CC BY
95
УДК 664.951.037.59
В. Н. Лысова, Н. В. Дульгер, Т. В. Лагузина Астраханский государственный технический университет
КОМПИЛЯЦИЯ ДАННЫХ О ПЛОТНОСТИ ЗАМОРОЖЕННОГО СЫРЬЯ ВОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Аналитическое описание процессов распространения теплоты в конкретных технологических операциях, и в частности при размораживании гид-робионтов, основано на приближенном решении уравнения теплопроводности.
Если рассматривать совместно уравнение Фурье (1) и уравнение сохранения энергии
q = -^га&1, (1)
где q - плотность теплового потока по нормали, проведенной в направлении уменьшения температуры к изотермической поверхности; 1 - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности; gradt - градиент температур, характеризующий изменение температуры I, приходящееся на единицу расстояния между изотермическими поверхностями по нормами в направлении уменьшения температуры, то можно получить дифференциальное уравнение в частных производных, характеризующих процесс распространения теплоты. В декартовой системе координат это уравнение имеет вид
Эt — = а
Эт
( 3 2* ^2* ^2* ^ q + —, (2)
ч Эх2 Эу2 Э22 ,
су
где т - время; а - коэффициент температуропроводности; qv - удельная мощность источников теплоты; с - удельная теплоемкость.
В случае размораживания принимают, что источник теплоты отсутствует при qv = 0 . Тогда
Эт
■ + —г + -
Эх Эу Э.г
(3)
Коэффициент температуропроводности служит мерой скорости изменения температуры в нестационарных тепловых процессах, является важнейшей теплоинерционной характеристикой твердых тел и определяется как
а = , м2/с, (4)
с Р
где 1 - коэффициент теплопроводности сырья; с - теплоемкость сырья; р - плотность сырья.
Согласно формуле (4), одним из определяющих факторов, влияющих на температуропроводность сырья, является его плотность или объемная масса.
В связи с многообразием замороженного сырья как по видовому составу, так и по способам замораживания, представляется необходимым систематизировать литературные данные по плотности и объемной массе сырья водного происхождения.
По данным [1-3], в диапазоне положительных температур плотность неразделанных рыб составляет 930-1 010 кг/м3, потрошенных -1 050-1 080 кг/м3, кожи - 1 070-1 120 кг/м3, чешуи - 1 300-1 550 кг/м3. Плотность жирных рыб меньше плотности тощих. Изменение температуры тела рыбы от 40 до 0 °С незначительно отражается на ее плотности. При замораживании плотность рыбы заметно уменьшается, что связано с количеством вымороженной влаги и, следовательно, соотношением воды и льда в теле рыбы (известно, что плотность воды составляет 1 000 кг/м3, а льда - 909,1 кг/м3).
Так, например, плотность сазана неразделанного [2, 4] при температуре +5 и -3, -8, -18 и -20 °С равна соответственно 987, 980, 944, 928, 922 и 921 кг/м3.
Процесс размораживания гидробионтов протекает практически без изменения объема, что приводит к снижению их плотности в зоне температур фазового перехода.
Авторами [5-7] установлено, что зависимость плотности от температуры (Р = f (t)) носит в диапазоне положительных температур линейный характер и не зависит от видового состава рыб.
Для получения зависимости р = f (t) в реальном процессе размораживания для различных видов рыб необходимо определить значение начальной влажности при отрицательной температуре тела рыбы, по изменению которой можно определить исходную плотность объекта.
При определении плотности гидробионтов в диапазоне отрицательных температур использована формула аддитивности [5, 8, 9]. Расчет производился для условия сохранения постоянного объема рыбы в процессе изменения температуры.
-(1 - W^) Л + W Л = тнач -(1 - Жнач) ( 1 ^
р= v (1+T-W J = V (1-W / (5)
где тнач - начальная масса гидробионта; W^ - начальное влагосодержа-ние гидробионта; V - объем гидробионта; W - влагосодержание гидробионта при исследуемой температуре.
При рнач - V = тнач формула (5) преобразуется в выражение
р Рнач -(| - Кач) <6)
1 - W '
Выражения (2), (3) справедливы только для гидробионтов, замороженных поштучно, и дают значительную погрешность для гидробионтов, замороженных блоками.
При расчете коэффициента температуропроводности для блоков замороженной рыбы вводится понятие объемной массы, или насыпной плотности (в объеме массы сырья с включением пор и промежутков между рыбами в блоке).
Объемная масса, или насыпная плотность, зависит, помимо вида сырья, от его размера, содержания влаги и степени уплотнения. Состояние рыбы, особенно мелкой, из которой формируется блок, оказывает большое влияние на начало распадения блока, фактически определяющего продолжительность размораживания. Блок из живой или только что уснувшей рыбы, которая укладывается параллельными рядами, получается плотным. Блок из рыбы, находящейся в состоянии посмертного окоченения, имеет более рыхлую структуру, т. к. рыбы в нем расположены беспорядочно. При равнозначных исходных данных (вида рыбы и размера блока) такой блок размораживается быстрее. Блок из лежалой рыбы имеет еще более плотную структуру. Рыбы в этом состоянии прилипают одна к другой, при размораживании с трудом и с запаздыванием отделяются от блока по сравнению со свежезамороженной рыбой. Так, насыпная плотность сельди средней массой 0,235 кг составляет 918 кг/м3, а средней массой 0,29 кг -850 кг/м3 [1, 2]. Некоторые значения по объемной массе блоков рыб различного видового состава и способов заморозки представлены в таблице.
Объемная масса блоков рыбы [1-4]
Вид сырья в блоке Размеры блока, мм Масса, кг Температура, С Плотность, кг/м3
Сельдь 800х400х80 22 -10 859
800х400х80 22 -8 859
800х250х75 11,5 -6 767
700х250х70 11,5 -5 939
750х475х55 14 -7 714
Филе сельди 800х200х80 11 -6 859
800х200х80 11 -4 859
485х280х45 7 -5 1 145
1 060х520х100 42 -10 762
Филе макрели 590х340х50 8,8 -5 932
Камбала 800х400х80 22 -8 859
445х295х75 9 -8 914
Килька 780х250х65 10 -10 789
790х445х60 14,7 -10 697
790х445х60 11,2 -10 530
790х445х60 17,2 -10 820
800х240х60 4,9 -10 425
780х240х65 10 -10 822
770х440х60 9 -8 443
Треска 914х381х114 34 -10 856
1 050х530х100 45 -15 809
1 070х500х100 34 -18 631
Треска мелкая - 15 -8 930
Треска обезглавленная - 34 -8 850
Филе трески 485х250х60 7,5 -5 1 031
Филе трески обесшкуренное 350х180х50 3 -8 952
Мойва, тушки 350х180х40 3 -5 1 190
Окончание табл.
Вид сырья в блоке Размеры блока, мм Масса, кг Температура, °С Плот- ность, кг/м3
Сардина 750х475х55 14 -10 724
445х295х75 8 -8 812
- 5 -8 800
Волосозуб 445х295х75 8,5 -8 863
Креветки очищенные 215х170х40 1,14 -10 780
500х290х43 4,56 -10 731
240х210х60 2,28 -10 754
300х150х65 2,28 -10 780
Мелуза 610х406х102 20 -10 792
560х480х56 12 -10 797
Рыба морская средняя 795х495х60 10 -15 424
Рыба морская мелкая 800х250х60 10 -15 769
Концепция расчета теплофизических свойств рыбы и рыбопродуктов базируется на отборе для каждого свойства важнейших факторов влияния, включающих в себя компонентный состав продукта [10]. Она позволяет оценить по минимальному объему экспериментальных данных изменение каждого свойства продукта в широком интервале температур, с учетом состава рассчитать другие свойства или контролировать его качество. Из этого следует, что требуется уточнение данных о теплофизических свойствах блоков замороженной рыбы с учетом плотности, пористости и наличия прослоек льда между отдельными экземплярами рыб в блоке. Наличие информации позволит прогнозировать продолжительность процесса размораживания для различного размерного состава блоков рыбы и способов их заморозки.
В зависимости от способа замораживания в процессе размораживания может происходить изменение объема замороженной рыбы (непод-прессованные блоки, рыба россыпью) с сохранение постоянной ее массы или без изменения объема (неподпрессованные блоки).
С изменением объема рыбы в процессе размораживания имеем для замороженной рыбы
т, =-----Ч + А • (7)
ю-р! +р2 V-«)
где тр - масса рыбы; У1 - объем замороженной рыбы, м3; ю - количество вымороженной влаги в рыбе при исследуемой температуре, доли единиц; р1 - плотность замороженной рыбы, кг/м3; р2 - плотность размороженной рыбы, кг/м3; * - влагосодержание рыбы, доли единиц; А - весовая составляющая от массы рыбы по сухим веществам и жиру, кг.
тр = -^- + А . (8)
* * Р 2
При постоянстве масс (без учета потерь сока в процессе размораживания 1-3 %) имеем:
V Ч = V
юр1 +р2 (* -ю) *р
V =ю*р1 +р 2 (*-ю)
-------^^, (9)
^2 * * р 2
= р^к, (10)
V рв
где рл - плотность льда (рл = 909,1 кг/м3); рв - плотность воды (рл = 1 000 кг/м3); к - поправочный коэффициент, учитывающий изменение объема воды во всем объеме рыбы к = 095.
Производя соответствующие вычисления для (9) и подставив результаты вычислений в (10), после соответствующих преобразований получим зависимость для плотности замороженной рыбы:
р! = 0,863^0,1^ +1^|* р2. (11)
Полученная зависимость дает достаточную для инженерных расчетов сходимость с экспериментальными данными для рыбы, замороженной россыпью, подпресованных блоков мелкой рыбы и филе.
Для подпресованных блоков крупной и средней рыбы необходимо вводить поправочный коэффициент, учитывающий объем заполнения пустот между рыбами водой, форму тел рыбы.
Коэффициент, учитывающий форму тела рыбы в блоке,
к=-Е> т
Еб тр
где Ер - поверхность тела рыбы, м2; тб - масса блока, кг; Е - поверхность блока, м2; тр - масса единичного экземпляра рыбы, кг.
Поверхность тела рыбы Е, м2, можно выразить через массу рыб, кг, по уравнению [4]:
0,077 * т13
р
Еб
Тогда плотность блока выражается уравнением
рб = к*/*С * р2 ,
где / - коэффициент формы тела рыбы, определяемый как отношение поверхности геометрического тела правильной формы или суммы поверх-
ностей (пластина, цилиндр, шар) к действительной поверхности тела рыбы (для кильки f = 2,11); с - коэффициент, учитывающий плотность льда, заполняющего пустоты между рыбами в блоке.
По характеристикам морозильного оборудования при замораживании объем воды в блоке составляет 10-15 % объема блок-формы. Следовательно, коэффициент с находится в пределах 0,1^0,15.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Зайцев В. П. Холодильное консервирование рыбных продуктов. - М.: Пище-промиздат, 1962. - 428 с.
2. Родин Е. М. Справочник по холодильной обработке рыбы. - М.: Пищ. пром-сть, 1977. - 200 с.
3. Гинзбург А. С. и др. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. -М.: Пищ. пром-сть, 1985. - 336 с.
4. Стефановский В. М. Размораживание рыбы. - М.: Агропромиздат, 1987. - 190 с.
5. Головкин Н. А. Холодильная технология пищевых продуктов. - М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1984. - 239 с.
6. Сафронова Т. М. Сырье и материалы рыбной промышленности. - М.: Агро-проимздат, 1991. - 191 с.
7. Фрост У. Теплопередача при низких температурах. - М.: Мир. - 1997. - 392 с.
8. Кондратьев Г. М. Тепловые измерения. - М.: Гостехиздат, 1957 - 369 с.
9. Морин Г. А. Теплотехнические измерения. - М.: Энергия, 1979. - 424 с.
10. Латышев В. П. Центр данных ВНИХИ по свойствам пищевых продуктов и биологических материалов при отрицательных температурах // Вестн. Меж-дунар. Академии холода. - 2000. - № 1.
Получено 29.12.05
COMPILATION OF DATA ABOUT THICKNESS OF REFRIGERATED RAW MATERIALS OF AQUATIC ORIGIN
V. N. Lysova, N. V. Dulger, T. N. Laguzina
Solving problems on transient heat conduction requires thorough knowledge of heat-transfer properties of an object. Defrosting consists of two stages - warming up to temperature of phase transformation, and defrosting itself. The speed determining the stage of defrosting is mainly characterized by such features as thermal diffusiv-ity, heat capacity and thickness of an object. The way of refrigerating and the type of an object effect the thickness of blocks.
