Расчет времени и оборудования для заморозки фуа-гра

Тело в форме цилиндра замерзает в два, а в форме шара - в три раза быстрее, чем тело в форме пластины.

При расчете продолжительности замораживания упакованных продуктов формула Планка приобретает вид

(2.25)

где д - толщина замораживаемого продукта; R и Р - коэффициенты, значение которых зависит от соотношения размеров тела и направления тепловых потоков; ?(д_y / л_y) - сумма тепловых сопротивлений слоев упаковки, м² •К / Вт.

На продолжительность замораживания оказывают влияние тепловое сопротивление упаковки и степень плотности прилегания упаковочного материала к продукту.

Сокращение продолжительности замораживания достигается понижением температуры теплоотводящей среды t_c, уменьшением толщины замораживаемого продукта д и увеличением коэффициента теплоотдачи у поверхности тела б. Для замораживания продуктов питания температура охлаждающей среды должна быть -30… - 40 °С и ниже.

Наиболее перспективно и экономично замораживание полуфабрикатов и готовых или полуготовых блюд в мелкой фасовке, что существенно сокращает продолжительность замораживания, способствует сохранению потребительских свойств продуктов.

При небольших значениях коэффициента теплоотдачи (5-10 Вт/(м² •К)) повышение его сокращает продолжительность процесса. Этот эффект тем больше, чем меньше толщина продукта. При больших абсолютных значениях коэффициента теплоотдачи эффект его увеличения ослабляется.

Для морозильных устройств с принудительной циркуляцией воздуха коэффициент теплоотдачи определяют по эмпирической формуле в зависимости от скорости движения воздуха

(2.26)

где v - скорость движения воздуха, м/с.

По этой зависимости б будут иметь значения, приведенные в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости движения воздуха

v	м/с	2	3	4	5	6	7	8	9	10
б	Вт/(м2 •К)	15,1	20,9	26,4	31,0	36,5	42,4	46,1	50,5	55,0

Количество теплоты, отводимой от продуктов при замораживании,

(2.27)

где М - масса замораживаемого продукта, кг; С₀ - удельная теплоемкость продукта при температуре выше начальной криоскопической, Дж/(кг•К); t₁ - начальная температура продукта (выше криоскопической), °С; t_кр - начальная криоскопическая температура, °С; r_л - скрытая теплота замерзания воды, Дж/кг; W-относительное содержание воды в продукте; щ - количество замороженной воды в продукте, определяемое при средней конечной температуре; С_м - теплоемкость мороженого продукта, определяемая при средней температуре t_ср между криоскопической и средней конечной, Дж/(кг•К); t₂ = t_с.к - средняя конечная температура продукта, °С.

Первое слагаемое выражает теплоту охлаждения, отнимаемую от продукта при понижении его температуры от начальной t₁ до криоскопической t_кр; второе - наибольшее, так как большое численное значение имеет удельная теплота льдообразования r_л (335 кДж/кг); третье - определяет количество теплоты, отводимой от замороженного продукта в интервале температур от криоскопической до средней конечной t_с.к.

Количество теплоты, которое нужно отвести от продукта при его домораживании от начальной температуры t¹_кр, лежащей ниже начальной криоскопической, до конечной t_с.к,

(2.28)

где щ₂ и щ' - количество вымороженной воды при температурах t_c.к и t'_кр соответственно; t'_кр - начальная температура продукта, поступающего на домораживание (определяется как среднеобъемная), °С; t_c.к - средняя конечная температура продукта, °С; С_м - удельная теплоемкость продукта, Дж/(кг•К).

2.1.5 Подмораживание продуктов

Подмораживание - понижение температуры продуктов ниже криоскопической точки. Суть данного метода холодильной обработки заключается в частичном подмораживании продовольственных продуктов при низких отрицательных температурах (-30… - 35 °С) и последующем хранении при -2…+1 °С. В процессе подмораживания мяса животных, птицы или рыбы на их поверхности создается замороженный слой определенной толщины с температурой -3… - 5 °С. Внутренняя часть продукта остается незамороженной (температура не достигает криоскопической и составляет в среднем +4… - 1 °С). После помещения продуктов на хранение при -2 °С в течение первых суток происходит перераспределение температуры по всей массе мяса, птицы или рыбы, затем она выравнивается и во всех точках продукта достигает -2 °С.

Подмораживание необходимо для сохранения продукта более продолжительное время, чем охлажденного, и менее, чем замороженного.

Подмороженные продукты в результате замедления ферментативных и микробиологических процессов дольше хранятся, по потребительским достоинствам почти не отличаются от охлажденных, приобретают упругость, позволяющую транспортировать и хранить с высокой эффективностью.

Мясо подмораживают в морозильных камерах, оснащенных современным оборудованием. Продолжительность подмораживания обусловлена прежде всего температурой воздуха в морозильной камере. При -25 °С и ниже и принудительной циркуляции подмораживание мяса осуществляется достаточно эффективно: температура полутуш на глубине 1 см составляет -6,0… - 4,5 °С, в глубине бедра - +1,0… - 0,5 °С, в лопаточной части -+1,5… - 2,5 °С. По окончании подмораживания полутуши становятся упругими, при подъеме непрогибаются. Если же этот процесс протекает при недостаточно интенсивном отводе тепла, то подмороженный слой четко не выделяется либо вообще отсутствует. По истечении определенного времени температура на глубине 1 см составляет -2… - 3 °С, мясо остается мягким, неупругим.

При подмораживании следует учитывать, что после помещения в морозильную камеру парного мяса (34… 36 °С) температура в ней повышается, условия теплообмена ухудшаются, что сказывается на качестве мяса. Поэтому перед загрузкой его в морозильные камеры необходимо оттаивать приборы охлаждения, а продолжительность загрузки не должна превышать 3 - 4 ч.

Условия подмораживания, его длительность, степень загруженности морозильных камер, а также время загрузки и выгрузки влияют на величину усушки мяса. Чем ниже температура в камере перед загрузкой мяса при прочих равных условиях, тем меньше усушка.

При медленном подмораживании мяса явно подмороженный слой отсутствует, что приводит к увеличению продолжительности холодильной обработки и увеличению потерь массы.

На величину усушки при подмораживании влияет длительность нахождения мяса в холодильнике до поступления в морозильные камеры. Так, в партиях мяса, которые находились до подачи в морозильные камеры при температуре 4 °С в течение 4 и 6 ч, наблюдалась повышенная усушка.

Последняя возрастает и при использовании морозильных камер большой вместимости. Например, при вместимости до 30 т средняя убыль массы при подмораживании мяса составляет 1,3%, а свыше 30 т - 1,4 - 1,5%.

Из морозильных камер подмороженное мясо направляют в камеры-накопители (температура воздуха -2… - 3 °С) и располагают на подвесных путях па 2-4 суток. В течение первых суток происходит выравнивание температуры по всему объему полутуш и температура по всей толще мяса становится одинаковой (-2 ± 0,5 ?С). Усушка подмороженного мяса при краткосрочном хранении составляет в среднем 0,2-0,3%.

За счет частичного вымораживания воды подмороженное мясо приобретает упругость и механическую прочность, что дает возможность перевозить его в штабелях. Перевозка мяса в подмороженном состоянии позволяет по сравнению с охлажденным увеличить использование грузового объема рефрижераторных вагонов в два раза, снизить себестоимость транспортирования, задействовать рефрижераторные вагоны, не приспособленные для охлажденного мяса.

Подмораживание птицы до температуры в поверхностном слое -3 °С происходит при температуре воздуха -15 °С в течение 7 ч, при -20 °С - 4 ч. при - 30 °С - 2 ч пребывания мяса птицы в камерах замораживания. К этому времени температура внутри тушек достигает 1 °С, а среднеобъемная - -2 ?С.

В целях уменьшения продолжительности подмораживания, увеличения оборачиваемости морозильных камер подмораживание птицы целесообразнее осуществлять при низких температурах. При снижении температуры до -30 °С время, необходимое для подмораживания птицы, по сравнению с температурой -15 С уменьшается в 3,5 раза.

Для интенсификации процесса и увеличения сроков хранения рекомендуется упаковывать птицу в полимерные пленки и подмораживать в охлажденной жидкости, а также покрывать тушки ледяной глазурью.

3. Расчётная часть

Исходные данные:

- теплоемкость гусиной печени

- теплоемкость животного жира

- теплопроводность гусиной печени

- теплопроводность животного жира

- плотность гусиной печени

- плотность животного жира

?С - криоскопическая температура фуа-гра

- скрытая теплота фазового перехода воды

?С - температура кипения жидкого азота

- влагосодержание фуа-гра

Габаритные размеры фуа-гра:

- ориентировочная длина продукта

- ориентировочная ширина продукта

- ориентировочная толщина продукта

3.1 Расчет теплофизических свойств фуа-гра

3.1.1 Теплоемкость

Рассчитаем удельную теплоемкость фуа-гра при начальной температуре t₁ = +25 ?С. Используя данные для гусиной печени и животного жира [2, 3], что является основными составляющими данного продукта.

Так как содержание жира у фуа-гра выше, в большинстве случаев, на 30% чем у обычной гусиной печени, то её удельная теплоемкость будет равна:

(3.1)

где С₀ - теплоемкость при начальной температуре фуа-гра; - теплоемкость гусиной печени; - теплоемкость животного жира.

Рассчитаем удельную теплоемкость для фуа-гра при конечной температуре заморозки t₂ используя формулу 2.9.

Для этого найдем щ - количество вымороженной влаги при определенной средней конечной температуре t_ск по следующей формуле:

(3.2)

Значения приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Теплоемкость для замороженной фуа-гра

tск, ?С	-15	-22	-30
щ, %	90	93	95
Cм,	2902	2886	2876

3.1.2 Теплопроводность

Рассчитаем коэффициент теплопроводности фуа-гра для температуры выше криоскопической:

 (3.3)

Для замороженной фуа-гра коэффициент теплопроводности будет отличаться в связи с фазовым переходом свободной воды продукта в лед. Рассчитаем его по следующей формуле:

(3.4)

Значения приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Расчетный коэффициент теплопроводности замороженной фуа-гра

tск, ?С	-15	-22	-30
лз,	1,013	1,037	1,063

3.1.3 Плотность

Данная величина не будет значительно изменяться при замораживании продукта. Поэтому можно пренебречь её изменением при понижении температуры. Для фуа-гра рассчитаем ее по следующей формуле:

(3.5)

3.2 Тепловой расчет

Рассчитаем время заморозки предложенного образца фуа-гра заданной формы при различных условиях.

3.2.1 Удельная тепловая нагрузка

Рассмотрим основные виды заморозки продуктов: самый распространенный - в воздушной среде, а так же с помощью жидкого азота.

Удельная тепловая нагрузка будет зависеть от средней конечной температуры продукта.

Рассмотрим процесс для разных температур охлаждающей среды: ?С, ?С, ?С и ?С.

При этом средняя конечная температура продукта будет отличаться от температуры охлаждающей среды. Эта разность может составлять около 3?5?С, кроме случая с жидким азотом, так как технологический процесс не требует понижения температуры продукта ниже -30 ?С. Следовательно расчетные средние конечные температуры будут составлять: ?С, ?С и ?С соответственно вышеприведенным температурам воздушной среды.

Исходя из этих и выше приведенных данных посчитаем удельное количество теплоты, которое необходимо отвести от 1 кг продукта используя формулу 2.27, при этом исключим в ней массовый расход:

(3.6)

Результаты расчета приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Удельная тепловая нагрузка

tск, ?С	-15	-22	-30
q,	285	315	347

3.2.2 Время заморозки в воздушной среде

Рассчитаем время заморозки по формуле Планка. Будем считать что продукт не упакован следовательно используем формулу 2.24.

Отсюда мы видим, что время заморозки будет варьироваться в зависимости от средней конечной температуры продукта, температуры охлаждающего воздуха и скорости его движения. Значения приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Время заморозки в воздушной среде

v,	ф, мин
	?С	?С	?С
	?С	?С	?С	?С	?С	?С
1	23.7	16.6	18.1	11.7	12.7	13.8
2	20.5	14.4	15.6	10.1	11	11.9
3	19.3	13.6	14.7	9.5	10.3	11.1
4	18. 7	13.1	14.2	9.2	10	10.7
5	18.3	12.8	13.9	9	9.8	10.5
6	18	12.6	13.7	8.9	9.6	10.3
7	17.7	12.4	13.5	8.7	9.5	10.2
8	17. 6	12.4	13.4	8.7	9.4	10.1
9	17.5	12.3	13.3	8.6	9.3	10
10	17.4	12.2	13.2	8.6	9.3	10

3.2.3 Время заморозки при отводе тепла с помощью жидкого азота

Данный способ применим в том случае, если нужна большая производительность морозильного аппарата, но при этом нет жестких требований к внешнему виду замороженной фуа-гра (например: для полуфабрикатов, паштетов), так как при такой большой разности температур на поверхности печени образуются микротрещины, что существенно сказывается на её товарном виде [1].

В данном случае не имеет большого смысла использовать принудительное движение воздуха, так как процесс заморозки и без этого протекает за очень маленькие сроки.

Значения времени будут зависеть от требуемой средней конечной температуры продукта. Они приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Время заморозки с помощью жидкого азота

tск, ?С	-15	-22	-30
ф, мин	2	2,2	2,4

Как мы видим из таблицы 3.5 время мало отличается в зависимости от средней конечной температуры. Исходя из этого сделаем вывод, что логичнее всего при использовании жидкого замораживать продукт до ?С, так как это самый приемлемый режим хранения для продуктов такого типа.

3.3 Расчет тепловой нагрузки для морозильного аппарата, производительностью G= 3600

Исходные данные:

1) Габаритные размеры теплоизолированного помещения используемого под морозильную камеру:

м - длина помщения

м - ширина помещения

м - высота помещения

2) - коэффициент теплопередачи теплоизоляционного материала морозильной камеры

3) G= 3600 - суточный грузооборот фуа-гра

4) - время заморозки фуа-гра при скорости движения воздуха

5) ?С - начальная температура продукта

6) ?С - средняя конечная температура продукта

7) - влагосодержание фуа-гра

Полная тепловая нагрузка на морозильный аппарат будет равна сумме всех теплопритоков [1]:

(3.7)

Q_общ - полная тепловая нагрузка на холодильное оборудование

Q₁ - теплоприток от окружающей среды

Q₂ - теплоприток от продуктов или грузов при холодильной обработке

Q₃ - теплоприток с воздухом при вентиляции помещений

Q₄ - эксплуатационный теплоприток от различных источников

Рассмотрим теплоприток Q₁. Он будет равен:

(3.8)

Q_1T - теплопередача через ограждение вследствие наличия разности температур t_н и t_пм

Q_1C - поглощение наружной поверхностью ограждений теплоты солнечной радиации

Теплоприток, возникающий под влиянием разности температур, определяют по выражению

(3.9)

(3.10)

Рассчитаем приходящее тепло от солнечной радиации. Оно будет обусловлено расположением помещения на географической широте. Считаем только для наружной поверхности

(3.11)

Дt_c для широты Харькова будет приближенно к 10К

Результаты расчёта для теплопритока Q₁ приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 - Результаты расчёта по теплопритоку Q₁

Вид теплопритока	Площадь поверхности F, м2	Численное значение теплопритока Q, Вт
Через ограждения, Q1T	59	849,6
От солнечной радиации, Q1C	47	112,8
От окружающей среды, Q1	59	962,4

Далее рассмотрим теплоприток Q₂. При замораживании продуктов растительного происхождения основным является превращение жидкой фазы, составляющей основу продукта, в твёрдую. При этом процесс заморозки условно разбивают на три стадии: охлаждение тела от начальной температуры t₁ до температуры t_кр начала замерзания жидкой фазы; отвердевание раствора, происходящее при постоянной температуре t_кр; охлаждение уже замороженного тела от температуры начала замерзания жидкой фазы до конечной температуры процесса t₂. Теплоприток Q₂ можно найти из следующей зависимости:

(3.12)

Величина щ - относительное количество вымороженной влаги в

продукте при температуре конца процесса t₂ - выбирается при определённой температуре. В данном случае при средней конечной температуре -22 °С щ=93%.

Конечно же необходимо рассмотреть теплопритоки Q₃, связанные с эксплуатацией охлаждаемого помещения.

Теплоприток от электрического освещения. Он будет не велик по сравнению с остальными, так как будут использоваться дневного освещения. Поэтому им можно пренебречь.

Теплоприток от двигателей . Тепловая нагрузка от электродвигателей будет исходить от вентиляторов испарителя. Забегая наперед скажем, что испаритель оснащен тремя вентиляторами, мощность каждого из которых N= 0,48 кВт. Общая будет равна:

(3.13)

Теплоприток за счет инфильтрации . При открывании дверного проема в аппарат для заморозки попадает воздух, приносящий с собой избыточную теплоту и влагу.

Теплоприток при открывании дверей в соответствии с рекомендациями рассчитывают по выражению:

(3.14)

Коэффициент для данной морозильной камеры. В виде средств тепловоздушной защиты мы применим ленточные завесы, для которых

Посчитаем общую площадь дверей F_дп. Их размеры:

м - ширина дверного проема

м - высота дверного проема

м² (3.15)

Также необходимо посчитать плотность теплового потока через дверной проём:

(3.16)

И - температурный перепад в дверном проеме

Так как двери в помещении выходят на улицу с температурой t_н, то:

К (3.17)

Нагрузка на камерное оборудование будет определяться следующим образом:

(3.18)

Результаты расчёта для теплопритока Q₃ приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Результаты расчёта по теплопритоку Q₃

Вид теплопритока	Численное значение теплопритока Q, кВт
От двигателей	1,44
Через открытые двери	2,52
Итоговый эксплуатационный теплоприток Q3	3,96

Итоговые значения тепловой нагрузки представлены в таблице 3.8.

Таблица 3.8 - Тепловая нагрузка на оборудование

Вид теплопритока	Численное значение теплопритока Q, кВт
От окружающей среды Q1	0,96
От продуктов или грузов при холодильной обработке Q2	17,5
Эксплуатационный теплоприток от различных источников Q3	3,96
Тепловая нагрузка на холодильное оборудование с учетом коэффициента запаса Qобщ	23,53

3.4 Подбор холодильной машины

Холодильный агрегат.

Исходя из расчёта тепловой нагрузки Q = 23,53 кВт производим выбор холодильной машины с коэффициентом запаса по хладопроизводительности n=1,05.

Выбираем компрессорно-рессиверный агрегат на базе компрессора Bitzer (Германия). При t_кип = -32 °С, t_конд = 40 °С, при работе на хладагенте R404А его мощность составляет Q = 25,4 кВт и P = 19,73 кВт [7]

Испаритель.

Испаритель подбираем исходя из возможностей агрегата, т.е. учитывая его хладопроизводительность, так как он должен испарить полностью весь хладагент, во избежание попадания в цилиндры компрессора капелек жидкого фреона, что может повлечь за собой гидравлический удар [8].

Выбираем испаритель фирмы Guntner (Германия). При работе на R404А его холодопроизводительность составляет Q = 26,4 кВт, при Дt =7 °С, t_пм = -25 °С. Его габаритные размеры L=3,033 м, D=0,688 м, H=0,647 м. Это позволяет нам его удобно расположить в предложенном помещении. Данный испаритель оснащен тремя вентиляторами и электрической оттайкой [8].

Конденсатор.

Для выбора конденсатора используем данные о холодильном агрегате. Количество теплоты, которое должен отвести данный теплообменник будет равно Q_конд = 45,13 кВт.

Исходя из этого выбираем конденсатор фирмы Guntner (Германия). При работе на R404А его мощность составляет Q = 50 кВт при Дt =8 °С и t_н = 35 °С. [8]

Вывод

В данной курсовой работе был рассмотрен расчет времени заморозки фуа-гра.

Для поставленной задачи мы рассчитали теплофизические характеристики фуа-гра и время ее заморозки при различных параметрах среды, варьируя:

- средней конечной температурой продукта;

- температурой охлаждающей среды;

- скоростью движения воздуха.

Результаты показали, что лучшим самой оптимальной скоростью воздушной среды является v=3?4 м/с, температура охлаждающей среды -25?С. Также стало ясно, что самая высокая скорость заморозки - заморозка жидким азотом, но этот способ не может всегда применим ввиду причины ухудшения товарного вида продукта.

Также была рассчитана морозильная камера, производительностью G= 3600 и подобрано оборудование для нее.

Список источников информации

1. Руцкий А.В. Холодильная технология обработки и хранения продуктов. - Минск: Высшейшая школа, 1991.

2. Богданов С.Н. Иванов О.П. Куприянова А.В. Холодильная техника свойства веществ.. - Харьков: Высшая школа, 1982.

3. Н.Т. Улейский Р.И. Улейская Холодильное оборудование. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2000.

4. Cooper T.E., Trezek G.J., Correlation of thermal properties of some human tissue with water content - Aerospace Med., 1971.

5. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека, справочник - Киев: Наукова думка, 1990.

6. Прайс-лист фирмы EMS Изоляционные панели для стен и крыш Киев, 1999.

7. Каталог фирмы Bitzer (Германия), Компрессоры и компрессорно-конденсаторные агрегаты - Киев, 2009.

8. Каталог фирмы Guntner (Германия), Теплообменные аппараты - Киев, 2009.

Размещено на Allbest.ru