Zasady wyznaczania strumienia ciepła odprowadzanego podczas

Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Współczesne techniki zamraŜania - seminarium.
Temat: Zasady wyznaczania strumienia ciepła odprowadzanego
podczas chłodzenia i zamraŜania owoców i warzyw.
Prowadzący:
Wykonał:
dr inŜ. Zenon Bonca
Mirosław Szydłowski
Sem.: 9.
Specjalność: SUChKl
Rok akad. 2005/2006
Zakres pracy:
1. Wstęp
2. Strumienia ciepła Q odprowadzanego podczas obróbki termicznej warzyw
i owoców.
2.1. Strumień ciepła odprowadzany podczas wychładzania produktu.
2.2. Strumień ciepła odprowadzany podczas zamarzania i domraŜania
produktów.
3. Wyznaczanie czasu zamraŜania właściwego τz
4. Zakończenie.
Literatura
1. Wstęp
Podstawowym celem obliczeń cieplnych jest określenie dla kaŜdego
pomieszczenia
chłodzonego,
niezbędnej
wydajności
chłodniczej,
zainstalowanego w nim oprzyrządowania. Wydajność ta musi pozwolić na
odprowadzenie z pomieszczenia strumieni ciepła, a tym samym utrzymać
parametry termiczne środowiska chłodzonego na określonym poziomie.
Podstawowe źródła ciepła w komorze chłodniczej:
• Strumień
ciepła
przenikający
przez
przegrody
z
otoczenia
(z
uwzględnieniem promieniowania słonecznego)
• Strumień ciepła przejmowany od towarów, podczas ich obróbki
termicznej (wychładzanie, zamraŜanie, domraŜanie) oraz podczas
przechowywania.
• Eksploatacyjne strumienie ciepła pochodzące od ludzi pracujących
wewnątrz pomieszczeń, oświetlenia, od zainstalowanych maszyn,
urządzeń.
2. Strumienia ciepła Q odprowadzanego podczas obróbki termicznej
warzyw i owoców.
Metody obliczania ciepła odprowadzanego podczas chłodzenia i zamraŜania:
• Prawo Fouriera
Metoda ta polega na wyznaczeniu ilości ciepła przekazywanego poprzez
przewodność cieplną z wewnętrznej masy ciała do powierzchni, która jest
omywana przez przepływające konwekcyjne
środowisko schładzające lub
pozostaje w bezpośredniej styczności ze schładzającym ciałem stałym.
• Prawo Newtona- Richmana
Polega na oznaczeniu ciepła, przekazywanego przez zewnętrzną powierzchnią
ciała przez konwekcję do środowiska schładzającego.
• Metoda uproszczona
W tej metodzie do obliczenia ciepła odprowadzanego wykorzystuje się ciepło
właściwe, masy oraz zmiany średniej objętościowej temperatury ciała. Metoda
ta jest najpowszechniej stosowana ze względu na wprowadzone uproszczenia.
Obliczenie strumienia ciepła Q odprowadzanego podczas obróbki
termicznej produktów Ŝywnościowych jest bardzo skomplikowanym etapem
przy sporządzaniu bilansu cieplnego. Aby obliczyć zyski ciepła dla produktów
Ŝywnościowych, potrzebna jest znajomość wielu własności fizycznych produktu
m.im.: gęstości, ciepła właściwego, ciepła powstałego w wyniku oddychania
takich produktów. Z uwagi na trudności w ocenie własności fizycznych róŜnych
produktów jak teŜ metod obróbki termicznej naleŜy sporządzać w kaŜdym
przypadku indywidualna analizę. WaŜną rolę przy obliczaniu wielkości
strumienia ciepła ma teŜ kształt ciała poddawanego obróbce termicznej.
Strumień ciepła w czasie obróbki termicznej musi uwzględniać następujące
strumienie ciepła odprowadzane podczas:
• Schładzania- odbiór ciepła w procesie obniŜania temperatury produktu od
temperatury otoczenia (dostawy ), do wartości zbliŜonej do temperatury
punktu krioskopowego(najczęściej powyŜej temp. krioskopowej)
• Oddychania- odbiór ciepła respiracji
• ZamraŜania- odbiór ciepła w procesie przemiany fazy ciekłej produktu w
fazę stałą;
• DomraŜania- odbiór strumienia ciepła przy wzroście zawartości fazy
stałej w zamroŜonym produkcie.
Tab.1. Wybrane własności niektórych produktów spoŜywczych [5].
Ogólnie dla wszystkich przypadków obróbki termicznej, ilość ciepła
odprowadzanego od 1kg produktu moŜna wyrazić wzorem:
q = h1 − h2 [ kJ / kg ]
h1- entalpia właściwa produktu w stanie początkowym procesu [kJ/kg]
h2 – entalpia właściwa w stanie końcowym [kJ/kg].
Tab.2. Entalpia wybranych produktów wg pomiarów L. Riedela [4]
Entalpia w zaleŜności od temp. (przy -40oC h=0) [kJ/kg]
Produkt
-30oC
-20 oC
-15 oC
-10 oC
Groch
17,6
43,5
60,7
Szpinak
16,8
33,1
Truskawki
16,8
39,8
-5 oC
-0 oC
5 oC
10 oC
20 oC
30 oC
86,7
144,9 312,3
330,3
347,1
384,4
390,2
48,6
62,8
88,6
362,8
386,9
402,4
444,2
485,7
53,6
72,9
109,6 363,8
384,3
401,1
440,4
482,7
JeŜeli m jest masą produktu w kg, to ilość odprowadzanego ciepła wynosi:
Q = m ⋅ ( h1 − h2 ) [ kJ ]
Dla pracy ciągłej urządzenia, strumień określamy:
Q = m⋅ ( h1 − h2 )
m - wydajność urządzenia, określona w kg/h lub kg/dobę.
JeŜeli urządzenie pracuje okresowo, wówczas wartość strumienia Q naleŜy
pomnoŜyć przez iloraz
τ cyklu
τ zapotrz .
τ cyklu - czas trwania cyklu technologicznego (wliczając czas operacji
załadunku, wyładunku, czynności pomocniczych itp.)
τ zapotrz . - czas trwania odbioru strumienia ciepła (całkowity czas pracy
urządzenia chłodniczego).
2.1.
Strumień ciepła odprowadzany podczas wychładzania produktu.
Całkowity strumień ciepła odprowadzany podczas wychładzania produktu
wynosi:
Q = Q '+ Q ''+ Q '''
Q ' - uwzględnia opakowanie produktu
Q ' = (h1 − h2 ) + mt ⋅ (h1 '− h2 ')[kJ ]
lub
Q ' = (m ⋅ c + mt ⋅ c ') ⋅ (t1 − t2 )[kJ ]
gdzie:
m, mt- masa towaru oraz masa opakowania [kg];
c, c’- średnie ciepło właściwe produktu i opakowania [kJ/kg K];
h1, h2- entalpia właściwa produktu: początkowa i końcowa [kJ/kg];
h1’, h2’- entalpia właściwa opakowania w temperaturze początkowej i końcowej
[kJ/kg].
Układając produkty w sztaple, z zastosowaniem podkładek i przekładek, naleŜy
uwzględnić ilość ciepła odprowadzaną od tych elementów.
Q '' - uwzględnia zawartość wilgoci w chłodzonym produkcie
Q '' = m ⋅
∆m
⋅ ( r + r1 )[ kJ ]
100
∆m - ususzka względna produktu podczas wychładzania [%]
r- ciepło parowania wody [kJ/kg]
r1- ciepło topnienia lodu [kJ/kg]
Q ''' - uwzględnia ciepło pochodzące z wewnętrznych źródeł ciepła
(np. ciepło oddychania)
Q ''' = m ⋅ qwew.[ kJ ]
qwew. - wewnętrzne ciepło oddawane od produktu.
Część wydzielonej podczas oddychania energii (około połowa) występuje w
postaci uwolnionego ciepła, które naleŜy odprowadzić. Proces oddychania jest
zaleŜny od temperatury: im wyŜsza temperatura tym szybszy proces oddychania
a w związku z tym większe zuŜycie węglowodanów i większe ilości
uwalnianego ciepła.
Tab.3 Ciepło oddychania owoców wg. Sprenger Institut
Temp. komory (°C)
Jabłka
Gruszki
Śliwki
0 +2 +5 +10 +15 +20
Ciepło oddychania [W/tonę]
8
13 18 27
44
60
10 17 30 41 108 163
17 27 49 95 133 183
W obliczeniach strumienia ciepła bardzo waŜną wielkością jest czas
chłodzenia poniewaŜ temperatura produktu t zaleŜy takŜe od czasu trwania
procesu, a co za tym idzie równieŜ i entalpia właściwa produktu.
JeŜeli w czasie chłodzenia produktu stosujemy dodatkowo wymianę
powietrza, to zysk ciepła w czasie chłodzenia produktu zwiększa się o
dodatkowa ilość ciepła zaleŜną od wielkości komory i wielokrotności wymian
powietrza.
Strumień ciepła odprowadzany podczas chłodzenia wynosi:
Q=
τ
Q
τ
- całkowity czas trwania procesu dla określonej masy towaru m
2.2. Strumień ciepła odprowadzany podczas zamarzania i domraŜania
produktów.
Proces zamraŜania moŜemy podzielić na trzy etapy:
• Schładzanie od temperatury początkowej t1 do temperatury krioskopowej
tz (zamarzania);
• Właściwy proces zamarzania w temp. tcr;
• ObniŜenie temperatury ciała zamroŜonego do końcowej jego temperatury
t2.
Rys. Typowy wykres krzywych zamraŜania produktów Ŝywnościowych [3].
Ilość ciepła odprowadzona od 1kg produktu w procesie zamraŜania moŜemy
wyznaczyć za pomocą wzoru:
q = co ⋅ (t1 − tcr ) + rz ⋅ W ⋅ ω + cM ⋅ (tcr − t2 )
co- ciepło właściwe produktu w temperaturze powyŜej temp. zamarzania [kJ/kg]
rz- ciepło zamarzania wody [kJ/kg]
W- względna zawartość wody w produkcie [kg/kg produktu]
ω- względna ilość wymroŜonej wody ω(t2) [kg/kg produktu]
cM- ciepło właściwe produktu w temperaturze poniŜej temp. zamarzania,
obliczone dla średniej temp. w zakresie od tcr do t2.
JeŜeli produkt po zamroŜeniu uległ częściowemu, powierzchniowemu
odtajaniu, naleŜy go domrozić. DomroŜenie moŜe być takŜe konieczne z punktu
załoŜonej temperatury końcowej. W takim przypadku strumień ciepła wynosi:
q ' = rz ⋅ W ⋅ (ω2 − ω ') + cM ⋅ (t '− t2 )
ω2, ω’- względna ilość wymroŜonej wody w temp. odpowiednio t2 i t’
[kg/kg produktu]
cM- średnie ciepło właściwe produktu w temp. od t’ do t2 [kJ/kg]
Strumień ciepła odprowadzany podczas zamraŜania wynosi:
Q=
Q
τ
τ = τ ch + τ z + τ d
τch- czas schładzania
τz- czas zamraŜania
τd- czas domraŜania
3. Wyznaczanie czasu zamraŜania właściwego τz
Istnieje wiele sposobów określania czasu zamraŜania. Jednym ze sposobów
określenia czasu jest metoda eksperymentalna. Jest ona stosowana w przypadku
gdy kształt ciała jest bardzo złoŜony lub skomplikowane warunki procesu nie
dają moŜliwości uzyskania rozwiązania analitycznego.
Obecnie stosowana analityczna metoda obliczenia czasu zamraŜania jest model
R. Planka.
ZałoŜenia modelu Planka:
• Na początku procesu zamraŜania temperatura we wszystkich punktach
jest stała i równa temp. krioskopowej;
• Współczynnik przejmowania ciepła na powierzchni ciała oraz temp.
środowiska chłodzonego maja stałe wartości;
• Współczynnik przewodzenia ciepła warstwy zamroŜonej nie zaleŜy od
temperatury;
• Ciepło właściwe ciała jest małe, w porównaniu z ciepłem przemiany
fazowej;
• ZamraŜanie trwa, aŜ do zbliŜenia granic rozdziału w centralnej części
ciała;
• Kształt produktu moŜe być sprowadzony do ekwiwalentnego kształtu
prostego (płyta jednowymiarowa, cylinder i kula)
4. Podsumowanie.
Ilość ciepła odprowadzanego w procesie chłodzenia warzyw i owoców
stanowi istotną pozycję bilansu cieplnego pomieszczeń chłodniczych, jest
bowiem podstawą doboru elementów chłodzących i wpływa na dobór
oprzyrządowania maszynowni chłodniczej. Podczas projektowania takich
pomieszczeń występują trudności w wyborze metody oszacowania
intensyfikacji odprowadzania ciepła. Brak jest znormalizowanych wzorców
rozwiązania problemu. Dobrze jest jeŜeli projektant moŜe skorzystać z
wcześniej zastosowanych rozwiązań, zweryfikowanych doświadczalnie.
Projektant najczęściej sięga po metody przybliŜone które pozwalają na
oszacowanie wielkości takich jak:
• Strumień ciepła odprowadzany podczas chłodzenia
• Czas trwania procesu
• Rozkład temperatury w produkcie, poddawanym obróbce termicznej.
Literatura.
[1] Marian Czapp, Henryk Charun: Bilans cieplny pomieszczeń chłodni.
Wyd. WyŜszej Szkoły InŜynierskiej w Koszalinie. Koszalin 1995
[2] CziŜow G.B.: Procesy cieplne w technologii chłodniczej produktów
Ŝywnościowyc. Wyd. Nauk.-Techn. Warszawa 1974.
[3] Gruda Z., Postolski J.: ZamraŜanie Ŝywnośc.Wyd. Nauk-Tech.
Warszawa 1985
[4] Jastrzębski W.: Technologia chłodzenia Ŝywności.
[5] Michalski St.: Technologia chłodzenia Ŝywności procesy i ich kontrola.