ПРОДОЛЖЕНИЕ ЛЕКЦИИ № 6

2. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Пищевые продукты как объекты термической обработки

В технологических процессах пищевых производств важную роль играют явления тепло- и массопереноса. В большинстве слу­чаев это сложные нестационарные (параметры изменяются во времени) и необратимые (стремящиеся к равновесию) процессы, в результате которых изменяются свойства, структура и качество сырья и полуфабрикатов.

Сырье, материалы и продукты пищевой промышленности представляют собой гетерогенные системы - твердые тела разнообраз­ной структуры (дисперсные системы) и жидкости (растворы раз­личной концентрации), в которых могут находиться и газовые включения. Теплофизические характеристики таких объектов, за­висящие от химического состава и в первую очередь от влажнос­ти, могут значительно изменяться в процессах обработки, поэто­му их значения необходимо увязывать с параметрами состояния (температура, давление).

К теплофизическим характеристикам относят удельную тепло­емкость с [в Дж/(кг·К)], коэффициент теплопроводности λ [в Вт/(м·К)] и коэффициент температуропроводности а (в м²/с). В последнее время от теплофизических характеристик переходят к более широкому понятию теплофизических свойств веществ, к которым наряду с указанными характеристиками относят также количество теплоты, выделяющееся или потребляемое при фи­зико-химических процессах, а также функции состояния (внут­реннюю энергию, энтальпию и др.).

Следует учесть, что в зависимости от способа и скорости на­грева (охлаждения) могут по-разному изменяться структура и свойства объекта, а для влажных коллоидных капиллярно-порис­тых материалов большое значение имеет взаимовлияние процес­сов переноса теплоты (энергии) и влаги (массы), особенно при наличии фазовых превращений (испарение, сублимация, конден­сация). Поэтому определение теплофизических характеристик и оценку теплофизических свойств пищевых продуктов следует увя­зывать с другими свойствами и характеристиками, а также со способами их обработки в различных технологических процессах (гигротермическое воздействие, выпарка, сушка, выпечка, обжар­ка и др.).

К этим характеристикам следует отнести в первую очередь термодинамические и массообменные характеристики: потенциал переноса массы (химический потенциал ц (в Дж/моль или Дж/кг) и единый потенциал массопереноса θ_m (в единицах потенциала или массообменных градусах, °М), удельную массоемкость с_т [в кг/(кг. ед. потенциала)], энергию связи влаги с материалом L (в Дж/кг); коэффициент массо-влагопроводности λ_т [в кг/(м·ч·ед. потенциала)], коэффициент диффузии вещества (влаги) а_т (в м²/с или м²/ч).

В последнее время стали применяться методы интенсивного энергоподвода и, в частности, прогрев в электромагнитном поле (инфракрасными лучами и в поле высокой и сверхвысокой час­тоты). В этих условиях важное значение имеют терморадиацион­ные (оптические) и диэлектрические характеристики пищевых продуктов (спектральные и интегральные поглощательная А, отражательная R и пропускательная D способность (в % или до­лях единицы); диэлектрическая проницаемость e' (действитель­ная), угол диэлектрических потерь δ и произведение e'tgδ=e" - мнимая составляющая диэлек-трической проницаемости, или коэф­фициент диэлектрических потерь.

Теплофизические характеристики пищевых продуктов

Теплоемкость. Теплоемкость, количество теплоты, затрачиваемое для изменения температуры на 1°С. Удельной теплоёмкостью называется теплоёмкость, отнесённая к единичному количеству вещества. Удельная теплоемкость материала с_м [в Дж/(кг·К)] обычно рассчитывается как средневзвешенная вели­чина между теплоемкостью сухого вещества материала с_с.в и тепло­ емкостью воды с_в, которая принимается равной 4,19 кДж/(кг·К),

                                                                      (6.11)

где W - влажность материала, %.

Теплоемкость сухого вещества различных пищевых продуктов составляет 1257-1676 Дж/(кг·К).

Формулу (6.11) можно представить в следующем виде:

с_м = с_с.в + (с_в - с_c.в) W/100.                                                                       (6.12)

Если теплоемкость влажного материала отнести к килограм­му сухого вещества, то получим приведенную теплоемкость [в Дж/(кг с.в.·К)]

,                                      (6.13)

где и - влагосодержание продукта,   кг вл /кг с. в.

Согласно формулам (6.12) и (6.13), обычно применяемым в расчетах сушильных установок, зависимость между теплоемкостью материала и его влажностью имеет линейный характер. Специ­альные экспериментальные исследования показали, что для многих материалов и продуктов функция с_м=f(W) не является монотон­ной, и график ее имеет переломные точки. На рис. 6.7 показаны зависимости теплоемкости зерна пшеницы от его влажности, эти зависимости получены по данным разных авторов и по форму­ле смешения (6.12), при этом принято, что с_{с в} = 1548,8 Дж/(кг·К).

Рис. 6.7. Зависимость удельной теплоемкости зерна пшеницы от его влажности:

1 - по данным В. С. Уколова и А. С. Гинзбурга; 2 - по данным ВНИИЗа; 3 - по формуле смеше­ния; 4 - по данным Диснея;

5 - по данным Г. А. Егорова и Я. Н. Куприца.

Различный характер графиков, по данным многих авторов, обусловлен, по-видимому, разными сортами пшеницы, а также различными условиями подготовки зерна и проведения опытов. На всех графиках имеются переломные точки, однако в определенных пределах влажности зерна числовые значения величин, входящих в формулу для расчета с_м, получаются различными. Так, данные МТИППа:

-в пределах влажности W = 0¸13,8%       с_м =(0,352+ 0,00134W) 4190;

-в пределах влажности W = 13,8¸23,1%    с_м = (0,308+0,0056W) 4190.

В общем виде расчетная формула имеет такой вид:

с_м = с_о + N·W,                                                                                (6.14)

где с₀ - отрезок, отсекаемый на оси ординат; N - тангенс угла наклона прямой на участке, соответствующем определенным пределам влажности.

В частном случае, когда линия 2 (см. рис. 6.7) не имеет пере­ломных точек, расчетная формула превращается в формулу сме­шения (6.11), имеющую вид аддитивного уравнения, в котором:

с_о = с_с.в ;   N = (с_в - c_c.в)/100,

т. е.

с_м»1550 + 26,4W Дж/(кг·К).

В опытах Уколова, как и по данным Диснея, зависимость с от влажности зерна имеет линейный характер, однако в разных диапазонах влажности прямые линии описываются разными уравнениями. Так, если при влажности до 11% можно рассчитывать с по формуле смешения: с = 1386 + 28W Дж/(кг·К), то при влаж­ности, превышающей 11%, уравнение прямой имеет другой вид.

Причина этого явления до сих пор не выяснена. Возможно, что при W>11% (для этого сорта зерен) в процессе увлажнения или сушки происходили явления, связанные с выделением или поглощением теплоты.

Появление переломных точек на графиках с_м = f(W) можно объяснить двумя причинами:

1) физико-химическими изменениями сухого вещества  мате­риала в различных интервалах влажности;

2) влиянием таких факторов, как пористость материала, наличие воздуха в твердом скелете, соотношение между водой, нахо­дящейся в жидком состоянии, и паром и др.

Однако следует отметить, что влияние этих факторов на теп­лоемкость материала вряд ли может быть значительным. Сущест­венное влияние они оказывают на теплопроводность влажного материала. Большое влияние на теплоемкость могут иметь внут­ренние процессы, происходящие при увлажнении или сушке ма­териала.

Таким образом, для таких сложных систем, как пищевые про­дукты, определение теплоемкости влажного материала по фор­муле смешения является приближенным, и для точных расчетов необходимо проведение специальных экспериментов в широких диапазонах влажности. При отсутствии точных эксперименталь­ных данных для технических расчетов можно пользоваться фор­мулой смешения (6.14), принимая приближенные значения с_с.в приведенные в табл. 6.5.

Таблица 6.5. Удельная теплоемкость сухого вещества некоторых пищевых продуктов при температуре около 20^оС.

С повышением температуры теплоемкость пищевых продуктов обычно увеличивается. Для иллюстрации приводим формулы для расчета удельной теплоемкости сухого вещества соответственно сахара и картофельного крахмала [в Дж/(кг·К)] в зависимости от температуры:

с_c.в = 1160 + 3,56 t;                                                                       (6.15)

с_с.в =1101+3,14 t.                                                                          (6.16)

Коэффициент теплопроводности. Теплопрово́дность ‒ это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением  температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими  это аналог проводимости.

Способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности (удельной теплопроводностью). Численно эта характеристика равна количеству теплоты, проходящей через материал толщиной 1 м, площадью 1 м², за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте.

 Перенос тепла во влажных материалах существенно отличается от передачи тепла в сухих материалах:

1) влага оказывает влияние на теплопроводность порообразующего твердого скелета тела, в порах    которого она находится;

2) перенос тепла тесно связан с непосредственным переносом влаги внутри материала.

Тепло может передаваться также конвекцией через поры, в которых находится газ и жидкость, и излучением между стенка­ми пор. Поэтому различают истинный и эквивалентный коэффици­енты теплопроводности.

Истинный коэффициент теплопроводности λ [в Вт/(м·К)] яв­ляется коэффициентом пропорциональности в известном уравнении Фурье

                                                                                         (6.17)

где q - плотность потока тепла в твердом изотропном теле, Вт/м²;  - гради­ент температуры, К/м.

Эквивалентный, или эффективный, коэффициент теплопровод­ности λ_экв характеризует способность влажного материала прово­дить тепло всеми указанными выше способами

                                                               (6.18)

где λ_тв - коэффициент теплопроводности твердого скелета материала; λ_конд - коэффициент кондукции (теплопроводности) жидкости и паровоздушной смеси, находящихся в стационарном состоянии в порах материала; λ_конв - коэффициент, характеризующий перенос тепла за счет конвекции воздуха внутри материала; λ_И - коэффициент, характеризующий перенос тепла за счет переноса массы во­ды внутри материала (в виде жидкости и в виде пара); λ_Л - коэффициент лу­чистого теплообмена.

С учетом выражения (6.18)

                                                                                              (6.19)

Влияние влажности материала W на λ_экв обусловлено степенью, дисперсности материала (крупно-, средне и мелкодисперсные). В пределах малой влажности материала с увеличением влажности материала (W) величина λ_экв ли­нейно растет, причем скорость возрастания его тем больше, чем крупнее размер зерен. При большой влажности материала рост λ_экв постепенно приостанавливается (для крупнозернистых), или остается линейным (для среднедисперсных материалов), или темп его резко возрастает (для мелко-зернистых материалов).

Естественно, что на величину λ_экв влияют формы связи влаги с материалом. Принимается, что вначале (при малой влажности ма­териала) влага заполняет мелкие поры между зернами, после их насыщения влага переходит в воздушные поры и сосредоточивается в основном в местах стыка зерен. Таким образом, при малой влаж­ности система в основном состоит из воздушных пор и твердого ске­лета, при большой влажности влага заполняет все межзерновые по­ры и полностью насыщает их.

При термической обработке влажных пищевых продуктов, ког­да внутри материала создаются значительные градиенты темпера­туры и влажности, определенную роль играет перенос тепла пото­ком массы. Такое явление наблюдается, например, при сушке ин­фракрасными лучами и в процессе выпечки, когда температура поверхностных слоев образца растет значительно быстрее темпера­туры его центральных слоев. В начале процесса за счет температур­ного градиента влага начинает перемещаться по направлению теп­лового потока, т. е. внутрь образца, в связи с этим несколько интен­сифицируется прогрев центральных слоев. При сушке указанное явление несколько замедляет удаление влаги из материала. При охлаждении нагретого материала температурный градиент меняет свой знак, что способствует перемещению влаги в обратном направ­лении, т. е. изнутри материала к его поверхности.

Проведенные в МТИПП исследования дают основание пола­гать, что при значительной влажности материала внутренний пе­ренос массы, обусловленный градиентом температуры, происходит в основном в виде жидкости.

При малой влажности материала возможен перенос влаги в ви­де пара, который осуществляется путем испарения жидкости с од­ной стороны поры и конденсации пара на другой стороне поры, имеющей более низкую температуру.

 Диффузия пара - процесс медленный, поэтому большее значение может иметь молярный пе­ренос пара внутри поры.

Практически разность температур на стенках пор бывает незна­чительной (); в этом случае, как указывает А. В. Лыков, дви­жение влаги в процессе испарения и конденсации пара равносильно перемещению жидкости. Очевидно, нельзя рассматривать процесс переноса в отдельной поре без учета реальной структуры пористо­го материала. В таком материале при конденсации пара на стенке одной поры на близлежащей стенке соседней поры должно про­изойти испарение сконденсированной влаги, поэтому приход теп­ла в результате конденсации пара и расход тепла на испарение бу­дут взаимно погашаться. Более того, так как с понижением тем­пературы теплота парообразования будет увеличиваться, то по направлению движения теплового потока (от поверхности внутрь материала) затрата тепла на испарение может превысить приход тепла за счет конденсации.

Учитывая изложенное, можно сделать вывод, что известное влияние на перенос тепла внутри влажных материалов имеет пере­мещение влаги в виде жидкости.

Исследования, проведенные А. С. Гинзбургом и В. О. Фогелем, показывают, что за счет массопереноса в процессе выпечки (когда величина  в материале значительна) коэффициент теплопро­водности увеличивается на 14¸17%.

Между удельной теплоемкостью и влажностью теста существу­ет линейная зависимость

  с =(0,4 + 0,0061W)·4,19,                                                                       (6.20)

где с - удельная теплоемкость теста, кДж/(кг·К);  W - влажность теста, %  к общей массе.

Коэффициент теплопроводности рассчитывается по известному выражению

.

Коэффициент температуропроводности. Температуропроводность (коэффициент температуропроводности) ‒ физическая величина, характеризующая скорость изменения (выравнивания) температуры вещества в неравновесных тепловых процессах. Численно равна отношению  теплопроводности  к объёмной теплоёмкости при постоянном  давлении.

Как известно, коэффи­циент температуропроводности а является важной характеристи­кой материала, определяющей его теплоинерционные свойства; чем выше а, тем быстрее происходит нагревание или охлаждение мате­риала, т. е. коэффициент а необходимо учитывать при исследова­нии и расчете нестационарных процессов - нагревания, охлажде­ния, сушки, увлажнения и т. п.

                                                                               (6.21)

где λ - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·К); λ - плотность (или объемная масса), кг/м³; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг·К).

Произведение   есть теплоемкость единицы объема материа­ла. Она характеризует теплоаккумулирующую способность: чем больше , тем при том же значении К коэффициент а будет мень­ше, т. е. материал, обладающий большой теплоаккумулирующей способностью, будет медленно нагреваться, но так же медленно он будет и охлаждаться.

Зависимость а от влажности материала как комплексного коэф­фициента определяется зависимостью входящих в него характеристик, главным образом с и r  от влажности.

Принципы обоснования оптимального режима термической

обработки пищевых продуктов

Оптимальный режим должен обеспечить высокое качество про­дукта при высокой интенсивности процесса и высоких технико-эко­номических показателях, из которых выбирается критерий оптими­зации.

Как было указано выше, большинство процессов термической обработки являются типичными нестационарными и необратимыми процессами, для которых применимы принципы термодинамики необратимых процессов и в первую очередь принцип линейности

                                                                                   (6.22)

где i - плотность потока (энергии, теплоты, массы); L - кинетический коэффи­циент, характеризующий свойства объекта обработки - проводимость потока; X - движущая сила процесса.

Если в повышении движущих сил процесса имеются определен­ные технологические пределы (максимально допустимые градиен­ты температуры, влагосодержания, давления и т. д.), то в увели­чении кинетических коэффициентов (к которым относятся приве­денные выше теплофизические и массообменные характеристики) имеются значительные резервы.

Перспективно также применение и изыскание новых движущих сил процесса, например воздействие внешних физических и энер­гетических полей (акустического, магнитного, электромагнитного и др.).

А. С. Гинзбургом отмечена важная роль начального состояния материала и начального импульса внешнего воздействия, от кото­рого зависят реакция влажного материала и развитие соответст­вующих внутренних полей, обусловливающих интенсивность про­цесса. Такая закономерность характерна для процесса выпечки, сушки, обжарки и других, как типичных необратимых процессов, стремящихся к равновесию. В соответствии с универсальным физи­ческим принципом Ле-Шателье - Брауна, чем сильнее внешнее воз­действие на объект обработки в начальный момент, тем интенсив­нее протекают внутренние процессы, стремящиеся вернуть систему в состояние равновесия. В недавней работе Милицера и др. (Тех­нический университет, Дрезден) показано, что теория «начального импульса» применима ко многим процессам массообмена (экстрак­ция, адсорбция, десорбция).

В связи со значительной термолабильностью и влагоинерционностью важно подготовить влажный материал к восприятию воз­действия начального импульса, поэтому существенное значение приобретают различные технологические методы предварительной подготовки материала (диспергирование, виброобработка, предва­рительный нагрев, пенообразование, воздействие ПАВ и др.), а так­же совмещение термической обработки и сушки с другими техноло­гическими операциями.

         Контрольные вопросы.

1. Как классифицируется пищевые продукты по реологическим свойствам?
2. Что такое дисперсная система, дисперсная фаза и дисперсная среда?
3. Какие сложные дисперсные системы пищевых продуктов вы знаете?
4. Что такое вязкость, прочность, упругость, пластичность, эластичность, адгезия?
5. Какие реологические модели идеализированных мате­риалов вы знаете?
6. Что такое тиксотропия, реопексия, дилатенция?
7. Какие показатели относятся к теплофизическим характеристикам?
8. Какие теплофизические свойства продуктов вы знаете?
9. Какие сложные реологические модели вы знаете?
10. В чём заключается реологическое поведение пищевых масс при объемной деформации?
11. В чём заключается сущность принципов обоснования оптимального режима термической обработки пищевых продуктов?
12. Что такое удельная теплоёмкость пищевых продуктов?
13. Что такое коэффициент температуропроводности пищевых продуктов?
14. Что такое коэффициент теплопроводности пищевых продуктов?

Напечатать