Тепло- и массообмен при охлаждении пищевых продуктов

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:

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 ³1 (как правило, n = 2), при охлаждении в жидкости 4 ³ n ³1 (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.