Примеры и задачи по холодильной технологии пищевых продуктов. Теплофизические основы


ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ ПО ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

    Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Технология консервов и пищеконцентратов» направления подготовки дипломированных специалистов «Технология продовольственных продуктов специального назначения и общественного питания» и специальности «Технология мяса и мясных продуктов» направления подготовки дипломированных специалистов «Технология сырья и продуктов животного происхождения»

2-е издание, исправленное и дополненное











Санкт-Петербург
ГИОРД
2012

УДК 664.8/9
ББК 36.97

    П76



    Авторы:
    А. В. Бараненко, В. Е. Куцакова, Е. И. Борзенко, С. В. Фролов

    Рецензенты:
    доктор технических наук, профессор Б. Н. Семенов (кафедра продуктов питания Калининградского государственного технического университета);
    доктор технических наук, профессор С. Т. Антипов (Санкт-Петербургское отделение Международной академии холода)







П76 Примеры и задачи по холодильной технологии пищевых продуктов : теплофизические основы : учеб, пособие / А. В. Бараненко, В. Е. Куцакова, Е. И. Борзенко [и др.]. — 2-е изд., испр. и доп. — СПб.: ГИОРД, 2012. - 272 с.: ил.


          ISBN 978-5-98879-142-3


          В учебном пособии изложены теплофизические основы холодильной технологии пищевых продуктов, приведены расчетные соотношения. Рассмотрены примеры решения задач и контрольные задачи, а также даны примеры расчетов и задания для самостоятельного решения.
          Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Технология консервов и пищеконцентратов» и «Технология мяса и мясных продуктов».



УДК 664.8/9
ББК 36.97






ISBN 978-5-98879-142-3

© ООО «Издательство “ГИОРД”», 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ











ПРЕДИСЛОВИЕ.........................................8
1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ....................9
  1.1. Общие сведения...............................9
   1.2. Криоскопическая температура и теплота кристаллизации влаги............................10
  1.3. Плотность..................................12
  1.4. Удельная теплоемкость......................19
  1.5. Тепло-и температуропроводность пищевых продуктов. . . 26
   1.6. Теплота дыхания и температурный коэффициент скорости дыхания картофеля, плодов и овощей......33
2. ОСНОВЫ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА................42
  2.1. Вынужденная конвекция.......................44
  2.2. Свободная (естественная) конвекция..........49
   2.3. Теплоотдача, сопровождающаяся изменением агрегатного состояния............................50
3. СТАЦИОНАРНАЯ И НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.......................60
  3.1. Стационарная теплопроводность...............60
  3.2. Нестационарная теплопроводность твердых тел.62
   3.3. Продолжительность охлаждения (нагревания). Регулярный тепловой режим........................67
4. ПРОЦЕССЫ ЗАМОРАЖИВАНИЯИ ОТТАИВАНИЯ..............89
5. ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ (УСУШКА)..................128

5

Оглавление

6. ХОЛОДИЛЬНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ..................136
  6.1. Расчет оборудования камеры охлаждения мяса
  с комбинированной воздушно-радиационной системой .... 136
  6.2. Расчет оборудования камеры охлаждения фруктов.150
  6.3. Расчет оборудования камеры сушки колбас....153
  6.4. Расчет оборудования для охлаждения птицы в воздухе. . . 160
   6.5. Расчет аппарата периодического действия для охлаждения тортов..............................165
7. ХОЛОДИЛЬНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ..................172
   7.1. Расчет оборудования камеры однофазного замораживания мяса с вынужденным движением воздуха . . .172
   7.2. Расчет воздушного конвейерного морозильного аппарата........................................180
  7.3. Расчет спирального морозильного аппарата...188
   7.4. Расчет флюидизационного морозильного аппарата непрерывного действия...........................195
   7.5. Расчет флюидизационного морозильного аппарата периодического действия.........................203
   7.6. Расчет аппарата замораживания в жидком хладоносителе...................................210
  7.7. Расчет криоморозильного аппарата...........213
8. ОБОРУДОВАНИЕ КАМЕР ХРАНЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ.................................218
  8.1. Расчет воздушной завесы....................218
   8.2. Исходные данные к расчету камерных охлаждающих приборов............................220
  8.3. Расчет батареи из гладких труб.............221
  8.4. Расчет батареи из оребренных труб..........229
  8.5. Расчет воздухоохладителей..................231
ПРИЛОЖЕНИЯ........................................238
  Приложение 1....................................238
  Приложение 2....................................239
  Приложение 3....................................240
  Приложение 4....................................241

6

Оглавление

  Приложение 5...................................241
  Приложение 6...................................242
  Приложение?.....................................243
  Приложение 8...................................243
  Приложение 9...................................244
  Приложение 10..................................244
  Приложение 11..................................245
  Приложение 12..................................248
  Приложение 13..................................252
  Приложение 14..................................253
  Приложение 15..................................258
  Приложение 16..................................261
  Приложение 17..................................262
  Приложение 18..................................262
  Приложение 19..................................263
  Приложение 20 .................................264
  Приложение 21..................................265
  Приложение 22 .................................266
  Приложение 23 .................................266
  Приложение 24 .................................267
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................268

ПРЕДИСЛОВИЕ









    Настоящее учебное пособие подготовлено на основе опыта преподавания курсов «Теплофизические основы холодильной технологии», «Теплофизические основы производства мяса и мясных продуктов», «Холодильное технологическое оборудование» и предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 260504 «Технология консервов и пищеконцентратов» и 260301 «Технология мяса и мясных продуктов», 260302 «Технология рыбы и рыбных продуктов».
    Пособие может использоваться при обучении студентов специальности 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (в хладоснабжении)», а также аспирантами и инженерно-техническими работниками, занимающимися проектированием и эксплуатацией холодильно-технологического оборудования.
    Используемые курсы базируются на знаниях, полученных студентами при изучении физики, математики, основ тепло- и хладо-техники, термодинамики.
    Основная задача учебного пособия «Примеры и задачи по холодильной технологии пищевых продуктов» — научить будущих специалистов методам расчета процессов, связанных с охлаждением, нагреванием, замораживанием, размораживанием и усушкой пищевых продуктов, а также основам расчетов по холодообеспечению камер холодильного хранения, замораживания и технологического оборудования.
    Содержание учебного пособия таково, что оно может быть использовано при проведении теплофизических расчетов во всех отраслях промышленности.

1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ






1.1. Общие сведения
   Тепловые расчеты процессов холодильной технологии пищевых продуктов могут быть выполнены только в том случае, если известны теплофизические характеристики (ТФХ) этих продуктов и их зависимость от температуры. Наиболее важными ТФХ пищевых продуктов являются удельная теплоемкость С, Дж/(кг-°С); коэффициент теплопроводности X, Вт/(м • °C); коэффициент температуропроводности а, м²/с и плотность продукта р, кг/м³. При этом




    К теплофизическим свойствам относят температуру начала замерзания пищевых продуктов, называемую криоскопической температурой ?кр, °C, теплоту кристаллизации влаги г, Дж/кг, а также некоторые менее употребительные характеристики, такие как теплота затвердевания жиров в продукте и теплота дыхания растительных продуктов.
    ТФХ продуктов зависят от их природных свойств (состава, строения). Различия свойств продуктов определяются их химической и физической неоднородностью. Химическая неоднородность зависит от состава продукта, физическая — от структуры и стереометрического распределения отдельных составных частей в продукте. В понятие структуры включают размер и направление волокон у животных продуктов, пористость, размер клеток и распределение газовых включений у растительных.
    Различие ТФХ у продуктов одного товарного наименования связано с различием их химического состава (содержания влаги, белка, жира, сухих веществ).
    ТФХ зависят от температуры. При отсутствии фазовых переходов (отвердевания, плавления, льдообразования) эти изменения

9

1. Теплофизические и механические характеристики пищевых продуктов

невелики. При переходе воды в ледяную фазу эти изменения значительны, что связано с различием свойств воды и льда, которые приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Теплофизические характеристики (ТФХ) воды и льда

           Характеристика            Вода   Лед 
Теплоемкость С, кДж/(кг ■ °C)        4,19  2,10 
Теплопроводность X, Вт/(м • °C)      0,554 2,210
Температуропроводность а ■ 10е, м2/с 0,13  1,14 
Плотность р, кг/м3                   999,5  916 

    Рассмотрим закономерности изменения каждой из ТФХ по отдельности.

1.2. Криоскопическая температура и теплота кристаллизации влаги

    Вода — основной компонент сырья и готовых пищевых продуктов. Содержание воды колеблется в широких пределах: в растительных продуктах — от 80 % для груш до 95 % для помидоров и огурцов; в животных продуктах — от 50 % для жирной свинины до 78 % для говядины.
    В пищевых продуктах вода содержится в виде растворов. Содержание в воде веществ, образующих с ней истинный раствор, обусловливает изменение ее характерных свойств: снижение температуры начала замерзания (криоскопической температуры), повышение температуры кипения и снижение давления водяного пара над раствором. Криоскопическая температура подчиняется закону Рауля: понижение криоскопической температуры раствора t , по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя (для воды t₀ = = 0 °C), пропорционально суммарной моляльной концентрации растворенных веществ. Коэффициент пропорциональности е, называемый криоскопической постоянной, для воды равен 1,86 кг °С/моль.
    При температурах, равных криоскопической и ниже нее, образующиеся кристаллы льда практически не содержат растворенных веществ, поэтому при понижении температуры одно и то же количество растворенных веществ оказывается растворено во все

10

1.2. Криоскопическая температура и теплота кристаллизации влаги


меньшем количестве воды, следовательно, концентрация раствора повышается, и криоскопическая температура его понижается. Это приводит к тому, что вода в продукте вымораживается постепенно при понижении температуры. Таким образом, естественно появляется понятие доли вымороженной воды ю(/) как функции температуры. Безразмерная величина ю(/) имеет смысл доли содержащейся в продукте воды, которая переходит в лед при понижении температуры продукта до t. Очевидным образом функция m(Z) имеет смысл лишь при t < t , причем со(/кр) ⁼ 0» поскольку при криоскопической температуре вода лишь начинает вымерзать.
   Используя закон Рауля, можно весьма просто получить явный вид функции G»(t) (табл. 1.2). Действительно, при любой температуре t доля вымороженной воды должна быть такова, чтобы криоскопическая температура оставшегося раствора равнялась t. Но разность температур криоскопической и tQ пропорциональна моляльной концентрации растворенных веществ. Поскольку количество растворенных веществ остается неизменным, то эта концентрация, в свою очередь, обратно пропорциональна доле оставшейся незамерзшей воды, которая при температуре / равна 1 — ю(/), а при криоскопической температуре / равна 1. Таким образом, имеем

k^C)₌kzl;{O0₌£zk₌i_k ₍L₂)
1 t-t₀ v ⁷ t-t₀ t

   Выражение (1.2) весьма просто и удобно, и им широко пользуются в холодильной технологии. Однако оно не вполне точное: опытные и расчетные значения о различаются на 7—10 %, причем наибольшее различие приходится на область низких температур.
   Во-первых, закон Рауля верен лишь для достаточно разбавленных растворов, для концентрированных растворов он перестает соблюдаться. Из формулы (1.2) следует, что полностью вода может замерзнуть лишь асимптотически при бесконечно низкой температуре, ибо со(/) —> 0 при t —> —оо, что невозможно. На самом деле существует конечная температура, называемая эвтектической, при которой вся вода в растворе кристаллизуется полностью. Для большинства пищевых продуктов эвтектическая температура составляет от —55 до —86 °C.
   Во-вторых, часть воды, содержащаяся в пищевых продуктах, вообще не может перейти в лед ни при каких температурах. Объ
11

1. Теплофизические и механические характеристики пищевых продуктов

ясняется это присутствием в пищевых продуктах связанной воды, отличающейся от свойств чистой воды.
    Примерные значения криоскопической температуры для различных пищевых продуктов следующие: яйца, салат: / = —0,5 °C; молоко, пресноводная рыба: t = —0,8 °C; мясо, томаты: /кр = —1 °C; лук, горох: /кр = —1,3 °C; бобы: t = —1,8 °C; яблоки, груши, сливы, картофель, морская рыба: /к = —2,4 °C; апельсины, лимоны, виноград: t = — 3 °C; вишни: t = —3,5 °C; бананы: t = — 4 °C.
    Выделение теплоты кристаллизации — результат изменения общей внутренней энергии вещества за счет сокращения движения молекул воды, а освободившаяся при этом энергия выделяется в виде теплоты фазового превращения, обычно называемой скрытой теплотой льдообразования, которая для чистой воды составляет qₐ = 334,3 кДж/кг. Обратная картина наблюдается при плавлении кристаллов льда. Более точно можно вычислить q₀ в зависимости от температуры t, при которой происходит кристаллизация. При этом пользуются формулой
q₀ = 334,3 + 2,12/ + 0,0042/².    (1.3)
    Выделившаяся при замораживании пищевых продуктов теплота кристаллизации q пропорциональна массе вымерзшей воды и поэтому является функцией температуры:
                                    /-/„
q = q₀Wa(t)=q₀W------(1.4)
                                    t~t₀
где РИ — содержание в продукте свободной (то есть способной к вымораживанию) влаги.

1.3. Плотность
    Плотность р = ти/Еподчиняется закону аддитивности, и, соответственно этому, пищевые продукты можно представить как смеси отдельных компонентов. Если массу продукта обозначить как Мсм, массы составляющих ее компонентов как /пр ти₂,..., тп, тогда Л/м = = т₁ + т₂ + ... +тил. Плотность продукта можно обозначить как рсм, а плотности составляющих компонентов — как рр р₂,..., рп. Соответственно рсм можно представить как
w, т₂            т             ..
Рсм=Р1^^+Р2^- + -+Р„^--               (1-5)
'^см   -^см      '^см

12

Таблица 1.2
Экспериментальные значения количества вымороженной воды в зависимости от температуры

                                Количество вымороженной воды со (в %) при различных           Количество неза-   
                                                 температурах, °C                              мерзающей воды    
       Продукт          Влаж-       -5          -10         -15         -20         -30                  % от ее
                       ность, %                                                              кг на       общего 
                                 1     2       1     2     1   2       1     2     1   2     1 кг сухого  коли- 
                                                                                              вещества   чества 
Говядина тощая         74       83     74     93    82   97     85    99    87    100   88      0,35       12   
Пикша                    83,5   87     80     94    87   97     89    98    91    100   92      0,39        8   
Треска                   80,5   85     77     94    84   97    87     98    89    100   91      0,39        9   
Морской окунь          79       84    ---     94    ---  97     ---   98    ---   100   ---     0,39     ---    
Яйцо куриное (цельное) 74       90     85     95    89    98    91    99    92    100   93      0,20        7   
Желток яйца            50       89     80     94    85    97    86    98    87    100   87      0,40       13   
Белок яйца               86,5   93     87     96    91    98    93    99    94    100  94       0,40        6   
Белый хлеб                46    50     15     87    45   97     53    99    54    100  54       0,30       46   
Пекарские дрожжи       72       ---    68     ---   80    ---   85    ---   88    ---   89       ---       11   
Фруктовые соки         88       75     72     87    85    93    90    96    93    100   96      0,20        3   
Зеленый горошек        78       68     64     86    80   92     86    96    89    100  92      0,2-0,3      7   
Фасоль                 89       84    ---     92    ---  96    м      98    ---   100   ---    0,2-0,3   ---    
Шпинат                 93       95     88     97    93   98    95     99    96    100  97       0,20        2   

1.3. Плотность

1. Теплофизические и механические характеристики пищевых продуктов

    Следует отметить, что при замораживании плотность продуктов уменьшается обычно на 5—8 % за счет снижения плотности воды, которая превращается в лед.
    Кроме того, например, свободное пространство в штабеле груза, заполненное воздухом, играет важную роль при хранении плодов и овощей. Скорость воздуха в насыпи при активном вентилировании зависит от соотношения между физической р и насыпной рн плотностями растительного сырья.
    Для капусты и яблок
рн = 0,55 • р;
для остальных видов сырья, кроме листовых овощей, Рн = 0,6 • р.
    Скважность (порозность) насыпи ек плодов и овощей представляет собой часть объема насыпи сырья, занятую воздухом, и может быть выражена (в долях единицы) уравнением

ек=1-—= 1-—,                      (1.6)
Р V
где К.р— объем насыпи сырья, м³; К— общий объем, м³.
    Для большинства растительных продуктов £к = 0,35—0,47.
    Плотность пищевых продуктов изменяется при нагревании и охлаждении, однако в численном выражении эго изменение незначительно.
    Рассмотрим изменение плотности сырого фарша сосисок при нагревании и охлаждении (табл. 1.3). Химический состав фарша: массовая доля белка 0,1225; жира — 0,2060; влаги — 0,6562; золы — 0,0224.


Таблица 1.3

Изменение плотности сосисок без оболочки в процессе охлаждения и нагревания

Температура, К 343    333  323   313    303     293     283 273  
р, кг/м3       1000   1021 1033  1041   1049   1057    1067 1074 
Температура, К 293     303     313     323     333     343  353  
р, кг/м3       1023,0 1016,6  1009,8  1003,0  996,2  989,4  982,6

    Существует и ряд эмпирических формул, позволяющих рассчитать плотность пищевых продуктов в зависимости от составляющих компонентов, основанный на использовании закона аддитивности.

14

1.3. Плотность

Далее приведены соответствующие соотношения для различных пищевых продуктов.
    Мясо и мясные продукты. Говядина. Говядина при Т > Т , где Т — криоскопическая температура, К. Плотность говядины зависит от массовых долей влаги w, жира Ж и температуры (табл. 1.4). Для сырой говядины = 272 К (w = 0,749), для вареной Т = 271 К (w = 0,546).

Таблица 1.4

Плотность говядины при Т = 273—303 К

Характеристика мяса      г, к   W, кг/кг р, кг/м3
I категории (Ж = 0,045)   273    0,727     ИЗО   
I категории (Ж = 0,040)   273    0,745     1077  
II категории            273-303  0,785     1064  
Жирное                    293     ---    960-980 
Обезжиренное              283    0,712     1090  

     Для определения плотности (в кг/м³) говядины предложены формулы:
    •  при 0,05 < Ж < 0,42 и Т= 273 К
                         р = 1070 - 119 ■ Ж;                    (1.7)
    •  при 0,10 < Ж < 0,50 и Т= 278 К
                         р = 1130- 130-Ж;                       (1.8)
    •  при 0,10 < Ж < 0,50 и Т= 298 К
                         р = 1120 - 145-Ж;                      (1.9)
    •  при 278 < Т< 303 К, постная
                         р = 1198 - 0,45 • Г;                   (1.10)
    •  при 271 < Т< 373 К, сырая (w = 0,593; Ж = 0,074)
                         р = 1152 - 0,22 • Т;                   (1.11)
    •  при 271 < Т < 373 К, сырая (w = 0,749; Ж = 0,025)
р = 1176 - 0,39 ■ Т-,                 (1.12)
    •  при 271 < Т< 373 К, вареная (w = 0,546; Ж = 0,012)
                         р = 1220 - 0,38 • Г;                   (1.13)
    •  при 303 < Т< 353 К, I сорт, I категория
р = 1306 - 0,8565 • Т.                (1.14)

15