Цель лабораторной работы: изучить процесс замораживания рыбы различными способами, сделать выводы об их сравнительной эффективности, о влияющих на продолжительность и скорость замораживания факторах.
Задания:
1. Провести замораживание рыбы различными охлаждающими средами.
2. Построить экспериментальную температурную кривую замораживания рыбы различными способами.
3. Рассчитать по формуле Планка и по формуле Рютова продолжительность замораживания.
4. Сравнить экспериментальное значение продолжительности замораживания с расчетным, оценить точность использованных методик расчета.
5. Определить линейную скорость замораживания рыбы.
6. Сделать заключение об эффективности различных способов замораживания, о факторах, оказывающих влияние на продолжительность и скорость замораживания.
Краткие теоретические сведения: на современном этапе развития пищевой индустрии роль холода, как способа сохранения сырья, неуклонно возрастает. Воздействие холода на биологические объекты, к числу которых относятся рыбные продукты и сырье для их производства, всегда было предметом изучения и исследования многих ученых. Базовыми работами в этой области являются работы отечественных ученых – Д. А. Христодуло, Д. Г. Рютова, Г. Б. Чижова, Н. А. Головкина, И. Г. Чумака, а также зарубежных – Р. Планка, Т. Лорентцена и других.
Основу холодильной технологии составляют теплофизические процессы. Главная цель, которую преследует данная технология, управление процессами (биохимическими, физическими и др.), вызывающими изменение свойств сырья или продукта, в совокупности определяющих его качество, посредством регулирования теплофизического параметра – температуры.
Правильных инженерных решений в холодильной технологии можно добиться, рассматривая вопросы установления оптимальных условий в камерах хранения (температура и влажность воздуха), морозильных аппаратах, следовательно, и вопросы выбора технических средств для поддержания технологических параметров, как, преимущественно, теплофизические вопросы. Примером такого подхода служат изменения всех основных теплофизических характеристик сырья (теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность) в процессе охлаждения и замораживания, вызванные кристаллообразованием, перемещением влаги и распределением кристаллов льда в тканях в том же процессе, перекристаллизацией в замороженных продуктах при дальнейшем холодильном хранении.
Однако не следует забывать о том, что теплофизические процессы, происходящие при холодильном консервировании неразрывно связаны с биохимическими, микробиологическими и биофизическими. Совокупность этих процессов во взаимодействии в зависимости от индивидуальных особенностей рыбного сырья определяет все многообразие технологических режимов холодильных технологий.
По теплофизическим признакам процессы холодильной технологии делятся на три основные группы.
Первая – это процессы, в которых теплота отводится от продуктов, причем их температура понижается (охлаждение, подмораживание, замораживание).
Вторая – это процессы, в которых теплота подводится к продуктам, причем их температура повышается (отепление и размораживание).
Третья группа процессов, в которых стремятся к постоянству температуры продукта, не исключая, в некоторых случаях, возможности внутреннего теплообмена, или внешнего теплообмена с окружающей средой при поверхностном испарении влаги и при внутренних тепловыделениях продукта, то есть процессы холодильного хранения.
Процессы теплообмена обычно состоят из трех основных видов переноса теплоты: теплопроводности (кондукции), конвективного теплообмена (конвекции) и теплового излучения.
Общий закон распространения энергии без учета работы внешних сил можно сформулировать следующим образом: разность между количеством энергии, входящей в некоторый объем и выходящей из него, равна скорости изменения энергии в этом объеме.
Тепловой баланс для произвольного выделенного конечного объема вещества 
, ограниченного поверхностью 
можно представить в виде уравнения:
- 
+ 
= 
, (1)
где 
- проекции векторов кондуктивного, конвективного и лучистого потоков теплоты, проходящих через поверхность 
, на направление нормали к поверхности, или другими словами кондуктивная, конвективная и лучистая составляющие теплового потока;
- мощность внутренних источников теплоты, Дж/(м3 · с);
- объемная плотность энергии, Дж/м3.
Частным случаем этого общего уравнения является перенос теплоты внутри твердого непрозрачного для излучения тела, не имеющего пористой структуры, то есть перенос теплоты в отсутствие лучистой и конвективной составляющей ( 
). В таких телах теплота будет распространяться только за счет теплопроводности. Уравнение (1) после соответствующих преобразований при условии постоянства коэффициента теплопроводности примет вид
, (2)
где 
- дифференциальный оператор Лапласа соответствует сумме вторых производных скалярной величины по координатам.
Уравнение (2) представляет собой параболическое дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка. Существует много методов решения подобных уравнений для получения окончательного результата, пригодного для применения в конкретной практике инженерных расчетов, однако для успешного решения необходимо иметь дополнительную информацию об искомой функции в виде условий однозначности, которые позволяют найти постоянные интегрирования.
Как известно, необходимое количество условий однозначности определяется высшим порядком производных дифференциального уравнения по каждой из независимых переменных.
Для уравнения (2), в котором температура – это функция трех координат времени 
, число условий однозначности составит семь: два по каждой из координат и одно условие по времени. Условия по координатам означают, что должны быть известны значения искомой функции или каких-либо величин, связанных с искомой функцией, при конкретных значениях координат, то есть должны быть известны граничные условия. Аналогично условия однозначности по времени означают, что известно значение искомой функции в какой-либо конкретный момент времени. Чаще всего значение функции известно в начальный момент времени, тогда временное условие называют начальным.
В зависимости от того, что известно при определенной координате (то есть на границе тела) – искомая функция, ее производная, или комбинация этих величин, - различают четыре рода граничных условий.
Условия первого рода – на определенной границе (координате) должно быть известно значение искомой функции:
(3)
Условия второго рода – на определенной границе известно значение производной искомой функции:
(4)
Правая часть уравнения (4) представляет собой величину теплового потока 
, проходящего через границу 
. Задание теплового потока возможно при электрообогреве от источника с известной мощностью или при нагреве открытой поверхности тела источником лучистого потока, когда возрастающая температура тела все же остается существенно ниже температуры источника излучения (ИК-нагрев).
Условия третьего рода – наиболее распространены в теплообменных процессах, соответствуют линейной комбинации значений искомой функции и ее производной на границе тела:
(5)
Физический смысл уравнения (5) заключается в равенстве количества теплоты, проводимого изнутри охлаждаемого тела к его наружной границе (правая часть уравнения), количеству теплоты, отдаваемому поверхностью тела окружающей среде. В этом случае предполагается, что поток теплоты от поверхности теплообмена к среде пропорционален разности температур поверхности и среды.
Условия четвертого рода реализуются в тепловых задачах на границе контакта двух тел, где должны быть одинаковыми температуры тел 
и 
а также потоки теплоты
; (6)
(7)
Контакт двух тел для этого случая предполагается идеальным, без какого-либо зазора, а на границе контакта отсутствует источник теплоты.
Граничные условия всегда формулируются на основе физической информации об исследуемом процессе переноса теплоты для конкретных условий, причем эта информация не зависит от дифференциального уравнения, описывающего процесс. Как правило, дифференциальные уравнения общего поведения искомых функций известны. Поэтому главную задачу и, одновременно, наибольшую трудность представляет формулирование условий однозначности, адекватно отражающих физическую суть процесса теплообмена в конкретных условиях.
Наиболее важными теплофизическими характеристиками (ТФХ) рыбного сырья и продуктов являются: удельная теплоемкость 
, коэффициент теплопроводности 
и коэффициент температуропроводности 
. При льдообразовании, имеющем место в процессе замораживания рыбного сырья и продуктов, к теплофизическим характеристикам относят также количество вымороженной воды 
и температуру начала замерзания или так называемую криоскопическую температуру 
.
В области положительных температур ТФХ меняются незначительно, и их значения принимают постоянными. При низких температурах вода, содержащаяся в рыбе, превращается в лед, жиры затвердевают, а белки денатурируют. Все эти изменения в совокупности непосредственно влияют на ТФХ.
В рыбе образование льда начинается при температуре ниже температуры замерзания ее растворов (межтканевых и тканевых жидкостей) - криоскопической температуры 
, ° С. Как правило, в инженерных расчетах пользуются некоторыми усредненными значениями для отдельных групп продуктов и сырья. Так, для рыбы принято значение минус 1 ° С, для мяса свинины и говядины - минус 1,2 ° С, для растительного сырья и продуктов растительного происхождения – минус 1,5 ° С.
С целью упрощения вычислений принято считать рыбное сырье и продукты двухкомпонентными системами, состоящими из 
частей воды и 
частей сухих веществ, с соответствующими удельными теплоемкостями. В этом случае теплоемкость рыбы до начала льдообразования (то есть при температурах выше криоскопической) можно рассчитать по закону аддитивности. Теплоемкость сухих веществ рыбы составляет от 1,38 кДж/(кг · К) до 1,68 кДж/(кг · К).
При температурах ниже криоскопической начинается процесс фазового превращения части 
воды, содержащейся в продукте, в лед, теплоемкость которого 
(составляет 2,1 кДж/(кг · К)).
Коэффициент теплопроводности 
, Дж/(с·м·К) или Вт/(м·К), характеризует теплопроводящие свойства рыбы, а его значение определяет количество теплоты, проходящей через единицу площади ее поверхности в единицу времени при градиенте температуры, равном единице. В отличие от теплоемкости коэффициент теплопроводности зависит не только от химического состава продукта, но и от строения и направления теплового потока.
Для рыбного сырья и продуктов, не подвергшихся глубокой холодильной обработке, то есть имеющих температуру выше криоскопической, теплопроводность мало меняется и в технических инженерных расчетах принимается постоянной.
Поскольку теплопроводность льда приблизительно в 4 раза больше теплопроводности воды, то при замораживании рыбы, при понижении ее температуры до значений ниже криоскопической, теплопроводность возрастает в соответствии с закономерностями изменения количества вымороженной воды в зависимости от температуры.
Необходимо помнить, что расчет теплоемкости и теплопроводности по эмпирическим формулам наибольшие отклонения от опытных данных дает вблизи криоскопической температуры.
Коэффициент температуропроводности 
, м2/с, характеризует теплоинерционные свойства продукта, то есть его способность нагреваться или охлаждаться с определенной скоростью.
Коэффициент температуропроводности рыбного сырья и продуктов до начала льдообразования или до достижения им криоскопической температуры, так же как и величины 
и 
принимается величиной постоянной. С началом процесса кристаллообразования температуропроводность резко меняется, поскольку одновременно происходит уменьшение теплоемкости и увеличение теплопроводности. Плотность рыбы 
, кг/м3, в это время меняется очень незначительно, и в инженерных расчетах этими изменениями, как правило, пренебрегают.
Количество вымороженной воды представляет собой долю воды, превратившейся в лед, , от общей массы воды в сырье или продукте до холодильной обработки – замораживания или подмораживания. Так как жидкости в рыбном сырье и продуктах их переработки представляют собой растворы различных веществ, то понижение температуры при определенных условиях сопровождается изменением концентрации раствора. Сначала происходит образование пресного льда, сопровождающееся резким повышением концентрации не замерзшей части раствора, далее достигается эвтектическая температура и соответствующая ей эвтектическая концентрация раствора, при которых происходит изотермическое отвердевание раствора без разделения растворителя и растворенного вещества.
Основной инженерной задачей для технологий консервирования рыбного сырья и продуктов холодом является задача определения продолжительности процесса холодильной обработки – охлаждения, подмораживания или замораживания.
Задача о продолжительности замораживания – одна из наиболее сложных в теплофизике замораживания, что обусловлено наличием большого числа влияющих на этот процесс факторов.
Каждый, из существующих на сегодняшний день методов вычисления продолжительности замораживания, специфически связан с исходной физической схемой процесса, его начальными и граничными условиям, которые задаются в частном виде, с допущениями, упрощающими задачу.
Физическая постановка задачи о продолжительности замораживания пищевых продуктов есть задача о теплопроводности в системах с подвижной границей раздела, под которой понимают перемещающуюся границу раздела между отвердевшей и жидкой фазами от периферии в глубь тела по мере отвода теплоты от его поверхности. Отвердевающую в таком процессе жидкость принято рассматривать как не подверженную свободному или вынужденному конвективному движению, если она распределена в виде мелких включений в пористом твердом теле или как-либо иначе, механически связана с неподвижной скелетной структурой тела, а также, если вязкость отвердевающей жидкости велика.
Классическим решением задачи о замораживании Международным институтом признано решение Р. Планка, полученное им в 1913 г. и существенно развитое им и другими исследователями в последующие годы. Формула для определения продолжительности замораживания называется по имени ее создателя – формула Планка, как фундаментальная, она включена в рекомендации Международного института холода.
Для упрощения задачи Планком было сделано несколько допущений, которые приведены ниже:
1. Теплоемкость замороженной части продукта равна нулю.
2. Тело перед началом замораживания охлаждено до криоскопической температуры.
3. Льдообразование в теле происходит без переохлаждения при криоскопической температуре; теплофизические свойства замороженной части (коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость) не зависят от температуры.
4. Тело однородно, его плотность при замораживании не меняется; коэффициент теплоотдачи и температура охлаждающей среды не зависят от времени.
Порядок выполнения работы: учебная группа студентов разбивается на подгруппы по 2-3 человека. Каждая подгруппа получает задание на замораживание определенного вида рыбного сырья (способ разделки также задается преподавателем).
Перед замораживанием рыба тщательно промывается от остатков слизи, разделывается. После разделки рыба еще раз тщательно промывается проточной водой температурой не выше 20 °С от остатков крови, внутренностей, черной пленки, других загрязнений. Промытую рыбу оставляют на столе на 3-5 минут для стекания влаги, после чего в ней экспериментально определяют содержание влаги стандартным методом - высушиванием навески при 105 °С (ГОСТ 7636-85).
Порцию рыбы взвешивают на лабораторных весах с точностью ±1 г. В геометрическом центре рыбы определяют ее начальную температуру tн, °С, (перед замораживанием), после чего рыбу направляют на замораживание указанным в задании способом.
При замораживании воздухом в холодильной камере рыбу укладывают на специальные пластмассовые подставки и помещают в холодильную камеру, таким образом, чтобы обеспечить свободное обтекание ее воздушным потоком. В камере предварительно производится измерение температуры воздуха tо, °С.
При замораживании льдом или льдосолевой смесью рыбу перемешивают со льдом или смесью в заданном соотношении в чистой полимерной емкости, после чего оставляют для замораживания в холодильной камере при температуре от плюс 3 до плюс 7 °С.
При замораживании контактным способом замораживаемую рыбу укладывают в специальную металлическую форму так, чтобы был обеспечен наибольший контакт с поверхностью формы. Затем форму помещают в лабораторную морозильную камеру непосредственно на ее металлическую поверхность, температура которой известна из технической характеристики морозильной камеры и составляет не выше минус 20 °С.
В процессе замораживания через равные промежутки времени (τ, с) производят измерение температуры в геометрическом центре рыбы, данные заносят в таблицу 1. Замораживание считать оконченным, когда температура рыбы максимально приблизиться к температуре охлаждающей среды.
Таблица 1 – Температура в геометрическом центре рыбы в процессе замораживания
 , с
| 0 | 60 | … | … | … | 
|
 , °С
| 
| 
| … | … | … | 
|
По полученным экспериментальным данным строят эмпирическую температурную кривую замораживания в координатах: ось ординат – температура в геометрическом центре рыбы в процессе замораживания, °С; ось абсцисс – продолжительность замораживания, , с.
На полученной кривой необходимо выделить три основных периода замораживания и оценить их продолжительность.
Рассчитать продолжительность замораживания, используя формулу Планка и формулу Рютова, позволяющую в отличие от классической формулы Планка учесть расход холода на понижение температуры замораживаемого объекта от начальной до криоскопической.
Формула Рютова:
, (8)
где 
- продолжительность замораживания, с;
- плотность или объемная масса замораживаемой рыбы, кг/м3, принимают равной 1050 кг/м3;
- тепло, отводимое от единицы массы замораживаемой рыбы, представляет собой тепловой эффект изотермического льдообразования, кДж/кг, рассчитывается по формуле
(9)
где 
- скрытая теплота льдообразования, составляет 334 кДж/кг;
- долевое содержание воды в замораживаемой рыбе, определяется экспериментально;
- количество вымороженной воды, рассчитывается по эмпирической формуле
, (10)
где , 
- начальная и конечная температура замораживаемой рыбы, соответственно, определяется в ходе экспериментов, °С;
- криоскопическая температура рыбы, °С;
- половина толщины пластины, при условии, что рыба по своей геометрической форме приближается к пластине, или радиус, при условии, что рыба по своей геометрической форме приближается к цилиндру, м, определяется экспериментально измерением данного параметра;
- коэффициент теплоотдачи от рыбы к охлаждающей среде, принимают по таблице 2 в зависимости от вида охлаждающей среды, Вт/(м2 · К);
- температура охлаждающей среды, °С, определяется экспериментально;
- корректирующий множитель, представляющий функцию критерия Био, числовые значения которой приведены в таблице 3, критерий Био 
рассчитывают по формуле
, (11)
где 
- радиус, при условии, что рыба по своей геометрической форме приближается к цилиндру, м, или половина толщины пластины, при условии, что рыба по своей геометрической форме приближается к пластине, определяется экспериментально - измерением данного параметра;
- коэффициент теплопроводности замороженной рыбы, рассчитывают по эмпирической формуле, Вт/(м · К);
, (12)
где 
- коэффициент теплопроводности не замороженной рыбы, рассчитывают по формуле
, (13)
где 
- коэффициенты теплопроводности воды и сухих веществ рыбы соответственно, принимают равными 0,55 и 0,255 Вт/(м · К) соответственно.
Таблица 3 – Значения эмпирического коэффициента 
в зависимости от значения критерия Био
|
| 0,1936 | 0,3475 | 0,5900 | 0,9880 | 1,7100 | - |
| 1,217 | 1,200 | 1,183 | 1,157 | 1,112 | - |
|
| 3,4120 | 5,8500 | 8,2500 | 10,6300 | 16,0500 | ∞ |
| 1,074 | 1,043 | 1,027 | 1,019 | 1,010 | 1,000 |
- теплоемкость замороженной рыбы, кДж/ (кг · К), рассчитывается по эмпирической формуле
, (14)
где 
- конечная температура замороженной рыбы (абсолютная величина), ° С, определена экспериментально;
- теплоемкость незамороженной рыбы, кДж/(кг · К), рассчитывается по формуле
(15)
где 
- теплоемкости воды и сухих веществ рыбы соответственно, принимают равными 4,19 и 1,46 кДж/(кг · К) соответственно.
Формула Планка
(16)
Полученные расчетом значения продолжительности замораживания сравнить между собой и с экспериментальным значением, оценить точность использованных методов расчета.
Рассчитать линейную скорость замораживания рыбы 
, м/ с, по формуле
, (17)
где - продолжительность замораживания, с;
- половина толщины пластины, при условии, что рыба по своей геометрической форме приближается к пластине, или радиус, при условии, что рыба по своей геометрической форме приближается к цилиндру, м, определяется экспериментально измерением данного параметра.
На основе анализа экспериментальных данных сделать вывод об эффективности различных способов замораживания, о факторах, влияющих на продолжительность и скорость замораживания. Оценить точность примененных в работе методик расчета продолжительности замораживания.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Дата: 2019-04-23, просмотров: 235.
