Температурные режимы и условия замораживания

Скорость замораживания

Скорость замораживания характеризуется интенсивностью отвода тепла и представляет собой линейную скорость перемещения границы, разделяющей замороженные и незамороженные слои продукта, в единицу времени.

При замораживании рыбы скорость не остается постоянной по времени, а уменьшается по мере промерзания продукта вследствие термического сопротивления увеличивающегося замороженного слоя.

В связи с этим процесс замораживания принято характеризовать средней скоростью υ (см/ч), которая определяется отношением толщины замороженного слоя X к времени его образования τ, т. е. υ=X/τ.

Поскольку в диапазоне температур от криоскопической до 5°С вымораживается основная часть содержащейся в рыбе влаги (до 75%) и при этом происходят наибольшие изменения в ее тканях, в расчетах среднюю скорость замораживания определяют по формуле

где τ^-1_-2, - продолжительность замораживания рыбы до температуры от -1 до -5°С в центре тела рыбы или блока, ч.

Скорость замораживания рыбы зависит от способа замораживания, температуры охлаждающей среды, коэффициента теплоотдачи, разности температур между продуктом и охлаждающей средой, толщины рыбы, ее теплофизических свойств и др.

Скорость замораживания является важным технологическим фактором в холодильной технологии, определяющим качество мороженого полуфабриката.

Замораживание считают быстрым при скорости не менее 3 см/ч. На практике эта скорость обеспечивается, если понижение температуры в толще тела рыбы или блока от криоскопической до -5°С произошло не более чем за 2 ч.

О скорости замораживания можно судить по величине кристаллов льда, образующихся при замораживании рыбы. Принято считать замораживание быстрым, если размер кристаллов льда не превышает 100 мкм, и медленным, если кристаллы льда крупнее и не разрушают мышечные волокна.

Однако величина кристаллов льда не всегда может служить критерием скорости замораживания. Мелкие кристаллы - признак быстрого замораживания. Наличие же крупных кристаллов не всегда является обязательным признаком медленного замораживания, они могут также свидетельствовать о посмертном состоянии сырья и продолжительности его хранения до замораживания.

Температурные графики замораживания

Процесс замораживания рыбы характеризуется температурной кривой замораживания, показывающей зависимость между временем и температурой в одной из точек замораживаемого продукта.

На рис. 35, а и б приведены температурные графики замораживания рыбы на воздухе при температуре -35°С и скорости циркуляции воздуха 5 м/р, а также в растворе хлористого натрия температурой - 20°С.

Как видно из графиков, в первый период температура в теле рыбы быстро понижается до криоскопической как при воздушном, так и при рассольнбм замораживании. Далее во второй период снижение температуры замедляется. На кривых, особенно при воздушном замораживании, видна почти горизонтальная площадка. И наконец, наступает третий период, когда снижение температуры вновь ускоряется.

В солевом растворе температура снижается значительно быстрее, чем на воздухе, но принципиально характер процесса в обоих случаях одинаков.

Замедление снижения температуры во второй период, особенно в диапазоне температур -1÷-5°С, объясняется выделением скрытой теплоты льдообразования, так как в этот период почти 80% воды, содержащейся в рыбе, превращается в лед.

С помощью температурных графиков можно определять скорость замораживания рыбы. Для этого по графику определяют продолжительность замораживания до температуры от -1 до -5°С, а затем с помощью формулы рассчитывают скорость замораживания.

При замораживании температурное поле тела рыбы в течение всего процесса остается неравномерным по толщине. Разность температур в центре и на поверхности продукта при замораживании тем значительнее, чем больше его толщина. Таким образом, рыба сразу после замораживания характеризуется двумя конечными температурами - температурой на поверхности t_к.п. и температурой в центре блока, или тела рыбы, t_к.ц.

При холодильном хранении мороженой рыбы в течение определенного пе- иода происходит выравнивание температур в центре и на поверхности за счет утреннего теплообмена.

Температуру, которую имеет продукт после выравнивания, называют среднечной температурой t_cк.

Для соблюдения постоянства температурного режима в камерах хранения при внесении в нее продуктов сразу после замораживания, а также для предотвращения домораживания продуктов в камерах хранения необходимо, чтобы средняя конечная температура продукта после замораживания была равна температуре в камере хранения.

Опытным путем установлено, что если температура в центре мороженого продукта не превышает -5°С, средняя конечная температура его замораживания равна бредней арифметической между конечными температурами центра и его поверхности, т. е. t_к=(t_к.п+t_к.ц)/2.

Продолжительность замораживания

Продолжительность замораживания - время, необходимое для понижения температуры тела рыбы от начальной до заданной конечной температуры, при которой большая часть воды, содержащейся в тканях, превращается в лед.

Продолжительность замораживания зависит от скорости и конечной температуры замораживания, начальной температуры и теплофизических свойств рыбы, ее толщины, а также от температуры и свойств теплоотводящей среды, коэффициента теплоотдачи от рыбы к охлаждающей среде и др.

Для расчета продолжительности замораживания предложено несколько эмпирических формул, среди которых в практических целях наиболее широко используются формулы Д. Рютова и Р. Планка.

Формула Д. Рютова позволяет рассчитать продолжительность замораживания блоков рыбы т (в ч) от начальной температуры выше криоскопической до конечной температуры в центре блока ниже криоскопической:

где n - поправочный коэффициент; при быстром замораживании n=~1,03, при медленном n=~1,16).

Значения n в зависимости от отношения δh/λ приведены ниже.

Иногда под продолжительностью замораживания условно понимают время, необходимое для понижения температуры рыбы от криоскопической до -5°С. Для определения продолжительности замораживания продукта в этом диапазоне температур можно использовать формулу Р. Планка

где Q - расход холода на замораживание продукта, Дж; {Q=γ[Wwr+С_м(t_кр-t_к)]}; Р и R - коэффициенты, зависящие от способа замораживания и размера блока рыбы (при замораживании в плиточных аппаратах Р=0,5, R=0,125; в потоке воздуха или в рассоле Р=0,25, R=0,062).

Продолжительность замораживания продукта в значительной степени зависит от толщины упаковочного материала, его теплофизических свойств, а также от толщины воздушной прослойки между продуктом и упаковкой. Расчет продолжительности замораживания продукта с учетом упаковки можно производить по формуле

где δ_у - толщина упаковочного материала, м; λ - теплопроводность упаковочного материала, Вт/(м•К).

Значения теплопроводности различных материалов и толщина упаковочного слоя приведены в табл. 20.

Таблица 20

Теплопроводность рыбы резко увеличивается по мере ее замораживания и понижения температуры, поэтому в расчетах продолжительности замораживания необходимо брать ее значения для температуры средней, между криоскопической и среднеконечной.

Продолжительность замораживания рыбы можно сократить увеличением коэффициента теплоотдачи. Влияние коэффициента теплоотдачи на уменьшение продолжительности замораживания наиболее эффективно при малых толщинах продукта.

Наиболее существенное влияние на продолжительность замораживания оказывает толщина продукта. По мере увеличения толщины возрастают его термическое сопротивление и продолжительность замораживания.

Так, при замораживании рыбы до -18°С в воздушном скороморозильном аппарате (температура воздуха -35°С, скорость его движения 5 м/с) продолжительность замораживания блока толщиной 30 мм составила 50 мин, 50 мм - 75 мин, 65 мм - 135 мин.

Расход холода на замораживание

Теплота, которую необходимо отвести от продукта, чтобы обеспечить его замораживание до заданной конечной температуры, определяет расход холода на замораживание.

Эта теплота складывается из теплоты охлаждения продукта от начальной температуры t_н до криоскопической t_кр; из теплоты фазового превращения воды (теплота льдообразования); из теплоты, отводимой при понижении температуры от t_кр до средней конечной температуры мороженого продукта (теплота доохлаждения).

Расход холода Q (в Дж) на замораживание рыбы определяется как суммарный расход его на охлаждение, льдообразование и доохлаждение:

Если рыба замораживается в упаковке, то при определении расхода холода на замораживание учитывают расход холода на охлаждение упаковки по формуле

где Q_у - расход холода на охлаждение упаковки, кДж; С_у - теплоемкость упаковочного материала, кДж/(кг•К) или ккал/(кг•град); t_н - начальная температура упаковки, К; t_к - конечная температура упаковки, К.

Расход холода на замораживание рыбы может быть определен по разности энтальпий