4.2. Физические характеристики продуктов

Такие процессы, как охлаждение и замораживание, отепление и размораживание пищевых продуктов являются тепло-массообменными. Расчеты данных процессов можно выполнить, если известны физические, теплофизические, геометрические характеристики. К ним относят: криоскопическую температуру, плотность, теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, энтальпию и другие.

Плотностью называется отношение массы продукта к его объему и измеряется в [кг/ м³]. = М / V. Плотность большинства продуктов приближается к плотности воды (1000 кг/м³). Для примера в таблице 4.2. даны плотности некоторых продуктов.

Таблица 4.2. Плотности продовольственных продуктов

Название продукта	Плотность, кг/м3
Мясо	1020 – 1070
Молоко	1028 – 1034
Сливочное масло	920 – 950
Плоды	1030 – 1070

При замораживании плотность уменьшается на 5 – 8 %, т.к. вода превращаясь в лед, увеличивается в объеме.

В таблице 4.3. даны температуры начала замерзания некоторых продуктов.

Из таблицы видно, что криоскопическая температура продуктов лежит в области отрицательных температур, а не 0 ⁰С, при которой замерзает вода.

Таблица 4.3. Значения криоскопической температуры продуктов

Объект	Криоскопическая температура, 0С
1) Телятина	–0,8 –0,9
2) Птица	–2,0
3) Сыры твердые	–5,3 –9,8
4) Груши	–1,8 –2,8

Во всех продуктах содержится вода (от 15 до 90 %), в которой растворены минеральные соли, сахара. Поэтому она замерзает не при 0 ⁰С, а при более низкой температуре. Например, при –5 ⁰С обычно замерзает около 75 % воды в мясе, при –10 ⁰С – более 80 %, а при –20 ⁰С – около 90 %. Чем больше содержится в продукте низкомолекулярных растворенных веществ (соли, сахаров), тем ниже будет его начальная температура замерзания.

Удельная теплоемкость – величина, численно равная количеству теплоты, необходимому для нагревания или охлаждения 1 кг вещества на 1 ⁰С. Теплоемкость убывает с понижением температуры, стремясь к нулю при абсолютном нуле температуры. В таблице 4.4. приведены значения удельной теплоемкости для некоторых пищевых продуктов.

Таблица 4.4. Значения удельной теплоемкости продуктов питания

Продукт	Средняя удельная теплоемкость С, кДж/кг*0С
1) Мясо и рыба тощие	3,8
2) Мясо и рыба жирные	2,2 – 2,8
3) Яйца	3,1
4) Фрукты	3,3 – 4,0
5) Овощи	3,6 – 4,1
6) Масло сливочное	3,1

Количество теплоты, отводимой от продукта, напрямую зависит от его теплоемкости. Следовательно, чем ниже будет теплоемкость, тем меньше тепла будет отводиться от продукта и дольше будет охлаждаться: Q = C * M * ∆ t.

Теплопроводность – один из видов теплопередачи. Явления теплопроводности возникают при разности температур между отдельными участками тела (продукта). Количественно теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности и измеряется в [Вт / м*К]. В таблице 4.5. даны величины теплопроводности.

Таблица 4.5. Значения теплопроводности продуктов

Продукт	Теплопроводность, Вт/м2 * 0С
1) Фрукты	0,5 – 0,6
2) Рыба	0,35 – 0,56
3) Говядина	0,48 – 0,5
4) Картофель	0,58

Продолжительность охлаждения и замораживания зависят от теплопроводности продукта. Пищевые продукты, хранящиеся на холодильниках, имеют очень малую теплопроводность, поэтому их охлаждение происходит медленно – несколько часов и даже суток. Продукты с большим содержанием жира охлаждаются медленнее, так как теплопроводность жира в 3 раза меньше теплопроводности мышечной ткани мяса или рыбы.

Когда в продуктах не происходит льдообразование, то теплопроводность продукта мало изменяется и в расчетах принимается величиной постоянной. При понижении температуры с льдообразованием в продукте теплопроводность увеличивается. В этом случае теплопроводность замораживаемого продукта зависит от количества вымороженной воды.

Температуропроводность (а) продуктов выражается соотношением их теплопроводности, теплоемкости и плотности. а = /(с* ). Она характеризует изменение температуры в продукте. Резко уменьшается при образовании льда в продукте, т.к. выделяется теплота кристаллизации. При дальнейшем понижении температуры коэффициент теплопроводности увеличивается, теплоемкость уменьшается, температуропроводность увеличивается и достигает постоянного значения, когда вода полностью переходит в лед. В расчетах дают либо как заданную величину, либо рассчитывают по формуле.

Вопросы для самоконтроля

• Какие продукты называются скоропортящимися?

• Что такое белки, жиры и углеводы?

• Что такое криоскопическая температура?

Тесты

• Ферменты разрушаются при следующей температуре:

а) – 10 ⁰С; б) 70 ⁰С; в) 40 ⁰С; г) 0 ⁰С; д) 20 ⁰С.

• Плотность измеряется в:

а) кг / м³; б) м³ / кг; в) кг / м²; г) см² / кг.

• Для телятины характерна следующая криоскопическая температура:

а) –2 ÷ –3 ⁰С; б) –7 ⁰С; в) –0,8 ÷ –0,9 ⁰С; г) +1 ÷ 0 ⁰С;

д) 0 ÷ –0,2 ⁰С.

• При –15 ⁰С 1 м³ воздуха воспринимает следующее количество влаги:

а) 17,22 г; б) 4,89 г; в) 0,5 г; г) 1,18 г; д) 1,58 г.

5) Температуропроводность выражается соотношением:

а) теплопроводности, теплоемкости, плотности;

б) относительной влажности, криоскопической температуры;

в) теплоемкости, температуры.

• Физика процессов охлаждения и замораживания

• Тепловой расчет процесса охлаждения

На биохимические, биофизические процессы и физические характеристики пищевых продуктов существенное влияние оказывает температура, поэтому изучение теплового состояния тел имеет значение для оценки и совершенствования процессов холодильной обработки. Исследования и расчеты теплового состояния тел в холодильной технологии основаны на применении математических методов, в частности на теории теплопроводности. Основной задачей теории теплопроводности является нахождение температуры t тела в любой его точке и в любой момент времени , т.е. определение t как функции координат какой-то точки и времени : t = f (x, y, z, ).

Если температурное поле меняется во времени, то тепловые процессы, протекающие в таких условиях, называются нестационарными. Указанные зависимости могут быть найдены из решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье:

(1)

Решение уравнения с учетом граничных и временных условий дает уравнение температурного поля вида:

t = f (; λ; а; ; x; y; z; t₀; t_ср; l₀; l₁;…; l_n) (2)

Температура зависит от большого числа переменных и постоянных параметров и решение представляет сложную математическую задачу. Поэтому имеются уже готовые расчетные формулы для трех задач: неограниченной пластины, цилиндра бесконечной длины и шара. Переменные можно сгруппировать в три безразмерных комплекса: Bi; F₀; ; (x / R) – безразмерная координата.

В задачу теплового расчета входит определение продолжительности охлаждения продуктов и количества теплоты, отводимой от них в процессе охлаждения.

• Безразмерная температура:

(3)

где t, t_н – текущая и начальная температура продукта, ⁰С; t_с – температура окружающей среды, ⁰С; t = t (x, ). При = 0 температура пластины во всех точках равна t_н, = 1. С течением времени температура пластины меняется. Чем больше времени прошло от начала процесса охлаждения, тем ближе t к температуре среды. Если , то t t_c и 0.

• Критерий Био, характеризующий эффективность теплообмена поверхности продукта с охлаждающей средой, рассчитывается по уравнению:

(4)

где - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности продукта к охлаждающей среде, Вт / м² * К. Для приближенных расчетов принимают: = 1000 Вт / м² * К – при скорости движения жидкости, равной 0,5 м/с; _{от продукта к жидкой среде} = 200 – 230 Вт / м² * К – при естественной конвекции. l – половина толщины продукта, м; - коэффициент теплопроводности продукта, Вт / м * К.

• Критерий Фурье находят либо из номограммы, либо можно рассчитать по формуле:

(5)

где а – коэффициент температуропроводности продукта, м²/с; - продолжительность охлаждения, ч; l = R–половина толщины продукта, м.

4) Количество теплоты, отводимой при охлаждении от продукта, можно определить по формуле:

Q = G*C*(t_н – t) или Q = G*(i_н – i) (6)

G – суточное поступление груза в камеру, т/сут; С – теплоемкость, определяется по таблицам, кДж/кг * ⁰С; (i_н – i) – разность удельных энтальпий продукта при его начальной и конечной температуре, кДж/кг.

• Тепловой расчет процесса замораживания

При тепловых расчетах замораживания задаются начальная и конечная температура продуктов. Конечная температура замораживания никогда не бывает одинаковой во всех точках продукта к концу процесса. Поэтому рассчитывают среднюю температуру продукта за процесс в интервале t₁ и t₂ при условии, что оба эти значения лежат в области от криоскопической температуры до температуры окончания льдообразования:

(7)

В задачу теплового расчета процесса замораживания входит определение продолжительности замораживания и количества теплоты,

отводимой при этом от продукта.

Продолжительность замораживания – время, необходимое для понижения температуры продукта от начальной до заданной конечной, при которой большая часть воды, содержащаяся в тканях, превращается в лед. Определяется по формуле Планка:

(8)

где q₃ – полная удельная теплота, отводимая от продукта при замораживании от заданной начальной температуры продукта до заданной средней конечной, кДж / кг; q₃ = i_н - i_ск, где i_н – энтальпия продукта при начальной температуре, кДж/кг; i_ск - энтальпия продукта при средней конечной температуре продукта, кДж/кг; - плотность замороженного продукта, кг/м³; t_кр – начальная криоскопическая температура, ⁰С; t_с – температура теплоотводящей среды, ⁰С; _з - коэффициент теплопроводности продукта при средней температуре его в процессе замораживания между криоскопической и средней конечной, Вт/м*К; - коэффициент теплоотдачи от теплоотводящей среды, Вт/м*К; А – коэффициент, значение которого зависит от формы замораживаемого тела для плоскопараллельной пластины А = 2, для бесконечного прямого круглого цилиндра А = 4, для шара А = 6, при l – толщине пластины, диаметра цилиндра и шара.

При расчетах по формуле Планка можно получить лишь приблизительные значения, т.к. они не учитывают теплоемкость замороженной части тела, а также особенности строения и специфические свойства пищевых продуктов.

Количество теплоты, отводимой от продуктов при замораживании, определяют по формуле:

Q_м = G [C₀ (t_н – t_кр) + r*W*ω + C_м (t_кр–t_ск)] (9)

где G – масса замораживаемого продукта, кг; С₀ – удельная теплоемкость продукта при температуре выше начальной криоскопической, Дж/кг*К; t_н – начальная температура продукта (выше криоскопической), ⁰С; t_кр – начальная криоскопическая температура, ⁰С; r – скрытая теплота замерзания воды, Дж/кг; W – относительное содержание воды в продукте; - количество замороженной воды в продукте, определяемое при средней конечной температуре, ⁰С; С_м – теплоемкость мороженного продукта, Дж/кг*К; t_ск – средняя конечная температура продукта, ⁰С.

Вопросы для самоконтроля

• Как рассчитывается безразмерная температура ?

• Что характеризует критерий Био ?

• Как определяют критерий Фурье ?

Тесты

• При τ → ∞ к чему стремится t и θ:

а) t → t_н; θ → 0; б) t → t_с; θ → 0; в) t → t_н; θ → ∞; г) t → t_с; θ → ∞.

• Коэффициент температуропроводности продукта измеряется в:

а) м² / с; б) м³ / с; в) с / м³; г) Вт / (м² * К); д) м / с.

3) Критерий Био определяется по формуле

а) ;б) ;в) ;г) .

4) Средняя температура при замораживании рассчитывается по формуле

а) t_ср = (t₂ - t₁) / (2,31 * lg (t₂/t₁)); б) t_ср = (t₂ – t₁) / (2,31 * lg (t₁/t₂));

в) t_ср = (t₁ - t₂) / (2,31 * ln (t₂/t₁)); г) t_ср = (t₂ + t₁) / (2,31 * lg (t₁/t₂)).

5) Критерий Фурье определяется по формуле

а) ;б) ;в) ;г) .