Тепло- и массообмен при охлаждении пищевых продуктов

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 19Следующая ⇒

Охлаждение – это первый обязательный этап холодильной обработки. Охлаждение – это отвод теплоты от пищевых продуктов с понижением их температуры, не ниже криоскопической температуры.

Процесс теплообмена неразрывно связан с распределением температуры внутри тела, так же как процесс массообмена с распределением влажности. Совокупность мгновенных значений температуры во всех точках тела называется температурным полем t = f (х, y, z, t). Температурные поля могут быть стационарными и нестационарными. Если температурное поле меняется во времени, то оно называется нестационарным. В случае процессов в холодильной обработке можно рассматривать одномерное температурное поле t = f (х, t). Температурное поле продукта зависит от размера, конфигурации и теплофизических свойств объекта, от условий отвода теплоты. В анализе теплофизических процессов холодильной технологии и соответствующих тепловых расчетах, очень нужной величиной является среднеобъемная температура тела t_v. Среднеобъемной температурой тела, температурное поле которого непостоянно, называется температура, которая может быть достигнута, если объект поместить в адиабатные условия:

(10.1)

где t_ц, t_п – температуры центра и поверхности объекта соответственно;

y – коэффициент, определяемый формой тела.

Ниже приведены значения y для различных форм тела и условий охлаждения:

Форма тела	Охлаждение в воздухе	Охлаждение в жидкости
y	y
Пластина	1/3	1/4
Цилиндр	1/2	2/5
Шар	3/5	1/2

Однако использование уравнения не всегда удобно, так как необходимо знать температуру поверхности объекта t_n, что соответствует граничным условиям первого рода. При граничных условиях третьего рода, когда известны температура среды t_c и коэффициент теплоотдачи a:

(10.2)

где Bi = al/l – критерий Био;

n – коэффициент, зависящий от метода охлаждения;

l – половина определяющего размера продукта (м);

a – коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к охлаждающей среде, Вт/(м²× К);

l – коэффициент теплопроводности продукта Вт/(м²× К).

При воздушном охлаждении 3³ n ³ 1 (как правило, n = 2), при охлаждении в жидкости 4 ³ n ³ 1 (принять n = 3).

Тепло, отводимое при охлаждении. При подборе холодильного оборудования необходимо знать количество теплоты, которая отводится от материала при его охлаждении. Эту задачу можно решить, используя три подхода.

Первый подход основан на законе Фурье и сводится к определению количества теплоты, передаваемой теплопроводностью от внутренних слоев к внешней поверхности. По существу это внутренняя задача теплообмена.

Расчетная формула где q – плотность теплового потока (внутреннего); – градиент температуры.

Второй подход основан на законе Ньютона-Рихмана и сводится к определению количества теплоты, передаваемой от поверхности тела к окружающей среде. По существу это внешняя задача (граничное условие третьего рода).

Расчетная формула где q^/ – плотность теплового потока (внешнего); – разность температур на поверхности объекта и в среде.

Третий подход основан на учете удельной теплоемкости объекта, массы, а также на изменении его среднеобъемной температуры.

Расчетная формула

, (10.3)

или

(10.4)

где Q – общее количество теплоты, кДж;

tv_нач – начальная среднеобъемная температура, ⁰С;

tv_кон – конечная среднеобъемная температура, ⁰С;

G – масса материала, кг;

с – удельная теплоемкость материала, кДж/кгК;

i_нач, i_кон – соответственно начальная и конечная энтальпия материала, кДж/кг.

Как правило, при расчетах процессов холодильной обработки используют третий путь, т.е. ведут расчет по массе, удельной теплоемкости и разности среднеобъемных температур, однако вводят некоторые дополнения: учитывают внутренние тепловыделения тканей животных, а также испарение и конденсацию (десублимацию) влаги на охлаждающих приборах. В этом случае

(10.5)

где tv_нач, tv_кон – соответственно среднеобъемная начальная и конечная температура продукта, ⁰С;

с – удельная теплоемкость продукта в интервале температур tv_нач – tv_кон, кДж/(кг× К);

q_д – внутреннее тепловыделение за время охлаждения, кДж/кг;

– относительные потери влаги (усушка) в долях единицы;

W_и – масса испарившейся влаги, кг;

G_np – масса продукта, кг;

r_д, r_п– соответственно удельная теплота десублимации и парообразования, кДж/кг.

Как правило, первое слагаемое этого уравнения составляет 80% от всего количества теплоты.

Массобмен при охлаждении. В процессе охлаждения неупакованных влагосодержащих продуктов испарение влаги с поверхности сопровождается потерей массы продукта, т.е. усушкой, при этом направление массопереноса совпадает с направлением переноса теплоты. Испарение способствует ускорению процесса охлаждения, но одновременно приводит к потерям массы продукта, поэтому процесс охлаждения должен быть организован в условиях, обеспечивающих минимальные потери массы (влаги).

Интенсивность и скорость охлаждения. В расчете процесса охлаждения используют среднюю и истинную интенсивность охлаждения. Средней интенсивностью охлаждения – называется отношение общего количества теплоты, отведенной от продукта Q, к продолжительности охлаждения t. Средняя интенсивность охлаждения используется при сравнительной оценке различных режимов охлаждения и расчете охлаждающих приборов.

Истинная интенсивность охлаждения находится из условия, что при простом охлаждении количество отведенной теплоты меняется так же, как температура охлаждаемого продукта, т.е. по экспоненте.

Скоростью охлаждения продукта называют отношение изменения его температуры к периоду, в течение которого произошло это изменение. Различают среднюю и истинную скорости охлаждения.

Средняя скорость охлаждения – это отношение разности начальной и конечной температур продукта к найденной продолжительности процесса. Средняя скорость охлаждения является величиной постоянной для данного процесса.

Истинная скорость охлаждения является функцией времени и с развитием процесса уменьшается. Изменение истинной скорости охлаждения определяется условиями процесса охлаждения продукта и его теплофизическими свойствами.

Охлаждающие среды

Охлаждение продуктов производят в различных средах: в воздухе, холодной воде или рассоле, в тающем льде или снегу.

Чаще охлаждающей средой служит воздух. Охлаждение в воздухе протекает менее интенсивно, чем, например, в жидкой среде, кроме того, охлаждение в нем сопровождается испарением влаги с поверхности продуктов, а следовательно, потерей их массы. Тем не менее эта охлаждающая среда является самой распространенной и универсальной для всех продуктов. Воздух не имеет запаха и практически на большинство продуктов не оказывает химического воздействия, если не считать окисляющего действия на жиры содержащегося в воздухе кислорода.

Для интенсификации охлаждения в воздухе применяют разные способы. В первую очередь повышают скорость его движения и увеличивают перепад температур между воздухом и охлаждаемым продуктом.

В воздухе охлаждают мясо и мясные продукты, птицу, яйца, масло и молочные продукты, плоды, овощи, ягоды, кондитерские изделия, кулинарию и другие продукты.

При охлаждении в рассоле продукты погружают в него или орошают им. В ряде случаев перед охлаждением продукт заключают во влагонепроницаемую оболочку. Такое охлаждение называют бесконтактным. Соответственно охлаждение в жидкой среде без оболочки называют контактным. Охлаждение в жидких средах происходит интенсивнее, чем в воздухе, так как коэффициент теплоотдачи к жидкости намного больше, чем к воздуху. Но при охлаждении в жидкости продукт теряет свой внешний вид, просаливается, набухает. При бесконтактном же охлаждении в этой среде снижается теплоотдача и усложняется технологический процесс. Практическое применение жидких охладителей относительно ограничено.

Для охлаждения тушек птицы применяют ледяную воду. Тающий лед или снег используют для охлаждения таких продуктов, как рыба, некоторые овощи и зелень.

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 131415 16 17 18 Следующая ⇒