Расчет теплофизических характеристик пищевых продуктов

Удельная теплоемкость – это количество теплоты, получаемое или теряемое единицей массы (кг) продукта для изменения температуры на 1 К без изменения своего агрегатного состояния:

(1.1)

где: Q – полученная или потерянная теплота, кДж; M – масса продукта, кг; ΔT – изменение температуры материала, К; C_p – удельная теплоемкость, кДж/(кг·К).

Удельная теплоемкость продукта зависит от его состава, влагосодержания, температуры и давления. Удельная теплоемкость продукта возрастает с увеличением его влагосодержания. Удельная теплоемкость газа при постоянном давлении С_р больше, чем его удельная теплоемкость при постоянном объеме С_v. В большинстве случаев используется удельная теплоемкость при постоянном давлении С_р, поскольку давление, как правило, является постоянной величиной.

Для процессов, где имеет место изменение агрегатного состояния пищевых продуктов, применяется истинная удельная теплоемкость. Истинная удельная теплоемкость объединяет теплоту, затрачиваемую на изменение агрегатного состояния и физическую теплоту (энтальпию).

Значения удельной теплоемкости определяют экспериментально или эмпирически.

Для мяса с влагосодержанием в диапазоне 26-100% и фруктовых соков с влагосодержанием выше 50% предложено следующее уравнение для расчета удельной теплоемкости:

С_р=1,675+0,025ω, (1.2)

где ω – влагосодержание, %.

Для продуктов с известным составом удельная теплоемкость может быть определена по уравнению:

С_р=1,424т_у+1,549т_б+1,675т_ж+0,837т_з+4,187т_в (1.3)

где: т_у, т_б, т_ж, т_з, т_в – массовые доли углеводов, белков, жиров, золы и влаги, соответственно.

Единица измерения удельной теплоемкости – кДж/(кг·К), она эквивалентна кДж/(кг·⁰С), т.к. 1К=1⁰С.

Теплопроводность продукта означает количество теплоты, которое проводится в единицу времени через единицу толщины материала, если через эту толщину существует градиент единицы температуры.

В системе СИ теплопроводность λ:

Теплопроводность большинства высоковлажных продуктов имеет значения, близкие к теплопроводности воды. Значения теплопроводности определяются экспериментальным путем и по следующим уравнениям регресии, разработанных Sweat [3,4].

Для фруктов и овощей с влагосодержанием более чем 60%:

λ=0,418+0,00493ω (1.4)

где ω – влагосодержание, %.

Для мяса с температурой 0-60 ⁰С и влагосодержанием 60-80%:

λ=0,080+0,0052ω (1.5)

Для мяса с температурой от -40 до -5 ⁰С и влагосодержанием 65-85%:

λ=0,28+0,0019ω-0,0092Т (1.6)

Температуропроводность а - это соотношение таких величин, как теплопроводность λ, плотность ρ и удельная теплоемкость С_р:

(1.7)

Единица измерения температуропроводности: .

Температуропроводность может быть подсчитана подставлением значений теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости в уравнение (1.7). Уравнение для расчета температуропроводности:

(1.8)

где n - число компонентов, a_i – температуропроводность i-го компонента; x_i – массовая доля каждого компонента.

Задача 1.

Определите удельную теплоемкость условного продукта со следующим составом: углеводы 40%, белки 20%, жиры 10%, зола 5%, влага 25%.

Исходные данные:

т_у=0,4 т_б = 0,2 т_ж=0,1 т_з =0,05 т_в =0,25

Решение:

Так задан химический состав продукта, для расчета теплоемкости нужно использовать уравнение (1.3).

С_р=(1,424×0,4)+(1,549×0,2)+(1,675×0,1)+(0,837×0,05)+(4,187×0,25)=214 кДж/(кг·К).

Задача 2.

Определить теплопроводность гамбургера из говядины с влагосодержанием 64,5%.

Исходные данные:

ω=64,5%

Решение:

Используем уравнение (1.5), которое рекомендовано для мяса:

λ=0,080+0,0052ω=0,080+0,0052×64,5= 0,4154 Вт/(м·К)

Литература

1. R. Paul Singh, Dennis R. Heldman. Introduction to Food Engineering // Elsevier, Fourth Edition, 2009, 841 p.

2. P.G. Smith. Introduction to Food Process Engineering / Second Edition©/Springer Science+Business Media, LLC 2011 – 510 p.