автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Методы и средства измерения тепловых и влажностных свойств пищевых продуктов и материалов в условиях их замораживания и размораживания

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

БАРАНОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 536.2

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ВЛАЖНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ И МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ИХ

ЗАМОРАЖИВАНИЯ И РАЗМОРАЖИВАНИЯ

05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

ПЛАТУНОВ Е.С.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Перечень сокращений и условных обозначений, символов и единиц измерений...................................................... 4

Введение..................................................... 6

1, Состояние вопроса........................................... 12

1.1. Влияние влаги в пищевых продуктах на технологию их обработки и хранения..................................................... 12

1.2. Основные сведения об энтальпии и теплоемкости пищевых продуктов.......................................................... 16

1.3 . Методы исследования энтальпии и теплоемкости пищевых продуктов.......................................................... 31

1.4. Методы определения влагосодержания пищевых продуктов и других материалов................................................ 37

1.5. Выводы по главе..................................... 43

2. Теоретическое обоснование метода измерения теплофизических характеристик влагосодержащих материалов в условиях их замораживания и размораживания.......................................... 46

2.1. Физические основы метода измерений..................................................46

2.2. Выбор схемы теплоизмерительной ячейки............................................49

2.3. Исходная математическая модель ячейки..............................................54

2.4. Температурное поле прослойки............................................................56

2.5. Температурное поле исследуемого материала в условиях замораживания и размораживания................................................................................59

2.6. Обоснование исходных соотношений для расчета эффективной теплоемкости и энтальпии материалов..............................................................63

2.7. Методика расчета тепловых характеристик материалов......................68

2.7.1. Определение энтальпии пищевых продуктов................... 74

2.7.2. Определение эффективной теплоемкости и криоскотшческой температуры пищевых продуктов.................................... 74

2.7.3. Определение интегральной теплоты плавления и энтальпии фазовых превращений влаги......................................... 76

2.7.4. Определение истинной теплоемкости продукта и дифференциальной теплоты плавления влаги*................................... 80

2.8. Определение влажнбстных характеристик продукта.............. 81

2.8.1. Определение влагосодержания материалов по теплоемкости продукта........................................................ 81

2.8.2. Определение влагосодержания по теплоте фазовых превращений воды....................................................... . 83

2.8.3. Определение влагосодержания и доли невымороженной воды на

различных уровнях температуры................................. 83

2.9. Выводы по главе........................................... 84

3. Выбор конструкции теплоизмерительной ячейки и блок-схемы электронно-вычислительного устройства.............................. 85

3.1. Конструкция теплоизмерительной ячейки.............:................85

3.2. Схема электронно-вычислительного блока экспериментальной установки..............................................................93

3.3. Выводы по главе.....................................................98

4. Методика измерений и обработки результатов опыта. Анализ метрологических возможностей теплоизмерительной ячейки............... 100

4.1. Методика градуировки микрокалориметра............................................100

4.2. Методика измерений и обработки экспериментальных данных..........103

4.3. Методика определения количества влагосодержания материала по интегральной теплоте плавления льда..........................................................114

4.4. Методика расчета влагосодержания в образцах в интервале температур от 20 до 40 °С........................................................................................119

4.5. Анализ метрологических возможностей экспериментальной установки................................................................................................................120

4.6. Результаты исследований теплофизических и влажностных свойств пищевых продуктов и материалов................................................................123

4.7. Выводы по главе......................................................................................132

Заключение.................................................. 133

Список использованной литературы.............................. 135

Приложение.................................................. 144

ПЕРЕЧЕМЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЙ

Ь(т) - скорость изменения температуры образца, К/с;

С| , Сп, С3 С4 - теплоемкости образца, ампулы, прослойки, блока, соответственно, Дж/К;

с\ эф (0> с3 эф (0 ~ удельные эффективные теплоемкости исследуемого вещества, прослойки, соответственно, Дж/(кг-К);

с(7) - удельная теплоемкость исследуемого вещества, Дж/(кг-К); св - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг-К); сд(0 _ удельная теплоемкость дюралюминия, Дж/(кг-К) слат (/) - удельная теплоемкость латуни, Дж/(кг-К) смц(0 ~ удельная теплоемкость медного цилиндра, Дж/(кг-К) см - удельная теплоемкость исследуемого вещества при отрицательной температуре, Дж/(кг-К)

сл - удельная теплоемкость льда, Дж/(кг-К);

Сс - удельная теплоемкость сухого остатка в исследуемом веществе, Дж/(кг-К); gl, §2, - массовые доли компонентов водосодержащей смеси;

к - удельная энтальпия, Дж/кг;

/гк(?) - удельная энтальпия однофазных компонентов, Дж/кг;

~ удельная энтальпия плавления свободной и связанной воды (теплота льдообразования), Дж/кг;

К^ (?) - тепловая проводимость теплоизоляционной прослойки (тепломера), Вт/К;

М - масса исследуемого вещества, кг; Ма - масса ампулы, кг;

Мв- масса воды в исследуемом веществе, кг; Мя - масса льда в исследуемом веществе, кг; Мм - масса медного цилиндра, кг; т - темп охлаждения ампулы, с"1;

#пл - удельная теплота плавления (затвердевания) исследуемого вещества, Дж/кг;

д1Ш в - удельная теплота плавления льда, дшь =334,1 к Дж/кг; - плотность теплового потока, Вт/м2;

(2{т) -тепловой поток, Вт;

Щ - радиус отверстий, заполняемых исследуемым веществом, м; Щ, Щ - наружные радиусы ампулы и прослойки, соответственно, м;

t - температура, 0 С;

¿0 = /(О)—начальная температура образца в опыте; 0 С;

ЬЬ)> ЬЬ)> *зЬ)> ~ температуры образца, ампулы, прослойки, бло-

ка, ° С;

- средняя температура блока в течение времени плавления льда, 0 С;

- конечная температура образца, 0 С;

¿Кр - криоскопическая температура исследуемого вещества, ° С ;

и - исходное влагосодержание исследуемого вещества;

- дифференциальная теплота плавления свободной и связанной воды, Дж/(кг-К);

IV - массовая влажность исследуемого вещества;

- доля невымороженной воды на различных уровнях температуры; &!, & 2, $ з & 4 ~ перепады температур в образце, ампуле, прослойке, блоке, соответственно, К;

А^, Х2,13> ~ коэффициенты теплопроводности образца, ампулы, прослойки, блока, соответственно, Вт/(м-К); Р|, Рз - плотность образца и материала прослойки, кг/м3; т - время, с;

Т п л - время плавления льда, с;

со - массовая доля вымороженной воды.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Искусственный холод широко применяется для хранения пищевых продуктов, что обусловлено прекрасными консервирующими свойствами содержащейся в них воды, если она полностью или частично переведена в кристаллическое состояние. Общеизвестно, что для превращения свободной воды в лед достаточно охладить ее чуть ниже 0°С и поддерживать при этой температуре. Однако в пищевых продуктах лишь малая доля воды находится в свободном состоянии. Значительная часть ее сложным образом связана с основными компонентами продукта на молекулярном, клеточном и капиллярном уровнях, поэтому процесс кристаллизации (замерзания) воды происходит не при фиксированной температуре (0°С), а растягивается на широкую область температур (до минус 30°С и более), резко воздействуя на все тепловые характеристики продукта. Характер процессов кристаллизации у продуктов индивидуален, поэтому для оптимизации режимов их термической обработки нужны детальные сведения о всех тепловых и влажностных свойствах каждого вида продукта во всей области кристаллизации. Это относится ко всем технологическим процессам консервирования пищевых продуктов с помощью холода: охлаждению, подмораживанию, замораживанию, хранению, отеплению и размораживанию. Каждый из них тесно связан с биохимическими, микробиологическими и биофизическими процессами, направленность которых в каждом конкретном случае определяется индивидуальными особенностями каждого вида продукта как растительного, так и животного происхождения [3].

В области сохранения пищевых продуктов перед холодильной технологией стоят следующие задачи:

• изучение состава, структуры и свойств пищевых продуктов;

• изучение изменений в пищевых продуктах, вызываемых понижением их температуры;

• поиск способов наиболее эффективного регулирования изменений в желаемом направлении в основном посредством понижения температуры, а если

необходимо, то и с привлечением дополнительных средств, помогающих управлять этими изменениями; • разработка рациональных, с точки зрения сохранения питательных свойств продукта, процессов холодильной обработки и хранения продуктов; нахождение наиболее благоприятных режимов осуществления таких процессов в ' соответствии со всеми особенностями каждого вида продукта и свойственных ему изменений [3].

Для успешного выполнения перечисленных выше задач необходимо знать свойства различных материалов и продуктов, которые подвергаются хранению и дальнейшей технологической обработке. Среди них важное место занимают теплофизические свойства и их количественные характеристики. Развитие, совершенствование и интенсификация процессов холодильной обработки базируются на общем принципе современной технологии: от знания и анализа теп-лофизических свойств материалов (продуктов) как объектов обработки - к выбору методов и оптимальных режимов процесса, и на этой основе - к созданию рациональной конструкции технологических аппаратов и установок.

К сожалению, возможности известных методов определения теплофизи-ческих характеристик (ТФХ) пищевых продуктов в условиях их замораживания и размораживания остаются крайне ограниченными. Рекомендуемые для этой цели методы адиабатического нагрева отличаются громоздкостью [4] и низкой производительностью, а главное - не могут воспроизводить типовые технологические режимы замораживания и размораживания продуктов.

Сырье, материалы и продукты пищевой промышленности представляют собой сложные объекты обработки. Это обычно гетерогенные системы - твердые тела разнообразной структуры и жидкие растворы различной концентрации, в которых могут находиться и газовые включения. Знание ТФХ этих объектов необходимо для проведения расчетов кинетики технологических процессов, причем идеально было бы определять эти характеристики аналитическим методом, при реальных краевых условиях протекания соответствующих процессов. Однако в связи с их сложным нелинейным характером применять чисто

аналитические методы довольно трудно. Поэтому основным источником данных о ТФХ пищевых продуктов и материалов остаются экспериментальные исследования их теплофизических свойств.

Новые возможности в исследовании ТФХ пищевых продуктов и материалов открываются при применении автоматизированных систем на базе микропроцессорной техники. В этом случае исследователь полностью или частично освобождается от трудоемких операций экспериментального и вычислительного характера, включающих регистрацию и обработку теплофизической информации. С помощью персональной ЭВМ и специального программного обеспечения исследователь может быстро провести всесторонний и качественный анализ полученной экспериментальной информации (статистическое фильтрование, сглаживание, интегрирование, дифференцирование, учет многих факторов, учитывающих реальные условия протекания соответствующих технологических процессов).

Цель работы. Целью настоящей работы является:

• создание экспрессных методов и средств, позволяющих изучать комплекс тепловых и влажностных характеристик пищевых продуктов и влагосодержа-щих материалов как функций температуры на образце малого объема в условиях их замораживания и размораживания при монотонно изменяющемся внешнем тепловом воздействии.

Для достижения поставленной цели пришлось решить ряд задач:

• разработать и теоретически обосновать метод, позволяющий определять температурную зависимость энтальпии у образцов малых размеров в условиях, когда они подвергаются замораживанию или размораживанию заданным внешним тепловым воздействием;

• теоретически обосновать методики аналитического перехода от энтальпии продукта к его эффективной теплоемкости, интегральной и дифференциальной теплоте замерзания влаги и количеству невымороженной воды в продукте на различных уровнях температуры;

• создать теплоизмерительную ячейку, обеспечивающая изучение ТФХ продуктов указанным выше методом на образцах объемом (4-10 см3);

• снабдить теплоизмерительную ячейку электронно-вычислительным устройством (контроллером), обеспечивающим автоматическое управление опытом, сбор и аналитическую обработку представительного массива экспериментальной информации;

• исследовать эксплуатационные и метрологические возможности экспериментальной установки на примере наиболее распространенных пищевых продуктов животного и растительного происхождения.

Научная новизна. На основе изучения закономерностей и характеристик фазовых превращений, происходящих в пищевых продуктах и влагосодержа-щих веществах в условиях замораживания и размораживания, разработан метод исследования энтальпии влагосодержащих материалов как функции температуры в области температур от минус 30 до 20 °С. Разработаны два независимых способа определения влагосодержания указанных материалов.

Получены новые данные о теплофизических свойствах ряда продуктов животного и растительного происхождения в области температур от минус 30 до 20 °с.

Практические результаты:

• создана экспериментальная установка, обеспечивающая экспрессные измерения энтальпии, эффективной и истинной теплоемкостей, интегральной и дифференциальной теплоты плавления (замерзания) влаги, влагосодержания и доли невымороженной воды при изменении температуры в области от минус 30 до 40 °С, на образцах объемом (4-10 см3);

• получены новые данные о теплофизических и влажностных характеристиках ряда пищевых продуктов животного и растительного происхождения.

Полученные теоретические и практические результаты проведенных исследований могут быть использованы:

• для определения удельной теплоемкости и энтальпии пищевых продуктов животного и растительного происхождения и влагосодержащих материалов в интервале температур от минус 30 до 20 °С;

• при изучении кинетики фазовых превращений тонкодисперсных влагосодержащих материалов как в режиме замораживания, так и в режиме разморажи-' вания;

• при проектировании аналогичных теплоизмерительных установок для изучения указанных теплофизических свойств;

• при автоматизации теплофизических приборов и установок.

Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 научных работах и доложено на ХХШ-ХХУ научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГАХПТ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений,

В первой главе проведен краткий сравнительный анализ методов и установок, использующихся для изучения теплофизических свойств пищевых продуктов. Показана необходимость разработки новых средств определения ТФХ продуктов. Сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрена физическая сущность и дано теоретическое обоснование метода исследования теплофизических свойств пищевых продуктов в условиях замораживания и размораживания: « энтальпии;

• энтальпии фазовых превращений связанной воды; « эффективной удельной теплоемкости;

• истинной теплоемкости;

• интегральной теплоты фазовых превращений;

• дифференциальной теплоты плавления связанной воды.

Также показана возможность применения этого метода для определения основных влажностных характеристик пищевых продуктов:

• исходное влагосодержание;

• влагосодержание на различных уровнях температуры;

• доли невымороженной воды на различных уровнях температуры.

В третьей главе рассматриваются конструкция экспериментальной установки, схема электронно-вычислительного блока (контроллера) и программное обеспечение эксперимента.

Четвертая глава посвящена анализу метрологических и эксплуатационных возможностей метода и созданной установки. Представлены результаты экспериментального исследования теплофизических свойств некоторых видов пищевых продуктов животного и растительного происхождения.

В приложениях представлены теплофизические свойства ряда пищевых продуктов растительного и живо�