Тепловая нагрузка при термообработке продуктов
Тепло, которое надо отнять от продукта, равно произведению массы на разность энтальпий: Q = m · (h₁ − h₂) / τ; для заморозки в разность входит теплота кристаллизации воды.
Содержание
Этот вид тепловой нагрузки является следствием того, что почти всегда температура закладываемых в холодильную камеру продуктов выше температуры в камере. Следовательно, продукты в течение определенного времени, пока их температура не сравняется с температурой внутри камеры, будут выделять в пространство внутри камеры определенное количество тепла.
Тепловая нагрузка, обусловленная понижением температуры заложенных в камеру продуктов до температуры хранения, определяется по формуле:
- где mпр — суточный грузооборот продуктов, кг/сутки;
- с1 — средняя удельная теплоемкость в интервале температур от t1 до t2 для каждого типа закладываемых продуктов, кДж/кг;
- t1 — начальная температура закладываемых продуктов, °C;
- t2 — температура верхней точки замерзания закладываемых продуктов, °C;
- L — скрытая теплота замораживания закладываемых продуктов, кДж /кг;
- с2 — средняя удельная теплоемкость в интервале температур от t2 до t3 для каждого типа закладываемых продуктов кДж/кг*К ;
- t3 — температура хранения продуктов, °C;
- 86400 — число секунд в сутках, с/сутки.
Таким образом, с1 является средней удельной теплоемкостью заложенных продуктов при температурах выше их точки замерзания, а с2 — средней удельной теплоемкостью этих продуктов при температурах ниже их точки замерзания.
Если в камеру закладываются разные продукты, вместо того, чтобы рассчитывать их тепловыделение по отдельности, можно вычислить средние удельные теплоемкости для всех в совокупности продуктов различных типов как до замерзания, так и после замерзания по формуле:
Когда камера предназначена только для охлаждения заложенных в нее продуктов без их замораживания, формула для расчета тепловой нагрузки от заложенных продуктов упрощается и принимает вид:
В случае, если продукт поступает в замороженном виде и хранится при температурах ниже температуры его замерзания, формула принимает вид:
В случае, если камера предназначена для заморозки продуктов за период времени меньше суток формула для расчета тепловой нагрузки от продуктов принимает вид:
- где mпр — масса продуктов, поступающих на термообработку, кг;
- n — время термообработки продуктов в часах.
Значения теплофизических характеристик продуктов, необходимые для расчета величины Qпрод, приведены в таблицах 1.1, 1.2, 1.3, 1.4.
Пример расчета
Взяв в качестве примера камеру для хранения замороженного мяса мы увидим, что оценка суточного грузооборота товара, выполненная в предыдущем пункте, дает нам значение этого грузооборота, равное 18 225 кг. Если допустить, что мясо при закладке на хранение имеет температуру −5 °C, а его средняя удельная теплоемкость равна 1,8 кДж/кг (данные таблицы 1.1) и температура хранения мяса −18 °C, то тепловая нагрузка от термообработки мяса определяется как:
Энтальпия мяса (ориентир)
| Процесс | Δh |
|---|---|
| +20 → +4 °C | ≈ 50 кДж/кг |
| +4 → −18 °C (заморозка) | ≈ 250–280 кДж/кг |
Смежная тема — в статье расчёт охлаждения чиллером.
Теплофизические данные продуктов для расчёта
Для расчёта нагрузки от продукта нужны четыре величины: теплоёмкость выше точки замерзания c1, теплоёмкость ниже неё c2, теплота замерзания L и температура начала замерзания tкр. Все они определяются в основном содержанием воды (60–75 % у мяса, 75–80 % у рыбы и картофеля, 83–88 % у плодов и молока, 15 % у масла): чем больше воды, тем выше c1 и L. Вода замерзает в продукте не при 0 °C, а при −0,5…−2,5 °C, и не вся сразу — к −18 °C в мясе остаётся 10–15 % незамёрзшей влаги, поэтому L для продуктов меньше, чем 334 кДж/кг для чистой воды, умноженные на долю воды.
| Продукт | c₁ / c₂, кДж/(кг·К) | L, кДж/кг | tкр, °C | |
|---|---|---|---|---|
| Говядина, свинина | 2,9–3,2 / 1,6–1,8 | 200–250 | −1,0…−1,7 | |
| Птица | 3,2–3,4 / 1,7–1,8 | 230–250 | −1,5…−2,8 | |
| Рыба | 3,4–3,6 / 1,8–1,9 | 250–270 | −1…−2 | |
| Яблоки, груши | 3,6–3,8 / 1,9–2,0 | 280–290 | −1,5…−2,0 | |
| Картофель | 3,4–3,5 / 1,8 | 250–270 | −0,7…−1,0 | |
| Молоко | 3,9 / 2,0 | 290 | −0,5 | |
| Масло сливочное | 2,1 / 1,3 | 50–55 | −2…−4 | |
| Хлеб | 35–45 | 2,5–2,8 / 1,4 | 110–130 | −3…−5 |
Полные таблицы — в статьях теплофизические свойства пищевых продуктов и теплоёмкость пищевых продуктов; для расчётов по разности энтальпий удобнее таблицы энтальпии, где все три слагаемых уже сложены.
Три этапа: охлаждение, замораживание, домораживание
Тепло, которое надо отнять от продукта при заморозке, складывается из трёх частей, и самая большая — средняя: охлаждение от начальной температуры до tкр (c1 · Δt), собственно замораживание (L) и домораживание до температуры хранения (c2 · Δt). Для говядины от +20 до −18 °C это примерно 68 + 230 + 28 ≈ 325 кДж/кг, и 70 % приходится на кристаллизацию воды. Поэтому камера хранения, куда мясо приходит уже замороженным до −5…−8 °C, получает от продукта в 5–10 раз меньше тепла, чем камера заморозки с тем же грузооборотом.
| Этап | Расчёт | кДж/кг | Доля |
|---|---|---|---|
| Охлаждение +20 → −1,5 °C | 3,2 · 21,5 | 69 | 21 % |
| Замораживание при −1,5…−5 °C | L | 230 | 71 % |
| Домораживание −5 → −18 °C | 1,7 · 13 | 22 | 7 % |
| Итого | ≈ 320 | 100 % |
Почему камеру заморозки считают по времени процесса, а не по суткам
Камера заморозки должна отвести всё тепло партии за время цикла, а не за сутки: 1 т говядины от +4 до −18 °C — это около 270 МДж, и при цикле 24 ч нагрузка составит 3,1 кВт, а при шоковой заморозке за 4 ч — уже 19 кВт на ту же тонну. Поэтому для скороморозильных камер в формулу подставляют не 86 400 с, а продолжительность цикла n в часах (формула выше), и холодильная машина получается в 5–10 раз мощнее, чем для камеры хранения такого же объёма. Нормы времени замораживания и режимы — в статьях технологии шоковой заморозки и замораживание мяса и продуктов животного происхождения.
Нагрузка от продукта за цикл
Q = m · Δh / (3600 · τ). Для хранения τ = 24 ч и m — суточный грузооборот; для камеры заморозки τ — время цикла.
Если заморозку ведут не воздухом, а в контактных плиточных аппаратах или в ваннах с рассолом, ту же нагрузку снимает чиллер для охлаждения гликоля с температурой хладоносителя −25…−35 °C; для охлаждения продукта от +20 до +4 °C (молоко, тесто, рыба перед переработкой) достаточно воды или гликоля +1…−5 °C, и на 4 т/ч молока нужен чиллер 70 кВт. Мощность под свой поток продукта считают через подбор чиллера.
Частые вопросы
Как посчитать нагрузку от охлаждения продукта?
Q = m · Δh / τ, где Δh — разность энтальпий продукта на входе и при температуре хранения, а τ — время: сутки для камеры хранения или длительность цикла для камеры заморозки. Для 18 т мяса в сутки, домораживаемого с −5 до −18 °C, получается около 5 кВт.
Почему заморозка требует много холода?
Нужно отвести теплоту кристаллизации воды — около 334 кДж на кг воды, или 200–290 кДж на кг продукта. Это 70 % всего тепла заморозки, тогда как охлаждение от +20 до точки замерзания даёт 20 %, а домораживание до −18 °C — меньше 10 %.
Сколько тепла нужно отвести, чтобы заморозить 1 т мяса?
Около 270–320 МДж при заморозке от +4…+20 до −18 °C: это 3,1–3,7 кВт при цикле 24 ч и 19–22 кВт при шоковой заморозке за 4 ч. Для рыбы и плодов с большей влажностью — на 10–15 % больше.
Какая теплоёмкость у мяса до и после замерзания?
Выше точки замерзания 2,9–3,2 кДж/(кг·К), ниже — 1,6–1,8 кДж/(кг·К): замёрзшая вода (лёд) имеет вдвое меньшую теплоёмкость. Температура начала замерзания мяса −1,0…−1,7 °C.
При какой температуре замерзает продукт?
При −0,5…−2,5 °C в зависимости от содержания солей и сахаров: молоко −0,5 °C, мясо −1…−1,7 °C, рыба −1…−2 °C, яблоки −1,5…−2 °C. Вода вымерзает постепенно: к −18 °C в мясе остаётся 10–15 % незамёрзшей влаги.
Читайте также