Охлаждающие среды, их свойства и параметры

 

Охлаждающей средой называется среда с более низкой, чем у продукта, температурой, при контакте с которой происхо­дит теплообмен и снижается температура продукта. Возможно охлаждение и без непосредственного контакта со средой, когда продукт находится в упаковке.

К охлаждающим средам предъявляют ряд требований. Они не должны ухудшать товарный вид продуктов, иметь запах, быть ток­сичными, оказывать химическое воздействие на продукты и обо­рудование.

Охлаждающая среда с физической точки зрения может быть газообразной, жидкой, твердой и смешанной.

Газообразная охлаждающая среда. В холодильной обработке ихранении продовольственных товаров распространение получила воздушная среда как наиболее безопасная, технологичная и эко­номичная.

В комбинации с воздухом в качестве газовой охлаждающей среды на практике применяют также диоксид углерода, азот, модифи­цированную и регулируемую газовую среду.

Атмосферный воздух— это базовая смесь сухого возду­ха и водяных паров. В состав сухого воздуха входят азот (78 %), кислород (21 %), углекислый газ (0,02 — 0,03%), а также аргон, неон, гелий, водород. Количество водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха, может колебаться от долей грамма до нескольких десятков граммов, что зависит от его температуры. Водяной пар в 1,6 раза легче воздуха.

Основными физическими величинами, характеризующими воз­дух как охлаждающую среду, являются температура, относитель­ная влажность, парциальное давление насыщенных паров, ско­рость движения воздуха.

Температура — термодинамическая величина, характеризую­щая тепловое состояние тела и определяющая степень его нагретости. Прямо пропорциональна кинетической энергии теплового движения молекул.

Относительная влажность воздуха характеризует степень его насыщения водяными парами и измеряется как отношение коли­чества водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха, к макси­мальному количеству водяного пара, которое может содержаться в этом объеме при той же температуре. Относительную влажность выражают в процентах или относительных единицах.

Большинство продуктов животного и растительного происхож­дения содержит значительное количество воды, причем до 90 % ее находится в свободном виде в межклеточных пространствах и в составе ткани в виде мельчайших капель. Такая вода легко удаляет­ся из продукта и так же легко поглощается им, поэтому в камерах холодильной обработки и хранения воздух имеет высокую относи­тельную влажность. Она устанавливается в зависимости от соотно­шения влагопритоков от продуктов, через ограждения, дверные проемы и влагоотвода (конденсации) на охлаждающих приборах.

С повышением температуры воздуха увеличивается его влагоудерживающая способность. Поскольку вне камеры температуры обычно выше, то содержание влаги и парциальное давление так­же более высокие. Под действием разности парциальных давлений поток влаги через ограждающие конструкции направлен внутрь камер, а холодный воздух, содержащий меньшее количество во­дяных паров, — наружу. Соотношение количества влаги, посту­пившей в камеры вместе с теплым воздухом и ушедшей с холод­ным, определяет величину тепло- и влагопритока.

При естественных условиях парциальное давление насыщенных паров над поверхностью продуктов, как правило, выше, чем в воздухе холодильной камеры, что вызывает перенос влаги от про­дукта к воздуху и потерю массы продукта (усушку).

Перенос влаги вследствие испарения зависит и от скорости движения воздуха. При контакте с приборами охлаждения воздух, насыщенный водяными парами, отдает часть влаги, которая осе­дает на них в виде капель или инея. Процесс этот носит постоян­ный характер. Соотношение между количеством влаги, поступив­шей к воздуху в камере и отданной воздухом теплоотводящим охлаждающим поверхностям, определяет установившееся значе­ние относительной влажности воздуха в камере.

Масса испарившейся влаги G, кг, может быть определена по разности парциальных давлений у поверхности продукта и в окру­жающей среде:

 

G =β (P – P'φ) Fτ;,

 

где β; — коэффициент испарения, кг/(м²·Па·с); Р — парциаль­ное давление насыщенного пара у поверхности продукта, Па; Р' — парциальное давление насыщенного пара в окружающей среде, Па; φ; — относительная влажность воздуха в холодильной камере; F — площадь испаряющейся поверхности, м²; τ — продолжитель­ность процесса испарения, с.

В камерах длительного хранения продуктов поддерживают оп­тимальное значение относительной влажности путем автомати­ческого регулирования количества водяного пара, подаваемого в камеру.

Газообразный диоксид углерода может применять­ся при всех методах холодильной обработки, а также в сочетании с другими методами консервирования.

При атмосферном давлении диоксид углерода тяжелее воздуха, он имеет меньшую удельную теплоемкость — соответственно 0,837 и 1,0006 кДж/(кг·К) и коэффициент теплопроводности соответственно 0,0137 и 0,0242 Вт/(м·К). Плотность сухого льда 1,4—1,5 кг/дм³, а объемная холодопроизводительность — в три раза выше, чем водяного. При помощи диоксида углерода можно получить широкий диапазон температур, а в смеси с эфиром до -100°С.

На диаграмме равновесия фаз диоксида углерода (рис. 16) видны три линии, выходящие из одной точки а, называемой тройной. При параметрах, соответствующих этой точке (Р = 5,28 • 10^-5 Па, t= -56,6 °С), диоксид углерода может находиться сразу в трех состояниях, а ниже 5,28 · 10^-5 Па — только в твердом и газообраз­ном. Это означает, что если к твердому диоксиду углерода подве­сти теплоту при давлении, меньшем указанного, то он перейдет в газообразное состояние, минуя жидкую фазу (сублимация). При дросселировании диоксида углерода с давления 2—3 МПа до ат­мосферного можно получить струю газообразной и мелкодисперсной(в виде снега) смеси температурой -79 °С. При разбрызгива­нии ее в камере и на продукты дополнительно создается сильная циркуляция и за счет испари­тельного эффекта отводится теп­лота, что способствует ускоре­нию охлаждения. Диоксид угле­рода тормозит развитие микро­организмов, что способствует созданию консервирующего эф­фекта при хранении продуктов. Степень его воздействия зави­сит от концентрации, темпера­туры среды и вида микроорга­низмов.

Рис. 16. Диаграмма равновесия фаз диоксида углерода:

1 — парообразная; 2 — твердая; 3 — жидкая; а — тройная точка

 

Холодильное хранение про­дуктов в сочетании с диоксидом углерода задерживает развитие плесневых грибов, бактерий, а эффективность процесса хране­ния определяется его темпера­турой. Консервирующее действие диоксида углерода усиливает по­варенная соль. Кроме того, он обладает хорошей растворимостью в жирах и продуктах с высоким содержанием жира, где находится в свободном состоянии, а при перемещении продукта в обычную среду легко выделяется. Растворяясь в жире, диоксид углерода вытесняет из него кислород, что способствует замедлению окис­ления жира при длительном хранении.

Перспективно применение диоксида углерода для замора­живания мяса в полутушах, охлаждения и замораживания мяса после обвалки в парном виде, охлаждения и замораживания мяса птицы, замораживания полуфабрикатов и формования фаршевых изделий, упаковки продуктов в среде диоксида угле­рода, охлаждения транспортных средств, реализации мороже­ного и т.д.

Газообразный азот для охлаждения и замораживания про­дуктов получают из жидкого азота, который хранится в специаль­ных резервуарах при давлении несколько выше атмосферного. Жидкий азот имеет температуру кипения -195,8 °С и в газообраз­ном виде позволяет понижать температуру в охлаждаемом объеме очень быстро и в широком диапазоне. Поскольку воздух на 78 % состоит из азота, физические свойства этих газов различаются мало. Так, азот имеет несколько меньшие плотность и коэффициент теплопроводности, а теплоемкость выше. Теплота фазового пре­вращения примерно в три раза ниже, чем у диоксида углерода. При охлаждении продуктов средний расход газообразного азота составляет 1 — 1,2 кг на 1 кг продукта, а с учетом сравнительно высокой стоимости его применяют для хранения особо ценных Продовольственных товаров (либо при отсутствии энергии). В тоже время его применение достаточно эффективно при предвари­тельном охлаждении плодов и транспортировании безмашинным холодильным транспортом. При охлаждении, транспортировании I и хранении продуктов принимают меры для предотвращения под­мораживания. С этой целью газ низкой температуры в специаль­ном резервуаре перемешивают с газом из охлаждаемого помеще­ния, понижая его температуру до необходимой. При использова­нии газообразного азота, так же как и диоксида углерода, резко сокращается содержание кислорода, что тормозит развитие мик­роорганизмов и окислительные процессы.

Жидкая охлаждающая среда. В качестве жидких охлаждающих сред для охлаждения продуктов используют ледяную воду и сла­бые солевые растворы, а для замораживания — водные растворысолей высокой концентрации, гликоли, жидкие азот, диоксид углерода и воздух, хладоны и т.д.

Жидкие среды обладают большей теплопроводностью и теплоемкостью, чем газообразные, поэтому при их применении суще­ственно сокращается продолжительность холодильной обработки продуктов.

Для охлаждения продуктов до температуры, близкой к 0°С, применяют чистую ледяную воду. Охлаждают продукты методами погружения или орошения. Эти способы достаточно эффективны для охлаждения птицы, рыбы, плодов.

Более низкие температуры можно получить при использовании слабых солевых растворов — морской воды и слабых растворов хлорида натрия, магния, кальция. Температура замерзания морс­кой воды в зависимости от содержания в ней солей колеблется от -1,5 до -3 °С. Лучшие результаты дает добавление льда в холоднуюводу.

Продолжительность охлаждения в холодной воде зависит от вида и объема продукта, температуры воды, скорости ее циркуляции и составляет от нескольких минут до нескольких часов.

Для замораживания продуктов применяют водные растворы со­лей высокой концентрации. При повышении концентрации соли температура их замерзания понижается. Самая низкая температу­ра их замерзания называется криогидратной, а соответствующая концентрация соли — эвтектической. Такое состояние является следствием термодинамического равновесия трех фаз — раствора, соли и льда. С дальнейшим повышением содержания соли в смеси температура плавления не понижается, а повышается.

На практике применяют водные растворы солей хлорида на­трия, магния и кальция, которые при эвтектической концентра­ции имеют минимальную температуру замерзания — соответствен­но -21,2, -33,6 и -55 °С. Ограниченно используют также растворы сульфата натрия, цинка и хлорида калия, криогидратная темпе­ратура которых составляет соответственно -1,2, -6,5 и -11,1 °С.

Хлорид натрия дешев, обладает высокой теплопроводностью, но имеет большую коррозионную способность, при заморажива­нии неупакованных продуктов частично их просаливает; к тому же он весьма токсичен, что ограничивает применение растворов этих солей. Как правило, их используют в закрытых системах ох­лаждения, которые меньше подвержены коррозии благодаря бо­лее низкому содержанию кислорода и применению специальных добавок — пассиваторов (силикат натрия, хромовая смесь и др.), уменьшающих коррозию. Наибольшее применение они находят в безмашинных способах охлаждения холодоаккумуляторами с эв­тектическим раствором (эвтектические плиты) на холодильном транспорте, а также при рассольном охлаждении в старых систе­мах охлаждения больших холодильников.

Гликоли — жидкости, водные растворы которых имеют низ­кую температуру замерзания. Гликоли менее агрессивны по от­ношению к металлам, но более вязки и менее теплопроводны. Этиленгликоль слабо ядовит, без запаха, смешивается с водой в любых соотношениях, температура замерзания чистого этиленгликоля -17,5°С, а его 70%-ного раствора в воде -67,2°С. Пропиленгликоль в водных растворах не взаимодействует с металлами, нетоксичен. Эти хладоносители очень эффективны для быстрого замораживания продуктов небольшой массы в упакованном виде.

Для замораживания продуктов до -40 °С можно использовать также дихлорметан, представляющий собой бесцветную жидкость, почти нерастворимую в воде, с температурой замерзания -6°С. К его недостаткам относятся небольшая теплоемкость и горючесть.

Жидкий азот применяют для замораживания особо ценных про­дуктов орошением или погружением, а также для получения газо­образного азота и его использования в смеси с воздухом. Темпера­тура кипения жидкого азота -195,6°С, поэтому между заморажива­емым продуктом и охлаждающей средой создается большой темпе­ратурный перепад, что значительно интенсифицирует процесс. Ана­логично используют жидкие диоксид углерода, воздух, хладоны.

Твердая охлаждающая среда. К твердым охлаждающим средам относят водный лед, смесь льда и соли (льдосоляное охлажде­ние), сухой лед.

Водный лед, полученный из пресной и морской воды, исполь­зуют для охлаждения, хранения и транспортирования продуктов питания.

Широкое применение льда в качестве охлаждающей среды объяс­няется прежде всего его физическими свойствами, а также эконо­мическими факторами. Температура плавления водного льда при ат­мосферном давлении 0 °С, удельная теплота плавления 334,4 Дж/кг, плотность 0,917 кг/м³, удельная теплоемкость 2,1 кДж/(кг • К), теплопроводность 2,3 Вт/(м · К). При переходе воды из жидкого состояния в твердое (лед) происходит увеличение объема на 9 %.

Естественный лед заготавливают путем вырезания или выпи­ливания крупных блоков изо льда, образовавшегося на естествен­ных водоемах, послойного намораживания воды на горизонталь­ных площадках, наращивания сталактитов в градирнях. (Особым спросом для пищевых целей пользуется гренландский и антарк­тический лед как наиболее чистый. Возраст гренландского льда более 100 000 лет.) Лед хранят на площадках в буртах, укрытых насыпной изоляцией, и в льдохранилищах с постоянной и вре­менной теплоизоляцией.

Искусственный лед получают путем замораживания чистой пресной или морской воды в льдогенераторах. Качество льда, его форма, размер и способ получения, хранения и доставки потре­бителю обусловлены назначением и спецификой применения.

Матовый лед изготавливают из питьевой воды без какой-либо ее обработки в процессе замораживания. В отличие от естествен­ного он имеет молочный цвет, обусловленный наличием большо­го количества пузырьков воздуха, которые образуются в процессе превращения воды в лед. Пузырьки уменьшают проницаемость льда для световых лучей, и он становится непрозрачным.

Прозрачный лед по виду напоминает стекло. Для его получения в форму наливают воду и при помощи форсунок продувают через нее сжатый воздух. Проходя через замораживаемую воду, он захватывает и увлекает за собой пузырьки воздуха. Прозрачный лед изготавливают в виде кусков небольших размеров и использу­ют для охлаждения напитков.

Лед с бактерицидными добавками предназначен для охлаждения рыбы, мяса, птицы и некоторых видов овощей путем непос­редственного соприкосновения с ними. Бактерицидные добавки снижают обсемененность продуктов микроорганизмами.

В зависимости от формы и массы искусственный лед бывает блочный (5 — 250 кг), чешуйчатый, прессованный, трубчатый и снежный.

Блочный лед дробят на крупный, средний и мелкий.

Чешуйчатый лед получают путем напыления воды на вращаю­щийся барабан, плиту или цилиндр, являющиеся испарителями хладагента. Вода на поверхности барабана быстро замерзает, а об­разовавшийся лед при его вращении срезается фрезами или но­жом. Льдогенераторы производят от 60 до 5000 кг/сут такого льда. Чешуйчатый лед эффективен при охлаждении рыбы, мясных из­делий, зеленых овощей, некоторых плодов. Наибольший коэффи­циент теплоотдачи достигается, когда при охлаждении продукты плотно соприкасаются со льдом.

В результате смешивания дробленого водного льда с различными солями помимо теплоты таяния льда поглощается теплота растворения соли в воде, что позволяет существенно понизить температуру смеси. Раствор может быть охлажден до криогидратной точки.

Льдосоляное охлаждение осуществляют как контактным, так и бесконтактным способом.

Недостатком контактного льдосоляного охлаждения является просаливание продукта, которое при длительном хранении сти­мулирует окисление жира, вызывает снижение товарного вида и потребительских достоинств. Бесконтактное льдосоляное охлаждение в виде полых плит с эвтектическими растворами позволяет избежать этих недостатков.

Сухой лед — твердый диоксид углерода. Производство сухого льда состоит из трех последовательных стадий: получения чистого газообразного диоксида углерода, сжижения его до образования снегообразной массы и прессования последней блоками плотнос­тью 1400— 1500 кг/м³. Различают его производство по циклу высо­кого, среднего и низкого давлений.

Сухой лед из жидкого диоксида углерода также получают дву­мя способами: дросселированием жидкого диоксида углерода по давлению тройной точки с последующим прессованием рыхлого влажного снега в блоки сухого льда; дросселированием до атмосферного давления с уплотнением блока льда в процессе льдооб­разования. Как охлаждающая среда он имеет значительные пре­имущества перед водным льдом: холодопроизводительность на еди­ницу массы в 1,9, а на единицу объема в 7,9 раза больше; при атмосферном давлении сухой лед переходит в газообразное состо­яние-, минуя жидкую фазу, что исключает увлажнение поверхно­сти продукта. Благодаря низкой температуре сублимации сухого льда (-78,9 °С) и выделению газообразного диоксида углерода понижается концентрация кислорода у поверхности продукта, со­здаются неблагоприятные условия для жизнедеятельности микро­организмов.

Сухой лед укладывают поверх и между упаковок продуктов и используют как охлаждающую среду для хранения мороженого, фруктов, ягод. Сухой дробленый лед используют в специальных системах охлаждения, для чего его помешают в металлические емкости. Продукты сублимации льда отводят в грузовой объем помещения или наружу.

Прямым эжектированием жидкого диоксида углерода получа­ют твердый гранулированный, или снегообразный, диоксид уг­лерода, который используют для охлаждения упакованных про­дуктов (мясных, рыбных, овощных).

В многоплиточных и конвейерных морозильных аппаратах в качестве теплопередающей среды используют различные металлы в виде полых плит, внутри которых циркулирует промежуточный хладоноситель. Металлы имеют высокую тепло- и температуро­проводность и, непосредственно соприкасаясь с продуктом, ин­тенсифицируют теплообмен. Наиболее широко применяют сталь, чугун, медь, алюминий и алюминиевые сплавы.

В качестве охлаждающей взвешенной в воздухе промежуточной теплопередающей среды при флюидизационном способе замора­живания применяют мелкодробленый лед, полимерные шарики, а также композиции (например, смесь, состоящую из манной крупы, сахара, соли и мелкодробленого льда). Такая среда под воздействием направленного вверх с небольшой скоростью воздуш­ного потока, создаваемого вентиляторами, превращается в кипя­щий слой, через который движется замораживаемый продукт. Та­ким способом замораживают ягоды, овощи, полуфабрикаты.