Процес охолоджування і заморожування

Охолодження - процес пониження температури харчових вироб­ництв (але не нижче кріоскопічної) з метою затримання біохімічних процесів і розвитку мікроорганізмів. Це один з основних способів хо­лодильної консервації продуктів без зміни їх структурного стану. За принципом перенесення теплоти способи охолодження підрозділяють­ся на три групи:

- шляхом конвекції (охолодження продуктів в повітрі, упа­кованих в непроникні штучні або природні оболонки, а також в рідких середовищах);

- в результаті фазових перетворень (інтенсивний випар час­тини води, яка знаходиться в продукті при його вакууму­ванні);

- змішаним теплообміном (передача теплоти здійснюється конвекцією, радіацією і за рахунок теплообміну при випа­рі вологи з поверхні продукту).

Заморожування - процес пониження температури нижче кріоскопі­чної на 10...30°С, супроводжуваний переходом майже усієї кількості води, що міститься в нім, в лід. Способи заморожування (контактні і безконтактні) підрозділяються на три групи:

- заморожування в киплячому холодагенті;

- заморожування в рідинах як проміжних холодоносіях;

- заморожування в повітрі як проміжному холодоносії.

Процес охолодження харчових продуктів умовно розглядається як відведення тепла від тіла, в якому відсутні внутрішні джерела теплоти. В цьому випадку теплота, що відводиться від продукту при охоло­дженні Q (кДж), обчислюється. як добуток маси продукту G (кг) на йо­го питому теплоємність с₀ [кДж/(Кг-К)] і на різницю початкової (/ і кі­нцевої (г (°С) середньо об'ємних температур

Q = G_c0(t₁ – t₂) (2.63)

Практично зручно користуватися таблицями або діаграмами ентальпій харчових продуктів і визначати теплоту, що відводиться, як до­буток маси продукту на різницю початкової i₁ і кінцевої i₂ (кДж/кг) пи­томих ентальпій

Q = G(i₁ – i₂) (2.64)

При охолодженні м'яса, птаха, молока, риби, плодів і овочів в них протікають біохімічні екзотермічні процеси. Внутрішні тепловиділен­ня q (кДж/кг) можуть складати до 10% для тварин і до 30% для рос­линних продуктів від загальної кількості теплоти, що відводиться при охолодженні.

Вплив випару і конденсації на теплоту охолодження враховують в тому випадку, коли краплинно-рідка волога випаровується з поверхні продукту в повітря при питомій теплоті випару r_и (кДж/кг), а пари з повітря конденсуються на поверхні приладів, що охолоджують, при питомій теплоті конденсації r_к (кДж/кг), причому r_и > r_к. Тепловий ефект цього явища найбільш значний, якщо волога, яка конденсується замерзає, утворюючи так звану «снігову шубу». Якщо, охолоджую­чись, випаровується G_и (кг) вологи, то відносна втрата вологи продук­том (усихання) складає g = G_и / G Тоді за рахунок різниці теплоти конденсації і випару охолоджуюче устаткування повинне буде сприй­мати теплоту, яка не була відведена від продукту

Q = Gg (r_к. - r_и) (2.65)

Враховуючи внутрішні тепловиділення продукту і тепловий ефект випару - конденсації при охолодженні продуктів, загальна кількість теплоти Q (кДж), відведене при охолодженні продуктів в повітря, ви­значається як

Q = G[c₀(t₁ – t₂)+q+g(r_к. - r_и)] (2.66)

Теплота, що відводиться від продукту при його заморожуванні, є витратою холоду на заморожування. Зазвичай в морозильний пристрій поміщається продукт, початкова температура t₁ (°С) якого вище, а кін­цева t₂ (°С) нижче кріоскопічною t_кр (°С) в будь-якій його точці. Цей інтервал зміни температури продукту включає охолодження його від початкової температури до кріоскопічної і власне заморожування, льдоутворенням, що характеризується.

Охолодження і льодоутворення не розділяються в часі. Коли в периферій-них шарах продукту вже почалося льодоутворення, централь­ні шари ще продовжують охолоджуватися.

Теплота, що відводиться від заморожуваного продукту

Q = G[сл(t₁ - t_кр) + rл Wω + c₃(t_кр - t₂)] (2.67)

де с_л - питома теплоємність продукту до льодоутворення, кДж/(кг-К);

r_л - питома теплота льодоутворення, кДж/кг;

W- відносний зміст вологи в продукті, кг;

ω - кількість води, що виморозила, кг/кг;

с₃ - питома теплоємність замороженого продукту, кДж/(кг-К).

Сума в прямих дужках цієї формули є теплотою, що відводиться від одиниці маси продукту. Перший доданок виражає теплоту охолоджен­ня, другий - теплоту льодоутворення, третє, - теплоту, що відводиться для пониження температури до t_2.

Кріоскопічну температуру (начала замерзання харчового продукту) на основі рівняння Рауля для розбавлених роз'-шнів можна записати у виді:

t_кр = Кm_t – КG _р/ (G_в-G_л)µ (2.68)

де К - кріоскопічна константа розчинника;

m_t - молярна концентрація розчину в початковому продукті до за­морожування;

G_р - кількість розчинених речовини, кг;

G_в - загальна кількість води в продукті, кг;

µ - середня молекулярна маса розчинених речовин. При температурі нижче t_кр відбувається виморожування води, вна­слідок чого концентрацію розчину т_t, і температуру замерзання із мо­жна представити у виді

t₃ = K_mt = K G_р / (G_в-G_л)µ (2.69)

де G_л - кількість льоду при цій температурі, кг Кількість води, що виморозила, рівна:

ω = 1 - t_кр/ t₃ (2.70)

При t₃ = t_кр кількість води, що виморозила, рівна ω = 0, а при евте­ктичній температурі t₃ (коли уся вода виморожується), повинна дотри­муватися рівність ω = 1

Тривалість процесів охолодження і заморожування залежить від теплофі зичних характеристик продуктів, умов теплообміну та ін.

Час охолодження визначають шляхом інтеграції диференціального рівняння теплопровідності для тіл простих стереометричних форм - пластини, циліндра і кулі. Рішення представляються у вигляді функці­ональних залежностей:

Θ = (t - t₀)/(t_н - t₀) = f(Bl, F₀ξ) (2.71)

де Θ - відносна (безрозмірна) надлишкова температура;

t - температура тіла у момент часу т, °С;

t₀ - температура середовища, що охолоджує, °С;

t_н — початкова температура тіла, °С; В_l = аl/λ - число Біо;

Fо = аτ /l₂ - число Фур'є; ξ =х/l - число геометричної подібності;

L - коефіцієнт тепловіддачі на поверхні тіла, Вт/(м²К);

l - характерний лінійний розмір (для пластини - половина товщи­ни, для циліндра і кулі - радіус), м;

λ - коефіцієнт теплопровідності продукту, Вт/(м К);

a - коефіцієнт температуропровідності продукту, м²/с;

х - координата досліджуваної точки

Тривалість охолодження τ (с) розраховують

τ = F₀l₂/a (2.72)

Для аналізу тепло- і масообміну при охолодженні харчових продук­тів використовують закон регулярного теплового режиму, що полягає в тому, що швидкість охолодження в будь-якій точці охолоджуваного тіла пропорційна різниці температур цієї точки і середовища, що охо­лоджує:

dt/dτ = -m(t – t₀) (2.73)

де t і t₀ - відповідно температура тіла і середовища, °С;

т - темп охолодження (залежить від форми і розмірів охолоджува­ного тіла, його теплофізичних властивостей і від коефіцієнта теп­ловіддачі на поверхні тіла), с - 1.

Прийнявши надлишкові температури як Θ = t – t₀ і Θ ₁ = t₁ – t₀, зале­жність регулярного режиму можна представити у виді

dΘ /dτ = -mΘ (2.74)

Вираження для визначення тривалості охолодження після інтеграції має вигляд

τ = (l/m) ln[(t₁ – t₀)/(t – t₀)] (2.75)

Процес заморожування розглядається як ізотермічний з питомою тепло-той, рівній теплоті льодоутворення. Теплофізичні характеристи­ки замороженої частини об'єкту приймаються постійними, не залеж­ними від температури, а теплоємність замороженої частини - рівною нулю. Передбачається, що процес заморожування відбувається при по­стійних температурі середовища і коефіцієнті теплопередачі.

Тривалість двостороннього заморожування плоскопаралельної пла­стини з урахуванням вказаних допущень має наступний вид

τ = [r_лρ /(t_кр - t₀)](δ /2)[δ /4λ._з) + 1/α (2.76)

де r_л - питома теплота льодоутворення, Дж/кг;

ρ - щільність продукту, кг/м³;

t_кр - кріоскопічна температура продукту, °С;

t₀ - температура тепловідвідного середовища, °С;

δ - товщина пластини, м;

λ._з - коефіцієнт теплопровідності замороженого продукту, Вт/(м-К),

а - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²К).