Расчет теплофизических характеристик и количества холода, необходимого для охлаждения

Наиболее важными для холодильной технологии теплофизическими характеристиками (ТФХ) являются: с – удельная теплоемкость, кДж/(кг·К); l – теплопроводность, Вт/(м·К); а – температуропроводность, м²/с; i – энтальпия, кДж/кг.

Удельная теплоемкость изменяется в довольно широких пределах в зависимости от вида продукта. При расчете холода, затрачиваемого на охлаждение, обычно принимают среднее значение удельной теплоемкости, которое рассчитывают или берут из соответствующих таблиц. Если считать пищевые продукты двухкомпонентными смесями, содержащими W частей воды и (1 – W) частей сухих веществ с соответствующими удельными теплоемкостями, то удельная теплоемкость продукта с₀

(12)

где с_w – теплоемкость воды, с_w = 4,19 кДж/(кг·К); c_c – теплоемкость сухих веществ, c_c = 1,42 кДж/(кг·К) – для продуктов животного происхождения, c_c = 0,91 кДж/(кг·К) – для продуктов растительного происхождения; W – содержание воды в продукте, кг/кг.

Таким образом, чем больше воды в продукте, тем больше его теплоемкость.

Теплопроводность λ также зависит от химического состава продукта. Ее значения можно взять из справочника или приближенно рассчитать по различным эмпирическим формулам.

При температурах от 0 до 30 °С значения с и l изменяются несущественно.

Температуропроводность а определяется по формуле:

(13)

где с₀ – удельная теплоемкость продукта, кДж/(кг·К); l₀ – теплопроводность продукта, Вт/(м·К); r – плотность продукта, кг/м³.

Удельная энтальпия – количество тепла, содержащегося в единице массы продукта. При элементарном изменении температуры Dt (°С) приращение удельной энтальпии Di есть удельная теплота изобарного процесса:

(14)

Итак, процесс охлаждения заключается в отводе теплоты от тела, имеющего высокую температуру, к телу с более низкой температурой.

Интенсивность теплоотвода от продукта при охлаждении прямо пропорциональна величине коэффициента теплоотдачи, удельной поверхности продукта и разности температур продукта и охлаждающей среды. Наиболее интенсивным теплоотвод будет в первый период охлаждения, когда Dt имеет максимум. Отсюда следует, что для обеспечения высокой скорости процесса охлаждения необходимо поддерживать как можно более низкую температуру охлаждающей среды, которая практически может быть для большинства продуктов не ниже минус 3 °С во избежание возможного льдообразования в поверхностных тканях охлаждаемого продукта. В связи с этим лучшими охлаждающими средами являются: лед из морской воды, морская вода или солевой раствор (2-4 % поваренной соли), имеющие температуру, близкую к минус 3 °С, а также льдосолевая смесь (4-6 % поваренной соли к массе льда). Применение этих сред позволяет быстро и глубоко охладить продукты, сохранив их качество.

Интенсифицировать процесс охлаждения можно за счет увеличения коэффициента теплоотдачи a. Величина a зависит от вида охлаждающей среды и условий процесса охлаждения. Охлаждающие среды в состоянии покоя имеют следующие значения a: воздух 4,6-9,3; водный лед 116; жидкость 230-250 Вт/(м²·К). Значения a значительно возрастают при циркуляции охлаждающей среды. Например, для жидкости в зависимости от скорости циркуляции a может возрастать до 550 Вт/(м²·К).

Коэффициент теплоотдачи α, Вт/(м²·К) для воды принимают в соответствии со скоростью ее движения: v = 0,0 м/с – α = 230 Вт/(м²·К); v = 0,2 м/с – α = 430 Вт/(м²·К).

Скорость охлаждения максимальна при использовании циркулирующих жидких сред и минимальна при охлаждении в воздухе. Промежуточное значение занимает способ охлаждения льдом.

Количество тепла Q₀ (в кДж), выделенное продуктом при его охлаждении от начальной температуры t_n до конечной среднеобъемной температуры охлаждения t_v, упрощенно определяют по формуле (15) или (16)

(15)

(16)

где Q₀ – расход холода на охлаждение продукта, кДж; G – масса охлаждаемого продукта, кг; с₀ – удельная теплоемкость продукта, кДж/(кг·К); t_n – t_v = Dt – соответственно разница между начальной t_n и конечной среднеобъемной t_v температурой продукта, ºС; t_с – температура охлаждающей среды, ºС; θ_v – безразмерная среднеобъемная температура.

В процессе охлаждения скорость понижения температуры продукта – величина переменная, уменьшающаяся по мере снижения температуры объекта. В связи с этим количество тепла, выделяемое продуктом, будет максимальным в начале процесса и минимальным в конце; соответственно изменяется и тепловая нагрузка на охлаждающие устройства (или количество тепла, воспринимаемое приборами охлаждения).

Продукт охлаждается в результате отдачи теплоты в окружающую среду. Количество тепла, выделяемое 1 кг продукта при его охлаждении в любом заданном интервале температурq₀ (кДж/кг), легко определяется также по разности энтальпий

(17)

Общее же количество тепла Q₀ (в кДж) при охлаждении G кг продукта будет составлять

(18)

В приведенных формулах i_n– энтальпия продукта при t_n, кДж/кг; i_v – энтальпия продукта при t_v или какой-либо иной промежуточной температуре, кДж/кг; q₀ –количество тепла, выделяемое 1 кг продукта при охлаждении от t_n до t_v, кДж/кг.

Значения энтальпии берут из соответствующих таблиц (приложение В).

Среднеобъемной температурой тела, температурное поле которого непостоянно, называется температура, которая может быть достигнута, если объект поместить в адиабатные условия:

(19)

где t_v – среднеобъемная температура, °С; t_z – конечная температура в центре продукта, °С; t_p – конечная температура на поверхности продукта, °С; Y – коэффициент, определяемый формой тела: при охлаждении в воздухе Y для пластины равен 1/3, цилиндра – 1/2, шара – 3/5; при охлаждении в жидкости Y для пластины равен 1/4, цилиндра – 2/5, шара – 1/2.

При линейном распределении температур среднеобъемная температура пластины приближенно может быть найдена как средняя арифметическая температура поверхности и центра продукта:

(20)

Знание среднеобъемной температуры продукта важно с практической точки зрения. Например, когда продукт после охлаждения направляют в камеру холодильного хранения, то это не должно вызывать повышения или понижения температуры в камере. Поэтому обязательным условием является соответствие среднеобъемной температуры продукта температуре воздуха в камере хранения.