CC BY
34
664.95.001.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАМОРОЖЕННОЙ РЫБЫ
В.Н. ЛЫСОВА, Н.В. ДУЛЬГЕР
Астраханский государственный технический университет
Известно [1], что теплофизические свойства продукта оказывают значительное влияние на продолжительность процесса размораживания. Для оценки влияния отдельных теплофизических свойств на характер и продолжительность размораживания были экспериментально определены зависимости коэффициентов температуропроводности а и теплопроводности X, а также теплоемкости с от температуры в биообъекте. В качестве биообъекта рассматривались различные виды рыб Волго-Каспийского бассейна - килька, вобла, судак, щука, красноперка, карась.
При выборе метода исследования теплофизических характеристик приходится считаться с тем, что многие вещества, с которыми имеет дело физика, представляют собой твердые тела в виде непрерывной среды. К ним с достаточной строгостью может быть применен закон Фурье, математически описывающий передачу тепла в теле.
Однако очень многие материалы, в частности рыба, не являются твердым телом в том смысле, который придают этому слову в физике и теории теплообмена, а представляют собой системы из большого числа твердых частиц, отделенных друг от друга порами или ячейками различной формы и размеров, заполненными газом, жидкостью или смесью их обоих. Передача тепловой энергии в них слагается из тепла теплопроводностью через твердый скелет, теплопроводностью и конвекцией через заполненные жидкостью ячейки.
Если только ячейки не чрезмерно велики, то количество тепловой энергии, передающейся любым из способов, можно приблизительно считать пропорциональным разности температур двух прилежащих термических поверхностей. Поэтому принимают, что математически суммарный процесс передачи тепла в таких материалах, как мясо рыбы, происходит согласно закону Фурье, но под X понимают условный коэффициент, который численно характеризует способность мяса передавать тепловую энергию указанными способами (принимая во внимание и фазовый переход лед-вода). Точно так же условный смысл приобретает и коэффициент температуропроводности, и теплоемкость объекта.
Известные из литературы [1,2] данные по теплофизическим характеристикам рыбы показывают, что они относительно постоянны, если рыба находится в размороженном (или свежем) виде, и сильно изменяются с температурой, если рыба в замороженном состоянии. Теплофизические характеристики претерпевают заметные изменения главным образом из-за превраще-
ния льда в воду. Поэтому использование методов, основанных на стационарном потоке тепла, нецелесообразно. Для исследуемых биообъектов (килька, вобла, судак и др.) определение их теплофизических параметров проводилось методом регулярного режима.
Теория регулярного режима и основанные на ней методы определения теплофизических характеристик материалов разработаны в [3,4] .-Из всех методов регулярного режима наиболее разработан метод акалори-метра, с помощью которого возможно определение коэффициента температуропроводности материала а, м2/с.
Принципиальное отличие метода регулярного режима от стационарного заключается в том, что он использует нестационарный тепловой процесс в исследуемом образце, когда последний прогревается или охлаждается. Математическая теория для процессов охлаждения и нагревания одна и та же.
На рис, 1 представлена зависимость коэффициента температуропроводности рыбы от средней температуры. Вид рыбы не сказывается на величине а.
Очевидно (рис. 1), что наименьшие значения коэффициента температуропроводности рыбы имеют место при температурах близких к точке замерзания. По мере снижения температуры коэффициент температуропроводности вначале резко возрастает, затем этот рост несколько замедляется. В интервале температур от -20°С до точки замерзания значение коэффициента температуропроводности изменяется более чем в 100 раз.
Рис. 1
Для практических расчетов можно рекомендовать следующие эмпирические зависимости (1):
а (г): =
5,07
тог* га-*|)
.Л Ш
0,9-
] if/<—25
1С
Рис. 2
Известно, что при температуре -40 ... -20°С до 90% воды в рыбе находится в виде льда [5]. При температуре -А ... -2°С количество льда составляет от 3/4 до 1/2 всей влаги, и только в зоне температур, непосредственно примыкающей к точке замерзания, содержание льда в рыбе становиться незначительным.
Поскольку теплопроводность льда в 4 раза выше теплопроводности воды, то коэффициент теплопроводности замороженного биообъекта в процессе размораживания значительно изменяется. Эти изменения определяются соотношением между количеством воды и льда в объекте.
Коэффициент теплопроводности размороженных объектов А, практически не зависит от температуры и содержания жира.
I,82 (0,358 г + 0,79 ¿+0,248) х х 10”8 ¡Г-10< £ < -2,5
II,063 • Ю”,0(|/|)3 Н-2,5< ¿<0
16,25 ■ 10~8 ойегшзе (1)
Для биообъектов в размороженном состоянии величина коэффициента температуропроводности постоянна и не зависит от температуры.
Коэффициент теплопроводности X определяли на биокалориметре конструкции А.Ф. Бегунковой, работа которого основана на использовании метода регулярного режима.
Зависимость коэффициента теплопроводности для исследуемых объектов с различным влагосодержани-ем IV от температуры г представлена на рис. 2 (И7: кривая 1 - 0,6; 2 - 0,8; 3 - 0,7; 4 - 0,9) и определяется по формуле (2). Графики показывают, что по мере повышения температуры коэффициент теплопроводности постепенно уменьшается, что объясняется уменьшением доли вымерзшей воды в объекте.
XI (/): =
3,54/
+1,035 ¡Г ¿< -4
Х2 (I): =
г) (-0
0,099 (-¿)0,68 + 0,36 Н-4 < / < 0 0,00116 ¿ + 0,36 Н 0</< 10 0,36 / > 10
^ ) (-0 0,169 (-г)0’564 + 0,395 Н-4 < I < 0 0,00116?+ 0,395 ¡Г 0 < / < 10 0,395 И- ¿> 10
ХЗ (/): =
6,68;
4,047 ’ (-0
+ 1,571Г ?<-4
0,267 (-/Г61 + 0,442 if -4 < / < 0 0,00116 ? + 0,442 ¡Г 0 < ^ < 10 0,442 Н ¿>10
Х4 (¿): -
3,623
¿2
2,832
+ 1,921 Н К-А
(-0
0,582 (-¿)0'388 + 0,494 К-4 < / < 0 0,00116 ¿ + 0,494 0 < / < 10
0,494 ¡Г ¿>10 Теплопроводность различных объектов можно определить по зависимостям
\ X 1 (/) ¡Г 0,6 <Ж< 0,7
А- 2 (¿) ¡Г 0,7 < Г <0,8 X 3 (() 0,8 < ^<0,9
X 4 (ОН IV =0,9 (2)
Удельную теплоемкость объектов определяли обычным калориметрическим методом. Полученные значения оказались близкими к известным данным Ри-деля.
Расчет полной удельной теплоемкости с* можно выполнить по закону аддитивности (3) с учетом теплоты таяния льда при изменении температуры единицы массы продукта на один градус
с = ес(1-\У)+ с,(1-£й))^ + сл<в£Р + га1У (®2-ш,), (3)
где с*-теплоемкость замороженного объекта; сс-теплоемкость сухого вещества, с0 = 1180 + 3,56 /2, Дж/(кг • К); с, - теплоемкость воды; с, -- теплоемкость льда, сл = 2120 + 8 ¿2, Дж/(кг • К); о - количество вымерзшей воды при температуре, для которой вычисляется теплоемкость; Шг - СО 1 - разность между количеством вымерзшей воды при изменении температуры на РС, доли единицы; ¡V- содержание воды в объекте; г„ - удельная теплота плавления льда, к, = 335 + 2,1 /2, кДж/кг.
Путем обобщения опытных данных для различных пищевых продуктов получена обобщенная зависимость изменения количества вымороженной воды ю от ¿ и IV, которая определяется по формуле (4).
ш 1 (¿): = (-4,533 • 10~У + (-3,68 ■ 10"4)/3 - 0,011 ¿2 + +(-0,146) ¿ + 0;
ш (IV, г):
со 1 (/) И 0,6 <Ж < 0,7 со 2 (() 11^ 0,7 <^<0,8 ю 3 (0 0,8 < Ж< 0,9
ш 4 (0Ш=0,9
при влагосодержании продукта W=0,6 ' 38.06
.И)
97.18
С1 (1) :=
0.842
№ -25 < X < -10
0.3
44.298 ¡Т -10 < I < -3
(-0
7.034-1+ 46.85 if -3 < I <
16.33-(-О144 + 3.496 № 1СГ < I < О
0.619-12 - 0.8311 + 3.457 0 < 1 < 0.5
0.08351
1
0.001361+ 3.075 ¡1 2 < 1 < 30
при влагосодержании продукта \/У=0,7 34.92
с2(1) :=
(-1) 91.53' . (-{) .
+ 0.909 ¡Г -25 < I < —10 4.752 -10 < I < -3
3.0574 + 36.47-1 + 107.593 Іf -3 < 1 < кг
54.94-(—1)17 + 3.819 ¡1 1СГ< 1< 0
0.675-Г - 0.906( + 3.768 ¡1 0 < 1 < 0.5 0.0910
{
+ 3.305 Іf 0.5 < 1 < 2
Рис. 3
ш 2 (*): = (-1,202 ■ 10"У + (-7,943 • Ю^У - 0,019 г2 + +(—0,203) I + о; со 3 (?): = (-3,37 - Ю'У + (-1,99 • 10"3)г3- 0,036 Г2 + +(-о,29)? + о; со 4(0: = (-6,976- 10~У +(-3,436)-10“3 г3-0,056^ + +(-0,372) ¿ + 0 ;
Рис. 4
На рис. 3 представлен характер изменения теплоемкости с от температуры объекта (для кильки -1, карася - 2),
Экспериментальные значения с аппроксимированы и получены зависимости для объекта с различным вла-госодержанием (рис. 4: Ж: кривая 1 - 0,6; 2 - 0,8; 3 -0,7; 4 - 0,9), которые рассчитываются по формуле (5).
(4)
с (IV, 0- = с 1 (?Ж 0,6 < Ж < 0,7 с2(0 ¡Г 0,7< ^<0,8 с3(0 Н 0,8 < 0,9
с А (ОН №=0,9
при влагосодержании продукта \/У=0,8 30.23
(5)
сЗ(1) :=
(-4) 267.97
+ 1.038 ¡Г -25 < I < -10 + 2.428 ¡Г -30 < С < -3
2.23
(-0
6.699 • С + 71.18 ■ I + 181.297 —3 ^ 1 < 1сг
112.63 • (-г)1'32 + 4.187 1Г 1сг < I < 0
0.733 ■ г2 - 0.9841 + 4.091 И 0 < I < 0.5 0.0988
+ 3.589 X 0.5 < I < 2
0.0016П + 3.639 ¡Г 2 < t < 30 при влагосодержании продукта \Л/=0,9
27.34
с4(0 :=
0.001481+ 3.352 № 2 < 1 < 30
(-1) 1046.75
3.5
+ 1.09 ¡Г -25 5 I < -10 + 3.492 ¡Т -10 < I < -3
7.474 • Г - 99.65 • I + 257.71 1Т -3 < 1 < Юг
1.49
+ 4.48 if 1сг < 1: < 0
198.88 ■ (-1)
0.792 • (-02 - 1.063 ■ 1 + 4.41 1Г 0 < I < 0.5 0.1067
+ 3.876 0.5 < I < 2
0.001741 + 3.93 1£ 2 < I < 30
Как видно из графика, для каждой величины Ж характерен максимум с при начальной криоскопической температуре, связанный с началом перехода жидкой воды в лед. С уменьшением величины 1¥ величина максимума уменьшается. В связи со сложным характером протекания кривых точное математическое описание их выполнено по участкам в разных диапазонах температур при различных величинах Ж.
Полученные значения для основных теплофизических характеристик рассматриваемых продуктов использовались в дальнейшем при расчете продолжительности и анализа процесса размораживания в конкретных режимных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алямовский И.Г. Теплофизические характеристики пищевых продуктов при замораживании // Холодильная техника. -1968,-№5.-С. 35-36.
2. Подсевалов В.Н. Температуропроводность рыбы // Тр. АтлантНИРО. - 1966. - Вып. 16. - С. 104-105.
3. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. - М.-Л.: Гостех-издат, 1957. - 369 с.
4. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. -М.:ГИТТЛ, Гостехиздат, 1954.-408 с.
5. Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии. - М.: Пищевая пром-сть, 1979. - 271 с.
Кафедра ТМО
Поступила 05.12.03 г.
664.636.085.002.2
ИНЖЕНЕРНЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ЭКСПАНДИРОВАННЫХ-ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПИЩЕВЫХ И КОРМОВЫХ ПРОДУКТОВ
И.Ю. АЛЕКСАНЯН, С.Б. ПОПОВА, С.В. СИНЯК
Астраханский государственный технический университет
В настоящее время уделяется большое внимание производству сухих кусковых, порошковых и гранулированных продуктов. Однако внедрение и надежное экономичное функционирование данных технологий сдерживается отсутствием надежных способов и конструкций для экспандирования, гранулирования и сушки.
Экспандированный структурированный комбикорм является альтернативой традиционным концентратам для сельскохозяйственных животных в виде гранул и кормовым добавкам. Обработанный продукт свободен от патогенных бактерий, имеет улучшенные питательные свойства, в нем повышается доля защищенных протеина и крахмала. Экспандат хорошо смешивается с другими сырыми компонентами и сохраняет стабильность в смесях. При промежуточном хранении не происходит расслоения смеси и у животных нет возможности для селективного поедания корма. Экономия дорогих белковых комбикормов дает преимущество экспандированному комбикорму.
Проведены исследования основных термодинамических закономерностей взаимодействия ряда характерных пищевых и кормовых продуктов с водой [1].
Статика процессов взаимодействия с водой и анализ изотерм сорбции позволяет установить и количественно оценить характер изменения термодинамических составляющих уравнения Гиббса-Гельмгольца для изохорно-изобарно-изотермического процесса AF =ДE-TAS (AS; АЕ - соответственно изменения внутренней энергии (энтальпии) и энтропии по влаго-
содержанию Up при Р = const, Т= const), продифферен-
цировав
'ад
которое
получим
( \ дАЕ
dU„
V. fJr.p
V р Утр
, где энтропийная со-
,а(Д5)
ставляющая свободной энергии Т ~^т~ Для раститель-
ных продуктов играет значительную роль. Получены зависимости свободной, внутренней, связанной энергии и термоградиентного коэффициента 8Р от влагосо-
держания и температуры.
Так, в частности, для измельченной гранулированной тыквы влажность границы первой зоны IV, =0,3, второй 1¥2 = 0,6, третьей = 0,79, четвертой = 0,9.
При тгУ1> 0
—) = А1Х=ЯТ\пА„ =
Мр)
^(0,068333 Г-17,221667; IVр +' ^+(-0,006833 Т -1,217833)
{ \ dAS
Л/
(0,136666 Т -17,221667) Wp +л
-R ( т] +(_0 Ш66 т_12шъз
5„ =-------------------------х
р Г (0,068333 Г-17,221667)
х ((0,136666 Т -17,221667) Wp + +(-0,13666 Г-1,217833));
