Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Расчет продолжительности замораживания пищевых продуктов. Методические указания к практическим занятиям

Голосов: 1

Методические указания к практическим занятиям по курсам "Холодильная технология пищевых продуктов" и "Основы хранения продовольственного сырья" для студентов по специальности 270800, 270900 дневного, заочного обучения и направления 552400. Методические указания предназначены для выполнения расчетных работ по курсам "Холодильная технология пищевых продуктов" и "Основы хранения продовольственного сырья" студентами специальности 270800, 270900 дневного и заочного обучения и направления 552400.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
      Министерство общего и профессионального образования
                 Российской Федерации
  Восточно-Сибирский государственный технологический
                      университет




РАСЧЕТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЗАМОРАЖИВАНИЯ
           ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

     Методические указания к практическим занятиям
      по курсам «Холодильная технология пищевых
   продуктов» и «Основы хранения продовольственного
   сырья» для студентов специальностей 270800, 270900
    дневного, заочного обучения и направления 552400




                                           Составители: Кондратьев К.П.
                                                            Лузан В.Н.




                    Улан-Удэ, 2000


     Методические указания предназначены для выполнения расчетных работ по курсам
«Холодильная технология пищевых продуктов» и «Основы хранения продовольственного
сырья» студентами специальности 270800, 270900 дневного и заочного обучения и направ-
ления 552400.




      Сущность процесса замораживания пищевых продуктов заключается в понижении тем-
пературы продуктов ниже криоскопической до полного или частичного превращения в лед
содержащейся в продукте влаги.
      Замораживание предназначено для последующего длительного хранения замороженных
продуктов, получения мороженого, льда и отделения влаги от продукта в процессах сублима-
ционной сушки, кон центрирования соков.
      Относительным количеством вымороженной влаги ω называют отношение массы льда,
образовавшегося в продукте при данной температуре, к общей массе воды, содержащейся в
продукте, включая твердую и жидкую фазы. Относительное количество вымороженной влаги
является функцией температуры и изменяется от 0 при температуре выше криоскопической
до 1 при полном замораживании продукта. Однако полного замораживания многих продук-
тов не удается добиться даже при очень низких температурах, и процесс замораживания при-
останавливается на промежуточной стадии. В этот момент температурное поле распределено
в продукте неравномерно: в центре продукта температура выше, чем у поверхности.
      Средней конечной температурой продукта называют среднюю интегральную темпера-
туру продукта, т.е. такую температуру, которую замороженный продукт принял бы в адиа-
батных условиях при достижении теплового равновесия. Среднюю конечную температуру tс.к
можно оценить по формуле Д.Г. Рютова, если известны температуры в центре продукта tц и
охлаждающей среды tс:
                           tс.к = 0,5 ( tц ( Bi + 2 ) + tс Bi) / (Bi + 1),
 где Bi — критерий Био [ Bi = αb / λ, где α — коэффициент теплоотдачи от поверхности
продукта к внешней среде в процессе замораживания, Вт ( м2 ⋅К);
 b — кратчайшее расстояние от поверхности продукта до центра, м; λ — коэффициент теп-
лопроводности замороженного продукта при средней температуре процесса замораживания,
Вт / (м⋅К) ].

     Коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к внешней среде зависит от усло-
вий замораживания и равен следующим значениям:
                                                                                       Таблица 1
                                                                                2о
                           Условия замораживания                     α, ккал/ч·м · С


            В воздухе при конвективном движении – естественной
            циркуляции                                                    5 – 10
            В воздухе при циркуляции со скоростью до 1 м/сек             15 – 20
            В воздухе при циркуляции со скоростью свыше 1 м/сек          25 – 30
            В рассоле при ламинарном движении                           200 – 250
            В рассоле при турбулентном движении (v = 1 – 2 м/сек )      300 – 500
            В жидком азоте                                             500 – 1000
            На металлических плитах с кипящим внутри них холо-
            дильным агентом или циркулирующим рассолом                  250 – 300


Примечание: 1 ккал/ч·м2·оС = 1,163 Вт/м2·К

     Теплопроводность замороженных продуктов имеет среднее значение между теплопро-
водностью воды (λ = 0,52 ккал/ч·м·оС) и льда (λ = 2 ккал/ч·м·оС) и в зависимости от конечной
температуры tк составляет:
                                                                                   Таблица 2
                  tк, оС        -1          -5            - 10           - 20
             λ, ккал/ч·м·оС    0,6          1,0            1,2            1,4

Примечание: 1ккал/ч·м·оС = 1,163 Вт/м·К

     Среднюю температуру процесса замораживания в интервале от криоскопической tкр до
средней конечной tс.к вычисляют по формуле
                             tср = ( tс.к – tкр ) / ln ( tс.к / tкр )
      Количество вымороженной влаги при температуре продукта t можно приближенно най-
ти из уравнения
                                           ω = 1 – tкр / t
    Количество вымороженной влаги ω1 при средней температуре процесса замораживания
можно рассчитать по формуле
                                         ω1 = 1 – tкр / tср
    Количество вымороженной влаги при средней конечной температуре процесса замо-
раживания можно вычислить по формуле
                                        ω2 = 1 – tкр / tс.к
       При охлаждении чистых жидкостей и однокомпонентных водных растворов эвтекти-
ческой (криогидратной) концентрации замораживание происходит при постоянной темпера-
туре, называемой температурой замерзания. При атмосферном давлении температура замер-
зания воды 0 оС, а эвтектического раствора поваренной соли –21,2 оС. Замораживание вод-
ных растворов минеральных и органических веществ осуществляется при переменной тем-
пературе.
       Тканевый сок пищевых продуктов представляет собой диссоциированный коллоидный
раствор сложного состава, которому соответствует криогидратная температура –55 ч –65
о
  С, а криоскопическая температура –0,5 ч –5 оС.
       Криоскопическая температура тканевых соков различна:
– 0,6 ч –1,2 оС - мясо теплокровных животных, –0,5 оС - пресноводная рыба, –0,95 оС - ка-
пуста белокочанная, –1,3 оС - картофель, –1,5 оС - морковь, –1,6 оС - свекла, –2,6 оС -
чеснок, –2 оС - яблоки, –2,4 оС - груши, –2,6 оС - абрикосы, –3,8 ч –5 оС - виноград.
       Замораживание пищевых продуктов может осуществляться в воздушной среде с естест-
венной и побудительной циркуляцией воздуха, в псевдокипящем слое; в жидкой среде - рас-
соле, пропиленгликоле, жидком азоте; на металлической поверхности, а также в льдосоляной
смеси.
       Длительность замораживания пищевых продуктов зависит от их начального состояния и
теплофизических свойств, температуры замораживающей среды, условий теплообмена на на-
ружной поверхности продукта, формы и размеров продукта.
       В расчетах длительности процесса замораживания пищевых продуктов широко исполь-
зуют формулы, полученные для тел простых стереометрических форм при следующих допу-
щениях:
• до начала замораживания пищевой продукт охлажден до криоскопической температуры;
• наружная поверхность продукта охлаждается в процессе конвективного теплообмена с
     окружающей средой;
• температура среды и коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности продукта в ок-
     ружающую постоянны;


•   коэффициент теплопроводности замороженного продукта принимается постоянным во
    всем диапазоне температур;
•   продолжительность процесса замораживания определяется до момента смыкания, исчез-
    новения внутренней поверхности раздела фаз.
      Продолжительность замораживания пластины вычисляют по формуле
                             τ = 0,5qл ρh (0,25 h/λ + 1/α) / (tкр – tс ),
где qл – теплота фазового перехода, Дж/кг; ρ – плотность продукта, кг/м3;
h – толщина пластины, м; λ – коэффициент теплопроводности замороженного слоя, Вт/(м ·
К); Σ δi / λi – сумма термических сопротивлений слоев упаковки с толщиной δi; tкр – крио-
скопическая температура продукта, оС;
tc – температура окружающей среды, оС.
        Продолжительность процесса замораживания цилиндра находится по формуле
                             τ = 0,25qл ρD (0.25D/λ + 1/α) / (tкр – tс ),
где D – наружный диаметр цилиндра, м.
       Продолжительность замораживания пищевого продукта с формой прямоугольного па-
раллелепипеда при отводе тепла через все шесть граней рассчитывается по формуле
                                τ = qл ρl [Rl/λ + P(1/α)]/ (tкр – tс ),
где l – толщина продукта, м; R, P – коэффициенты, зависящие от соотношений размеров
(табл. 1).

                                                                                 Таблица 1
                   l1/l               l2/l              R                  P
                                      1,0            0,0417             0,1677
                                      1,5            0,0491             0,1875
                   1,0                2,0            0,0525             0,2000
                                      2,5            0,0545             0,2083
                                      3,0            0,0558             0,2142

                   1,5                1,5            0,0604             0,2143
                                      2,0            0,0656             0,2308

                                      2,0            0,0719             0,2500
                   2,0                2,5            0,0751             0,2632
                                     3,096           0,0776             0,2727
П р и м е ч а н и е: l1 – ширина продукта; l2 – длина продукта.

    Продолжительность процесса замораживания пищевых продуктов шарообразной формы
вычисляют по формуле
                          τ = qл ρD [0.25D/λ + 1/α] / [6(tкр – tс )].
      Формулами можно пользоваться и в тех случаях, когда условия замораживания продук-
та не полностью соответствуют сделанным допущениям.

     ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

     По заданию преподавателя методом численного эксперимента исследуют влияние на
длительность замораживания одного из параметров: формы, линейного размера продукта,
температуры замораживающей среды, коэффициента теплоотдачи на поверхности продукта.
Для каждого параметра выбирают три – пять значений, для которых повторяют расчет. Ре-
зультаты расчетов представляют в графическом виде.
     Вычисляемые величины следующие:
     • средняя конечная температура продукта;
     • средняя температура процесса замораживания;
     • количество вымороженной влаги при средней температуре;
     • теплоемкость продукта до начала льдообразования


                                 Со = СW + Cc(1 – W),
где С и Сс – теплоемкость соответственно воды и сухих веществ, Дж/(кг·К)
[ С = 4187, Сс = 1465 Дж/(кг·К) ]; W – относительное содержание воды в
продукте.
Примечание: 1ккал/кг·оС = 4,186 кДж/(кг·К)
      • средняя теплоемкость замороженного продукта
                           См = Cc(1 – W) + CωW(1 – ω1) + Сл Wω1,
где Сл – теплоемкость льда, Дж/(кг·К) [ Сл = 2200 Дж/(кг·К) ] ;
      • теплопроводность замороженного продукта
                                        λм = λо + ω1∆λ ,
где λо – теплопроводность продукта при оС, Вт/(м · К) [λ = 0,6 Вт/(м · К)];
∆λ– полное приращение теплопроводности, Вт/(м · К) [∆λ =1,05 Вт/(м · К)]
      • удельная теплота замораживания
                           q = Со(tн – tкр) + Wω2qл + См(tкр – tс.к) ,
где qл - удельная теплота льдообразования, Дж/(кг·К) [qл=335 000 Дж/(кг·К)];
      • продолжительность замораживания пищевых продуктов, имеющих форму, близкую
          к форме шара, цилиндра, пластины или прямоугольного параллелепипеда, опреде-
          ляемая по соответствующей формуле.
      При использовании программы Matlab для расчетов на персональном компьютере го-
товят исходные данные по нескольким вариантам, один из которых рассчитывают традици-
онным способом в качестве контрольного варианта..

      ОФОРМЛЕНИЕ РАБОТЫ

     Отчет по работе должен содержать цель и содержание работы с указанием конкретного
задания, описание методики расчета продолжительности замораживания, расчета продолжи-
тельности замораживания и других необходимых величин для условий заданного варианта,
результаты вычислений, выводы по результатам работы.


      КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.   С какой целью проводят замораживание пищевых продуктов?
2.   Дайте характеристику способов замораживания.
3.   Какое оборудование используется для замораживания пищевых продуктов?
4.   Что называют криоскопической и криогидратной температурой?
5.   Диаметр шара, цилиндра и толщина пластины равны. Как соотносятся между собой дли-
     тельности их замораживания?


     СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Бурмакин А.Г. Справочник по производству замороженных продуктов. – М.: Пищевая
   промышленность, 1970.
2. Головкин Н.А. Холодильная технология пищевых продуктов. – М.: Легкая и пищевая
   промышленность, 1984.
3. Комаров Н.С. Справочник холодильщика. – М.: Машгиз, 1962.
4. Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.:Высшая школа, 1967.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика