Газообразная охлаждающая среда.
В холодильной обработке и хранении продовольственных товаров распространение по-лучила воздушная среда как наиболее безопасная, технологичная и экономичная.
В комбинации с воздухом в качестве газовой охлаждающей среды на практике приме-няют также диоксид углерода, азот, модифицированную и регулируемую газовую сре-ду.
Атмосферный воздух— это базовая смесь сухого воздуха и водяных паров. В состав сухого воздуха входят азот (78 %), кислород (21 %), углекислый газ (0,02 — 0,03%), а также аргон, неон, гелий, водород. Количество водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, может колебаться от долей грамма до нескольких десятков граммов, что зави-сит от его температуры. Водяной пар в 1,6 раза легче воздуха.
Основными физическими величинами, характеризующими воздух как охлаждающую среду, являются температура, относительная влажность, парциальное давление насы-щенных паров, скорость движения воздуха.
Температура —термодинамическая величина,характеризующая тепловое состояниетела и определяющая степень его нагретости. Прямо пропорциональна кинетической энергии теплового движения молекул.
Относительная влажность воздуха характеризует степень его насыщения водянымипарами и измеряется как отношение количества водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, к максимальному количеству водяного пара, которое может содержаться в этом объеме при той же температуре. Относительную влажность выражают в процен-тах или относительных единицах.
Большинство продуктов животного и растительного происхождения содержит значи-тельное количество воды, причем до 90 % ее находится в свободном виде в межклеточ-ных пространствах и в составе ткани в виде мельчайших капель. Такая вода легко уда-ляется из продукта и так же легко поглощается им, поэтому в камерах холодильной об-работки и хранения воздух имеет высокую относительную влажность. Она устанавли-вается в зависимости от соотношения влагопритоков от продуктов, через ограждения, дверные проемы и влагоотвода (конденсации) на охлаждающих приборах.
С повышением температуры воздуха увеличивается его влагоудерживающая способ-ность. Поскольку вне камеры температуры обычно выше, то содержание влаги и пар-циальное давление также более высокие. Под действием разности парциальных давле-ний поток влаги через ограждающие конструкции направлен внутрь камер, а холодный воздух, содержащий меньшее количество водяных паров, — наружу. Соотношение ко-личества влаги, поступившей в камеры вместе с теплым воздухом и ушедшей с холод-ным, определяет величину тепло- и влагопритока.
При естественных условиях парциальное давление насыщенных паров над поверхно-стью продуктов, как правило, выше, чем в воздухе холодильной камеры , что вызывает перенос влаги от продукта к воздуху и потерю массы продукта (усушку).
Перенос влаги вследствие испарения зависит и от скорости движения воздуха . При контакте с приборами охлаждения воздух, насыщенный водяными парами, отдает часть влаги, которая оседает на них в виде капель или инея. Процесс этот носит постоянный характер. Соотношение между количеством влаги, поступившей к воздуху в камере и отданной воздухом теплоотводящим охлаждающим поверхностям, определяет устано-вившееся значение относительной влажности воздуха в камере.
Масса испарившейся влаги G, кг , может быть определена по разности парциальных давлений у поверхности продукта и в окружающей среде:
| G =β (P – P'φ) Fτ, | (8.1) |
где β — коэффициент испарения, кг/(м2·Па·с); Р — парциальное давление насыщенного пара у поверхности продукта, Па; Р' — парциальное давление насыщенного пара в ок-ружающей среде, Па; φ — относительная влажность воздуха в холодильной камере; F
— площадь испаряющейся поверхности,м2; τ —продолжительность процесса испаре-ния, с.
В камерах длительного хранения продуктов поддерживают оптимальное значение от-носительной влажности путем автоматического регулирования количества водяного пара, подаваемого в камеру.
Газообразный диоксид углерода может применяться при всех методах холодильной об-работки, а также в сочетании с другими методами консервирования.
При атмосферном давлении диоксид углерода тяжелее воздуха, он имеет меньшую удельную теплоемкость — соответственно 0,837 и 1,0006 кДж/(кг·К) и коэффициент теплопроводности соответственно 0,0137 и 0,0242 Вт/(м·К). Плотность сухого льда 1,4—1,5 кг/дм3, а объемная холодопроизводительность — в три раза выше, чем водяно-го. При помощи диоксида углерода можно получить широкий диапазон температур, а в смеси с эфиром до -100°С.
На диаграмме равновесия фаз диоксида углерода видны три линии, выходящие из од-ной точки а, называемой тройной. При параметрах, соответствующих этой точке (Р = 5,28 • 10-5 Па, t= -56,6 °С), диоксид углерода может находиться сразу в трех состояни-ях, а ниже 5,28 · 10-5 Па — только в твердом и газообразном. Это означает, что если к твердому диоксиду углерода подвести теплоту при давлении, меньшем указанного, то он перейдет в газообразное состояние, минуя жидкую фазу (сублимация). При дроссе-лировании диоксида углерода с давления 2—3 МПа до атмосферного можно получить струю газообразной и мелкодисперсной (в виде снега) смеси температурой -79 °С. При разбрызгивании ее в камере и на продукты дополнительно создается сильная циркуля-ция и за счет испарительного эффекта отводится теплота, что способствует ускорению охлаждения. Диоксид углерода тормозит развитие микроорганизмов, что способствует созданию консервирующего эффекта при хранении продуктов. Степень его воздействия зависит от концентрации, температуры среды и вида микроорганизмов.
Холодильное хранение продуктов в сочетании с диоксидом углерода задерживает раз-витие плесневых грибов, бактерий, а эффективность процесса хранения определяется его температурой. Консервирующее действие диоксида углерода усиливает поваренная соль. Кроме того, он обладает хорошей растворимостью в жирах и продуктах с высо-ким содержанием жира, где находится в свободном состоянии, а при перемещении продукта в обычную среду легко выделяется. Растворяясь в жире, диоксид углерода вытесняет из него кислород, что способствует замедлению окисления жира при дли-тельном хранении.
Перспективно применение диоксида углерода для замораживания мяса в полутушах, охлаждения и замораживания мяса после обвалки в парном виде, охлаждения и замо-раживания мяса птицы, замораживания полуфабрикатов и формования фаршевых изде-лий, упаковки продуктов в среде диоксида углерода, охлаждения транспортных средств, реализации мороженого и т.д.
Газообразный азот для охлаждения и замораживания продуктов получают из жидкогоазота, который хранится в специальных резервуарах при давлении несколько выше ат-мосферного. Жидкий азот имеет температуру кипения -195,8 °С и в газообразном виде позволяет понижать температуру в охлаждаемом объеме очень быстро и в широком диапазоне. Поскольку воздух на 78 % состоит из азота, физические свойства этих газов различаются мало. Так, азот имеет несколько меньшие плотность и коэффициент теп-лопроводности, а теплоемкость выше. Теплота фазового превращения примерно в три раза ниже , чем у диоксида углерода. При охлаждении продуктов средний расход газо-образного азота составляет 1 — 1,2 кг на 1 кг продукта, а с учетом сравнительно высо-кой стоимости его применяют для хранения особо ценных Продовольственных товаров (либо при отсутствии энергии). В тоже время его применение достаточно эффективно при предварительном охлаждении плодов и транспортировании безмашинным холо-дильным транспортом. При охлаждении, транспортировании I и хранении продуктов принимают меры для предотвращения подмораживания. С этой целью газ низкой тем-пературы в специальном резервуаре перемешивают с газом из охлаждаемого помеще-ния, понижая его температуру до необходимой. При использовании газообразного азо-та, так же как и диоксида углерода, резко сокращается содержание кислорода, что тор-мозит развитие микроорганизмов и окислительные процессы.
Жидкая охлаждающая среда.
В качестве жидких охлаждающих сред для охлаждения продуктов используют ледяную воду и слабые солевые растворы, а для замораживания — водные растворы солей вы-сокой концентрации, гликоли, жидкие азот, диоксид углерода и воздух, хладоны и т.д.
Жидкие среды обладают большей теплопроводностью и теплоемкостью, чем газооб-разные, поэтому при их применении существенно сокращается продолжительность хо-лодильной обработки продуктов.
Для охлаждения продуктов до температуры, близкой к 0°С, применяют чистую ледяную воду. Охлаждают продукты методами погружения или орошения.Эти способы доста-точно эффективны для охлаждения птицы, рыбы, плодов.
Более низкие температуры можно получить при использовании слабых солевых рас-творов — морской воды и слабых растворов хлорида натрия,магния,кальция.Темпе-ратура замерзания морской воды в зависимости от содержания в ней солей колеблется от -1,5 до -3 °С. Лучшие результаты дает добавление льда в холодную воду.
Продолжительность охлаждения в холодной воде зависит от вида и объема продукта, температуры воды, скорости ее циркуляции и составляет от нескольких минут до не-скольких часов.
Для замораживания продуктов применяют водные растворы солей высокой концен-трации. При повышении концентрации соли температура их замерзания понижается.Самая низкая температура их замерзания называется криогидратной, а соответствую-щая концентрация соли — эвтектической. Такое состояние является следствием термо-динамического равновесия трех фаз — раствора, соли и льда. С дальнейшим повыше-нием содержания соли в смеси температура плавления не понижается, а повышается.
На практике применяют водные растворы солей хлорида натрия, магния и кальция, ко-торые при эвтектической концентрации имеют минимальную температуру замерзания
— соответственно -21,2, -33,6 и -55 °С. Ограниченно используют также растворы суль-
фата натрия, цинка и хлорида калия, криогидратная температура которых составляет соответственно -1,2, -6,5 и -11,1 °С.
Хлорид натрия дешев, обладает высокой теплопроводностью, но имеет большую кор-розионную способность , при замораживании неупакованных продуктов частично их просаливает ; к тому же он весьма токсичен , что ограничивает применение растворов этих солей. Как правило, их используют в закрытых системах охлаждения, которые меньше подвержены коррозии благодаря более низкому содержанию кислорода и при-менению специальных добавок — пассиваторов (силикат натрия, хромовая смесь и др.), уменьшающих коррозию. Наибольшее применение они находят в безмашинных способах охлаждения холодоаккумуляторами с эвтектическим раствором (эвтектиче-ские плиты) на холодильном транспорте, а также при рассольном охлаждении в старых системах охлаждения больших холодильников.
Гликоли —жидкости,водные растворы которых имеют низкую температуру замерза-ния. Гликоли менее агрессивны по отношению к металлам, но более вязки и менее теп-лопроводны. Этиленгликоль слабо ядовит, без запаха, смешивается с водой в любых соотношениях, температура замерзания чистого этиленгликоля -17,5°С, а его 70%-ного раствора в воде -67,2°С. Пропиленгликоль в водных растворах не взаимодействует с металлами, нетоксичен. Эти хладоносители очень эффективны для быстрого заморажи-вания продуктов небольшой массы в упакованном виде.
Для замораживания продуктов до -40 °С можно использовать также дихлорметан, представляющий собой бесцветную жидкость, почти нерастворимую в воде, с темпера-турой замерзания -6°С. К его недостаткам относятся небольшая теплоемкость и горю-честь.
Жидкий азот применяют для замораживания особо ценных продуктов орошением илипогружением, а также для получения газообразного азота и его использования в смеси с воздухом. Температура кипения жидкого азота -195,6°С, поэтому между заморажива-емым продуктом и охлаждающей средой создается большой температурный перепад, что значительно интенсифицирует процесс. Аналогично используют жидкие диоксид углерода, воздух, хладоны.
Твердая охлаждающая среда.
К твердым охлаждающим средам относят водный лед, смесь льда и соли (льдосоляное охлаждение), сухой лед.
Водный лед, полученный из пресной и морской воды,используют для охлаждения,хра-нения и транспортирования продуктов питания.
Широкое применение льда в качестве охлаждающей среды объясняется прежде всего его физическими свойствами, а также экономическими факторами. Температура плав-ления водного льда при атмосферном давлении 0 °С, удельная теплота плавления 334,4 Дж/кг, плотность 0,917 кг/м3, удельная теплоемкость 2,1 кДж/(кг • К), теплопровод-ность 2,3 Вт/(м · К). При переходе воды из жидкого состояния в твердое (лед) происхо-дит увеличение объема на 9 %.
Естественный лед заготавливают путем вырезания или выпиливания крупных блоков изо льда, образовавшегося на естественных водоемах, послойного намораживания воды на горизонтальных площадках, наращивания сталактитов в градирнях. (Особым спро-сом для пищевых целей пользуется гренландский и антарктический лед как наиболее чистый. Возраст гренландского льда более 100 000 лет.) Лед хранят на площадках в буртах, укрытых насыпной изоляцией, и в льдохранилищах с постоянной и временной теплоизоляцией.
Искусственный лед получают путем замораживания чистой пресной или морской воды в льдогенераторах. Качество льда, его форма, размер и способ получения, хранения и доставки потребителю обусловлены назначением и спецификой применения.
Матовый лед изготавливают из питьевой воды без какой-либо ее обработки в процессе замораживания. В отличие от естественного он имеет молочный цвет, обусловленный наличием большого количества пузырьков воздуха, которые образуются в процессе превращения воды в лед. Пузырьки уменьшают проницаемость льда для световых лу-чей, и он становится непрозрачным.
Прозрачный лед по виду напоминает стекло. Для его получения в форму наливают воду
и при помощи форсунок продувают через нее сжатый воздух. Проходя через заморажи-ваемую воду, он захватывает и увлекает за собой пузырьки воздуха. Прозрачный лед изготавливают в виде кусков небольших размеров и используют для охлаждения на-питков.
Лед с бактерицидными добавками предназначен для охлаждения рыбы, мяса, птицы и некоторых видов овощей путем непосредственного соприкосновения с ними. Бактери-цидные добавки снижают обсемененность продуктов микроорганизмами.
В зависимости от формы и массы искусственный лед бывает блочный (5 — 250 кг), чешуйчатый, прессованный, трубчатый и снежный.
Блочный лед дробят на крупный, средний и мелкий.
Чешуйчатый лед получают путем напыления воды на вращающийся барабан, плиту или цилиндр, являющиеся испарителями хладагента. Вода на поверхности барабана быстро замерзает, а образовавшийся лед при его вращении срезается фрезами или ножом. Льдогенераторы производят от 60 до 5000 кг/сут такого льда. Чешуйчатый лед эффек-тивен при охлаждении рыбы, мясных изделий, зеленых овощей, некоторых плодов. Наибольший коэффициент теплоотдачи достигается, когда при охлаждении продукты плотно соприкасаются со льдом.
В результате смешивания дробленого водного льда с различными солями помимо теп-лоты таяния льда поглощается теплота растворения соли в воде, что позволяет сущест-венно понизить температуру смеси. Раствор может быть охлажден до криогидратной точки.
Льдосоляное охлаждение осуществляют как контактным,так и бесконтактным спосо-бом.
Недостатком контактного льдосоляного охлаждения является просаливание продукта, которое при длительном хранении стимулирует окисление жира, вызывает снижение товарного вида и потребительских достоинств. Бесконтактное льдосоляное охлаждение в виде полых плит с эвтектическими растворами позволяет избежать этих недостатков. Сухой лед — твердый диоксид углерода.Производство сухого льда состоит из трех по-следовательных стадий: получения чистого газообразного диоксида углерода, сжиже-ния его до образования снегообразной массы и прессования последней блоками плот-ностью 1400— 1500 кг/м3. Различают его производство по циклу высокого, среднего и низкого давлений.
Сухой лед из жидкого диоксида углерода также получают двумя способами: дроссели-рованием жидкого диоксида углерода по давлению тройной точки с последующим прессованием рыхлого влажного снега в блоки сухого льда; дросселированием до атмо-сферного давления с уплотнением блока льда в процессе льдообразования. Как охлаж-дающая среда он имеет значительные преимущества перед водным льдом: холодопро-изводительность на единицу массы в 1,9, а на единицу объема в 7,9 раза больше; при атмосферном давлении сухой лед переходит в газообразное состояние-, минуя жидкую фазу, что исключает увлажнение поверхности продукта. Благодаря низкой температуре сублимации сухого льда (-78,9 °С) и выделению газообразного диоксида углерода по-нижается концентрация кислорода у поверхности продукта, создаются неблагоприят-ные условия для жизнедеятельности микроорганизмов.
Сухой лед укладывают поверх и между упаковок продуктов и используют как охлаж-дающую среду для хранения мороженого, фруктов, ягод. Сухой дробленый лед исполь-
зуют в специальных системах охлаждения, для чего его помешают в металлические ем-кости. Продукты сублимации льда отводят в грузовой объем помещения или наружу. Прямым эжектированием жидкого диоксида углерода получают твердый гранулиро-ванный, или снегообразный, диоксид углерода, который используют для охлаждения упакованных продуктов (мясных, рыбных, овощных).
В многоплиточных и конвейерных морозильных аппаратах в качестве теплопередаю-щей среды используют различные металлы в виде полых плит, внутри которых цирку-лирует промежуточный хладоноситель. Металлы имеют высокую тепло- и температу-ропроводность и, непосредственно соприкасаясь с продуктом, интенсифицируют теп-лообмен. Наиболее широко применяют сталь, чугун, медь, алюминий и алюминиевые сплавы.
В качестве охлаждающей взвешенной в воздухе промежуточной теплопередающей среды при флюидизационном способе замораживания применяют мелкодробленый лед, полимерные шарики, а также композиции (например, смесь, состоящую из манной кру-пы, сахара, соли и мелкодробленого льда). Такая среда под воздействием направленно-го вверх с небольшой скоростью воздушного потока, создаваемого вентиляторами, превращается в кипящий слой, через который движется замораживаемый продукт. Та-ким способом замораживают ягоды, овощи, полуфабрикаты.
Вопросы для самоконтроля
1. Масса испарившейся влаги.
2. Газообразный диоксид углерода.
3. Газообразный азот.
4. водные растворы солей высокой концентрации.
5. Гликоли.
6. Жидкий азот.
7. Водный лед.
8. Льдосоляное охлаждение.
9. Сухой лед.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
3. Расщепкин А.Н., Ермолаев В.А., Кемеровский Теплообменные аппараты низкотемпературной техники. [Электронный ресурс] 2012 URL: http://www.iprbookshop.ru/14393.html (Дата обращения: 23.09.2013).
4. Буянов О.Н.,Воробьёва Н.Н.,Усов А.В. Холодильное технологическое оборудование [Электронный ресурс] 2009 URL: http://www.iprbookshop.ru/14401.html (Дата обращения: 23.09.2013).
Дополнительная
4. Большаков С.А. Холодильная техника и технология продуктов питания. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 304 с.
5. Курылев Е.С., Оносовский В.В., Румянцев Ю.Д. Холодильные установки. – СПб.: Политехника, 2002. – 576 с.
6. Куцакова В.Е. и др. Примеры и задачи по холодильной технологии пищевых продуктов. – М.: Колосс, 2003. – 240 с.
Лекция 9