Научные основы производства продуктов питания

Лекция № 4: Кинетика и продолжительность процесса охлаждения. Влияние различных факторов на скорость охлаждения
Рисунок 1 - Изменение температуры пищевого сырья в процессе охлаждения: сплошная кривая линия – действительное изменение температуры сырья в его геометрическом центре (кривая охлаждения сырья); участок I – соответствует иррегулярной стадии охлаждения, участок кривой II- соответствует регулярной стадии охлаждения; участок кривой III – соответствует стадии теплового баланса (температура охлаждаемого сырья стремится, но никогда не достигнет температуры охлаждающей среды).

Лекция № 4: Кинетика и продолжительность процесса охлаждения. Влияние различных факторов на скорость охлаждения
Процесс охлаждения имеет три стадии:
первую – иррегулярную, или простую стадию охлаждения, которая в значительной степени зависит от начального температурного поля в продукте;
вторую – регулярного теплового режима, которая независимо от начального температурного поля в продукте характеризуется экспоненциальным изменением температуры во всех его точках;
третью – стадию теплового равновесия, которая теоретически наступает спустя бесконечно длительное время от начала процесса охлаждения, когда температура продукта и охлаждающей его среды становится равными.

Лекция № 4: Кинетика и продолжительность процесса охлаждения. Влияние различных факторов на скорость охлаждения
Таким образом, регулярный тепловой режим наступает лишь спустя некоторое время после начала теплообмена. Продолжительность первой иррегулярной стадии процесса зависит от сочетания геометрических, теплофизических свойств тела, его начального температурного поля и условий охлаждения.

Лекция № 4: Кинетика и продолжительность процесса охлаждения. Влияние различных факторов на скорость охлаждения
Уравнение продолжительности охлаждения можно получить из уравнения теплового баланса, которое имеет следующий вид:
(9)
где - масса охлаждаемого пищевого сырья, кг;
- удельная теплоемкость пищевого сырья, Дж/ (кг · К);
- изменение температуры охлаждаемого пищевого сырья, ° С;
- коэффициент теплоотдачи от пищевого сырья к охлаждающей среде, Вт/ (м2 · К);
- площадь поверхности теплообмена, м2;
- избыточная температура, как разность между температурой пищевого сырья и температурой охлаждающей среды, ° С;
- продолжительность охлаждения, с.

Лекция № 4: Кинетика и продолжительность процесса охлаждения. Влияние различных факторов на скорость охлаждения
Обозначим комплекс величин = , где - темп (скорость) охлаждения.
В этом случае из уравнения (9) без учета неравномерности температурного поля внутри пищевого сырья во время охлаждения, скорость понижения температуры в любой его точке можно выразить законом
(10)

Лекция № 4: Кинетика и продолжительность процесса охлаждения. Влияние различных факторов на скорость охлаждения
Переходя к переменной избыточной температуры, имеем:
или
. (11)
Интегрируя выражение (11) и принимая во внимание, что постоянная интегрирования равна начальной избыточной температуре, получаем
. (12)

Лекция № 4: Кинетика и продолжительность процесса охлаждения. Влияние различных факторов на скорость охлаждения
Из выражения (12) можно найти продолжительность охлаждения в пределах действия закона, представленного формулой (10). Отыскание темпа охлаждения связано с проведением эксперимента.
Пусть для моментов времени и формула (50) примет вид:
(13а)
(13б)

Лекция № 4: Кинетика и продолжительность процесса охлаждения. Влияние различных факторов на скорость охлаждения
Вычтя из формулы (13а) формулу (13б), получим
.
Тогда
. (14)

Лекция № 4: Кинетика и продолжительность процесса охлаждения. Влияние различных факторов на скорость охлаждения
Графическая интерпретация формулы (14) представлена на рис. 2.
Рисунок 2 -Зависимость логарифмической избыточной температуры ln θ от времени τ при регулярном режиме охлаждения (теоретическая прямая охлаждения )
lnθ
ln θ1
ln θ2
1
2
α
τ1
τ2