Изменение теплофизических характеристик пищевых продуктов при замораживании

Теплофизические расчеты процессов холодильной обработки продук­тов неразрывно связаны с оценкой величины теплофизических харак­теристик продуктов и направленности этих изменений в объеме про­дукта и во времени.

В тепловых расчетах наиболее значимыми являются следующие теплофизические характеристики: плотность продукта — р, кг/м3, удель­ная массовая теплоемкость продукта — с, Дж/(кг • К), теплопровод­ность — X, Вт/(м • К), тепературопроводность — а, м2/с, теплосодержа­ние (энтальпия) — г, Дж/кг.

Плотность продукта является аддитивной величиной. Она может быть установлена на основе сложения плотностей отдельных компо­нентов продукта с учетом их массовых долей. Если масса продукта М, а массы составляющих его компонентов тп,, т2, … тп, (Л/ = т, + т2 + + … + тп), то плотность продукта составит:

Изменение теплофизических характеристик пищевых продуктов при замораживании

(4.4)

При замораживании плотность продуктов уменьшается на 5-8%. В технических расчетах эту величину принимают неизменной, не за­висящей от изменения температуры.

(4.5)

(4.6)

Удельная массовая теплоемкость продукта подчиняется закону ад­дитивности, т. е.

C = gi-cl+g2-c2+ … +’gt-ck,

Где

Gy gv,gk весовые Доли компонентов смеси; с,, с2,…, ск — удельные теплоемкости компонентов смеси. В простейшем случае, если пищевые продукты рассматривать как двухфазные системы, содержащие тканевую влагу (дисперсионную среду) и дисперсную фазу — остальные компоненты (сухие вещества), теплоемкость продукта составит:

C0=c<-W + cc-(l-W),

Где

Cw, сс — теплоемкости воды и дисперсной фазы, Дж/(кг • К); Wi (1- W) — содержание в продукте весовых частей влаги и дисперс­ной фазы.

С, Д ж/кг К

Изменение теплофизических характеристик пищевых продуктов при замораживании

Рис. 4.8

График зависимости расчетной и полной теплоемкостей от температуры

Для продуктов животного происхождения с. составляет 1,38- 1,68 кДж/кг, для продуктов растительного происхождения — 0,71- 1,36 кДж/кг.

При замерзании тканевой влаги удельная теплоемкость продукта может быть оценена на основе соотношения:

См =с- W (1-0)) + сл • WС0+Сс • (1W), (4.7)

Где

Сл — теплоемкость льда, Дж/(кг-К);

To — количество вымороженной воды, т. е. количество воды, превра­тившейся в лед.

Графике зависимости расчетной и полной теплоемкостей от темпе­ратуры представлен на рис. 4.8.

Представляя продукт как двухфазную систему «сухие вещества — вода», его теплоемкость оценивают на основе выражения (4.8) или (4.9):

Си=св-(с.-0-^.а», (4.8)

См = с„ — 2095 • W • со. (4.9)

Результат, получаемый по формуле (4.9), является приближенным, поскольку не учитывает зависимости теплоемкости продукта до замо­раживания от температуры. Однако эта погрешность невелика и ощу­тимо не влияет на точность конечного результата.

Если в выражении отводимого тепла льдообразования принять из­менение температуры замораживаемой массы продукта равным 1 "С, то количество тепла получит размерность и смысл удельной теплоем­кости:

= 4 ИЧ^-СО,), (4.10)

Где 1л — теплота льдообразования, Ьл = 335,2 кДж/кг.

Сумма расчетной теплоемкости см и теплоты льдообразования 1л при изменении температуры на 1°С дает полную удельную теплоем­кость:

Сш=си+ЬлЛУ(щ-щ). (4.11)

При оценке продолжительности замораживания или разморажива­ния продуктов тепловой эффект соответствует полной удельной теп­лоемкости. В технических расчетах обычно отражают раздельно тепло, обусловленное теплоемкостью см, и тепло фазового превращения.

Последняя методика не является ошибочной. Она — лишь один из способов представления материала.

(4.12)

Одним из способов приближенной оценки величины полной теп­лоемкости является ее оценка по формуле (4.12):

Т

Си = «-г

Где п, от — эмпирические величины (табл. 4.1).

(4.13)

Теплопроводность продукта не является аддитивной величиной. В области положительных температур ее принимают постоянной. При замораживании продукта теплопроводность отражает общую тенден­цию, связанную с процессом превращения тканевой влаги в лед:

Хм =Х0 -fcco-AX,

Где

Хо — теплопроводность продукта до замораживания, Вт/(м К);

ДХ — изменение теплопроводности в интервале температур от крио — скопической до конечной.

Изменение теплопроводности ДХ принимают с учетом влажности продукта в интервале от 70 до 90% равной от 0,9 до 1,16 Вт/(м • К).

Теплопроводность льда отличается от теплопроводности воды при­мерно в четыре раза. Характер изменения теплопроводности связан с количеством вымороженной воды, (рис. 4.9).

Изменение теплофизических характеристик пищевых продуктов при замораживании

"*р

Рис. 4.9

График зависимости теплопроводности продукта ‘ от температуры

Таблица 4.1

Значения коэффициентов Шил для приближенной оценки полной теплоемкости отдельных продуктов

Продукты

Т, Дж/(кг • К)

Я, Дж/(кгК)

Бобы

0,92

28,09

Брокколи

0,75

38,02

Брюква

0,33

45,64

Горох

0,42

36,38

Дыня

0,54

46,60

Капуста цветная

0,71

37,56

Морковь’

0,17

51,88

Огурцы

0,96

29,18

Помидоры

0,88

35,63

Фасоль зеленая

1,17

21,98

Овощи (средние значения)

0,63

37,89

Пикша, треска, морской окунь

0,75

37,22

Креветки

0,5

42,33

Свинина ^=0,52 W= 0,77

Среднее значение

0,54 2,08 1,88

29,18 11,51 17,33

Говядина

0,67

39,32

Коэффициент температуропроводности (а, м2/с) характеризует теп — лоинерционные свойства продукта, т. е. интенсивность нагрева или охлаждения. Температуропроводность оценивается соотношением:

А = (4.14)

См"Р

Где

Хм — теплопроводность замороженного продукта, Вт/(м • К); См — теплоемкость замороженного продукта, Дж/(кг • К). Характер изменения температуропроводности от температуры пред­ставлен на рис. 4.10.

Теплосодержание (энтальпию продукта) при изменении темпера­туры до криоскопической температуры выражают соотношением:

Di = c0-dt. (4.15)

В области отрицательных температур теплосодержание выражают:

Di = cm-dt. (4.16)

Различие влияния изменений температуры на величину теплоемко — стей со и сщ приводит к заметному изменению теплосодержания про­дуктов в интервале температур, соответствующем области вымерза­ния основного количества воды. Это отчетливо видно на рис. 4.11.

Изменение теплофизических характеристик пищевых продуктов при замораживании

Рис. 4.10

График зависимости расчетного и полного коэффициентов температуропроводности от температуры (-t)

Изменение теплофизических характеристик пищевых продуктов при замораживании

Рис. 4.11

Изменение теплосодержания продукта при различном значении температуры и влагосодержания

Следует отметить, что в технической литературе в ряде случаев пред­ставлены различные значения величин теплосодержаний продуктов при одной и той же температуре. Последнее обусловлено тем, что при­нимаются различные точки отсчета температуры при I = 0. Однако раз­ность теплосодержаний для любых значений температур одинакова.

Posted in Холодильная техника