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:
|
|
(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
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 • W—С0+Сс • (1—W), (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).
|
"*р Рис. 4.9 График зависимости теплопроводности продукта ‘ от температуры |
|
Таблица 4.1 Значения коэффициентов Шил для приближенной оценки полной теплоемкости отдельных продуктов
|
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.
|
Рис. 4.10 График зависимости расчетного и полного коэффициентов температуропроводности от температуры (-t) |
|
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