ООО "Холодильное дело"
В РОССИИ ХОЛОД ЗА НАС!
 

Главная
Новости
Издания
Публикации
Поиск
Литература
П.О.
Компакт-диск
Подписка
Реклама
Реквизиты
Карта сайта

Copyright © 2001-2017,
ИД «Холодильное дело»

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru

"Особенности определения холодильной нагрузки при производстве мороженого"

Статья из журнала "МиЗП" № 1/2001 г.

 

Мороженое является одним из самых распространенных молочных десертов, который производится путем замораживания всбитой жидкой смеси, состоящей из молока, сахара и других компонентов. Многокомпонентность мороженого накладывает определенную специфику на характер процесса охлаждения и замораживания исходной смеси. Правильный подбор холодильного оборудования и определение режима его работы непосредственным образом влияют на качество конечного продукта.

Температура замерзания

Замораживание мороженой смеси означает в конечном итоге замораживание смешанного раствора. К растворенным веществам, определяющим точку замерзания, относятся лактоза и растворимые соли, входящие в состав сухого обезжиренного молочного остатка, а также сахара, добавляемые в качестве подслащивающих агентов. Другие составляющие смеси влияют на точку замерзания только апосредовано, замещая в растворе воду и влияя таким образом на концентрацию веществ, упомянутых выше. Лейтон (1927) разработал надежный метод расчета точек замерзания мороженых смесей, основываясь на их составе. Он задался содержанием лактозы и сахарозы в смеси, выразил их концентрацию в виде определенного количества частей сахара, приходящегося на 100 частей воды и определил понижение точки замерзания, вследствие присутствия в растворе сахаров, основываясь на известных данных для сахарозы. Такой расчет справедлив, так как лактоза и сахароза имеют одинаковые молекулярные массы.

% лактозы в смеси = 0.545 (% сухого обезжиренного молочного остатка)

 (% лактозы + % сахарозы) 100     частей лактозы + сахарозы
------------------------------ = ---------------------------
        % воды в смеси                 100 частей воды

К понижению точки замерзания, обусловленному наличием сахаров, он добавил дополнительное понижение, причиной которого являются присутствующие в молоке растворимые соли. Такое понижение точки замерзания рассчитывается следующим образом:

Понижение точки замерзания, °С = 2.37 (% сухого обезжиренного молочного остатка) / % воды в смеси.

В таблице №1 представлены значения точек замерзания для различных типов мороженого, рассчитанные по методу Лейтона.

 

Таблица 1

Состав смеси, %

Точка замерзания, °C

Жир

Сухой обезжиренный молочный остаток

Сахар

Стабилизатор

Вода

8.5

11.5

15

0.4

64.6

-2.45

10.5

11.0

15

0.35

63.15

-2.46

12.5

10.5

15

0.30

61.7

-2.47

14.0

9.5

15

0.28

61.22

-2.4

16.0

8.5

15

0.25

60.25

-2.34

Точка замерзания представляет собой температуру, при которой начинается процесс вымораживания влаги в продукте. Как это происходит во всех растворах, незамерзшая его часть становится все более концентрированной по ходу процесса вымораживания влаги, и температура замерзания этой части раствора постепенно понижается. В простом растворе, содержащем только одно растворенное вещество, этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока незамерзшая часть раствора не достигнет состояния насыщения для данного вещества, после чего температура будет оставаться неизменной до полного замерзания раствора. Данная температура известна как криоскопическая точка данного вещества в растворе. В смешанных растворах, таких как мороженая смесь, содержащая несколько сахаров и различных солей, такая точка не может быть определена однозначно.

В нарушение вышеизложенного принципа, сахара остаются в растворе, точнее в незамороженной части продукта, в перенасыщенном состоянии. Это происходит в следствие того факта, что к моменту, когда достигается точка насыщения, температура настолько низка и вязкость столь высока что, по-существу, остаток раствора пребывает в стекловидном состоянии. В смешанном растворе, таким образом, температура, необходимая для завершения процесса замораживания всего раствора должна быть несколько ниже криоскопической точки простого раствора одного из входящих в него веществ с самой низкой криоскопической точкой. В мороженом таким веществом является хлорид кальция, входящий в состав сухого обезжиренного молочного остатка. Криоскопическая точка хлорида кальция равна -51 °С. В следствие чего, процесс полного вымораживания влаги в мороженом происходит постепенно в диапазоне температур от -2.5 до -55 °С.

Таким образом температура, до которой мороженое было заморожено определяет количество вымороженной в нем влаги, как показано в таблице №2. В таблице точки замерзания незамерзшей части продукта (третья мороженая смесь из таблицы №1) рассчитаны для диапазона значений доли вымороженной влаги от 0 до 90% ее первоначального содержания в смеси.

 

Таблица 2

Доля вымороженной воды, %

Точка замерзания незамороженной части смеси, °С

Доля вымороженной воды, %

Точка замерзания незамороженной части смеси, °С

0

-2.47

40

-4.22

5

-2.58

45

-4.65

10

-2.75

50

-5.21

15

-2.90

55

-5.88

20

-3.11

60

-6.78

25

-3.31

70

-9.45

30

-3.50

80

-14.92

35

-3.87

90

-30.16

 

Удельная теплоемкость

Точные вычисления холодильной нагрузки осложнены рядом факторов. Удельная теплоемкость смеси изменяется в зависимости от ее сотава. Согласно Жадану (1940), удельная теплоемкость пищевых продуктов может быть рассчитана, исходя из следующих значений удельной теплоемкости основных компонентов: углеводы, 1.42; протеины, 1.55; жиры, 1.67; и вода, 4.19 кДж/(кг×°С). Соли обычно не учитываются, однако там, где они присутствуют в значительном количестве, как в мороженом (9.5% сухого обезжиренного молочного остатка), можно принять значение 0.84. Значение этого параметра, данное Жаданом для жиров, по-существу справедливо для твердых жиров. Для молочного жира в жидком сотоянии Хэммер и Джонсон (1913) определили удельную теплоемкость, равную 2.18. Более того, их данные ясно показывают, что необходимо учитывать скрытую теплоту фазового превращения жиров. По их данным скрытая теплота фазового перехода для молочного жира равняется около 81.4 кДж/кг.

Переход жира из жидкого в твердое состояние происходит в широком температурном диапазоне, приблизительно от 25 до 4 °С, в то время, как обратное фазовое превращение лежит в диапазоне приблизительно от 10 до 41 °С. Такое значительное расхождение в поведении при затвердевании и плавлении обуславливается тем фактом, что молочный жир представляет собой смесь глицеридов и, следовательно, на процесс фазового перехода оказывает влияние взаимная растворимость глицеридов. В любом случае скрытая теплота фазового перехода жиров должна учитываться при охлаждении смеси от температуры пастеризации и гомогенизации до температуры созревания смеси при 3...5 °С. Вместо проведения детальных вычислений, для мороженой смеси может быть принята удельная теплоемкость равная 3.35 кДж/(кг×°С). Эта величина в высокой степени точна для смесей, содержащих от 36 до 40% сухих компонентов.

При вычислении холодильной нагрузки, возникающей в процессе фризерования и закалки, единое значение удельной теплоемкости для замооженной смеси тем не менее не может быть принято. Как видно из таблицы №2, любое изменение температуры при фризеровании и закалке подразумевает некоторую скрытую теплоту фазового превращения воды, а также теплоту охлаждения незамороженной смеси и льда. Вблизи начальной точки замерзания на каждый градус изменения температуры приходится гораздо больше скрытой теплоты фазового перехода, чем в почти полностью замороженном продукте, т.е. при -23...-24 °С. По этой причине, вместо использования одного значения удельной теплоемкости, холодильная нагрузка может быть рассчитана следующим образом:

1. Первым делом определяется температура, до которой следует проводить процесс замораживания. Затем определяется (при помощи вычислений, использованных для составления таблицы №2) какое количество влаги превратится в лед. Тепло, которое необходимо будет отвести от продукта, есть произведение теплоты фазового превращения воды в лед на массу замороженной воды.

2. Рассчитывается удельная теплота, которая должна быть отведена от продукта для понижения его температуры в требуемом диапазоне, принимая во внимание, что продукт является смесью, т.е. берется общая удельная теплоемкость мороженой смеси. Произведение величин разности температур, массы продукта и удельной теплоемкости равняется количеству тепла, подлежащего отводу.

При таких вычислениях, влага рассматривается так, как будто она вся остается в жидкой форме до достижения желаемой температуры, в то время как лед постепенно образуется в течение всего процесса. Поскольку лед имеет удельную теплоемкость 2.06 вместо 4.19, как у воды, такое вычисление приведет к некоторому превышению требуемой холодопроизводительности. Исправить ситуацию может применение нескольких рассчитанных или определенных опытным путем, значений удельной теплоемкости продукта, характерных для различных этапов процесса фризерования и закалки мороженого.

Масса продукта

Фризер замораживает мороженую смесь до требуемой консистеции и насыщает (всбивает) ее пузырьками воздуха. От степени всбития мороженой смеси зависит удельный вес продукта, знание которого необходимо для вычисления холодильной нагрузки на систему охлаждения фризера и камеры закалки.

Литр мороженой смеси весит от 1.08 кг для смесей с большим содержанием жира до 1.10 кг с низким содержанием жира и высоким содержанием сухого обезжиренного молочного остатка и сахара. Масса единицы объема мороженого изменяется от смеси к смеси и зависит также от степени всбития, согласно следующему соотношению:

                          (Удельный вес смеси - Удельный вес мороженого)
Степень всбития, % = 100 ------------------------------------------------
                                     Удельный вес мороженого

Следует также принимать во внимание производительность фризера и камеры закалки, которые характеризуются различными принципами действия, влияющими непосредственным образом на требуемую холодопроизводительность системы охлаждения.

Другие факторы

Подводя итог, можно добавить к основной холодильной нагрузке при замораживании мороженой смеси ряд побочных источников тепла, а именно:

- теплоприток от тары;

- теплоприток от окружающей среды через изолированный контур охлаждаемого объема;

- теплоприток от проникающего в охлаждаемый объем воздуха

- теплоприток от электродвигателей (для фризера это примерно 80% подведенной мощности);

- теплоприток от системы освещения;

- теплоприток от обслуживающего персонала;

- различные тепловые течи и потери в системе охлаждения (трубопроводы и т.п.)

###

 

Лещенко М.Е.

При подготовке статьи использовались материалы American Society Of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE).

На сайте http://www.leshenko.com.ru/ice помещена программа, работающая в режиме online и позволяющая рассчитывать требуемую холодопроизводительность фризера и камеры закалки для различных процессов производства мороженого.

 

«VIV Russia 2017»

«КРИОГЕН-ЭКСПО. Промышленные газы 2017»

Кафедра «Техника низких температур»

Кондиционеры, тепловые насосы, системы вентиляции