Охлаждение пищевых продуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Практическая работа

Охлаждение пищевых продуктов

План

1. Основные вопросы теории охлаждения пищевых продуктов

2. Продолжительность охлаждения

1. Основные вопросы теории охлаждения пищевых продуктов

Цель охлаждения состоит в обеспечении неизменности исходных свойств продуктов как в процессе их технологической (холодильной) обработки, так и при последующем холодильном хранении.

Уменьшение скорости течения комплекса процессов - биохимических, микробиологических и физических - достигается воздействием на продукт внешних факторов: температуры, относительной влажности воздуха, его влагосодержания, скорости движения, воздействия барометрического давления. Таким образом, охлаждение - это комплексный процесс переноса теплоты и вещества в объеме продукта и с его поверхности, или, как его принято называть, процесс тепло- и массопереноса.

Определяющим фактором воздействия на продукт является температура. С понижением температуры уменьшается скорость течения всех перечисленных процессов.

При аналитическом решении задачи в процессе охлаждения продуктов приходится прибегать к упрощению в отношении представления формы реального продукта. С определенной долей допустимости принимается, что форма большинства продуктов может быть уподоблена форме простых тел - пластины, шара, цилиндра.

Кроме того, считается, что структура продукта однородна, и он равномерно охлаждается средой. Все вместе сказанное свидетельствует о том, что реальная длительность охлаждения отличается от расчетной.

В холодильной технологии процессом охлаждения широко пользуются для сохранения пищевых продуктов. Охлаждают пищевые продукты на холодильниках до температуры, близкой к их криоскопической температуре, но не ниже ее. Конечная температура охлажденных продуктов находится обычно в пределах 0-40С.

Основная задача охлаждения заключается в создании неблагоприятных условий для развития микробиальных и ферментативных процессов в пищевых продуктах. Цель охлаждения - сохранение первоначального качества продукта в течение определенного времени.

Физические и биохимические изменения в пищевых продуктах при охлаждении. В мышечной ткани после смерти животного возникают интенсивные биохимические процессы, связанные с расщеплением входящих в нее углеводов и эфиров фосфорной кислоты. При этом выделяется энергия в виде тепла. Исследования показали, что для отвода тепла за счет экзотермических реакций требуется холода не менее 10% основного расхода его на охлаждение. холодильный продукт пищевой

Тепло, образующееся за счет биохимических процессов, необходимо своевременно и быстро отводить. В противном случае качество охлаждаемого продукта может значительно ухудшиться. Так, при недостаточном темпе охлаждения мяса может появиться так называемый загар. Он проявляется в виде неестественного цвета ткани и специфического неприятного запаха в глубинных слоях наиболее толстых частей туш или полутуш мяса.

Причиной загара является повышение температуры мышц за счет биохимических реакций до пределов, при которых могут происходить денатурационные ферментативные процессы распада аминокислот с освобождением летучих веществ.

Состояние мышечной ткани при охлаждении, а также хранении в охлажденном виде обусловливается главным образом изменением белковых веществ.

Мышечная ткань получает энергию за счет гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Концентрация ее относительно мала. Во время жизни АТФ быстро ресинтезируется, используя энергию, выделяющуюся при окислении гликогена в углекислоту с образованием воды. После смерти животного обмен веществ в мышечной сокращением.

Продолжающееся образование молочной кислоты вызывает снижение величины рН мышечной ткани, приблизительно с 7,2 (при жизни) до так называемой предельной величины рН, которая обычно равна 5,5. С увеличением предельной величины рН способность ткани удерживать воду возрастает.

Таким образом, существует прямая связь между скоростью гликолиза и степенью сокращения мышечных волокон, которому они подвергаются в процессе посмертного окоченения.

Как и большинство химических реакций, посмертный гликолиз зависит от температуры. Чем ниже температура, при которой возникает этот процесс, тем ниже скорость его протекания. Таким образом, если туша хранится после смерти животного при обычной температуре окружающего воздуха, скорость уменьшения рН, величины АТФ и наступления посмертного окоченения возрастает. Однако если мясо быстро охлаждается, интенсивность этих процессов снижается и влагоудерживающая способность мышечной ткани остается сравнительно высокой. Окоченение замедляется.

В рыбе посмертный гликолиз, в общем, протекает так же, как и в мясе, и аналогичны явления, связанные с посмертным окоченением. Качественным различием между рыбой и мясом является пониженное содержание гликогена в рыбе. Соответственно, посмертное снижение величины рН в рыбе наблюдается в меньшей степени, а сопротивление к бактериальному росту на поверхности ниже, чем у мяса. Для многих разновидностей рыбы бактериальная порча является преобладающим фактором.

В молоке, сливочном масле, яйцах и других продуктах животного происхождения происходят изменения, вызываемые главным образом микробиологическими факторами. Разумеется, в них не может быть таких биохимических процессов, как в свежем мясе или свежевыловленной рыбе. Но и микробиологические процессы могут значительно опережать темпы охлаждения продукта и приводить к его порче. Следовательно, и для этих продуктов требуется быстрое охлаждение.

В скоропортящихся продуктах растительного происхождения - плодах, овощах, ягодах изменения в первую очередь происходят вследствие протекающих в них биохимических процессов. Дело в том, что жизнедеятельность этих продуктов продолжается и после отделения их от материнских растений. Но после съема плодов и овощей почти полностью прекращается поступление в них новых веществ извне, и их жизненные процессы продолжаются за счет ранее накопленных соединений.

Одном из основных и важных проявлений жизнедеятельности плодов и овощей после их съема является дыхание. При дыхании они поглощают из окружающего воздуха кислород, выделяя углекислоту, влагу и некоторое количество тепла. Исходным материалом для дыхания служат углеводы (сахара, крахмал), органические кислоты, жиры, азотистые и другие вещества, входящие в состав плодов и овощей. Следовательно, дыхание сопровождается уменьшением в продуктах ценных составных частей, что приводит к ухудшению их качества и, разумеется, потере массы. При прочих равных условиях с понижением температуры сильно замедляется дыхание плодов и овощей, благодаря чему увеличивается их стойкость. Особенно резко затормаживаются в них биохимические процессы при быстром охлаждении.

Интенсивность дыхания зависит от вида и сорта плодов и овощей, степени их зрелости, температуры и скорости движения окружающей среды и некоторых других факторов. Повышенная интенсивность дыхания свойственна ягодам, зелени и некоторым видам овощей. Плоды усиленно дышат в стадии созревания. Но у различных плодов интенсивность дыхания разная. Она не является постоянной даже для одного и того же вида плодов. Усиленно дышат плоды, получившие механические повреждения ткани.

Очень важным фактором, влияющим на дыхание плодов и овощей, является температура. Чем выше температура, тем скорее протекают процессы обмена в плодах и овощах, а, следовательно, быстрее наступает их созревание, перезревание и, наконец, порча. Понижение температуры сильно замедляет жизненные процессы в плодах и овощах. Особенно резко затормаживаются эти процессы при быстром охлаждении. Например, интенсивность их дыхания при быстром охлаждении может быть сокращена в 5-6 раз. Поэтому главной задачей охлаждения продуктов растительного происхождения является замедление в них жизненных процессов.

ткани некоторое время продолжается. Однако гликолиз замедляется и не может больше поддерживать на прежнем уровне образование АТФ. Это приводит к посмертному окоченению мышечной ткани, связанному с потерей эластичности.

Холодильная обработка основных продуктов процессом охлаждения

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.

Методы охлаждения продуктов. Представляемый материал не в состоянии отразить все многообразие методов охлаждения продуктов. Здесь рассмотрены лишь отдельные, употребительные в практике холодильной технологии.

Мясо в виде туш и полутуш охлаждают в подвешенном виде на подвесных путях в камерах, оборудованных системами для искусственного охлаждения и циркуляции воздуха. Говядина поступает в полутушах или четвертинах, а свинина и баранина в тушах или полутушах. На крючьях подвесных путей говядину и свинину размещают поштучно. Бараньи туши располагают на подвесных путях в специальных рамах (люстрах) в один или два яруса. В каждом ярусе помещают по 10 туш.

На каждом подвесном пути размещают при возможности туши одной категории и примерно с одинаковой массой. Крупные полутуши подвешивают в зоне с наиболее интенсивным движением воздуха.

На погонном метре подвесного пути размещают по 2 - 3 говяжьих, 3-4 свиных полутуши или раму с бараньими тушами. Нагрузка на 1 пог. м пути составляет: говядины 250 кг, свинины и баранины 200 кг.

Преимуществами быстрого охлаждения мяса также являются: улучшение его санитарного состояния, так как вследствие быстрого охлаждения поверхности продукта рост микроорганизмов задерживается; сохранение окраски свежего мяса и белого цвета жира; более длительный срок созревания и, следовательно, хранения, уменьшение производственных площадей.

В настоящее время процесс охлаждения парного мяса осуществляют одностадийным или двухстадийным методами в специально оборудованных камерах или туннелях.

Камерное одностадийное охлаждение осуществляют при температуре -5...-2 °С и скорости движения воздуха 0,5-2,0 м/с. Процесс одностадийного охлаждения полутуш говядины или свинины является длительным по времени и составляет 16-36 ч.

Двухстадийное охлаждение может выполняться в одной камере или при последовательном перемещении из камеры в камеру. Температура воздуха на первой стадии составляет --12...--10 °С. Далее мясо доохлаждается при температуре 0 0С и скорости движения порядка 0,5 м/с. Принципиально возможно охлаждение мяса при температуре воздуха на первой стадии -25...-20 °С и скорости его движения 5-7 м/с до достижения криоскопической температуры на поверхности. На второй стадии осуществляется процесс доохлаждения мяса при криоскопической температуре и скорости движения воздуха 0,5 м/с. Метод привлекателен, прежде всего, тем, что он позволяет уменьшить усушку продукта, однако требует качественного технического контроля процесса охлаждения.

Из данных таблицы 1 следует, что быстрый способ охлаждения мяса обеспечивает уменьшение продолжительности процесса в 1,5 раза и снижение усушки на 0,2 % по сравнению с ускоренным способом. Охлаждение мяса с диспергированием воды на его поверхность обеспечивает уменьшение усушки мяса и снижает влияние на качество мяса "холодового сокращения", поскольку первые 5-6 часов охлаждения мяса проводят при положительных температурах с периодическим диспергированием на поверхность полутуш воды в течение одной минуты с интервалом одиннадцать минут до достижения температуры их поверхности 10-12 0С. Охлаждение мяса с применением пищевых покрытий позволяет снизить усушку мяса не только на стадии охлаждения, но и при последующем хранении.

Таблица 1 Способы охлаждения мяса

Способ охлаждения	Параметры воздуха	Температура мяса, 0С	Продолжительность охлаждения, ч	Потери массы, %
	температура, 0С	скорость, м/с	начальная	конечная
Ускоренный
все виды мяса	0	0,5	35	0 - 4	24	1,6
Быстрый
Говядина	-3	0,8	35	0 - 4	16	1,4
Свинина	-3	0,8	35	0 - 4	13	1,3
Баранина	-3	0,8	35	0 - 4	7	1,51
Двухстадийное охлаждение
Предохлаждение	-20	2,0	35	30	1	1,2
Доохлаждение	-3	0,8	30	0 -4	14
Охлаждение мяса с диспергированием воды на его поверхность
1 стадия	0-10	0,8	35	-	5 - 6	1,0
2 стадия	-3	0,8	-	0 - 4	15-21
Охлаждение мяса с применением пищевых покрытий
Говядина	-3	0,8	35	0 - 4	16	1,1

Битую птицу охлаждают в воздухе, посредством орошения тушек водоледяной смеси или погружением их в ледяную воду.

Воздушное охлаждение является самым длительным способом холодильной обработки птицы. Продолжительность охлаждения в камерах с температурой воздуха от 0 до -1 0С и скоростью его циркуляции 1-1,5 м/с составляет 24 ч и более.

Процесс охлаждения заметно интенсифицируется в камерах туннельного типа, где поддерживается температура воздуха -2 0С и искусственная циркуляция его со скоростью до 4 м/с. В этом случае продолжительность охлаждения снижается до 3-6 ч в зависимости от массы, упитанности, породы птицы и т.д.

Недостатками этого метода являются значительные потери массы (1-1,5%) и плохой товарный вид тушек птицы.

Для охлаждения тушек в ледяной воде или водоледяной смеси используют танки, ванны или барабаны. Продолжительность охлаждения в танках со льдом около 2 ч, в ваннах с водоледяной смесью 40-45 мин, в барабанах 30-35 мин.

Метод погружного охлаждения птицы в ледяной воде по сравнению с охлаждением воздухом в 4-5 раз сокращает продолжительность процесса, позволяет сгладить дефекты технологической обработки птицы; тушка как бы отбеливается и приобретает хороший товарный вид. Однако при этом происходит поглощение воды тушками в количестве от 4 до 10% их массы, не исключена также возможность перекрестного заражения тушек в результате контакта и их бактериальное загрязнение.

Потрошеные тушки птицы навешивают за грудную часть через брюшное отверстие или за крылья шейной частью вверх на подвески конвейера охлаждения, который подает их в ванну с водопроводной водой для предварительного охлаждения в течение 10 мин до 20 - 22 0С. Температуру воды поддерживают порядка 10-15 0С. В этой же ванне тушки дополнительно обмываются, что улучшает санитарное состояние воды в основной ванне.

Окончательное охлаждение тушек птицы происходит в ванне с водой, имеющей температуру 1-4 0С, до температуры 4-6 0С.

Наиболее эффективно комбинированное охлаждение (орошение - погружение, орошение - погружение - воздушная обработка) и охлаждение тушек птицы снегообразной углекислотой, которую вводят во внутреннюю полость тушки из расчета 0,07 кг на 1 кг массы тушки.

Свежую рыбу охлаждают преимущественно чешуйчатым льдом. Могут также использоваться дробленый лед, снег. Кроме того, рыбу охлаждают морской водой, холодным воздухом. Охлаждение рыбы осуществляют в инвентарной таре.

Льдом для охлаждения рыбы пользуются очень широко. Применяют естественный и искусственный лед. При необходимости в него можно добавлять антисептические вещества. Любой вид льда, используемого для охлаждения, обязательно мелко дробят для обеспечения хорошего контакта с продуктом. Удобным в этом отношении является искусственный лед, приготовляемый в виде мелких кубиков, цилиндриков (трубчатый лед), чешуек (чешуйчатый лед) или в виде снега. Такой лед не нуждается в дроблении.

Рыбу пересыпают льдом послойно. Сначала насыпают слой льда на дно тары - ящика, корзины или бочки, в которых будет происходить охлаждение, или на полки охлаждающих трюмов рыболовных судов. На лед укладывают слой рыбы и засыпают слоем льда. Затем опять слой рыбы и слой льда и так до заполнения тары или до определенной высоты на полках трюмов.

Охлаждать рыбу рекомендуется до -1 0С. Это примерно средняя температура начала замерзания ее тканевых соков. Но льдом, приготовленным из пресной воды, в лучшем случае, можно охладить рыбу до 2 0С в толще. Поэтому при охлаждении рыбы, выловленной в море, часто пользуются льдом, приготовленным из морской воды. Температура таяния такого льда достигает - 2,1 0С.

При охлаждении дробленым льдом хорошо сохраняется качество рыбы, она не усыхает, не деформируется, не теряет товарного вида. Но дробление льда и пересыпка им рыбы - очень трудоемкие операции. Льдом можно нанести механические повреждения рыбе, а образующаяся талая вода уносит часть водорастворимых пищевых веществ. Процесс охлаждения льдом протекает относительно медленно. Этот источник холода имеет и другие недостатки. Тем не менее, во многих случаях он является наилучшим для охлаждения рыбы.

Жидкими средами для охлаждения рыбы в настоящее время служат 2-4% водный раствор поваренной соли или подсоленная морская вода с общим содержанием соли около 3,5%. В эти жидкости, охлажденные при помощи холодильных машин или льдосоляной смесью приблизительно до -2 0С, погружают рыбу или орошают ее. При погружном способе создают циркуляцию охлаждающей жидкости. Охлаждение орошением производят на решетчатых настилах или сетчатых транспортерах, на которые рыбу укладывают в один или максимум два ряда.

В жидких средах рыба охлаждается значительно быстрее, чем во льду. При использовании жидких охладителей легче осуществить комплексную механизацию процесса охлаждения и обеспечить необходимые санитарные условия труда. Охлаждаясь в жидкой среде, рыба не подвергается механическим повреждениям, не усыхает, не деформируется. Весьма существенно и то, что с рыбы смывается слизь, которая хотя и не является признаком порчи, но ухудшает внешний вид товара и является благоприятной средой для развития микроорганизмов.

Охлажденную рыбу укладывают в ящики, которые затем направляют в камеры холодильного хранения, в охлаждаемые трюмы (на рыболовецких судах), в морозильные камеры.

Растительные продукты являются биологически активными. Основным процессом растительных продуктов является процесс дыхания, который связан с потерей ими влаги, потерей устойчивости к заболеваниям, а также увяданием. Таким образом, охлаждение растительных продуктов является биологически обусловленным процессом, обеспечивающим сохранность продуктов.

Для предупреждения нежелательных качественных изменений в продуктах необходимо их охлаждать сразу после сбора. Задержка в охлаждении, например, яблок после сбора на один день сокращает их срок хранения при 0 °С на 9-10 дней, задержка на 3 дня - на месяц.

Для охлаждения растительных продуктов используют воздух и жидкости. В воздухе охлаждают яблоки, груши, цитрусовые, т. е. те, которые нуждаются в последующем холодильном хранении.

Зелень охлаждают преимущественно холодной водой или снегом, а также посредством технологии вакуумного охлаждения. Оно применяется вслед за мойкой зелени, когда ее поверхность не подсушена.

Вакуумное охлаждение дает хорошие результаты в отношении скорости охлаждения без заметной потери влаги продуктом. Охлаждение до 1 °С достигается для большинства продуктов за 10-20 мин при потере влаги 2-3% от исходной массы.

Охлаждение молока, получаемое на фермах колхозов и совхозов и предназначенное для сдачи на предприятия молочной промышленности, необходимо охлаждать немедленно после выдаивания - летом до 6-8 °C и зимой до 8-10°C., также необходимо охлаждать молоко на молокоприёмных пунктах, немедленно по мере приёмки от сдатчиков, осуществляя это различными способами.

Опыт показывает, что быстрое охлаждение молока (в течение 2 ч от начала выдаивания) они могут обеспечить лишь при наличии предварительного охлаждения молока в процессе доения (в системе доильной установки), т.е. при двухстадийном охлаждении. Первая стадия - предварительное охлаждение водой до 17-20 °C в процессе доения. Температура охлаждающей воды 12-14°C. Вторая стадия - доохлаждение до 7-8 °C на механизированной молочной не позднее чем через 2 ч от начала доения.

Охлаждение основано на теплообмене между тёплым молоком и хладоносителем (воздух, вода, рассол). В процессе теплообмена хладоноситель, отбирая тепло от молока, охлаждает его и одновременно нагревается сам. Процесс теплоотдачи происходит непрерывно до тех пор, пока температура молока будет выше температуры хладоносителя.

Фляжные охладители. Наиболее простой и доступный способ охлаждения молока на фермах - во флягах. Недостатками его являются низкий коэффициент теплопередачи и большая трудоёмкость. Во флягах на воздухе даже при минусовой температуре молоко охлаждается медленно. Значительно быстрее охлаждается оно, если флягу поместить в холодную проточную воду. В этом случае для охлаждения молока от 35 до 8,5 °С с водой с температурой 8 °С требуется около 3 ч.

Поточно-конвективные и плоские охладители. Перед охлаждением молока во флягах в бассейнах с применением поточно-конвекционного охладителя на дно бассейна помещают решётку, устанавливают фляги и поточный охладитель и закрепляют их.

Промежутки между флягами заполняют колотым льдом и водой. Сверху устанавливают желоба для одновременного заполнения фляг молоком и быстрого его охлаждения до 4 С.

К наиболее простому способу можно отнести плоские охладители.

Оросительные охладители. Их так называют потому, что охлаждаемое молоко орошает наружную поверхность стенки охладителя, стекая по ней тонким слоем.

Молоко отдаёт тепло хладоносителю, проходящему с противоположной стороны стенки. Они характеризуются непрерывностью технологического процесса. Для их работы не требуются насосы, нагнетающий продукт под значительным напором, охлаждение достигается применением как хладоносителей (воды, рассола), так и хладогентов. Оросительные охладители при кратности расхода воды 2,5-3 обеспечивают охлаждение молока на 3-4 °С выше температуры хладоносителя. Одновременно происходит проветривание молока с удалением нежелательных запахов коровника и кормов.

Холодная вода протекает по внутренней части охладителя (между стенками или по трубам) снизу вверх и охлаждает наружную поверхность, по которой из приёмника сверху вниз стекает молоко. Температура воды должна быть на 3 С ниже температуры, до которой требуется охладить молоко.

Пластинчатые охладители молока по сравнению с другими теплообменными аппаратами наиболее совершенные. Они компактны, занимают мало места в молочной и в то же время высокопроизводительные. В пластинчатых аппаратах отсутствуют движущиеся детали для побуждения движения жидкости с целью увеличения теплопередачи. Детали, соприкасающиеся с молоком, изготовляют из нержавеющей стали.

В пластинчатых охладителях молоко проходит тонким слоем (2-4 мм). Пластины имеют рифлённую поверхность, что способствует образованию вихревых режимов движения молока при сравнительно небольшой скорости (0,3-0,5 м/с). В результате более охлаждённое молоко у стенок пластин интенсивно перемешивается с ещё тёплым внутри потока и эффективность теплообмена возрастает.

Пластинчатые охладители пригодны для охлаждения молока при любом способе доения коров. Их успешно внедряют на доильных установках с центральным молокопроводом. С применением пластинчатых охладителей технологические линии обеспечивают охлаждение молока в замкнутом потоке без соприкосновения с окружающим воздухом. Кроме того, можно проводить безразборную циркуляционную промывку молочной линии.

Пластинчатые охладители в линиях доения целесообразно использовать лишь в целях предварительного охлаждения молока.

Недостатком пластинчатых охладителей является наличие большого числа фигурных резиновых прокладок, которые требуют осторожного и умелого обращения со стороны обслуживающего персонала.

Резервуары-охладители предназначены для сбора, охлаждения и хранения молока. При этом не требуется фляг и специальных охладителей. Выдоенное молоко в резервуарах охлаждается до заданной температуры. Потери молока значительно меньше, чем при других способах. Сокращаются затраты труда на охлаждение, при этом не требуется постоянного присутствия человека. Это один из наиболее прогрессивных и находящих всё более широкое применение видов оборудования.

Охлаждают молоко в резервуарах-охладителях двумя способами: непосредственно кипящим хладогентом или через промежуточный хладоноситель. При первом способе охлаждения хладогент холодильной машины для своего кипения отнимает тепло непосредственно от молока, при втором - от воды, превращая её в лёд. Этим определены конструктивные и энергетические показатели резервуаров охладителей, которые выпускаются промышленностью, как открытого типа, так и герметичные.

2. Продолжительность охлаждения

Продолжительность охлаждения можно рассчитать и на основе закона регулярного теплового режима. В холодильной технологии этим методом пользуются особенно широко вследствие его простоты и универсальности.

Из классического решения задачи об охлаждении или нагревании тел следует, что существуют условия, когда при достаточно большом значении критерия Фурье тепловой режим становится регулярным.

Температуру процесса можно приближенно описать следующим выражением:

(1)

где величина т (с-1), называемая темпом охлаждения, не зависит от того, в какой точке тела измеряется температура t, а коэффициент А от температуры зависит.

Это называется приближением регулярного теплового режима. Обычно используют три значения А: для температуры в центре тела (Ац), для среднеобъемной температуры (А 0б) и для температуры поверхности (Апов), При этом последние два значения связаны между собой безразмерным коэффициентом

(2)

где cv - объемная теплоемкость, Дж/(м 3 * К);

R - характерный размер тела, понимаемый как расстояние от поверхности тела до максимально удаленной от нее точки в глубине тела, м;

Ф - безразмерный коэффициент формы тела;

Bi --число Био;

- безразмерный параметр, являющийся некоторой функцией числа Bi и формы тела;

S-- площадь.

Безразмерный коэффициент ш называют коэффициентом неоднородности температурного поля; при Bi > 0 он очевидно стремится к единице, следовательно, при этом ~ Bi/Ф. Таким образом, числа m, Апов и Аоб связаны соотношением (2), и зная два из этих трех параметров, можно рассчитать третий.

Определить параметр , вообще говоря, возможно только численно, однако имеется приближенное соотношение (основанное на так называемом квазиодномерном приближении):

(3)

где безразмерный параметр к определяется как

.

Аналогичное соотношение имеется и для Аоб:

(4)

При Bi ? 2 значения этого коэффициента при любых значениях Ф лежат в пределах 0,95 < Аоб < 1. Поскольку при охлаждении или нагревании в воздухе число Bi, как правило, меньше 2, то можно брать Аоб = 1, а Апов вычислять по формуле (2). Если же коэффициент теплоотдачи очень высок (что бывает, например, при охлаждении в воде), то можно воспользоваться соотношением (4), опять же вычисляя Апов через Аоб по формуле (2).

Для значения константы Ац надежных формул нет, поэтому ее можно определять из табл. 1.

Значения коэффициента Ац

В случае необходимости найти время охлаждения (до заданной температуры t на поверхности, в центре или среднеобъемной) можно по соотношению (5):

(5)

подставляя вместо А соответствующие значения Апов, Ац или Aоб.

Связь между среднеобъемной температурой и температурой поверхности устанавливается выражением

(6)

Отметим, что если температура t близка к начальной, то выражение под логарифмом в формуле (5) может оказаться меньше единицы, т. е. время ф окажетмя охлаждения (или нагревания) очень мало и теория регся отрицательным. Это свидетельствует о том, что вреулярного теплового режима здесь неприменима.

В заключение рассмотрим вопрос о так называемом термическом центре тела, т. е. о точке, температура которой равна среднеобъемной. Знать координаты этой точки часто бывает необходимо для технологических расчетов. Если нам нужно измерить значение среднеобъемной температуры тела, то проще всего ввести термопару в термический центр. То же квазиодномерное приближение дает выражение для безразмерной координаты термического центра о0 (о0 = 0 отвечает центру тела, о0 = 1 - поверхности):

(7)

Квазиодномерное приближение в некоторых случаях можно существенно улучшить. Например, так называемые тела составной формы, к которым относятся бесконечный прямоугольный брус, параллелепипед и конечный цилиндр, можно рассматривать как пересечение тел простой формы. При расчете находят значение констант и А для каждого из этих тел (1, А 1, 2, А 2 и т.д.). Затем рассчитывают итоговый темп охлаждения т и константу А по формулам:

(8)

где R1, R2, … - характерные размеры тел простой формы (например, половины сторон параллелепипеда или радиус и половина высоты цилиндра).

Следует, однако, помнить, что соотношения (8) можно применять лишь в тех случаях, когда характерные размеры тел R1, R2, … не очень сильно различаются между собой. Дело в том, что если размеры сильно различаются, то остывание одного из этих тел происходит значительно быстрее, чем другого. В результате для одного из этих тел приближение регулярного режима справедливо, для другого - нет.

Кроме расчетов по изложенным методам можно использовать графики, построенные по результатам расчетов температур в центре тел, на их поверхности и средних температур пластины, цилиндра и шара. Однако следует иметь в виду, что практические расчеты по таким графикам не отличаются высокой точностью, особенно в областях значений безразмерной избыточной температуры И, близких к нулю или единице.

Количество теплоты (Дж), отведенной с поверхности продукта в ходе процесса охлаждения,

(9)

где G - масса продукта, кг;

с - удельная теплоемкость продукта (в случае, если наблюдается значительное изменение удельной теплоемкости при изменении температуры от t нач до tкон, то берут ее среднее значение), Дж/(кг * К);

t нач, он - начальная и конечная среднеобъемные температуры продукта, °С.

Однако в уравнении (9) не учитывается экзотермичность биохимических процессов, а также выделение теплоты при отвердевании жиров.

Кроме того, при охлаждении пищевых продуктов в холодильной камере следует учитывать испарение влаги с поверхности продукта (усушку) при удельной теплоте испарения rи (Дж/кг) и конденсацию паров из воздуха на поверхности охлаждающих приборов (снеговая шуба) при удельной теплоте конденсации rк (Дж/кг), причем rк > rи примерно на 13 %.

Тогда общее количество теплоты (Дж), которое должны воспринять охлаждающие приборы при охлаждении продуктов в воздухе, имеет вид:

(10)

где q - внутренние тепловыделения единицы массы продукта, Дж/кг;

g0 = W/G - относительная потеря влаги продуктом (усушка);

W-- общее количество испарившейся влаги, кг.

Коэффициент теплоотдачи определяется по выражению

(11)

где лхл - коэффициент теплопроводности находится по формуле из таблице 2, Вт/м К;

Nu- критерий Нуссельта находится по формуле из таблице 3;

dэ - характерный размер тела (эквивалентный диаметр), м.

где F-- площадь живого сечения потока, м;

П - полный (смоченный) периметр - независимо от того, какая часть этого периметра участвует в теплообмене, м (иначе говоря, F и П - площадь и периметр проекции тела на плоскость, перпендикулярную потоку).

Таблица 2

Теплофизические и механические параметры воздуха и воды

Турбулентное обтекание пластины вдоль потока. Имеет место при Re > 105 . Соотношение имеет вид:

(12)

Обтекание шара. При любых режимах:

(13)

Здесь в качестве характерного размера принимают диаметр шара. В англоязычной литературе используют уравнение Кришера--Лооса:

 (14)

а также формула Ранца-Маршалла:

(15)

Поперечное обтекание цилиндра. В этом случае

(16)

Таблица 3

Значения критерия Нуссельта, вычисленные по формулам (12)-(16)

Чтобы избежать возможного подмораживания поверхности тушки, необходимо, чтобы на момент достижения тушкой требуемой среднеобъемной температуры tкон, 0С ее поверхность имела бы температуру выше tкр, °С (берем с некоторым запасом). Для этого необходимо соблюдение условия:

(17)

Размещено на Allbest.ru