Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Współczesne techniki zamraŝania - seminarium. Temat: Zasady wyznaczania strumienia ciepła odprowadzanego podczas chłodzenia i zamraŝania owoców i warzyw. Prowadzący: dr inŝ. Zenon Bonca Wykonał: Mirosław Szydłowski Sem.: 9. Specjalność: SUChKl Rok akad. 2005/2006
Zakres pracy: 1. Wstęp 2. Strumienia ciepła Q odprowadzanego podczas obróbki termicznej warzyw i owoców. 2.1. Strumień ciepła odprowadzany podczas wychładzania produktu. 2.2. Strumień ciepła odprowadzany podczas zamarzania i domraŝania produktów. 3. Wyznaczanie czasu zamraŝania właściwego τ z 4. Zakończenie. Literatura 1. Wstęp Podstawowym celem obliczeń cieplnych jest określenie dla kaŝdego pomieszczenia chłodzonego, niezbędnej wydajności chłodniczej, zainstalowanego w nim oprzyrządowania. Wydajność ta musi pozwolić na odprowadzenie z pomieszczenia strumieni ciepła, a tym samym utrzymać parametry termiczne środowiska chłodzonego na określonym poziomie. Podstawowe źródła ciepła w komorze chłodniczej: Strumień ciepła przenikający przez przegrody z otoczenia (z uwzględnieniem promieniowania słonecznego) Strumień ciepła przejmowany od towarów, podczas ich obróbki termicznej (wychładzanie, zamraŝanie, domraŝanie) oraz podczas przechowywania. Eksploatacyjne strumienie ciepła pochodzące od ludzi pracujących wewnątrz pomieszczeń, oświetlenia, od zainstalowanych maszyn, urządzeń.
2. Strumienia ciepła Q odprowadzanego podczas obróbki termicznej warzyw i owoców. Metody obliczania ciepła odprowadzanego podczas chłodzenia i zamraŝania: Prawo Fouriera Metoda ta polega na wyznaczeniu ilości ciepła przekazywanego poprzez przewodność cieplną z wewnętrznej masy ciała do powierzchni, która jest omywana przez przepływające konwekcyjne środowisko schładzające lub pozostaje w bezpośredniej styczności ze schładzającym ciałem stałym. Prawo Newtona- Richmana Polega na oznaczeniu ciepła, przekazywanego przez zewnętrzną powierzchnią ciała przez konwekcję do środowiska schładzającego. Metoda uproszczona W tej metodzie do obliczenia ciepła odprowadzanego wykorzystuje się ciepło właściwe, masy oraz zmiany średniej objętościowej temperatury ciała. Metoda ta jest najpowszechniej stosowana ze względu na wprowadzone uproszczenia. Obliczenie strumienia ciepła Q odprowadzanego podczas obróbki termicznej produktów Ŝywnościowych jest bardzo skomplikowanym etapem przy sporządzaniu bilansu cieplnego. Aby obliczyć zyski ciepła dla produktów Ŝywnościowych, potrzebna jest znajomość wielu własności fizycznych produktu m.im.: gęstości, ciepła właściwego, ciepła powstałego w wyniku oddychania takich produktów. Z uwagi na trudności w ocenie własności fizycznych róŝnych produktów jak teŝ metod obróbki termicznej naleŝy sporządzać w kaŝdym przypadku indywidualna analizę. WaŜną rolę przy obliczaniu wielkości strumienia ciepła ma teŝ kształt ciała poddawanego obróbce termicznej. Strumień ciepła w czasie obróbki termicznej musi uwzględniać następujące strumienie ciepła odprowadzane podczas: Schładzania- odbiór ciepła w procesie obniŝania temperatury produktu od temperatury otoczenia (dostawy ), do wartości zbliŝonej do temperatury punktu krioskopowego(najczęściej powyŝej temp. krioskopowej)
Oddychania- odbiór ciepła respiracji ZamraŜania- odbiór ciepła w procesie przemiany fazy ciekłej produktu w fazę stałą; DomraŜania- odbiór strumienia ciepła przy wzroście zawartości fazy stałej w zamroŝonym produkcie. Tab.1. Wybrane własności niektórych produktów spoŝywczych [5].
Ogólnie dla wszystkich przypadków obróbki termicznej, ilość ciepła odprowadzanego od 1kg produktu moŝna wyrazić wzorem: [ ] q = h h kj kg 1 2 / h 1 - entalpia właściwa produktu w stanie początkowym procesu [kj/kg] h 2 entalpia właściwa w stanie końcowym [kj/kg]. Tab.2. Entalpia wybranych produktów wg pomiarów L. Riedela [4] Entalpia w zaleŝności od temp. (przy -40 o C h=0) [kj/kg] Produkt -30 o C -20 o C -15 o C -10 o C -5 o C -0 o C 5 o C 10 o C 20 o C 30 o C Groch 17,6 43,5 60,7 86,7 144,9 312,3 330,3 347,1 384,4 390,2 Szpinak 16,8 33,1 48,6 62,8 88,6 362,8 386,9 402,4 444,2 485,7 Truskawki 16,8 39,8 53,6 72,9 109,6 363,8 384,3 401,1 440,4 482,7 JeŜeli m jest masą produktu w kg, to ilość odprowadzanego ciepła wynosi: ( )[ ] Q = m h h kj 1 2 Dla pracy ciągłej urządzenia, strumień określamy: ( ) Q = m h h 1 2 m - wydajność urządzenia, określona w kg/h lub kg/dobę. JeŜeli urządzenie pracuje okresowo, wówczas wartość strumienia Q naleŝy pomnoŝyć przez iloraz τ τ cyklu zapotrz. τ cyklu - czas trwania cyklu technologicznego (wliczając czas operacji τ zapotrz. załadunku, wyładunku, czynności pomocniczych itp.) - czas trwania odbioru strumienia ciepła (całkowity czas pracy urządzenia chłodniczego).
2.1. Strumień ciepła odprowadzany podczas wychładzania produktu. Całkowity strumień ciepła odprowadzany podczas wychładzania produktu wynosi: gdzie: Q = Q ' + Q '' + Q ''' Q ' - uwzględnia opakowanie produktu Q ' = ( h h ) + m ( h ' h ')[ kj ] 1 2 t 1 2 lub Q' = ( m c + m c') ( t t )[ kj ] m, m t - masa towaru oraz masa opakowania [kg]; t 1 2 c, c - średnie ciepło właściwe produktu i opakowania [kj/kg K]; h 1, h 2 - entalpia właściwa produktu: początkowa i końcowa [kj/kg]; h 1, h 2 - entalpia właściwa opakowania w temperaturze początkowej i końcowej [kj/kg]. Układając produkty w sztaple, z zastosowaniem podkładek i przekładek, naleŝy uwzględnić ilość ciepła odprowadzaną od tych elementów. Q '' - uwzględnia zawartość wilgoci w chłodzonym produkcie m Q '' = m ( r + r1 )[ kj ] 100 m - ususzka względna produktu podczas wychładzania [%] r- ciepło parowania wody [kj/kg] r 1 - ciepło topnienia lodu [kj/kg] qwew. Q''' - uwzględnia ciepło pochodzące z wewnętrznych źródeł ciepła (np. ciepło oddychania) Q ''' = m q [ kj ] wew. - wewnętrzne ciepło oddawane od produktu.
Część wydzielonej podczas oddychania energii (około połowa) występuje w postaci uwolnionego ciepła, które naleŝy odprowadzić. Proces oddychania jest zaleŝny od temperatury: im wyŝsza temperatura tym szybszy proces oddychania a w związku z tym większe zuŝycie węglowodanów i większe ilości uwalnianego ciepła. Tab.3 Ciepło oddychania owoców wg. Sprenger Institut Temp. komory ( C) 0 +2 +5 +10 +15 +20 Ciepło oddychania [W/tonę] Jabłka 8 13 18 27 44 60 Gruszki 10 17 30 41 108 163 Śliwki 17 27 49 95 133 183 W obliczeniach strumienia ciepła bardzo waŝną wielkością jest czas chłodzenia poniewaŝ temperatura produktu t zaleŝy takŝe od czasu trwania procesu, a co za tym idzie równieŝ i entalpia właściwa produktu. JeŜeli w czasie chłodzenia produktu stosujemy dodatkowo wymianę powietrza, to zysk ciepła w czasie chłodzenia produktu zwiększa się o dodatkowa ilość ciepła zaleŝną od wielkości komory i wielokrotności wymian powietrza. Strumień ciepła odprowadzany podczas chłodzenia wynosi: Q Q = τ τ - całkowity czas trwania procesu dla określonej masy towaru m 2.2. Strumień ciepła odprowadzany podczas zamarzania i domraŝania produktów. Proces zamraŝania moŝemy podzielić na trzy etapy: Schładzanie od temperatury początkowej t 1 do temperatury krioskopowej t z (zamarzania); Właściwy proces zamarzania w temp. t cr ; ObniŜenie temperatury ciała zamroŝonego do końcowej jego temperatury t 2.
Rys. Typowy wykres krzywych zamraŝania produktów Ŝywnościowych [3]. Ilość ciepła odprowadzona od 1kg produktu w procesie zamraŝania moŝemy wyznaczyć za pomocą wzoru: q = c ( t t ) + r W ω + c ( t t ) o 1 cr z M cr 2 c o - ciepło właściwe produktu w temperaturze powyŝej temp. zamarzania [kj/kg] r z - ciepło zamarzania wody [kj/kg] W- względna zawartość wody w produkcie [kg/kg produktu] ω- względna ilość wymroŝonej wody ω(t 2 ) [kg/kg produktu] c M - ciepło właściwe produktu w temperaturze poniŝej temp. zamarzania, obliczone dla średniej temp. w zakresie od t cr do t 2. JeŜeli produkt po zamroŝeniu uległ częściowemu, powierzchniowemu odtajaniu, naleŝy go domrozić. DomroŜenie moŝe być takŝe konieczne z punktu załoŝonej temperatury końcowej. W takim przypadku strumień ciepła wynosi: q ' = r W ( ω ω ') + c ( t ' t ) z 2 M 2 ω 2, ω - względna ilość wymroŝonej wody w temp. odpowiednio t 2 i t [kg/kg produktu] c M - średnie ciepło właściwe produktu w temp. od t do t 2 [kj/kg]
Strumień ciepła odprowadzany podczas zamraŝania wynosi: τ ch - czas schładzania τ z - czas zamraŝania τ d - czas domraŝania Q Q = τ τ = τ ch + τ z + τ d 3. Wyznaczanie czasu zamraŝania właściwego τ z Istnieje wiele sposobów określania czasu zamraŝania. Jednym ze sposobów określenia czasu jest metoda eksperymentalna. Jest ona stosowana w przypadku gdy kształt ciała jest bardzo złoŝony lub skomplikowane warunki procesu nie dają moŝliwości uzyskania rozwiązania analitycznego. Obecnie stosowana analityczna metoda obliczenia czasu zamraŝania jest model R. Planka. ZałoŜenia modelu Planka: Na początku procesu zamraŝania temperatura we wszystkich punktach jest stała i równa temp. krioskopowej; Współczynnik przejmowania ciepła na powierzchni ciała oraz temp. środowiska chłodzonego maja stałe wartości; Współczynnik przewodzenia ciepła warstwy zamroŝonej nie zaleŝy od temperatury; Ciepło właściwe ciała jest małe, w porównaniu z ciepłem przemiany fazowej; ZamraŜanie trwa, aŝ do zbliŝenia granic rozdziału w centralnej części ciała; Kształt produktu moŝe być sprowadzony do ekwiwalentnego kształtu prostego (płyta jednowymiarowa, cylinder i kula)
4. Podsumowanie. Ilość ciepła odprowadzanego w procesie chłodzenia warzyw i owoców stanowi istotną pozycję bilansu cieplnego pomieszczeń chłodniczych, jest bowiem podstawą doboru elementów chłodzących i wpływa na dobór oprzyrządowania maszynowni chłodniczej. Podczas projektowania takich pomieszczeń występują trudności w wyborze metody oszacowania intensyfikacji odprowadzania ciepła. Brak jest znormalizowanych wzorców rozwiązania problemu. Dobrze jest jeŝeli projektant moŝe skorzystać z wcześniej zastosowanych rozwiązań, zweryfikowanych doświadczalnie. Projektant najczęściej sięga po metody przybliŝone które pozwalają na oszacowanie wielkości takich jak: Strumień ciepła odprowadzany podczas chłodzenia Czas trwania procesu Rozkład temperatury w produkcie, poddawanym obróbce termicznej. Literatura. [1] Marian Czapp, Henryk Charun: Bilans cieplny pomieszczeń chłodni. Wyd. WyŜszej Szkoły InŜynierskiej w Koszalinie. Koszalin 1995 [2] CziŜow G.B.: Procesy cieplne w technologii chłodniczej produktów Ŝywnościowyc. Wyd. Nauk.-Techn. Warszawa 1974. [3] Gruda Z., Postolski J.: ZamraŜanie Ŝywnośc.Wyd. Nauk-Tech. Warszawa 1985 [4] Jastrzębski W.: Technologia chłodzenia Ŝywności. [5] Michalski St.: Technologia chłodzenia Ŝywności procesy i ich kontrola.