Охолоджуючої середовищем називається середа з більш низькою, ніж у продукту, температурою, при контакті з якої відбувається із-дит теплообмін і знижується температура продукту. Можливо охолодження і без безпосереднього контакту з середовищем, коли продукт перебуває в упаковці.
До охолоджуючим середах пред'являють ряд вимог. Вони не повинні погіршувати товарний вигляд продуктів, мати запах, бути ток-Січной, надавати хімічний вплив на продукти і обо-нання.
Охолоджуюча середа з фізичної точки зору може бути газоподібної, рідкої, твердої і змішаної.
Газоподібна охолоджувальна середу. У холодильній обробці іхраненіі продовольчих товарів поширення набула повітряне середовище як найбільш безпечна, технологічна і еко-номічних.
У комбінації з повітрям в якості газової охолоджуючої середовища на практиці застосовують також діоксид вуглецю, азот, модифікованого-ства і регульовану газове середовище.
Атмосферне повітря-це базова суміш сухого повіт-ха і водяної пари. До складу сухого повітря входять азот (78%), кисень (21%), вуглекислий газ (0,02 - 0,03%), а також аргон, неон, гелій, водень. Кількість водяної пари, що міститься в 1 м 3 повітря, може коливатися від часток грама до кількох десятків грамів, що залежить від його температури. Водяна пара в 1,6 рази легший за повітря.
Основними фізичними величинами, що характеризують воз-дух як охолоджуючу середу, є температура, щодо відповідності-ва вологість, парціальний тиск насичених парів, ско-кість руху повітря.
Температура - термодинамічна величина, що характеризується щая тепловий стан тіла і визначає ступінь його нагретости. Прямо пропорційна кінетичної енергії теплового руху молекул.
Відносна вологість повітря характеризує ступінь його насичення водяними парами і вимірюється як відношення коли-пра водяної пари, що міститься в 1 м 3 повітря, до максі-мінімальний кількості водяної пари, яка може міститися в цьому обсязі при тій же температурі. Відносну вологість виражають у відсотках або відносних одиницях.
Більшість продуктів тваринного і рослинного походжу-дення містить значну кількість води, причому до 90% її знаходиться у вільному вигляді в міжклітинних просторах і в складі тканини у вигляді дрібних крапель. Така вода легко видаляє-ся з продукту і так же легко поглинається їм, тому в камерах холодильної обробки і зберігання повітря має високу відноси-тільну вологість. Вона встановлюється в залежності від соотно-шення влагопрітоков від продуктів, через огорожі, дверні отвори і влагоотвода (конденсації) на охолоджуючих приладах.
При природних умовах парціальний тиск насичених парів над поверхнею продуктів, як правило, вище, ніж в повітрі холодильної камери, що викликає перенесення вологи від продукту до повітря і втрату маси продукту (усушку).
Перенесення вологи внаслідок випаровування залежить і від швидкості руху повітря. При контакті з приладами охолодження повітря, насичене водяними парами, віддає частину вологи, яка осі-дає на них у вигляді крапель або інею. Процес цей носить постійного-ний характер. Співвідношення між кількістю вологи, поступово-шей до повітря в камері і відданої повітрям тепловідвідними охолоджуючим поверхонь, визначає усталене зна-ня відносної вологості повітря в камері.
Маса вологи, що випарувалася G. кг, може бути визначена по різниці парціальних тисків у поверхні продукту і в окру-лишнього середовища:
де # 946; - коефіцієнт випаровування, кг / (м 2 · Па · с); Р - парціаль-ве тиск насиченої пари у поверхні продукту, Па; Р '- парціальний тиск насиченої пари в навколишньому середовищі, Па; # 966; - відносна вологість повітря в холодильній камері; F - площа випаровується поверхні, м 2; # 964; - тривалістю-ність процесу випаровування, с.
У камерах тривалого зберігання продуктів підтримують оп-тімальное значення відносної вологості шляхом автомати-чеського регулювання кількості водяної пари, що подається в камеру.
Газоподібний діоксид вуглецю може застосовувати-ся при всіх методах холодильної обробки, а також в поєднанні з іншими методами консервування.
При атмосферному тиску діоксид вуглецю важчий за повітря, він має меншу питому теплоємність - відповідно 0,837 і 1,0006 кДж / (кг · К) і коефіцієнт теплопровідності відповідно 0,0137 і 0,0242 Вт / (м · К). Щільність сухого льоду 1,4-1,5 кг / дм 3. а об'ємна холодопродуктивність - в три рази вище, ніж водяного. За допомогою діоксиду вуглецю можна отримати широкий діапазон температур, а в суміші з ефіром до -100 ° С.
На діаграмі рівноваги фаз діоксиду вуглецю (рис. 16) видно три лінії, що виходять з однієї точки а, званої потрійної. При параметрах, відповідних цій точці (Р = 5,28 • 10 -5 Па, t = -56,6 ° С), діоксид вуглецю може знаходитися відразу в трьох станах, а нижче 5,28 · 10 -5 Па - тільки в твердому і газообраз-ном. Це означає, що якщо до твердого діоксиду вуглецю подве-сти теплоту при тиску, меншому зазначеного, то він перейде в газоподібний стан, минаючи рідку фазу (сублімація). При дроселюванні діоксиду вуглецю з тиску 2-3 МПа до ат-мосферного можна отримати струмінь газоподібної і дрібнодисперсного (у вигляді снігу) суміші температурою -79 ° С. При Розбризкува-ванні її в камері і на продукти додатково створюється сильна циркуляція і за рахунок випарне-ного ефекту відводиться теп-лота, що сприяє приско-нию охолодження. Діоксид вугле-роду гальмує розвиток мікро-організмів, що сприяє створенню консервирующего еф-фекта при зберіганні продуктів. Ступінь його впливу зави-сит від концентрації, темпера-тури середовища і виду мікроорга-низмов.
Мал. 16. Діаграма рівноваги фаз діоксиду вуглецю:
1 - пароподібна; 2 - тверда; 3 - рідка; а - потрійна точка
Перспективно застосування діоксиду вуглецю для заморожування м'яса в напівтушах, охолодження і заморожування м'яса після обвалки в парному вигляді, охолодження і заморожування м'яса птиці, заморожування напівфабрикатів і формування фаршевих виробів, упаковки продуктів в середовищі діоксиду вуглецю, охолодження транспортних засобів, реалізації мороз -ного і т.д.
Рідка охолоджуюча середу. Як рідкі охолоджувальних середовищ для охолодження продуктів використовують крижану воду і сла-бие сольові розчини, а для заморожування - водні растворисолей високої концентрації, гліколі, рідкі азот, діоксид вуглецю і повітря, хладони і т.д.
Рідкі середовища мають більшу теплопровідність і теплоємність, ніж газоподібні, тому при їх застосуванні суще-ного скорочується тривалість холодильної обробки продуктів.
Для охолодження продуктів до температури, близької до 0 ° С, застосовують чисту крижану воду. Охолоджують продукти методами занурення або зрошення. Ці способи досить ефективні для охолодження птиці, риби, плодів.
Більш низькі температури можна отримати при використанні слабких сольових розчинів - морської води і слабких розчинів хлориду натрію, магнію, кальцію. Температура замерзання морс-кою води в залежності від вмісту в ній солей коливається від -1,5 до -3 ° С. Кращі результати дає додавання льоду в холоднуюводу.
Тривалість охолодження в холодній воді залежить від виду та обсягу продукту, температури води, швидкості її циркуляції і становить від декількох хвилин до декількох годин.
Для заморожування продуктів застосовують водні розчини з-лей високої концентрації. При підвищенні концентрації солі температура їх замерзання знижується. Найнижча температу-ра їх замерзання називається кріогідратной, а відповідна концентрація солі - евтектичною. Такий стан є наслідком термодинамічної рівноваги трьох фаз - розчину, солі і льоду. З подальшим підвищенням вмісту солі в суміші температура плавлення НЕ знижується, а підвищується.
На практиці застосовують водні розчини солей хлориду на-трия, магнію і кальцію, які при евтектичною концентрації-ції мають мінімальну температуру замерзання - соответствен-но -21,2, -33,6 і -55 ° С. Обмежено використовують також розчини сульфату натрію, цинку і хлориду калію, кріогідратная темпе-ратура яких становить відповідно -1,2, -6,5 і -11,1 ° С.
Хлорид натрію дешевий, має високу теплопровідність, але має велику корозійну здатність, при заморожуванню-ванні не упакованих продуктів частково їх просаливаемой; до того ж він дуже токсичний, що обмежує застосування розчинів цих солей. Як правило, їх використовують в закритих системах ох-лажденія, які менше схильні до корозії завдяки бо-леї низькому вмісту кисню і застосування спеціальних добавок - Пасиватор (силікат натрію, Хромова суміш і ін.), Що зменшують корозію. Найбільше застосування вони знаходять у безмашинних способах охолодження холодоаккумуляторамі з ев-ТЕКТичний розчином (евтектичних плити) на холодильному транспорті, а також при розсільна охолодженні в старих систе-мах охолодження великих холодильників.
Гликоли - рідини, водні розчини яких мають низ-кую температуру замерзання. Гликоли менш агресивні по від-носіння до металів, але більш в'язки і менш теплопровідність. Етиленгліколь слабо отруйний, без запаху, змішується з водою в будь-яких співвідношеннях, температура замерзання чистого етиленгліколю -17,5 ° С, а його 70% -ного розчину в воді -67,2 ° С. Пропіленгліколь у водних розчинах не взаємодіє з металами, нетоксичний. Ці холодоносії дуже ефективні для швидкого заморожування продуктів невеликої маси в упакованому вигляді.
Для заморожування продуктів до -40 ° С можна використовувати також діхлорметан, що представляє собою безбарвну рідину, майже нерозчинну у воді, з температурою замерзання -6 ° С. До його недоліків відносяться невелика теплоємність і горючість.
Рідкий азот застосовують для заморожування особливо цінних про-дуктів зрошенням або зануренням, а також для отримання газо-образного азоту і його використання в суміші з повітрям. Темпера-тура кипіння рідкого азоту -195,6 ° С, тому між заморожуванню-емим продуктом і охолоджуючої середовищем створюється великий темпе-ратурний перепад, що значно інтенсифікує процес. Ана-логічно використовують рідкі діоксид вуглецю, повітря, хладони.
Тверда охолоджуюча середу. До твердих охолоджуючим середах відносять водний лід, суміш льоду і солі (Льодосоляне охолоджув-ня), сухий лід.
Водний лід, отриманий з прісної і морської води, викорис-товують для охолодження, зберігання та транспортування продуктів харчування.
Широке застосування льоду в якості охолоджуючої середовища пояс-вується перш за все його фізичними властивостями, а також еконо-вів економічні факторами. Температура плавлення водного льоду при ат-мосферном тиску 0 ° С, теплота плавлення 334,4 Дж / кг, щільність 0,917 кг / м 3. питома теплоємність 2,1 кДж / (кг • К), теплопровідність 2,3 Вт / ( м · К). При переході води з рідкого стану в тверде (лід) відбувається збільшення обсягу на 9%.
Природний лід заготовляють шляхом вирізання або бугая-ливания великих блоків з льоду, що утворився на природний-них водоймах, пошарового намораживания води на горизонталь-них майданчиках, нарощування сталактитів в градирнях. (Особливим попитом для харчових цілей користується гренландський і антарк-тичний лід як найбільш чистий. Вік гренландського льоду більше 100 000 років.) Лід зберігають на майданчиках в буртах, укритих насипний ізоляцією, і в льдохраніліщах з постійною і ча-тимчасової теплоізоляцією.
Штучний лід отримують шляхом заморожування чистої прісної або морської води в льодогенераторах. Якість льоду, його форма, розмір і спосіб отримання, зберігання і доставки потре-вачів обумовлені призначенням і специфікою застосування.
Матовий лід виготовляють з питної води без будь-якої її обробки в процесі заморожування. На відміну від природний-ного він має молочний колір, обумовлений наявністю велико-го кількості бульбашок повітря, які утворюються в процесі перетворення води в лід. Бульбашки зменшують проникність льоду для світлових променів, і він стає непрозорим.
Прозорий лід з вигляду нагадує скло. Для його отримання в форму наливають воду і за допомогою форсунок продувають через неї стиснене повітря. Проходячи через заморожувати воду, він захоплює і захоплює за собою бульбашки повітря. Прозорий лід виготовляють у вигляді шматків невеликих розмірів і вико-ють для охолодження напоїв.
Лід з бактерицидними добавками призначений для охолодження риби, м'яса, птиці і деяких видів овочів шляхом безпосе-редственного зіткнення з ними. Бактерицидні добавки знижують забрудненість продуктів мікроорганізмами.
Залежно від форми і маси штучний лід буває блоковий (5 - 250 кг), лускатий, пресований, трубчастий і сніжний.
Блоковий лід дроблять на великий, середній і дрібний.
Лускатий лід отримують шляхом напилення води на кручу-щійся барабан, плиту або циліндр, що є випарниками холодоагенту. Вода на поверхні барабана швидко замерзає, а про-утворених лід при його обертанні зрізається фрезами або но-жом. Льодогенератори виробляють від 60 до 5000 кг / сут такого льоду. Лускатий лід ефективний при охолодженні риби, м'ясних через робів, зелених овочів, деяких плодів. Найбільший коефі-цієнт тепловіддачі досягається, коли при охолодженні продукти щільно стикаються з льодом.
В результаті змішування подрібненого водного льоду з різними солями крім теплоти танення льоду поглинається теплота розчинення солі у воді, що дозволяє істотно знизити температуру суміші. Розчин може бути охолоджений до кріогідратной точки.
Льодосоляне охолодження здійснюють як контактним, так і безконтактним способом.
Недоліком контактного льодосоляною охолодження є просаливание продукту, яке при тривалому зберіганні сти-мулірует окислення жиру, викликає зниження товарного вигляду і споживчих переваг. Безконтактне Льодосоляне охолодження у вигляді порожніх плит з евтектичними розчинами дозволяє уникнути цих недоліків.
Сухий лід - твердий діоксид вуглецю. Виробництво сухого льоду складається з трьох послідовних стадій: отримання чистого газоподібного діоксиду вуглецю, скраплення його до освіти снегообразной маси і пресування останньої блоками плотнос-ма 1400- 1500 кг / м 3. Розрізняють його виробництво по циклу висо-кого, середнього і низького тисків.
Сухий лід з рідкого діоксиду вуглецю також отримують дво-ма способами: дроселюванням рідкого діоксиду вуглецю по тиску потрійний точки з наступним пресуванням пухкого вологого снігу в блоки сухого льоду; дросселированием до атмосферного тиску з ущільненням блоку льоду в процесі льдооб-разования. Як охолодне середовище він має значні пре-майна перед водним льодом: холодопродуктивність на одиницю маси в 1,9, а на одиницю об'єму в 7,9 рази більше; при атмосферному тиску сухий лід переходить в газоподібний відбутися у-яніе-, минаючи рідку фазу, що виключає зволоження поверхонь-сті продукту. Завдяки низькій температурі сублімації сухого льоду (-78,9 ° С) і виділенню газоподібного діоксиду вуглецю знижується концентрація кисню у поверхні продукту, з-здаются несприятливі умови для життєдіяльності мікро-організмів.
Сухий лід укладають поверх і між упаковок продуктів і використовують як охолоджуючу середу для зберігання морозива, фруктів, ягід. Суха подрібнена лід використовують в спеціальних системах охолодження, для чого його завадять в металеві ємності. Продукти сублімації льоду відводять в вантажний обсяг приміщення або назовні.
Прямим ежектування рідкого діоксиду вуглецю получа-ють твердий гранульований, або снегообразной, діоксид вуглецю, який використовують для охолодження упакованих про-дуктів (м'ясних, рибних, овочевих).
У многопліточних і конвеєрних морозильних апаратах як теплопередающей середовища використовують різні метали у вигляді порожніх плит, усередині яких циркулює проміжний хладоноситель. Метали мають високу тепло- і температуро-провідність і, безпосередньо стикаючись з продуктом, ін-тенсіфіціруют теплообмін. Найбільш широко застосовують сталь, чавун, мідь, алюміній і алюмінієві сплави.
В якості охолоджуючої зваженої в повітрі проміжної теплопередающей середовища при Флюідізаціонние способі замору-вання застосовують мелкодроблений лід, полімерні кульки, а також композиції (наприклад, суміш, що складається з манної крупи, цукру, солі і дрібне льоду). Таке середовище під впливом спрямованого вгору з невеликою швидкістю воздуш-ного потоку, створюваного вентиляторами, перетворюється в киплячо-щий шар, через який рухається заморожувати продукт. Та-ким способом заморожують ягоди, овочі, напівфабрикати.