2.1.4 Продолжительность замораживания (размораживания) пищевого сырья и продуктов его переработки

Задача о продолжительности замораживания (размораживания) – одна из наиболее сложных в теплофизике, что обусловлено наличием большого числа влияющих на этот процесс факторов.

Каждый из существующих на сегодняшний день методов вычисления продолжительности замораживания (размораживания) специфически связан с исходной физической схемой процесса, его начальными и граничными условиям, которые задаются в частном виде, с допущениями, упрощающими задачу.

Физическая постановка задачи о продолжительности замораживания (размораживания) пищевых продуктов есть задача о теплопроводности в системах с подвижной границей раздела, под которой понимают перемещающуюся границу раздела между отвердевшей и жидкой фазами от периферии в глубь тела по мере отвода теплоты от его поверхности при замораживании, или, наоборот, при размораживании. Отвердевающую в таком процессе жидкость принято рассматривать как не подверженную свободному или вынужденному конвективному движению (неконвективную), если она распределена в виде мелких включений в пористом твердом теле или как-либо иначе, механически связана с неподвижной скелетной структурой тела, а также, если вязкость отвердевающей жидкости велика.

Классическим решением задачи о замораживании Международным институтом признано решение Р. Планка, полученное им в 1913 г. и существенно развитое им и другими исследователями в последующие годы. Формула для определения продолжительности замораживания называется по имени ее создателя – формула Планка, как фундаментальная, она включена в рекомендации Международной академии холода.

Для упрощения задачи Планком было сделано несколько допущений, которые приведены ниже:

1. Замораживанию подвергается физическое тело простой геометрической формы (пластина, шар или цилиндр) однородное по своим свойствам.

2. Теплоемкость замороженной части тела равна нулю.

3. Тело перед началом замораживания охлаждено до криоскопической температуры.

4. Льдообразование в теле происходит без переохлаждения при криоскопической температуре; теплофизические свойства замороженной части (коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость) не зависят от температуры.

5. Коэффициент теплоотдачи и температура охлаждающей среды не зависят от времени.

Формула Планка для простых тел имеет вид:

- для плоской неограниченной пластины при двустороннем замораживании

, (25)

где - теплота, выделяемая единицей массы тела при замораживании, кДж/кг;

- половина толщины пластины, м;

- объемная масса или плотность тела, кг/ м³;

- коэффициент теплоотдачи от поверхности тела, Вт/ (м² · К);

- коэффициент теплопроводности замороженной части продукта, Вт/(м·К);

- криоскопическая температура замораживаемого продукта, ° С;

- температура охлаждающей среды, ° С;

- для бесконечного круглого цилиндра

, (26)

где - радиус цилиндра, м;

- для однородного шара радиусом , м

. (27)

Варианты заданий: задание (номер варианта задания практической работы) студент выбирает по сумме двух последних цифр шифра зачетной книжки. Номера вариантов для выполнения практической работы приведены в Приложении № 1. Условия заданий первой и второй части практической работы по вариантам приведены в приложении № 2 и № 3 соответственно.

Порядок выполнения работы:

Для расчета продолжительности охлаждения и продолжительности размораживания пищевого сырья и продуктов его переработки необходимо знать:

• химический состав 100 г пищевого сырья или продукта (используя Приложение 4);

• характерный геометрический параметр замораживаемого объекта (толщину – в случае, если продукт по форме приближается к пластине, радиус, в случае если продукт по форме приближается к цилиндру или шару, принимается студентом из Приложения 4);

• плотность сырья или продукта, кг/м³ (принимается студентом из Приложения 4).

В первой части практической работы рассчитывают ТФХ продукта, продолжительность его охлаждения в соответствии с условиями задания (Приложение 2) двумя методами – методом сеток и номографическим методом.

В случае, если метод сеток приемлем для расчета, то по полученным данным распределения температуры по толщине продукта, строят график изменения температуры в процессе охлаждения в геометрическом центре продукта (данные температуры в узлах сетки для ), а также график изменения среднеобъемной температуры продукта (рассчитывается как среднее арифметическое температур в каждой точке стеки в заданный момент времени). В случае, если применение метода сеток неэффективно (см. пример расчета), выполняется только номографический расчет, температурные графики не строят.

Во второй части практической работы рассчитывают продолжительность размораживания пищевого сырья (в соответствии с заданием в Приложении 3), используя формулу Планка.

Пример выполнения задания первой части практической работы: рассчитать продолжительность охлаждения тушки цыпленка-бройлера (R=5,5 см; t_нач.=25 ºС, t_{конеч.в центре}=5 ºС) интенсивным (5 м/с) потоком влажного воздуха температурой минус 12 ºС.