Лекции для студентов

Холодильная обработка рыбных продуктов — Расчет расхода холода на замораживание рыбного сырья

Расчет расхода холода на замораживание рыбного сырья

Расход холода на замораживание продукта складывается из теп­лоты, отводимой от нее при замораживании, потерь на охлаж­дение морозильного аппарата, тары, упаковки.

Теплота (в кДж), отводимая от продукта при замораживании, определяется по формуле

Q = m [C (t_н — t_кр) + Wωr_л + С_м (t_кр — t_ск)],

где m — масса, кг;

С — удельная теплоемкость при температуре выше начала замерзания тканевых соков, кДж/(кг·К);

t_н — начальная температура, К;

t_кр — температура замерзания тканевых соков, К;

t_ск — средняя конечная температура замороженного продукта, К;

W — количество воды в рыбе, доли единицы;

ω — количество замороженного воды (принимается в зависимости от конечной температуры замораживания), доли единицы, r_л - удельная теплота льдообразования, кДж/кг (r_л принимается равной 335 кДж/кг);

С_м — теплоемкость замороженного продукта (берут среднюю температуру между криоскопической и средней конечной мороженого продукта), кДж/(кг·К).

При замораживании продукта в таре учитывают расход холода на охлаждение тары, который определяется по формуле

Q = m_т · С_т (t_н — t_к),

где m_т — масса тары, кг;

С_т — теплоемкость материала тары, кДж/(кг·К);

t_н — начальная температура, К;

t_н — конечная температура, К.

Расход холода (в кДж) на замораживание продукта можно оп­ределить по разности энтальпий. В этом случае

Q = m (i_н — i_к),

где m — масса продукта, кг;

i_н — энтальпия продукта в начале процесса, кДж/кг;

i_н — энтальпия продукта в конце процесса, кДж/кг.

Значения энтальпий для соответствующих температур берут из таблиц.

Теплоту, которую необходимо отвести от продукта в случае его домораживания, определяют по формуле

Q = m[r_лW(ω₂ — ω₁) + С_м (t₂ — t₁)],

где m — масса, кг; r_л - теплота льдообразования, кДж/кг;

ω₂ и ω₁ - количество вымороженной воды соответственно при t₂ и t₁, доли единицы;

t₂ и t₁ — средняя конечная и начальная температура продукта, абсолютные величины;

W — количество воды в продукте, доли единицы.

Продолжительность замораживания продукта зависит от его раз­мера и формы, теплоемкости, теплопроводности, начальной и ко­нечной температуры, коэффициента теплоотдачи от поверхности продукта к охлаждающей среде, температуры и свойств охлаждаю­щей среды и т.д. Продолжительность замораживания обычно определяется экспериментально по формуле Планка:

q₃pl l 1

τ = —————— (—— + ——),

3,6(t_кр — t_с) N 4λ_м α

где τ — продолжительность замораживания, ч;

q₃ — полная удельная теплота, об­водимая от продукта при его замораживании от начальной температуры до заданной средней конечной, кДж/кг;

р — плотность замороженного продукта, кг/м³;

l — толщи­на продукта, м;

t_кр — начальная криоскопическая температура продукта, К;

t_c -темпе­ратура теплоотводящей среды, К;

λ_м — коэффициент теплопроводности продукта при средней температуре ее в процессе замораживания между криоскопической и средней конечной температурами, Вт/(м·К);

α — коэффициент теплоотдачи к теплоотводящей среде, Вт/(м²·К);

N — коэффициент, зависящий от формы замораживаемого продукта: для блока рыбы, мяса или филе, фарша при двустороннем заморажи­вании N = 2, для продукта, близкого по форме к цилиндру, N = 4, для продукта, близкого по форме к шару, N = 6.

На продолжительность замораживания продукта существенно влияет его толщина. Чтобы показать это, придадим формуле сле­дующий вид:

τ = А · l² + B · l,

где

q₃p 1

А = ————— · —— ;

3,6(t_кр — t_с)N 4λ_м

q₃p 1

В = ————— · ——

3,6(t_кр — t_с) N α

Обычно α >4λ_м и соответственно А>В.

При очень больших значениях α продолжительность замораживания становится приблизительно пропорциональной квадрату толщины слоя продукта, а при уменьшении α влияние толщины слоя на продолжительность замораживания сокращается. Толщину замораживаемого слоя продукта следует уменьшать. При малых абсолютных значениях коэффициента теплоотдачи даже незначительное его увеличение заметно сокращает длительность замораживания, при больших значениях этого не происходит. Увеличение α более эффективно при замораживании тонких слоев продукта, чем толстых. И наконец, при больших значениях α возрастает изменение интенсивности отвода теплоты от продукта во время замораживания, при том тем значительней, чем больше толщина замораживаемого слоя (табл. 6).

Таблица 6

Продолжительность замораживания продукта

в зависимости от коэффициента теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи Bт/(м2·K)	Продолжительность замораживания, ч
	Толщина продукта 0,1 м	Толщина продукта 0,3 м
11,6 23,2 58,1 116,0 1163,0 2907,0	15,0 9,0 5,4 4,2 3,1 3,0	63,0 45,0 34,2 30,2 27,4 27,0

В промышленности толщина блоков рыбы, фарша при замораживании принята равной 60 мм.

В морозильных установках воздушного типа продолжитель­ность замораживания продукта практически прямо пропорциональна его толщине, поэтому при уменьшении толщины блока производительность установок не увеличивается.

При замораживании в плиточных аппаратах иногда выгодно уменьшить толщину продукта. Так, при температуре кипения хладагента —35 °С продолжительность замораживания продукта до —18 °С составляет:

Толщина блока, мм 30 50 65

Время замораживания, мин 50 75 135

Установлено, что при уменьшении толщины продукта до 30-40 мм, производительность плиточных морозиль­ных аппаратов значительно увеличивается.

В морозильных установках воздушного типа предусмотрена циркуляция воздуха, скорость его движения достигает 5...7 м/с. Дальнейшее ее увеличение путем применения более мощных вентиляторов нецелесообразно, так как возраста­ют теплопотери в окружающую среду, а продолжительность за­мораживания сокращается незначительно.

На продолжительность замораживания продукта существенно влияет упаковка. В морозильной установке воздушного типа неупакованный продукт замораживается 230 мин, упакованный в пергамент—241 мин, в полиэтиленовую пленку—242 мин, а в полиэтилен-целлофановую пленку—253 мин при толщине продукта 60 мм.

Продолжительность замораживания блока продукта, упакованно­го в пленку или в другие материалы, можно определить по формуле

q₃pl Rl 1 l_уп

τ = —————[— + P(—— + ∑——)],

3,6(t_кр — t_с) λ_м α λ_уп

где l_уп

∑(——) — сумма термических сопротивлений слоев упаковки, (м²К)/Вт;

λ_уп

R и P — безразмерные вспомогательные коэффициенты, значение которых зави­сит от соотношения размеров параллелепипеда и направления тепловых лучей.

Скорость замораживания — это темп перемещения зоны кристаллизации в замораживаемом объекте.

Под зоной кристаллизации понимается слой продукта, в котором под действием низких температур значительная часть воды превращается в лед. Зона кристаллизации возникает на поверхности продукта и в процессе замораживания постепенно перемещается внутрь. Скорость замораживания имеет наибольшее значение в поверхностном слое и уменьшается по мере его промерзания вследствие возрастания термического сопротивления увеличивающегося замороженного слоя.

Процесс замораживания характеризуется средней скоростью V (в см/ч), представляющей собой отношение толщины замороженного слоя Х (в см) ко времени его образования

τ_-1^-5, т.е.

V = Х/τ_-1^-5; Х = l/2; V₃ = l/2τ_-1^-5,

где τ_-1^-5 — продолжительность замораживания, в пределах температуры от —1 до —5 °С, отсчитывается с момента появления температуры —1 °С в поверхностном слое наиболее толстого сечения рыбы до момента достижения температуры —5 °С в центральном слое, ч; l — максимальная толщина продукта, см.

В холодильной технологии замораживание со скоростью 0,5 см/ч считают медленным, 0,5...3,0—ускоренным, 3,0...10,0— быстрым, 10...100—сверхбыстрым.