Współczesne techniki zamrażania

Seminarium z przedmiotu Współczesne techniki zamrażania Temat: Obliczanie ilości ciepła odprowadzanego podczas chłodzenia i zamrażania wybranych produktów żywnościowych. Przemysław Gromow Sem. IX SUCH i KL

Spis treści. 1. Chłodzenie...2 2. Wzory do obliczania zapotrzebowania zimna dla celów technologicznych (chłodzenia)...2 3. Zamrażanie...6 4. Ogólne zapotrzebowanie zimna dla zamrożenia określonej ilości produktów spożywczych obliczyć można z równania:...6 5. Literatura:...10 1. Chłodzenie Chłodzeniem nazywamy proces wymiany ciepła między produktem spożywczym i ośrodkiem chłodzącym. Chłodzeniu towarzyszy oprócz wymiany ciepła również wymiana masy związana z odparowaniem wody z powierzchni produktów i przenoszeniem ciepła przez cząstki wody z głębszych warstw produktu na powierzchnią. W czasie chłodzenia obniża się temperatura produktu, jednak nie niżej niż do temperatury krioskopowej, tzn. temperatury zamarzania roztworu, jakim jest sok komórkowy produktów zwierzęcych lub roślinnych. Temperatura wywiera zasadniczy wpływ na równowagę i szybkość reakcji chemicznych. Przyjmuje się, że obniżenie temperatury produktu o 10 C (K) powoduje 2-3 krotne zwolnienie całokształtu przemian, a więc i procesów psucia się żywności. W produktach żywnościowych następuje wymiana ciepła w stanie nieustalonym z uwagi na ich niejednorodną strukturę i skład chemiczny. Szybkość chłodzenia produktów zależy od następujących głównych czynników: właściwości środowiska zewnętrznego, tj. temperatury, wilgotności i prędkości ruchu powietrza, rozmiarów i stanu powierzchni chłodzonego produktu, intensywności oddawania ciepła przez powierzchnię produktu do otaczającego środowiska (intensywność tę określa współczynnik oddawania ciepła α), właściwości cieplnych produktu, tj. współczynnika przewodzenia ciepła λ i ciepła właściwego c. początkowej temperatury produktu. 2. Wzory do obliczania zapotrzebowania zimna dla celów technologicznych (chłodzenia). Do wykonania takich obliczeń potrzebna jest znajomość szeregu własności fizycznych produktów spożywczych, a więc gęstości, ciepła właściwego, współczynnika przewodzenia ciepła oraz współczynnika temperaturowego przewodzenia, czyli tzw. dyfuzyjności cieplnej. Ponadto należy znać ilość surowca, rodzaj surowca i jego początkową temperaturę oraz temperaturę, do której surowiec powinien być schłodzony. Zapotrzebowanie zimna w kj do chłodzenia produktów obliczamy wg. wzoru: 2

Q ( m c + m c + m c )( t ) 0 Q1 + Q2 + Q3 1 1 2 2 3 3 1 t2 = (1) Q 1, Q 2, Q 3 ilość ciepła oddanego przez schładzany produkt i opakowanie oraz stosowane przy załadunku podkłady, przekładki oraz listwy, [kj]; m 1, m 2, m 3 masy produktu, opakowań, podkładów i przekładek, [kg]; c 1, c 2, c 3 ciepła właściwe produktu, opakowań, podkładów i przekładek; przykładowe ciepła właściwe dla stali c = 0,42; dla szkła c = 0,94 i dla drewna c = 2,51 [kj/(kgk)]; t 1, t 2 temperatury początkowa i końcowa schładzanego produktu, opakowania, podkładów i przekładek, [ C lub K]. Zapotrzebowanie zimna można obliczyć również znając przebieg zmian entalpii (pojemności cieplnych) różnych produktów w zależności od temperatury. W tabeli podano przykładowe entalpie wybranych produktów żywnościowych, począwszy od - 40 C (233 K), kiedy to pojemność cieplna (entalpia) jest praktycznie równa 0. Wówczas zapotrzebowanie zimna dla schłodzenia produktu obliczymy wg wzoru: ' ( i i ) + m ( i ) Q = m [kj] (2) ' 1 2 1 2 2 i1 3

Q ilość ciepła, którą należy odprowadzić przy chłodzeniu produktu żywnościowego, [kj]; i 1, i 2 entalpie produktu: początkowe i po schłodzeniu, [k.j/kg]; i 1, i 2 entalpie opakowań, podkładów itp.(równają się one w przybliżeniu cδt, gdzie Δt spadek temperatury w czasie chłodzenia), [kj/kg]. Jeżeli w czasie chłodzenia produktu przeprowadzamy dodatkowo wymianę powietrza, to zapotrzebowanie zimna na schłodzenie produktu zwiększa się o dodatkową ilość ciepła zależną od wielkości komory i wielokrotności wymiany powietrza. Tę dodatkową ilość ciepła obliczamy wg wzoru: Q = n V d i i ) [kj] na dobę (3) k ( p k n wielokrotność wymiany powietrza w komorach na dobę; V objętość komory, [m 3 ]; d k gęstość powietrza w komorze w danej temperaturze, [kg/m 3 ]; i p oraz i k entalpie powietrza zewnętrznego i powietrza w komorze (przy danej wilgotności wyznacza się je z wykresu Molliera), [kj/kg]. Ususzka w czasie chłodzenia. Wzory 1 i 2 określają z dostateczną dokładnością ilość ciepła traconego przez produkt wskutek chłodzenia pod warunkiem, że jest to produkt suchy, któremu nie towarzyszy wraz z wymianą ciepła również wymiana masy przez odparowanie wody. W procesie chłodzenia produktów wilgotnych odprowadzane ciepło składa się z ciepła Q' o odprowadzanego z zewnątrz produktu drogą konwekcji i promieniowania oraz ciepła parowania Q" o, potrzebnego do odparowania wilgoci z powierzchni produktu. Czyli całkowita ilość ciepła zgodnie z równaniem Newtona wynosi: gdzie: Q = + (4) ' '' 0 Q0 Q0 ' S Q0 = α 0 τ t prod t środ [kj/kg] (5) m Q 0 ilość ciepła oddana przez 1 kg produktu, [kj], S powierzchnia produktów, [m 2 ], m masa produktów, [kg], α 0 współczynnik wymiany ciepła między produktem i ochładzającym środowiskiem, [kj/(m 2 hk)] 4

τ czas trwania wymiany ciepła, [h], t prod średnia temperatura powierzchni chłodzonego produktu, [ C (K)], t środ średnia temperatura chłodzącego środowiska, [ C (K)]. Ciepło zużyte na odparowanie wilgoci z powierzchni produktów można obliczyć wg wzoru: σ współczynnik odparowania, [kg/(m 2 hk)], ( ) '' S Q0 = σ τ i prod i pow [kj/kg] (6) m i prod entalpia powierzchni produktu (jeśli temperatura tej powierzchni ma wartość średnią, entalpia powierzchni produktu równa się entalpii powietrza nasyconego w tych warunkach), [kj/kg], i pow entalpia chłodzącego powietrza z uwzględnieniem jego wilgotności względnej, [kj/kg]. Ciepło Q 0 zużyte na odparowanie wilgoci z powierzchni produktu przejmuje powietrze w postaci pary wodnej, a następnie oddaje je urządzeniom chłodniczym, gdzie para skrapla się i osiada jako kondensat na powierzchni tych urządzeń. Jeżeli skraplana para nie zamarza na powierzchni urządzeń chłodzących, to ciepło 'kondensacji jest równe ciepłu parowania i jeżeli zostanie pominięty wpływ temperatury na ciepło kondensacji i parowania zużycie zimna do chłodzenia może być z wystarczającą dokładnością obliczone wg wzorów 1 lub 2. Jeżeli kondensat zamarza na powierzchni wymienników ciepła, np. na parowniku, to ciepło zamiany pary w lód jest równe sumie ciepła kondensacji pary w ciecz i ciepła krzepnięcia wody. Dla celów praktycznych dodatkowe zużycie zimna można obliczyć wg wzoru m m Q = + 100 ( r ) '' 0 r l [kj] (7) Δm ususzka produktu w czasie chłodzenia, [%], r i r l ciepła parowania wody i topnienia lodu, [kj/kg]. Wzór 5 można po przekształceniu doprowadzić do postaci ' Q0 τ = (8) S α 0 t prod t środ m Na podstawie tak zapisanego wzoru można wnioskować, od jakich czynników jest zależny czas chłodzenia. Jest on tym krótszy, im większa jest wartość S/m, czyli stosunek 5

powierzchni ciała S do jego masy m, im większy jest współczynnik wymiany ciepła α 0 oraz im większa jest średnia różnica temperatur. W czasie chłodzenia powierzchnia wilgotnych produktów pokrywa się po pewnym czasie tzw. skórką podsychania. Powstawanie skórki podsychania jest wynikiem ususzki produktów wskutek odparowania wilgoci z powierzchni produktów; powoduje to pewne straty masy produktów oraz obniża ich jakość. Na proces chłodzenia produktów żywnościowych ma. wpływ szereg czynników. Obniżenie temperatury i wyparowanie (ususzka) przebiegają najintensywniej w początkowym okresie chłodzenia. Z czasem ustala się pewna równowaga między ciepłem chłodzenia i ciepłem parowania. Wilgotność względna powietrza w granicach 85-100% wpływa stosunkowo nieznacznie na prędkość chłodzenia i towarzyszące mu odparowanie wilgoci. W czasie chłodzenia, wskutek stałego zmniejszania się różnicy temperatur między powierzchnią produktu i otoczeniem, maleje również obciążenie cieplne urządzeń chłodniczych. Średnie obciążenie cieplne urządzeń chłodniczych oblicza się na podstawie stosunku przejmowanego przez nie ciepła w czasie chłodzenia do długości trwania procesu. Jeżeli wielkość urządzeń chłodniczych oblicza się na podstawie średniego obciążenia cieplnego, to z punktu widzenia technologicznego jest to najczęściej niedokładne, ponieważ w tym przypadku temperatura chłodzącego środowiska w początkowym okresie chłodzenia wzrasta, wzrasta więc też i czas trwania chłodzenia. Wyrównanie obciążenia cieplnego przy chłodzeniu można najskuteczniej osiągnąć w urządzeniach chłodniczych o działaniu ciągłym w warunkach przeciwprądowego ruchu chłodzącego środowiska oraz produktu, np. w schładzalniach typu tunelowego. W celu intensyfikacji procesu chłodzenia stosuje się obecnie chłodzenie produktów w cyrkulującym powietrzu, w cieczach i w topniejącym lodzie. W powietrzu poruszającym się z prędkością 1,5-5 m/s chłodzi się mięso i przetwory mięsne, drób, jaja, owoce i jagody, masło i produkty mleczarskie, wyroby cukiernicze i inne. W chłodnych cieczach (woda lodowa, glikol, solanka) chłodzi się ryby, drób, słoninę, wino i piwo w butelkach. Mleko, śmietanę, moszcze owocowe i soki oraz inne ciekłe produkty spożywcze chłodzi się zazwyczaj w przeciwprądowych płytowych wymiennikach ciepła wodą lodową. Ryby, drób i niektóre warzywa oraz napoje w butelkach chłodzi się również w topniejącym lodzie. Technologie procesów chłodzenia i urządzenia stosowane do tego celu są bardzo różnorodne. 3. Zamrażanie Zamrażanie polega na odprowadzeniu ciepła z produktu aż do uzyskania temperatury końcowej niższej od temperatury zamarzania soków komórkowych. Tworzą się przy tym w tkankach produktu kryształy lodu wskutek pełnego lub częściowego wymrożenia znajdującej się w nich wody. Zamrażanie produktów, w porównaniu z chłodzeniem, znacznie skuteczniej chroni je przy długotrwałym przechowywaniu. Nie wszystkie jednak produkty nadają się do zamrażania, chociaż w ostatnim czasie wraz z postępem w dziedzinie techniki prędkiego mrożenia asortyment produktów nadających się do zamrażania stale rośnie. Zamrażanie jest ponadto stosowane jako metoda cieplna oddzielania wody od produktu (przemysł chemiczny, stężanie soków i octu, suszenie sublimacyjne) oraz w celu nadania produktom swoistego smaku (lody spożywcze). 4. Ogólne zapotrzebowanie zimna dla zamrożenia określonej ilości produktów spożywczych obliczyć można z równania: ( Q + Q + Q + Q Q ) Q = b + (9) p w i e o 6

Q ogólne zapotrzebowanie zimna dla zamrożenia produktu, [kj/h], b współczynnik uwzględniający nieprzewidziane straty zimna wskutek nieszczelności obudowy lub drzwi, nadmiernej temperatury surowca, otoczenia, b = 1,1-1,2, Q p zapotrzebowanie zimna netto na zamrożenie produktów, [kj/h], Q w straty zimna na wentylację, [kj/h], Q j straty zimna przez izolowaną obudowę, [kj/h], Q e straty zimna dla zrównoważenia ilości ciepła wydzielonego wskutek pracy silników elektrycznych, [kj/h], Q O zapotrzebowanie zimna na schłodzenie opakowań, tzn. wózków, palet itp., [kj/h], Zapotrzebowanie zimna netto na zamrożenie produktów spożywczych obejmuje ilość ciepła, jaką należy odprowadzić od produktów wskutek: obniżenia temperatury początkowej t p do temperatury krioskopowej t z (schładzanie), przemiany fazowej wody w lód (właściwe zamrażanie), obniżenia temperatury zamrażanego produktu od temperatury krioskopowej t z do temperatury końcowej zamrażania t k (domrażanie). Ciepło schładzania od temperatury początkowej do temperatury krioskopowej wyrazić można równaniem: Q1 = m c0 ( t p t z ) (10) m wydajność urządzenia zamrażalniczego, [kg/h], c 0 ciepło właściwe świeżego produktu (t > t z ), [kj/(kgk)]. Ciepło przemiany fazowej wody w lód określa się równaniem: Q2 = m ω x q (11) ω udział wody wymrożonej, [kg/kg], x zawartość wody w produkcie, [kg/kg], q ciepło zamrażania wody =332,8 [kj/kg]. Ciepło domrażania produktu od temperatury krioskopowej do wymaganej temperatury końcowej zamrażania określa się równaniem: Q ( t t ) 3 = m ct z k (12) c t ciepło właściwe produktu zamrażanego, gdzie t < t z, [kj/(kg C)], Całkowite zapotrzebowanie zimna netto wyraża się zatem równaniem: Q p = Q ω [ ( t t ) + x q + c ( t t )] 1 + Q2 + Q3 = m c0 z t z k (13) Zapotrzebowanie zimna netto zależy głównie od zawartości wody w produkcie, gdyż zawartość suchej substancji w żywności jest z reguły mniejsza od ilości wody, a ciepło właściwe suchej substancji stanowi zaledwie około 30% ciepła właściwego wody. Zużycie zimna netto, obliczyć można metodą uproszczoną z równania: 7

Q p = m i (14) Δi = i p -i k [kj/kg], różnica entalpii produktu między temperaturą początkową t p i końcową t k Dla soków owocowych, warzyw i owoców Riedel opracował wykres i - x o analogiczny do wykresu Molliera i - x, z którego odczytujemy wartości entalpii oraz ilość wymrożonej wody w danej temperaturze w stosunku do całkowitej zawartości wody. Wykres ten zbudowano wychodząc z założenia, że sok o dowolnym stężeniu x o = l - x (procent zawartości suchej substancji) wykazuje w temperaturze 0 C (273 K) entalpię i = 4190 kj/kg. Linią przerywaną zaznaczono sposób posługiwania się wykresem. Na osi odciętych odczytuje się stężenie soku x o = a i z tego punktu prowadzi linię do przecięcia się z izotermami temperatury początkowej b i końcowej c. Różnice entalpii odczytuje się na osi rzędnych i = i b - i c kj/kg. W wyniku otwierania drzwi lub nieszczelności w obudowie aparatów zamrażalniczych, część ciepła z zewnątrz przenika do ich wnętrza powodując dodatkowe straty zimna". Straty zimna na wentylację oblicza się wg wzoru Q w = V n d i (15) p p 8

V objętość wnętrza obudowy aparatu, [m 3 ] n szacunkowa wielokrotność wymiany powietrza, [l/h], d p gęstość powietrza w temperaturze wnętrza, [kg/m 3 ], Δi p różnica entalpii powietrza zewnętrznego i wewnętrznego odczytywane z wykresu Molliera, i x dla powietrza wilgotnego, [kj/kg]. Wielokrotność wymiany powietrza n dla różnych aparatów zamrażalniczych wynosi dla: aparatów kontaktowych z ręcznym załadunkiem 10-15, tuneli wózkowych 2-3, tuneli fluidyzacyjnych 0,5-1,5. W praktyce straty na wentylację zawierają się w granicach l-20% Q p. Straty zimna przez izolowaną obudowę w aparatach zamrażalniczych zawierają się zwykle w granicach (1,5-10)% Q p i są najwyższe w tunelach wózkowych, a najniższe w aparatach kontaktowych. Oblicza się je z równania: Q i = Si ki ti (16) S i powierzchnia poszczególnych elementów budowy (ścian, stropu, podłogi), [m 2 ], k i współczynnik przenikania ciepła dla danej izolowanej przegrody, [kj/(m 2 hk)], Δt i różnica temperatur w danej przegrodzie, [ C (K)]. Głównym źródłem strat zimna na pracę silników elektrycznych [kj/h] są straty na napęd wentylatorów oraz przenośników w tunelach taśmowych. Ilość ciepła wytwarzanego wskutek pracy silników elektrycznych obliczamy wg wzoru: Q e = 3600 P (17) P suma mocy pobieranej przez silniki, [kw]. W bilansie cieplnym zamrażalni do obliczeń strat zimna przyjmuje się z zasady moc nominalną wszystkich zainstalowanych silników. Ciepło wydzielane wskutek pracy silników elektrycznych stanowi najpoważniejsze źródło strat przede wszystkim w zamrażalniach owiewowych, taśmowych i fluidyzacyjnych (20-35% Q p ) stosunkowo małe (6-8% Q p ) w zamrażalniach imersyjnych (praca pomp roztworu) oraz praktycznie zerowe w aparatach kontaktowych. Zapotrzebowanie zimna na schłodzenie opakowań [kj/kg], form, wózków, palet obliczamy z następującej zależności: w której: Q0 = m0 c0 t (18) m 0 masa poszczególnych urządzeń i materiałów w [kg], 9

c 0 ciepło właściwe tych materiałów, [kj/(kgk)]. Zapotrzebowanie zimna na Q o stanowi w tunelach wózkowych (10-l5)% Q p, w aparatach kontaktowych (4-5)% Q p, a w tunelach fluidyzacyjnych wcale nie występuje. Zestawienie wszystkich wymienionych strat zimna (wg J. Postolskiego i Z. Grudy) dla różnych typów urządzeń zamrażalniczych podano w tabeli. Przyjęto w niej umownie, że na zamrożenie 1 kg produktu zużywa się 419 kj zimna. Rzeczywistą, wielkość, zużycia zimna brutto na zamrożenie 1 kg danego produktu w określonym aparacie oblicza się wg wzoru Q Qx = i x 419 Δi x jest różnicą entalpii danego produktu w [kj/kg]. Dodatkowe straty zimna zależą nie tylko od typu, ale także od wielkości urządzenia zamrażalniczego. Dlatego przy korzystaniu z tabeli należy pamiętać, że im większa jest wydajność urządzenia tym straty w przeliczeniu na 1 kg produktu są niższe. 5. Literatura: 1. W. Jastrzębski; Technologia chłodnicza WSiP 1980 2. M. Czapp, H. Charun; Bilans cieplny pomieszczeń chłodni. Zasady opracowania. 3. W. Jastrzębski; Technologia chłodnicza żywności. WSiP 1991 4. J. Postolski, Z. Gruda; Zamrażanie żywności. WNT 1985 10