Для воздуха

Изотермический эффект

Для расчета этого эффекта можно использовать приблтженное уравнение:

, где к-показатель адиабата

При условиях: Р 1 = 1 МПа (10 бар), Т 1 = 300 К. Расширение до атмосферного давления ,

– это температра при расширении газа до давления Р 2 по изоэнтропе. Это предельно возможная низкая температура, которую можно получить при заданных Т, Р 1 , Р 2 . Поэтому разность температур используют как эталон для оценки эффективности охлаждения расширением газов.

В действительности эта разность температур достигнута быть не может, т.к. процесс расширения происходит с потерями, с ростом энтропии и действительная температура, до которой охладился расширившийся газ будет выше, т.е. и

Температурная эффективность процесса определяется:

^ Охлаждение с помощью расширения газа в вихревой трубе. Эффект Ранка.

Предварительно сжатый газ подается в трубу через сопло направленное тангенциально к трубе. В трубе газ завихряется в пространстве между диафрагмой и вентилем. При завихрении потока его центральная часть отдает энергию перефирийным слоям и охлаждается до температуры . Охлаждаемый воздух, доля которого , выводится через диафрагму; нагретая чась воздуха, доля которой , выводится из трубки через вентиль. Нагретый воздух имеет температуру .

Изменением положения вентиля вдоль оси трубки можно изменять соотношения потока холодного и горячего газа. При этом будут меняться и температуры Т г и Т х. Процесс расширения в вихревой трубе заведомо необратим как и дросселирования (происходит с энтропии). Известно, что если после расширения смешать между собой горячий и холодный потоки, то температура будет равна Т др.

Характеристика процесса в вихревой трубе.

График показывает зависимость достигаемого понижения температуры в трубе от доли охлаждения воздуха. Максимальное охлаждение достигается при доле охлаждения воздуха .

Тепловой и материальный
Газ через сопла в роторе-распределителе периодически подводится к трубкам-рецепторам с частотой равной частоте вращения ротора умноженной на число сопел ротора. В рецепторе газ периодически сжимается и расширяется.

В результате такого пульсационного процесса в нем устанавливается постоянное распределение температуры от (0,7…0,9)Т 1 , в начале рецептора, до (1,7…2,0)Т 1 , в конце рецептора.

Давление на входе в рецептор изменяется от близкого к р 2 (например, 0,1 МПа) до более высокого давления, но несколько меньше чем р 1 .

От горячего конца рецептора тепло отводится в окружающую среду, т.е. отдается часть энергии сжатого газа.

Пульсационный процесс уподобляется процессу расширения газа с отводом энергии (в принципе, отводимое тепло может быть полезно использовано).

В связи с этим температурная эффективность этого процесса достаточно высока и может приближаться к эффективности расширения газа в детандере.

*Только для доли

^ Охлаждение с использованием электрических и магнитных эффектов.

Термоэлектрический эффект (полупроводниковые охладители)

Термоэлектрический эффект основан на явлении возникновения ЭДС в цепи из двух разнородных проводников, если спаи этих проводников имеют различную температуру. На этом принципе построены термопары, использующие для измерения температуры.

Открыт в 1812г. Зеебеком. В 1834г. Пельтье обнаружил обратный эффект, т.е. нагрев и охлаждение противоположных спаев.

Устройство полупроводникового элемента:

Два разнородных полупроводника 1 и 2 соединены между собой спаем, другой конец соединен горячим спаем, соединен с источником постоянного тока. В результате прохождения тока, согласно эффекту Пельтье один из спаев охлаждается и к нему может быть подведено тепло Q 0 от охлаждаемого объекта. Второй спай нагревается и тепло Q г отводится в окружающую среду. Эффект охлаждения зависит прежде всего от свойств материала полупроводников, а именно от их термо ЭДС, обозначают буквой, . Переносимое по эффекту Пельтье, равно

разности термо ЭДС полупроводников, умноженное на силу тока и абсолютную температуру холодного спая.

Материалы полупроводников 1 и 2 подбирают таким образом, чтобы коэффициент Пельтье для них были равны по величине и противоположны по знаку.

Тогда холодопроизводительность по эффекту Пельтье будет равно Q = 2T x .

Полной реализации эффекту Пельтье препятствует два физических фактора: 1) теплопроводность полупроводников, в результате которой тепло перетекает обратно от горячего спая к холодному; 2) нагрев полупроводников от Джоулевого тепла выделяемого проводником при прохожении через него тока.

Холодопроизводительность полупроводников элемента:

(1)

Введение

Холодильная машина

Принцип действия компрессионных холодильных машин

Принцип действия абсорбционных холодильных машин

Принцип действия пароэжекторных холодильных машин

Принцип действия холодильных машин на вихревых охладителях

Принцип действия термоэлектрических холодильных машин

Введение

Холодильная техника – это научная дисциплина и отрасль техники, охватывающая методы получения и использования низких температур (холода) для производства и хранения пищевых продуктов.

Использование холодильной техники позволяет сохранять свойства пищевых продуктов, а также получать пищевые продукты с новыми свойствами.

Без холодильной техники невозможно снабдить растущее население качественными продуктами питания. В процессе производства и увеличения объёмов реализации пищевых продуктов важна роль холодильной техники, которая позволяет:

создавать запасы скоропортящихся пищевых продуктов в широком ассортименте;

увеличивать продолжительность хранения замороженных пищевых продуктов;

продавать пищевые продукты сезонного производства равномерно в течение года;

снижать товарные потери при хранении и транспортировке продовольственных товаров;

внедрять прогрессивные методы оказания услуг населению предприятиями торговли и общественного питания.

Холодильная машина

Холодильная машина - устройство, служащее для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Процессы, происходящие в холодильных машинах, являются частным случаем термодинамических процессов, т. е. таких, в которых происходит последовательное изменение параметров состояния рабочего вещества: температуры, давления, удельного объема, энтальпии. Холодильные машины работают по принципу теплового насоса - отнимают теплоту от охлаждаемого тела и с затратой энергии (механической, тепловой и т. д.) передают её охлаждающей среде (обычно воде или окружающему воздуху), имеющей более высокую температуру, чем охлаждаемое тело. Холодильные машины используются для получения температур от 10°С до -150°С. Область более низких температур относится к криогенной технике. Работа холодильной машины характеризуется их холодопроизводительностью.

Первые холодильная машина появились в середине XIX в. Одна из старейших холодильных машин - абсорбционная. Её изобретение и конструктивное оформление связано с именами Дж. Лесли (Великобритания, 1810), Ф. Карре (Франция, 1850) и Ф. Виндхаузена (Германия, 1878). Первая парокомпрессионная машина, работавшая на эфире, построена Дж. Перкинсом (Великобритания, 1834). Позднее были созданы аналогичные машины с использованием в качестве хладагента метилового эфира и сернистого ангидрида. В 1874 К. Линде (Германия) построил аммиачную парокомпрессионную холодильную машину, которая положила начало холодильному машиностроению.

В основе работы холодильников лежит холодильный цикл. Простой паровой цикл механической холодильной машины реализуется с помощью четырех элементов, образующих замкнутый холодильный контур, – компрессора, конденсатора, дроссельного вентиля и испарителя или охладителя (рис. 1). Пар из испарителя поступает в компрессор и сжимается, вследствие чего его температура повышается. После выхода из компрессора пар, имеющий высокие температуру и давление, поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется. В некоторых конденсаторах используется режим переохлаждения, т.е. дальнейшее охлаждение сконденсировавшейся жидкости ниже ее температуры кипения. Из конденсатора жидкость проходит через дроссельный вентиль. Поскольку температура кипения (насыщения) для данного давления оказывается ниже температуры жидкости, начинается ее интенсивное кипение; при этом часть жидкости испаряется, а температура оставшейся части опускается до равновесной температуры насыщения (тепло жидкости расходуется на ее превращение в пар). Процесс дросселирования иногда называют внутренним охлаждением или самоохлаждением, поскольку в этом процессе температура жидкого хладагента снижается до нужного уровня. Таким образом, из дроссельного вентиля выходят насыщенная жидкость и насыщенный пар. Насыщенный пар не может эффективно отводить тепло, поэтому он перепускается мимо испарителя и подается прямо на вход компрессора. Между дросселем и испарителем установлен сепаратор, в котором пар и жидкость разделяются.

Рис. 1. Схема холодильного цикла.

Принцип действия компрессионных холодильных машин

Компрессионные холодильники - наиболее распространённые и универсальные. Основными составляющими частями такого холодильника являются:

компрессор, получающий энергию от электрической сети;

конденсатор, находящийся снаружи холодильника;

испаритель, находящийся внутри холодильника;

терморегулирующий расширительный вентиль, ТРВ, являющийся дросселирующим устройством;

хладагент, циркулирующее в системе вещество с определёнными физическими характеристиками.

Ко всем элементам холодильной машины предъявляется требование высокой герметичности. В зависимости от вида холодильного компрессора компрессионные машины подразделяются на поршневые, турбокомпрессорные, ротационные и винтовые.

Хладагент под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или ТРВ) поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости и превращение ее в пар. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, за счёт чего происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника.

Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор.

В конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и конденсируется, то есть превращается в жидкость. Процесс повторяется вновь.

Таким образом, в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя тепло, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая тепло.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объем испарителя вскипевшим хладагентом. Пропускное сечение ТРВ изменяется по мере снижения тепловой нагрузки на испаритель, при понижении температуры в камере количество циркулирующего хладагента уменьшается. Капилляр - это аналог ТРВ. Он не меняет свое сечение, а дросселирует определенное количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра и типа хладагента.

Обычно также присутствует теплообменник, выравнивающий температуру на выходе из конденсатора и из испарителя. В результате к дросселю поступает уже охлажденный хладагент, который затем ещё сильнее охлаждается в испарителе, в то время как хладагент, поступивший из конденсатора подогревается, прежде чем поступить в компрессор и конденсатор. Это позволяет увеличить эффективность холодильника.

При достижении необходимой температуры температурный датчик размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При повышении температуры (за счёт внешних факторов) датчик вновь включает компрессор.

Для повышения экономической эффективности холодильной машины (снижения затрат энергии на единицу отнятого от охлаждаемого тела количества теплоты) иногда перегревают пар, всасываемый компрессором, и переохлаждают жидкость перед дросселированием. По этой же причине для получения температур ниже -30°С используют многоступенчатые или каскадные холодильные машины.

В многоступенчатых холодильных машин сжатие пара производится последовательно в несколько ступеней с охлаждением его между отдельными ступенями. При этом в двухступенчатых холодильных машинах получают температуру кипения хладагента до -80 °С.

В каскадных холодильных машинах, представляющих собой несколько последовательно включенных холодильных машин, которые работают на различных, наиболее подходящих по своим термодинамическим свойствам для заданных температурных условий хладагентах, получают температуру кипения до -150 °С.

Принцип действия абсорбционных холодильных машин

Рабочим веществом в абсорбционных холодильниках служат растворы двух компонентов с различными температурами кипения при одинаковом давлении. Компонент, кипящий при более низкой температуре, выполняет функцию хладагента; второй служит абсорбентом. В области температур от 0 до -45°С применяются машины, где рабочим веществом служит водный раствор аммиака (хладагент - аммиак). При температурах охлаждения выше 0°С преимущественно используют абсорбционные машины, работающие на водном растворе бромида лития (хладагент - вода).

В абсорбционных системах сохраняются конденсатор, дроссельный вентиль и испаритель, но вместо компрессора используются четыре других элемента: абсорбер, насос, парогенератор (кипятильник) и редукционный клапан. Пар из испарителя попадает в абсорбер. Там он соприкасается с абсорбирующей жидкостью, которая поглощает находящийся в паровой фазе хладагент; давление в абсорбере при этом понижается, что обеспечивает непрерывное поступление пара из испарителя. В процессе абсорбции происходит выделение тепла, следовательно, абсорбер должен охлаждаться, например, за счет циркуляции воды. Холодная смесь абсорбирующей жидкости и хладагента поступает в насос, в котором её давление повышается. Поскольку повышение давления жидкости сопровождается лишь незначительным изменением её объема, необходимая для этого работа мала. После выхода из насоса холодная жидкость высокого давления поступает в кипятильник, где к ней подводится тепло, и большая часть холодильного агента испаряется. Этот умеренно перегретый пар высокого давления проходит через конденсатор и совершает обычный холодильный цикл, а абсорбент охлаждается и возвращается в абсорбер (через редукционный клапан) для повторения цикла. Действительный абсорбционный цикл отличается от идеального тем, что часть абсорбента испаряется в кипятильнике и уносится вместе с парами хладагента. Если его не отделить от хладагента до входа в испаритель, то это приведет к повышению температуры в испарителе, или на практике давление в испарителе будет значительно меньше давления насыщения при той температуре, которая должна быть в испарителе. Отделение абсорбента от хладагента частично происходит в сепараторе, который расположен между конденсатором и кипятильником и служит для конденсации абсорбента и возврата его в кипятильник вместе с небольшим количеством сопутствующего хладагента. Механическая работа абсорбционных холодильных установок значительно меньше, чем компрессионных, однако общие затраты энергии значительно выше. Энергия, которая подводится к кипятильнику, много больше той, которая отводится от абсорбера охлаждающей водой. Там, где электроэнергия дорогая, а тепловая энергия и охлаждающая вода дешевы, абсорбционные установки более выгодны, чем компрессионные. Применение абсорбционных машин весьма выгодно на предприятиях, где имеются вторичные энергоресурсы (отработанный пар, горячая вода, отходящие газы промышленных печей и т.д.).

Принцип действия пароэжекторных холодильных машин

Способ получения холода без совершения механической работы состоит в эжекции пара из испарителя. В такой установке хладагентом является вода, поэтому температура в холодильной камере не может быть ниже 0° С.

Пароэжекторный холодильник состоит из эжектора, испарителя, конденсатора, насоса и ТРВ. Хладагентом служит вода, в качестве источника энергии используется пар давлением 0,3-1 МН/м2, который поступает в сопло эжектора, где расширяется. В результате в эжекторе и, как следствие, в испарителе машины создаётся пониженное давление, которому соответствует температура кипения воды несколько выше 0°С (обычно порядка 5°С). В испарителе за счёт частичного испарения происходит охлаждение подаваемой потребителю холода воды. Отсосанный из испарителя пар, а также рабочий пар эжектора поступает в конденсатор, где переходит в жидкое состояние, отдавая теплоту охлаждающей среде. Часть воды из конденсатора подаётся в испаритель для пополнения убыли охлаждаемой воды.

Пароэжекторные установки находят применение в промышленности, там, где имеются пар высокого и среднего давления и дешевая вода для охлаждения. Эти установки используются также на судах, поскольку небольшое число движущихся частей упрощает их обслуживание и ремонт.

Принцип действия холодильных машин на вихревых охладителях

Охлаждение осуществляется за счёт расширения предварительно сжатого компрессором воздуха в блоках специальных вихревых охладителей.

Распространения не получил из-за большой шумности, необходимости подвода сжатого (до 10-20 Атм) воздуха и очень большого его расхода, низкого КПД. Достоинства - большая безопасность использования, так как не используется электричество и нет ни движущихся механических частей, ни опасных химических соединений в конструкции; долговечность, надёжность.

Воздушно-расширительные холодильные машины относятся к классу холодильно-газовых машин. Хладагентом служит воздух. В области температур примерно до -80°С экономическая эффективность воздушных машин ниже, чем парокомпрессионных. Более экономичными являются регенеративные воздушные холодильные машины, в которых воздух перед расширением охлаждается либо в противоточном теплообменнике, либо в теплообменнике-регенераторе. В зависимости от давления используемого сжатого воздуха воздушные холодильные машины подразделяются на машины высокого и низкого давления. Различают воздушные машины, работающие по замкнутому и разомкнутому циклу.

Принцип действия термоэлектрических холодильных машин

Термоэлектрический холодильник строится на элементах Пельтье, бесшумен, но большого распространения не получил из-за дороговизны охлаждающих термоэлектрических элементов. Тем не менее, сумки-холодильники, небольшие автомобильные холодильники и кулеры питевой воды часто делаются с охлаждением от элементов Пельтье.

Термоэлектрический холодильник работает на основе эффекта Пельтье, который заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока через спай термопары. На рис. 2 схематично показано поперечное сечение такого холодильника объемом 65 дм3, способного поддерживать температуру холодильной камеры на 10° С ниже температуры окружающей среды. В верхней части расположены 72 термоэлемента, обеспечивающие охлаждение, которые потребляют большую часть из 135 Вт электроэнергии, необходимой для работы холодильника. В канале обдува воздухом расположены специальные ребра для лучшего сброса тепла, а в камере установлены пластины для увеличения поверхности теплообмена. Подобные холодильники на судах рассчитаны на хранение шести тонн замороженных или охлажденных продуктов. Промышленность выпускает и другие типы термохолодильников, в частности термостаты для лабораторных нужд.

Рис. 2. Термоэлектрический холодильник (может быть сделан портативным). 1 – охлаждающие ребра; 2 – вентилятор; 3 – жалюзи; 4 – термоэлементы; 5 – тепловая изоляция; 6 – холодные пластины.

Министерство образования и науки Украины

ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра теплохладотехники

Конспект лекций

"Холодильное оборудование"

для студентов профессионального направления 7.090221

дневной и заочной форм обучения

Утверждено

советом специальности

7.090221

Одесса ОНАПТ 2008

Конспект лекций по курсу “Холодильное оборудование” для бакалавров специальности 7.090221 дневной и заочной форм обучения / Составители С.Ф. Горыкин, А.С. Титлов. – Одесса: ОНАПТ, 2008. – 188 с.

Составители С.Ф. Горыкин, канд. техн. наук, доцент

А.С. Титлов, канд. техн. наук, доцент

Рецензент профессор кафедры экологии Одесской национальной академии пищевых технологий, д-р техн. наук Геллер В.З.

Ответственный за выпуск С.Ф. Горыкин, канд. техн. наук, доцент

Введение

Холодильное оборудование – это совокупность взаимосвязанных технических средств, предназначенных для создания, распределения и использования искусственного холода. При этом следует различать непосредственно холодильные системы и холодильное технологическое оборудование.

Первое из них – комплекс холодильного оборудования (один или несколько компрессоров, конденсаторов, различного рода испарителей, ресиверов и пр.), в котором циркулирует холодильный агент, непосредственно воспроизводящий искусственный холод. Такие комплексы называют холодильными машинами. Из нескольких принципиально отличающихся друг от друга холодильных машин в пищевой промышленности используют исключительно паровые компрессионные холодильные машины.

Второе предназначено для охлаждения, замораживания и холодильного хранения скоропортящихся пищевых продуктов (СПП). Его называют холодильным технологическим оборудованием.

По характеру воздействия на СПП различают холодильное технологическое оборудование для охлаждения и для замораживания продуктов. Охлаждение (понижение температуры не ниже криоскопической), как правило, осуществляется в камерах охлаждения (кроме жидких СПП). Замораживание (понижение температуры значительно ниже криоскопической) может осуществляться либо в камерах замораживания (камерных морозилках), либо в специальных устройствах – скороморозильных аппаратах.

Отдельному рассмотрению подлежит торговое холодильное оборудование и бытовая холодильная техника.

Настоящие лекции ни в коем случае не должны рассматриваться студентами как единственный источник информации. В нем авторы лишь систематизировали материал из различных учебников, попытались, по возможности, приблизить его к специфике нашей Одесской национальной академии пищевых технологий (ОНАПТ).

В Приложении, помимо справочных материалов, необходимых для расчета и выбора холодильного оборудования, включен перечень тем, вынесенных на самостоятельную работу, и вопросы, используемые при тестировании.

В конце приводится перечень литературы, имеющейся в библиотеке ОНАПТ, которая может понадобиться студентам при изучении курса, выполнении расчетно-графического задания (РГЗ), заданий на самостоятельную работу и успешной сдаче модулей.

Лекция 1. Области применения и физические принципы получения низких температур

1.1. Области применения искусственного холода

Искусственный (машинный) холод широко применяется в народном хозяйстве. С его помощью оказалось возможным достаточно просто и эффективно регулировать скорость различных химических процессов, способствовать наиболее благоприятному их протеканию.

В пищевой промышленности искусственный холод, прежде всего, используется как прекрасный консервант СПП. На чем же основано воздействие холода на СПП? На двух факторах.

Во-первых, в условиях низких температур замедляется скорость химических реакций деградации ценных питательных веществ в СПП и тем самым замедляется их “биохимическая порча”.

Во-вторых, низкие температуры замедляют (а иногда и вовсе приостанавливают) жизненную активность микроорганизмов, т.е. предотвращают “микробиальную” порчу СПП.

С тех пор как человечество осознало, что холодильное хранение СПП является наиболее эффективным способом сохранения их высоких пищевых качеств (а это конец прошлого – начало нынешнего века), во всех индустриально развитых странах началось интенсивное строительство специализированных предприятий – холодильников, предназначенных для накопления в крупных масштабах и длительного хранения запасов СПП.

Продукция в камерах таких холодильников может храниться в охлажденном, либо замороженном состоянии. Охлаждение СПП – это понижение температуры не ниже криоскопической (обычно до 0...4 С). Замораживание – более значительное снижение температур, существенно ниже криоскопической (в настоящее время это минус 18...минус 25С).

Однако неверно думать, что искусственный холод в пищевой промышленности используется только для увеличения сроков хранения СПП. В настоящее время холод – могучий фактор технологического воздействия на СПП. Известно, что с помощью искусственного холода удается, например, успешно “осветлять” соки и вина, проводить высококачественное “созревание” мяса и сыров, сушить зерно, очищать от кожуры ядрышко гречихи и др.

Весьма емким потребителем искусственного холода является химическая промышленность . На различных стадиях технологических процессов получения азотной кислоты, синтеза аммиака, производства этилена, каучука, химических волокон широко используется искусственный холод. Во многих химических реакторах регулирование скорости химической реакции осуществляется с помощью искусственного холода. Внефтяной игазовой промышленности холод используют для очистки, разделения и сжижения различных компонентов и фракций. Существуют специализированные производства для очистки смазочных масел от парафинов, разделения ксилолов, сжижения и очистки газов. Вметаллургии имашиностроении искусственный холод используется для низкотемпературной закалки и старения металлов и сплавов, сверхточной обработки металлов, гибки труб;встроительной технике – для борьбы с подземными водами, улучшения структуры бетона;вмедицине – для хранения крови и создания банка органов для трансплантации. В последние годы бурно развиваетсякриохирургия . В Одесской государственной академии холода (ОГАХ) созданы уникальные криоинструменты, в том числе и для микрохирургии глаза и головного мозга. Несомненным преимуществом криохирургии является более успешная борьба с внутренними кровотечениями и разрывами.

Особо следует сказать о кондиционировании воздуха . Комфортные системы предназначены для создания комфортных условий человеку в жилых и общественных зданиях. В таких установках – автономных и централизованных – работают десятки миллионов холодильных машин, особенно в странах с жарким климатом. Однако в настоящее время все чаще при строительстве жилых и общественных зданий в индустриально развитых странах используются круглогодичные системы кондиционирования воздуха, когда одна и та же холодильная машина летом используется для охлаждения воздуха в помещениях, а зимой – для его подогрева (в режиме теплового насоса).

Кроме комфортного, существует технологическое кондиционирование воздуха. Такие системы обеспечивают оптимальные климатические условия для протекания того или иного технологического процесса. До недавнего времени все вычислительные центры были снабжены мощными кондиционерами, т.к. ЭВМ, особенно ламповые, не могли работать без интенсивного отвода тепла из помещения. На Одесском заводе прецизионного машиностроения уже давно огромные цеха снабжены кондиционерами, которые поддерживают во всем объеме цеха температуру 190,5С. Это сделано для исключения влияния колебаний температуры окружающего воздуха на точность обработки деталей.

Отметим также, что системами кондиционирования воздуха, как правило, снабжены все сооружения культурного и спортивного назначения, пассажирский и грузовой транспорт, крупнотоннажные автомобили, подъемные краны.

Существуют и другие случаи использования искусственного холода.

3.1 История развития холодильной техники

Применение холода для сохранения пищевых продуктов известно давно. Для этого использовали сначала лед и снег, а затем смеси льда с солью, что позволило получить температуры ниже 0°С. В XIX в. появились промышленные холодильные машины. Первая холодильная машина была изобретена в 1834 г. англичанином Перкинсоном. В качестве холодильного агента был применен этиленовый эфир. Позднее в 1871 г. француз Тенье создал машину, работающую на метиловом эфире, а в 1872 г. англичанин Бойль изобрел холодильную машину, в которой использовался аммиак.

В нашей стране холодильные машины в промышленном масштабе впервые были применены в 1888 г. на рыбных промыслах в Астрахани. В 1889 г. были сооружены две холодильные установки на пивоваренных заводах. Первый производственный холодильник емкостью 250 т был построен в 1895 г. в Белгороде. Перевозки продуктов в железнодорожных вагонах с ледяным охлаждением начались в 1860 г. Однако в дореволюционной России холодильная техника была развита слабо. В 1917 г. в стране насчитывалось всего 58 холодильников общей емкостью 57 тыс. т и холодопроизводительностью около 24 тыс. кВт. Холодильный транспорт состоял из 6500 двухосных железнодорожных вагонов с ледяным охлаждением и одного рефрижераторного судна грузоподъемностью 185т.

Применение искусственного холода в широких масштабах в нашей стране началось после Великой Октябрьской социалистической революции. За годы Советской власти построены крупные холодильники в мясной, рыбной, молочной и других отраслях пищевой промышленности, а также на транспорте. Уже в 1941 г. емкость холодильников в нашей стране составляла 370 000 т.

Наряду с ростом холодильной емкости постоянно развиваются холодильное машиностроение и приборостроение. Холодильные машины выпускают преимущественно в виде автоматизированных агрегатов. Большое внимание уделяют конструированию и изготовлению малых автоматизированных холодильных машин.

Малые холодильные машины получили широкое распространение в торговле и общественном питании (холодильные шкафы, камеры, прилавки, витрины, охлаждаемые торговые автоматы), в быту (холодильники, кондиционеры), на транспорте, в сельском хозяйстве, медицине и других отраслях народного хозяйства. В торговле и общественном питании страны общее количество малых холодильных установок превышает 2 млн. единиц. В быту используются десятки миллионов холодильников.

Широкое развитие получил холодильный транспорт. Железнодорожный холодильный транспорт заметно пополнился составами, секциями и отдельными автономными вагонами с машинным охлаждением. Увеличилось количество судов-холодильников, оснащенных современным холодильным оборудованием. Создан заново автомобильный холодильный транспорт.

Для сохранения и переработки всевозрастающего количества пищевых продуктов необходимо увеличивать объемы и повышать темпы строительства холодильников и холодильного оборудования, а также технически совершенствовать существующие холодильные предприятия. В ближайшие годы намечено значительно увеличить емкость холодильников в пищевой, мясной и молочной промышленности. Увеличатся холодильные емкости и в системе торговли, в сельском хозяйстве. Их предстоит оснастить новейшим холодильным оборудованием с большей степенью заводской готовности, автоматизации и механизации производственных процессов.

3.2 Холодильное хранение пищевых продуктов

3.2.1Охлаждение пищевых продуктов

Охлаждение – процесс понижения температуры продукта не ниже криоскопической.

Криоскопической температурой принято считать температуру начала выпадения твердой фазы (кристаллов) из тканевой жидкости продукта.

Процесс охлаждения представляют в прямоугольной системе координат (Рисунок 8)

По вертикали – температура охлаждаемого продукта, по горизонтали – продолжительность процесса охлаждения.

Охлаждение начинается при температуре Тнач, т.е температуре продукта перед помещением его в камеру охлаждения. Как правило процесс охлаждения представляет собой кривую, приближающуюся к криоскопической температуре, но никогда не достигающей значения Ткр.

Шоковое охлаждение – используется для полуфабрикатов и готовой продукции при предполагаемом сроке хранения 4-5 дней. При шоковом охлаждении температура внутри продукта должна снизиться до 3 С за время не более 90 мин. В течение этого процесса температура внутри камеры шокового охлаждения на начальном этапе -15…-25 С и поддерживается на этом уровне пока температура на поверхности продукта не достигнет минус 10С, после этого температура повышается до 0 С.

Замораживание пищевых продуктов

Замораживание – процесс частичного или полного превращения тканевой жидкости замораживаемого продукта в лед. Наличие фазового перехода – отличительная особенность процесса замораживания.

Скоропортящиеся пищевые продукты замораживают для увеличения сроков хранения (мясо, рыба, птица) или для получения продуктов с новыми вкусовыми качествами (мороженое, плоды и ягоды)

Продолжительность хранения скоропортящихся продуктов с высоким содержанием влаги в замороженном виде значительно больше, чем в охлажденном. Превращение влаги продукта из жидкого состояния в кристаллическое приводит к существенному торможению жизнедеятельности микроорганизмов, а также значительное снижение скорость биохимических и химических реакций. При замораживании происходят такие изменения, которые не позволяют полностью восстановить продукт в его первоначальном виде. Технологическая необратимость не является недостатком, если не ухудшаются пищевые и вкусовые показатели и товарный вид.

Технологически процессу замораживания предшествует процесс охлаждения продукта до криоскопической температуры, после чего начинается льдообразование – фазовый переход жидкой среды в твердое состояние.

Переохлаждение – это понижение температуры объекта ниже криоскопической без кристаллизации содержащейся в нём воды.

Пpи достижении криоскопической температуры tкр кристаллы льда в тканевой жидкости не образуются вследствие остаточного теплового движения молекул. Для образования устойчивых кристаллов льда требуется некоторое понижение температуры относительно криоскопической. Такое понижение температуры принято называть переоxлаждением tпо. Для каждого вида пищевых продуктов предельное переохлаждение tпо имеет конкретные значения: 5°С – для мяса, птицы, рыбы; 6°С – для молока; 11°С – для яиц.

Наличие искусственных стимуляторов кристаллизации (механические примеси, загрязнения) приводит к образованию устойчивых зародышей кристаллов при меньших значениях переохлаждения.

Образование устойчивых зародышей кристаллов и следующий затем рост кристаллов тканей жидкости сопровождаются выделением теплоты фазового перехода жидкости в лед и повышением температуры до криоскопической. Причем повышение температуры происходит очень быстро, вследствие чего данное явление получило название температурного скачка.

Шоковое замораживание – снижение температуры в толще продукта до -18С за время, не превышающее 240 мин. Используется для замораживания полуфабрикатов и готовых блюд, предполагаемый срок хранения которых не превысит 60 дней. В начальной стадии температура внутри камеры снижается до -40С и поддерживается на этом уровне пока температура внутри продукта не достигнет -18С. По окончании процесса замораживания камера переходит в режим стандартного охлаждения. Шоковое замораживание позволяет сохранить исходную структуру продукта, его вкус и аромат.

При любом способе замораживания теплота отводится с поверхности продукта, а глубинные слои имеют более высокую температуру. Если после процесса замораживания продукт положить в камеру хранения, то спустя длительное время произойдет выравнивание температуры. Эта температура называется конечной температурой замораживания.

При замораживании не вся тканевая жидкость превращается в лед. Тканевую жидкость, превратившуюся в лед называют вымороженной. Относительное количество этой влаги принято оценивать в виде доли вымороженной влаги:

Отношение масса льда к массе тканевой жидкости.

3.2.2 Технологические приемы холодильной обработки и хранения пищевых продуктов

Для рационального холодильного хранения охлажденных и замороженных продуктов необходимо выполнить следующие условия:

· хранить доброкачественные продукты, прошедшие регламентированную технологическую обработку перед хранением

· соблюдать температурный режим хранения

· поддерживать определенную влажность при хранении

· соблюдать санитарно-гигиенические условия хранения

· использовать дополнительные средства, повышающие стойкость хранимых продуктов

· применять рациональную тару для хранения продуктов

Охлажденные скоропортящиеся пищевые продукты хранят в камерах при температурах, близких к криоскопическим, а относительную влажность воздуха поддерживают на уровне 80-85%.

Температурный режим хранения замороженных продуктов выбирают исходя из продолжительности хранения. при непродолжительном сроке хранения допускается температура в камере -8…-12С. Замороженные продукты, предназначенные для более длительного хранения хранят при температуре не выше -18С. Более низкие температуры применяют в целях обеспечения сохранности продуктов, содержающих непредельные жирные кислоты.

Предельным сроком хранения пищевого продукта принято считать такой, по истечению которого в хранимом продукте начинают появляться неприсущие продукту посторонние запахи, продукт приобретает привкус, изменяется его цвет и внешний вид.

При хранении жиров животного происхождения микроорганизмы и ферменты вызывают распад ненасыщенных жирных кислот, что приводит к образованию кетонов, способствующих появлению горького привкуса продукта

При хранении рыбы и морепродуктов происходит распад белковых молекул с образование аминокислот, в частности триметиламина, присутствие которого свидетельствует о начале порчи.

Хранение охлажденных пищевых продуктов при низких положительных температурах (0…2С) обеспечивает сохранность мяса, рыбы, птицы в течение 1-2 недель. Скоропортящиеся продукты растительного происхождения при рациональной организации режима хранения могут храниться практически доя нового урожая.

3.2.3 Отепление и размораживание пищевых продуктов

Отепление – процесс повышения температуры охлажденного пищевого продукта со скоростью, исключающей образование конденсата на поверхности продукта. Отепление особенно важно для таких продуктов, как яйца, фрукты, овощи, некоторые молочные и гастрономические продукты, баночные консервы и др.

Некоторые продукты не нуждаются в отеплении. К ним относятся, например, сливочное масло, сметана, творог, сыры, соленые рыбные товары и др. Конденсирующаяся на поверхности влага не причиняет им вреда. Такие продукты выпускают из холодильников без отепления. Практически очень редко прибегают к отеплению и охлажденных мясопродуктов.

Производят отепление в специальных камерах с усиленной циркуляцией кондиционируемого воздуха. Называют такие камеры дефростерами. Продукты в камерах укладывают так, чтобы они свободно омывались воздухом. Температуру продукта при отеплении повышают постепенно. Соответственно и повышают температуру воздуха в дефростере, регулируя ее таким образом, чтобы она все время была на 2-3°С выше температуры продукта. Регулируется при этом и относительная влажность подаваемого воздуха. Чтобы продукт не увлажнялся, ее поддерживают на уровне 80%. Слишком сухой воздух тоже нежелателен в связи с усушкой продуктов.

Конечная температура, до которой надлежит отеплять продукты, зависит от температуры и влажности наружного воздуха. Если воздух очень влажный, конечная температура отепленных продуктов должна быть на 2-3°С ниже его температуры, а если достаточно сухой (с относительной влажностью 40-45%), то эта разница должна составлять 4-5°С. Отепление практически продолжается около 30-40 ч.

Размораживание производят для возвращения продукта в исходное состояние, которое он имел перед замораживанием. При этом находящиеся в продукте кристаллы льда превращаются в жидкость, которая распределяется по ткани, так, как это было до замораживания. Практически достичь полной обратимости процесса замораживания не удается. Способность клеток и волокон к влагоудержанию значительно снижается вследствие травмирования их кристаллами льда и снижения способности белковых веществ к гидратации. Поэтому часть сока вытекает из продукта и теряется.

Применяемы на практике способы размораживания:

· медленное размораживание в воздушной среде при температуре в камере 0…4 С

· быстрое размораживание в воздушной среде при температуре в камере 15…20С

· быстрое размораживание в паровоздушной среде при температуре 25…40С

· размораживание в жидких теплоносителях при температуре 4…20С

Медленное размораживание обеспечивает наилучшее восстановление продукта, равномерное распределение клеточной жидкости. Но низкие скорости размораживания приводят к развитию биохимических и микробиологических процессов, деятельность которых может привести к порче продукта.

Быстрое размораживание применяется в основном для пищевых продуктов, используемых в промышленной переработке (производство колбас, консервов).

3.2.4 Технология охлаждения пищевых продуктов

3.2.5. Технология замораживания продуктов

Замораживание в воздушной среде. Осуществляется в морозильных камерах. Воздух в камере температурой -30…-40С со скоростью 1-2 м/с. Недостатком является продолжительность процесса и потеря влаги с поверхностного слоя замораживаемого продукта (усушка).

Замораживание орошением. Жидкий, охлажденный теплоноситель (водный раствор соли) подается через форсунки на орошение продукта.

Замораживание погружением. Более эффективный процесс с равномерным погружением продукта со всех сторон.

Недостатком этих методов является необходимость применения герметичной упаковки, чтобы исключить контакт продукта с замораживаемой средой (бесконтактное замораживание)

Замораживание в криогенных жидкостях (жидком воздухе или жидком азоте) не нашло широкого применения вследствие своей дороговизны.

Замораживание отдельных групп товаров

Мясо и мясопродукты замораживают в морозильных камерах при температуре -30..-35С, скорости принудительного движения воздуха 1..3 м/с. Продолжительность замораживания 19..27 ч. Замороженным считается мясо, средняя конечная температура которого на 10С ниже криоскопической.

Птицу замораживают в морозильных камерах с естественной или искусственной циркуляцией воздуха. Температура в воздухе камеры -18С. Продолжительность 48-72ч. При понижении температуры до -23С и повышении скорости воздуха до 3-4 м/с продолжительность сокращается до 36-24ч. При замораживании птицы в жидких теплоносителях (пропиленгликоль, водный раствор хлористого кальция) тушки помещают в герметичные упаковки и погружают в раствор, охлажденный до -28С. Чаще всего погружение используют на начальном этапе замораживания, а окончательное происходит в морозильной камере. В этом случае тушки погружают на 20-40мин, а затем переносят в камеру хранения с температурой воздуха -23-30С.

Для замораживания рыбы используется продукт высоко качества, не имеющий внешних дефектов и признаков порчи. При замораживании в воздушной среде температура в морозильных камерах поддерживается -30С и ниже. Для интенсификации процесса применяется принудительная циркуляция воздуха. Рыбу жирных пород (сельдевые) замораживают при более низких температурах.

Рыбу ценных пород, особенно крупную по размеру рекомендуется после замораживания глазировать льдом. Для этого рыбу несколько раз погружают в пресную холодную воду и извлекают для образования на поверхности тонкой корочки льда. Образованная корочка льда предохраняет рыбу от усушки, а отсутствие контакта жира с кислородом воздуха – от окисления.

Замораживание яичных продуктов (белки, желтки, меланж) производят в морозильных камерах с температурой -20…-25С и скоростью движения воздуха 3-4м/с. Яичная масса считается замороженной, если температура в центре упаковки -6..-10С. Целые яйца в скорлупе не замораживают, т.к. при этом происходит механическое повреждение скорлупы из-за расширения содержимого.

Творог замораживают в морозильных камерах с температурой -28..-30С., температура в камере хранения должна быть -18С.

Масло сливочное замораживают до -18С. Температура в морозильной камере -25С в течение 2суток.

3.2.6 Хранение пищевых продуктов в охлажденном состоянии

Охлажденные продукты хранят в холодильной камере пи температуре 2..3С. Влажностный режим камер хранения поддерживают в соответствии с технологическими требованиями для каждого вида продукта.

Подмораживание мяса, птицы и рыбы, т.е. замораживание поверхностного слоя способствует продлению сроков хранения. Подмороженное мясо при температуре -1..-2С хранят в подвешенном состоянии до 17сут.

Подмораживание птицы происходит до температуры 0..-1С в тоще грудной мышцы и до 4С на глубине 5 мм. Для подмораживания в воздушной среде птицу помещают в морозильные камеры с температурой -23С и скоростью воздуха 3-4 м/с. Продолжительность 2-3ч.

Подмораживание рыбы происходит в воздушной среде или в жидких теплоносителях, что увеличивает срок хранения рыбы до 25 суток. Подмораживание на воздухе при температуре -20С.

Хранение плодов. Одним из основных условий хранения плодов является создание оптимального режима, при котором замедляются все биохимические процессы, протекающие в плодах после их съема. Кроме того, режим хранения должен обеспечить полное и длительное сохранение свойств, присущих плодам, и устойчивость их к микробиологической порче.

Установлена температура хранения для яблок -0,5÷0,5°С, для груш, персиков, абрикосов, вишни, черешни 0°С, апельсинов и лимонов -0,5÷4°С, мандаринов 0,3-2°С. При этом рекомендуется относительная влажность воздуха для яблок, груш и винограда 85-90%, косточковых плодов 80-85%, цитрусовых 78-83%.

Свежие бананы и ананасы, поступившие на хранение, освобождают от упаковочного материала и сортируют по степени зрелости и качеству. При хранении зеленых бананов в камере поддерживают температуру 12-14°С и относительную влажность 85-90% при искусственной циркуляции воздуха. Бананы в процессе хранения постепенно дозревают и достигают потребительской зрелости. Зрелые бананы хранят при температуре 12°С, а зрелые ананасы – при 7,5-8°С и относительной влажности 85-90%. Продолжительность хранения в этих условиях 10-12 дней в зависимости от общего состояния плодов. Зеленые ананасы хранят при температуре 15-16°С и относительной влажности 85-90%. В этих условиях в течении 5-6 дней происходит дозревание плодов.

Установлено, что сроки хранения всех видов плодов значительно увеличиваются в регулируемой газовой среде, в которой искусственным путем поддерживается повышенное содержание углекислого газа и пониженное кислорода. Для этой цели плоды помещают в специальные герметически закрываемые камеры или контейнеры.

Продолжительность холодильного хранения различных плодов в зависимости от газового состава среды

В замороженном виде хранят ягоды (клубнику, малину, смородину, крыжовник, клюкву, бруснику и др.), различные плоды (сливы, абрикосы, персики, цитрусовые и др.). Температура хранения замороженных плодов -18°С, срок хранения до 12 месяцев.

Размещать продукты в холодильниках предприятий общественного питания и продовольственных магазинов необходимо так:

Мясо (охлажденное и мороженое) – подвешивать;

Тушки охлажденной птицы – на стеллажах в один ряд;

Мороженую птицу и дичь – в стандартных ящиках на подтоварниках (уложенных на полу) или на стеллажах;

Рыбу частиковую (парную и мороженую) – в стандартных ящиках, корзинах на подтоварниках или на полках стеллажей;

Осетровую рыбу – на стеллажах или подвешивать;

Соленую рыбу – в стандартных бочках на подтоварниках;

Молоко – в стандартных флягах на подтоварниках или стеллажах;

Простоквашу, кефир, сметану, творог – в стандартной таре на подтоварниках или стеллажах;

Масло топленое – в деревянных бочках на подтоварниках;

Сыр – на стеллажах;

Яйца – в стандартных ящиках штабелями на подтоварниках;

Замороженные кулинарные изделия – в картонных ящиках на подтоварниках или стеллажах;

Зелень – в ящиках на подтоварниках или стеллажах;

Огурцы – в корзинах, ящиках или мешках на подтоварниках;

Томаты – в ящиках на подтоварниках или стеллажах;

Фрукты – в ящиках на подтоварниках или стеллажах;

Ягоды – в решетах штабелями на подтоварниках или стеллажах;

Квашения, соления, маринады – в стандартной таре на подтоварниках или стеллажах;

Вина – в бутылках в лежачем положении;

Водочные изделия, пиво, воды – в бутылках, установленных в ящики или корзины, которые помещают на подтоварниках; пиво хранят также и в бочках на подтоварниках.

Хранение пищевых продуктов в замороженном состоянии

3.3 Понятие о непрерывной холодильной цепи

Непрерывная холодильная цепь – совокупность технических средств (холодильников), которые обеспечивают непрерывное охлаждение скоропортящихся продуктов от производителя к потребителю.

Схема непрерывной холодильной цепи

1 – производственный (заготовительный) холодильник

2,4,6 – холодильный транспорт

3- базисный холодильник

5 – распределительный холодильник

7- холодильники ПОП

Для обеспечения наилучшей сохранности продуктов температурные режимы охлажденных или замороженных продуктов должны поддерживаться неизменными в процессе перемещения от звена к звену.

Производственные холодильники – располагаются в пределах производства п/ф. предназначены для первичной холодильной обработки (охлаждения или замораживания). Отличаются большой производительностью при относительно небольших помещениях для хранения обработанной продукции.

Базисные холодильники – предназначены для длительного хранения пищевых продуктов и создания запасов. Характеризуются большой площадью и вместимостью, а также повышенными требованиями к температурно-влажностным режимам.

Распределительные холодильники – обеспечивают равномерное снабжение оптовых баз сезонными продуктами в течение всего года. Снабжаются железнодорожными подъездными путями и погрузочно-разгрузочными площадками для автомобильного холодильного транспорта.

Стационарные холодильники ПОП – служат для кратковременного хранения продуктов. Сроки хранения не превышают нескольких дней, поэтому требования к температуре и влажности менее строгие.

Торговое холодильное оборудование – предназначено для кратковременного хранения, демонстрации, выкладки и продажи продуктов на ПОП. К такому оборудованию относятся: охлаждаемые витрины, прилавки, холодильные шкафы.

3.4 Холодильный транспорт

Соединяет звенья непрерывной холодильной цепи, обеспечивая неизменность температуры продуктов от перемещения от одного звена к другому.

3.5. Простейшая паровая компрессионная машина

Охлаждением называется отвод от тела теплоты, сопровождающийся понижением его температуры. В процессе охлаждения участвуют охлаждаемое и охлаждающее тело – рабочее вещество. Охлаждение, при котором температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды называется естественным. Охлаждение тела ниже температуры окружающей среды называется искусственным.

В общественном питании наиболее распространенным видом холодильных машин являются паровые компрессионные машины. Рабочим веществом является легкокипящие жидкости, которые при совершении холодильного цикла меняют агрегатное состояние, превращаясь из жидкости в пар и обратно

1 –компрессор

2 – испаритель

3- дроссельное устройство

4 –конденсатор

5 – холодильная камера

Компрессор – сжимает пар до высокого давления, т.е. происходит превращение жидкого хладагента в пар

Испаритель – аппарат, в котором происходит кипение жидкого хладагента за счет теплоты, отводимой от продукта. Температура кипящего хладагента ниже на 10-12С чем температура охлаждаемого объекта.

Дроссельное устройство – обеспечивает понижение давления хладагента.

Конденсатор – обеспечивает охлаждение перегретых паров хладагента до температуры конденсации и превращения пара в жидкость.

3.6 Хладагенты и хладоносители

Рабочее вещество, циркулирующее в холодильной машине, с помощью которого совершается обратный круговой процесс или цикл, называют холодильным агентом (хладагент).

В современной практике существуют два вида основных хладагентов: аммиак и фреоны (хладоны)

Аммиак (R717) имеет температуру кипения -33,4С, большую теплоту парообразования, слабую растворимость в масле. Его применяют в поршневых компрессорных установках. К недостаткам можно отнести высокую токсичность, горючесть и взрывоопасность. Аммиак имеет резкий запах и сильно раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. При работе с аммиачными холодильными установками требуется строгое выполнение правил техники безопасности.

Хладоны (фреоны) – галогенопроизводные предельных углеводородов. Они химически инертны, невзрывоопасны. Маркировка R11, R12, R113, R502, R22. Достигая атмосферы хладоны высвобождают хлор, который участвует в разрушении озонового слоя особенно R22. Поэтому большинство европейских стран запретили их производство и использование. R22 разрешен к использованию в России до 2020г.

Холодоносители (хладоносители) применяют для транспортирования холода от источника получения (испарителя) до охлаждаемого объекта (камеры). В качестве хладоносителей используют водные растворы солей – рассолы и однокомпонентные вещества, замерзающие при низких температурах (этиленгликоль). Растворы солей: хлориды натрия, кальция, магния.