограждающие конструкции, от электродвигателей и др.), теп­ловой и влажностной нагрузок, а также расчет и подбор конди­ционирующих устройств выполняют по определенной методи­ке [4].

Удельную мощность, необходимую для размораживания еди­ницы объема продукта, при микроволновом энергоподводе рас­считывают по формуле, Вт/см³,

N_уд = 0,556 • 10^-12 Е² f ε' tgδ, (97)

где Е — напряженность переменного электрического поля, В/см; f — частота электрического поля, Гц; ε' — диэлектрическая про­ницаемость продукта; tgδ — тангенс угла диэлектрических по­терь.

Произведение ε' tgδ называют коэффициентом диэлектричес­ких потерь. Следовательно, мощность микроволнового нагрева про­порциональна квадрату напряженности переменного электричес­кого поля, частоте поля и коэффициенту диэлектрических по­терь, зависящему от свойств обрабатываемых продуктов. Из фор­мулы (97) следует, что чем больше частота электрического поля, тем большая часть подводимой энергии преобразуется в тепловую. Но, с другой стороны, выбор частоты зависит от размеров про­дуктов. С увеличением частоты уменьшается глубина проникнове­ния микроволновой энергии в продукты. Эта глубина зависит так­же от диэлектрических свойств продуктов, которые характеризу­ются коэффициентом диэлектрических потерь.

Практически коэффициент диэлектрических потерь характери­зует скорость поглощения электромагнитной энергии различны­ми продуктами. Различия в скорости поглощения электромагнит­ных волн наблюдаются даже у одного и того же продукта, находя­щегося в замороженном и размороженном состояниях. Это обус­ловлено тем, что диэлектрическая проницаемость воды (ε' = 81 при 20 °С) больше диэлектрической проницаемости льда (ε' = 74,6 при 0 °С).

Обычно коэффициент диэлектрических потерь остается незна­чительным до начала таяния льда. Затем он увеличивается в зоне таяния льда в связи с высоким содержанием воды в продуктах (примерно 70 — 90 %). Кроме того, при таянии льда соли и другие вещества, присутствующие в продуктах, способствуют увеличе­нию коэффициента диэлектрических потерь в связи с увеличени­ем диэлектрической проницаемости ε' и тангенса угла tgδ. Так, например, при частоте электрического поля f = 1000 МГц коэф­фициент диэлектрических потерь говядины равен 1,3 при темпе­ратуре -10 °С и 22 при температуре +10 °С.

Значительное влияние на изменение величины коэффициента диэлектрических потерь в размораживаемых продуктах оказывает также присутствие жира. С увеличением содержания жира коэф­фициент уменьшается и, следовательно, уменьшается эффектив­ность нагрева.

Анализ различных методов размораживания показывает, что при применении любого теплоносителя (воздух, вода) ускорение процесса ограничено. При размораживании пищевых продуктов, замороженных в блоках, для промышленных целей по общепри­нятой ускоренной технологии нагревания за счет тепловой кон­векции воздуха или подогревания водой возможны загрязнение и порча продуктов.

Совершенствование техники размораживания связано с изме­нением методов обработки, необходимостью дальнейшей интен­сификации процесса, созданием конструкций агрегатов непре­рывного действия. При этом важнейшим условием должно быть максимальное сохранение исходного качества.

Анализ существующих способов и опыт зарубежных фирм по использованию СВЧ-энергии для размораживания блоков мяса и других пищевых продуктов показали преимущества данного спо­соба перед другими, которые выражаются в экономии производственных площадей; точном регулировании конечной температу­ры внутри продукта; простоте обслуживания установки; умень­шении трудовых затрат благодаря размораживанию пищевых про­дуктов в упаковке.

Оценка качества и санитарного состояния готовой продукции показала, что СВЧ-размораживание позволяет уменьшить потери белковых веществ и витаминов, предотвратить развитие микро­флоры, улучшить нежность мяса, что особенно важно при произ­водстве из размороженного сырья вареных колбасных изделий. Отмечено также увеличение времени хранения и срока реализа­ции пищевых продуктов из сырья, размороженного с помощью СВЧ-энергии.

Выбор способа размораживания и устройств для его осуществ­ления определяется мощностью предприятия, его возможностя­ми и видом обрабатываемого продукта.

ГЛАВА 17