Нагревание и охлаждение пищевых продуктов являются наиболее распространенными процессами. В современной пищевой промышленности применяются охлаждение, замораживание, тепловая стерилизация, сушка и выпаривание. В этих процессах происходит перенос теплоты между продуктом и нагревающей или охлаждающей средой.

В этой главе будут рассмотрены различные способы термической обработки пищевых продуктов и основные модели переноса теплоты, такие как кондукция, конвекция и радиация. Выведенные простые математические уравнения позволят предсказать теплообмен в твердых телах и жидкостях. С помощью математических уравнений возможно проектирование и оценка простых теплообменных аппаратов. Далее будут рассмотрены более сложные случаи, возникающие при теплообмене в нестационарном состоянии, когда температура меняется во времени. Теплофизические свойства пищевых продуктов характеризуются удельной теплоемкостью, теплопроводностью и температуропроводностью.

1.5.1 Теплофизические свойства пищевых продуктов

Удельная теплоемкость – это количество теплоты, получаемое или теряемое единицей массы (кг) продукта для изменения температуры на 1 К без изменения своего агрегатного состояния:

Cp = Q/M(ΔT) (1.1)

где: Q – полученная или потерянная теплота, кДж; M – масса продукта, кг; ΔT – изменение температуры материала, К; C _п – удельная теплоемкость, кДж/(кг·К).

Удельная теплоемкость продукта зависит от его состава, влагосодержания, температуры и давления. Удельная теплоемкость продукта возрастает с увеличением его влагосодержания. Удельная теплоемкость газа при постоянном давлении С _р больше, чем его удельная теплоемкость при постоянном объеме С _v . В большинстве случаев используется удельная теплоемкость при постоянном давлении С _р , поскольку давление, как правило, является постоянной величиной.

Единица измерения удельной теплоемкости – кДж/(кг·К), она эквивалентна кДж/(кг· ºC ), т.к. 1К = 1℃.

Для процессов, где имеет место изменение агрегатного состояния пищевых продуктов, применяется истинная удельная теплоемкость. Истинная удельная теплоемкость объединяет теплоту, затрачиваемую на изменение агрегатного состояния и физическую теплоту (энтальпию).

Значения удельной теплоемкости определяют экспериментально или эмпирически.

Для мяса с влагосодержанием в диапазоне 26-100% и фруктовых соков с влагосодержанием выше 50% предложено следующее уравнение для расчета удельной теплоемкости:

С _р = 1,675 + 0,025ω, (1.2)

где ω – влагосодержание, %.

Для продуктов с известным составом удельная теплоемкость может быть определена по уравнению:

С _р = 1,424т _у + 1,549т _б + 1,675т _ж + 0,837т _з + 4,187т _в (1.3)

где: т _у , т _б , т _ж , т _з , т _в – массовые доли углеводов, белков, жиров, золы и влаги, соответственно.

Для фруктов и овощей, пюре и концентратов растительного происхождения, не содержащих жиры, обнаружено, что удельная теплоемкость варьируется в зависимости от влагосодержания, и она может быть определена как взвешенное значение удельной теплоемкости воды и удельной теплоемкости сухих веществ.

Для растительного сырья, не содержащего жир, с массовой долей влаги ω , при положительных температурах, удельная теплоемкость воды равна 4186,8 кДж/(кг·К), а сухих веществ – 837,36 кДж/(кг·К). Так как массовая доля сухих веществ ( 1-ω ), средневзвешенное значение удельной теплоемкости для единицы массы материала будет равно:

С _р =3349ω + 837,36 (1.4)

При наличии жира в сырье удельная теплоемкость при положительных температурах может быть определена через массовую долю жира т _ж , обезжиренных сухих веществ m _с.в. и влаги ω:

С _р =1674,72 т _ж + 837,36 m _с.в. +4186,8ω

При отрицательных температурах нецелесообразно определять теплоемкость целой смеси, поскольку количество замороженной и незамороженной влаги варьируется при разных температурах. Необходимо учитывать скрытую теплоты плавления льда, явная теплота влаги и льда должна быть определена раздельно.

В приложении 1 приведены значения удельной теплоемкости некоторых видов пищевых продуктов.

Теплопроводность продукта означает количество теплоты, которое проводится в единицу времени через единицу толщины материала, если через эту толщину существует градиент единицы температуры.

В СИ единица теплопроводности λ: λ = Дж/(c · м · К) = Вт/(м · К)

Теплопроводность большинства высоковлажных продуктов имеет значения, близкие к теплопроводности воды. Значения теплопроводности определяются экспериментальным путем и по следующим уравнениям регресии.

Для фруктов и овощей с влагосодержанием более чем 60%:

λ = 0,418 + 0,00493ω (1.5)

где ω – влагосодержание, %.

Для мяса с температурой 0-60 ⁰ С и влагосодержанием 60-80%:

λ = 0,080 + 0,0052ω (1.6)

Для мяса с температурой от -40 до -5 ℃ и влагосодержанием 65-85%:

λ = 0,28 + 0,0019ω – 0,0092Т (1.7)

В приложении 2 приведены значения теплопроводности некоторых пищевых продуктов.

Температуропроводность а - это соотношение таких величин, как теплопроводность λ , плотность ρ и удельная теплоемкость С _р :

a = λ/ρCp (1.8)

Единица измерения температуропроводности: a = м ² /с.

Температуропроводность может быть подсчитана подставлением значений теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости в уравнение (1.8). Предложено следующее уравнение для расчета температуропроводности:

a = ∑ ⁿ _i=1 a _i x _i (1.9)

где n - число компонентов, a _i – температуропроводность i-го компонента; x _i – массовая доля каждого компонента.