Охлаждение – процесс понижения температуры пищевых сред (но не ниже криоскопической) с целью задержания биохимических процессов и развития микроорганизмов. Это один из основных способов холодильного консервирования продуктов без изменения их структурного состояния. По принципу переноса теплоты способы охлаждения подразделяются на три группы:
– путем конвекции (охлаждение в воздухе продуктов, упакованных в непроницаемые искусственные или естественные оболочки, а также в жидких средах);
– в результате фазовых превращений (интенсивное испарение части содержащейся в продукте воды при его вакуумировании);
– смешанным теплообменом (передача теплоты осуществляется конвекцией, радиацией и за счет теплообмена при испарении влаги с поверхности продукта).
Замораживание – процесс понижения температуры ниже криоскопической на 10…30 °С, сопровождаемый переходом почти всего количества содержащейся в продукте воды в лед. Способы замораживания (контактные и бесконтактные) подразделяются на четыре группы:
– замораживание в кипящем хладагенте;
– замораживание в жидкостях как промежуточных хладоносителях;
– замораживание в воздухе как промежуточном хладоносителе;
– самозамораживание (испарительное).
Процесс охлаждения пищевых продуктов условно рассматривается как отвод теплоты от тела, в котором отсутствуют внутренние источники теплоты. В этом случае количество теплоты, отводимой от продукта при охлаждении Q (кДж), представляется как произведение массы продукта G (кг) на его удельную теплоемкость с0 [кДж/(кг×К)] и на разность начальной t1 и конечной t2 (°С) среднеобъемных температур
.
Практически удобно пользоваться таблицами или диаграммами энтальпий пищевых продуктов и определять отводимую теплоту как произведение массы продукта на разность начальной i1 и конечной i2 (кДж/кг) удельных энтальпий
.
При охлаждении мяса, птицы, молока, рыбы, плодов и овощей в них протекают биохимические экзотермические процессы. Внутренние тепловыделения q (кДж/кг) могут составлять до 10 % для животных и до 30 % для растительных продуктов от общего количества отводимой при охлаждении теплоты.
Влияние испарения и конденсации на теплоту охлаждения учитывают в том случае, когда капельно-жидкая влага испаряется с поверхности продукта в воздух при удельной теплоте испарения rи (кДж/кг), а пары из воздуха конденсируются на поверхности охлаждающих приборов при удельной теплоте конденсации rк (кДж/кг), причем rи > rк. Тепловой эффект этого явления наиболее значителен, если конденсирующаяся влага замерзает, образуя так называемую «снеговую шубу». Если, охлаждаясь, испаряется Gи (кг) влаги, то относительная потеря влаги продуктом (усушка) составляет . Тогда за счет разницы теплот конденсации и испарения охлаждающее оборудование должно будет воспринимать теплоту, которая не была отведена от продукта,
.
Учитывая внутренние тепловыделения продукта и тепловой эффект испарения – конденсации при охлаждении продуктов, общее количество теплоты Q (кДж), отводимое при охлаждении продуктов в воздух, определяется как
.
Теплота, отводимая от продукта при его замораживании, представляет собой расход холода на замораживание. Обычно в морозильное устройство помещается продукт, начальная температура t1 (°С) которого выше, а конечная t2 (°C) ниже криоскопической tкр (°С) в любой его точке. Этот интервал изменения температуры продукта включает в себя охлаждение его от начальной температуры до криоскопической и собственно замораживание, характеризуемое льдообразованием.
Охлаждение и льдообразование не разделяются во времени. Когда в периферийных слоях продукта уже началось льдообразование, центральные слои еще продолжают охлаждаться.
Теплота, отводимая от замораживаемого продукта, равна
,
где сл – удельная теплоемкость продукта до льдообразования, кДж/(кг×К); rл – удельная теплота льдообразования, кДж/кг; W – относительное содержание влаги в продукте, кг/кг; w – удельная масса вымороженной воды, кг/кг; с3 – удельная теплоемкость замороженного продукта, кДж/(кг×К).
Сумма в прямых скобках этой формулы представляет собой теплоту, отводимую от единицы массы продукта. Первое слагаемое выражает теплоту охлаждения, второе – теплоту льдообразования, третье – теплоту, отводимую для понижения температуры до t2.
Криоскопическую температуру (начала замерзания пищевого продукта) на основании уравнения Рауля для разбавленных растворов можно записать в виде
,
где К – криоскопическая константа растворителя; тt – молярная концентрация раствора в исходном продукте до замораживания; Gp – масса растворенных веществ, кг; Gв – общая масса воды в продукте, кг; m – средняя молекулярная масса растворенных веществ.
При температуре ниже tкр происходит вымораживание воды, вследствие чего концентрацию раствора т и температуру замерзания t3 можно представить в виде
,
где Gл – масса льда при данной температуре, кг.
Масса вымороженной воды равна
.
При t3 = tкр масса вымороженной воды равна w = 0, а при эвтектической температуре tэ, когда вся вода вымораживается, должно соблюдаться равенство w = 1.
Продолжительность процессов охлаждения и замораживания зависит от теплофизических характеристик продуктов, условий теплообмена и др.
Продолжительность охлаждения определяют путем интегрирования дифференциального уравнения теплопроводности для тел простых стереометрических форм – пластины, цилиндра и шара. Решения представляются в виде функциональных зависимостей
,
где Q – относительная (безразмерная) избыточная температура; tн, tк – соответственно начальная и конечная температуры тела, °С; t0 – температура охлаждающей среды, °С; tн – начальная температура тела, °С; Bi = (аl)/l – число Био; F0 = (аt)/l2 – число Фурье; x = x/l – число геометрического подобия; f – коэффициент теплоотдачи на поверхности тела, Вт/(м2×К); l – характерный линейный размер (для пластины – половина толщины, для цилиндра и шара – радиус), м; l – коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м×К); а – коэффициент температуропроводности продукта, м2/с; х – координата исследуемой точки.
Продолжительность охлаждения t (с) рассчитывают
.
Для анализа тепло- и массообмена при охлаждении пищевых продуктов используют закон регулярного теплового режима, заключающийся в том, что скорость охлаждения в любой точке охлаждаемого тела пропорциональна разности температур этой точки и охлаждающей среды
,
где t и t0 – соответственно температура тела и среды, °С; т – темп охлаждения (зависит от формы и размеров охлаждаемого тела, его теплофизических свойств и от коэффициента теплоотдачи на поверхности тела), с–1.
Приняв избыточные температуры как и , зависимость регулярного режима можно представить в виде
.
Выражение для определения длительности охлаждения после интегрирования имеет вид
.
Процесс замораживания рассматривается как изотермический с удельной теплотой, равной теплоте льдообразования. Теплофизические характеристики замороженной части объекта принимаются постоянными, не зависимыми от температуры, а теплоемкость замороженной части принимается равной нулю. Предполагается, что процесс замораживания происходит при постоянных температуре среды и коэффициенте теплоотдачи.
Продолжительность двустороннего замораживания плоскопараллельной пластины с учетом указанных допущений имеет следующий вид:
,
где rл – удельная теплота льдообразования, Дж/кг; r – плотность продукта, кг/м3; tкр – криоскопическая температура продукта, °С; t0 – температура теплоотводящей среды, °С; d – толщина пластины, м; l3 – коэффициент теплопроводности замороженного продукта, Вт/(м×К); a – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2×К).
