Теплофизические характеристики пищевого сырья рыбы и продуктов питания и тепловые критерии подобия

Наиболее важными теплофизическими характеристиками (ТФХ) пищевого сырья и продуктов питания являются: удельная теплоемкость , Дж/(кг·К); коэффициент теплопроводности , Вт/(м·К); и коэффициент температуропроводности , м²/с.

При льдообразовании, имеющем место в процессе замораживания, и таянии кристаллов льда, имеющем место при дефростации (размораживании) пищевого сырья и продуктов, к теплофизическим характеристикам относят также количество вымороженной воды и температуру начала замерзания (таяния) или так называемую криоскопическую температуру .

В области положительных температур (например, при охлаждении пищевого сырья) ТФХ изменяются незначительно, и их значения принимают постоянными. При низких температурах вода, содержащаяся в сырье, превращается в лед, жиры затвердевают, а белки денатурируют. Все эти изменения в совокупности непосредственно влияют на ТФХ.

Ниже приведены основные формулы для определения перечисленных выше ТФХ пищевого сырья и продуктов питания.

Криоскопическая температура. В пищевом сырье и продуктах питания образование льда начинается при температуре ниже температуры замерзания их растворов (межтканевых и тканевых жидкостей), или, так называемой, криоскопической температуры , ° С. Величина меняется в широких пределах для различного пищевого сырья и продуктов его переработки. Как правило, в инженерных расчетах пользуются некоторыми усредненными значениями для отдельных групп продуктов и сырья. Для большей части пищевого сырья, а также продуктов его переработки принято усредненное значение минус 1 ° С.

Удельная теплоемкость. С целью упрощения вычислений принято считать пищевое сырье и продукты его переработки двухкомпонентными системами, состоящими из частей воды и частей сухих веществ, с соответствующими удельными теплоемкостями воды и . В этом случае теплоемкость пищевого сырья до начала льдообразования (то есть при температурах выше криоскопической) можно рассчитать по формуле:

(8)

Теплоемкость сухих веществ пищевого сырья лежит в диапазоне от 1,28 до 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)), в этом случае его расчетная удельная теплоемкость определяется по формуле:

, (9)

где - количество вымороженной воды, доли единицы, рассчитывается по упрощенной формуле:

, (10)

где - температура продукта, ° С.

Эта величина 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 пищевом сырье и продуктах его 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.

Для получения более точного результата целесообразно использовать для расчета количества вымороженной воды эмпирическую формулу

, (11)

где 1,105 и 0,31 – эмпирические коэффициенты;

- температура продукта, ° С.

Удельную теплоемкость замороженного сырья более точно можно также рассчитать по эмпирической формуле

, (12)

где и - эмпирические коэффициенты, составляют соответственно 0,415 и 0,369 соответственно;

- температура продукта, ºС.

Коэффициент теплопроводности. Этот коэффициент характеризует теплопроводящие свойства пищевого сырья и продуктов питания, а его значение определяет количество теплоты, проходящей через единицу площади поверхности сырья или продукта 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 сырья и продуктов, не подвергшихся глубокой холодильной обработке, то есть имеющих температуру выше криоскопической, их теплопроводность мало изменяется, и в технических инженерных расчетах принимается постоянной. Рассчитать можно по упрощенной формуле:

, (13)

где - коэффициент теплопроводности воды, составляет 0,555 Вт/(м·К);

- коэффициент теплопроводности сухих веществ, составляет для пищевых продуктов от 0,25 до 0,40 Вт/(м·К).

Поскольку теплопроводность льда приблизительно в 4 раза больше теплопроводности воды, то при замораживании пищевого сырья и продуктов питания, при понижении температуры до значений ниже криоскопической, теплопроводность возрастает в соответствии с закономерностями изменения количества вымороженной воды в зависимости от температуры (см. формулу 10).

Коэффициент теплопроводности замороженного продукта можно рассчитать по эмпирической формуле:

, (14)

где и - эмпирические коэффициенты, составляют соответственно 0,669 и 0,148 соответственно;

- температура продукта, ºС.

Необходимо помнить, что расчет теплоемкости и теплопроводности по эмпирическим формулам наибольшие отклонения от опытных данных имеет место вблизи криоскопической температуры.

Для получения более точных результатов целесообразно подставлять в формулы (11, 12, 14 и 18) вместо известной температуры продукта среднюю за процесс температуру продукта, которую рассчитывают как среднелогарифмическую по формуле

, (15)

где - криоскопическая температура продукта, ºС (так как обе температуры в формуле (15) должны находиться в диапазоне от криоскопической до конечной температуры замораживаемого объекта);

- конечная температура продукта, ºС, часто находится как средняя конечная за процесс замораживания по формуле

, (16)

где - конечная температура в центре замороженного продукта (как правило составляет минус 18 ºС, требуемые нормативной и технической документацией), ºС;

- конечная температура на поверхности замороженного продукта, величина ее рассчитывается как 80 % от величины температуры охлаждающей среды , ºС.

Коэффициент температуропроводности. Этот коэффициент характеризует теплоинерционные свойства продукта, то есть его способность нагреваться или охлаждаться с определенной скоростью.

Коэффициент температуропроводности , м²/с, пищевого 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 продукта , кг/м³, в это время меняется очень незначительно, и в инженерных расчетах этими изменениями, как правило, пренебрегают.

Коэффициент температуропроводности , м²/с, до начала процесса кристаллизации воды в продукте рассчитывают по формуле:

, (17)

где - объемная масса или плотность продукта, кг/м³.

Для расчета коэффициента температуропроводности замороженного продукта можно использовать эмпирическую формулу

, (18),

где и - эмпирические коэффициенты, составляют 0,00214 и 0,482 соответственно;

- температура продукта, ºС.