MĂSURĂTORILE. REZULTATE OBȚINUTE 4.1.Calculul termic la congelarea fructelor Prin congelare se înțelege operația tehnologică pe parcursul căreia cea… [608380]

38

CAPITOLUL IV
MĂSURĂTORILE. REZULTATE OBȚINUTE

4.1.Calculul termic la congelarea fructelor
Prin congelare se înțelege operația tehnologică pe parcursul căreia cea mai mare parte a
apei din sucul celular și apa liberă din țesuturile unui produs (vase capilare, spații intercelulare)
este transformată în gheață. Temperatura de cristalizare a apei este cuprinsă între –1…-5oC, la
care se produce solidificarea a 60…75% din conținutul total de apă. Proces ul tehnologic
trebuie apoi continuat prin subrăcirea produsului până la o temperatură finală de –18… -25oC, la
care 90…95% din apa conținută a solidificat.
Temperatura centrului termic (la materiale omogene corespunde cu centrul geometric)
reprezi ntă un indicator al terminării operației de congelare și poate fi cu cel mult 3…5oC mai
mare decât temperatura la care urmează să fie depozitat produsul.
Institutul Internațional al Frigului a stabilit următoarele condiții:
– temperatura finală în centrul te rmic al produsului
15 [ ] Co ;
– temperatura medie finală
18 [ ] Co .
Principalele fenomene fizice care au loc în timpul congelării sunt: solidificarea apei
congelate; creșterea volumului (cu
 9% la 0oC) și a consistenței. Volumul specific al gheții se
reduce odată cu scăderea temperaturii, dar rămâne mai mare decât al apei.În timpul congelării
rapide cristalele de gheață cresc foarte puțin în volum față de mărimea inițială, iar membrana
celulelor este mult mai puțin solicitată mecanic (este vătămată mai puțin) decât în cazul unei
congelări lente, când se formează cristale mari de gheață. Îndată ce temperatura coboară până la
punctul de congelare, specific produsului dat, în țesuturi încep să apară nucle e de cristalizare a
apei în gheață.
Dacă procesul de congelare este lent, deci dacă diferența de temperatură inițială a
produsului și temperatura din agregatul de congelare este mică, cristalele de gheață care se
formează sunt puține la număr, p entru că apar puține nuclee de gheață incipiente, dar care
polarizează apa să înghețe în jurul lor, mărindu -le ca volum. Cristalele de gheață sunt localizate
mai ales în spațiile intracelulare fiind numită gheață extracelulară. Uneori aceste cristale pot
chiar disocia celulele.
În cazul gheții extracelulare, apa migrează, prin osmoză, din celulă către spațiile
extracelulare și îngheață pe cristalele de gheață deja formate. În felul acesta, cristalele de gheață

39
se măresc, tind să ia o formă neregulată, unghi ulară care deformează celulele și chiar perforează
membrana lor. Acest gen de cristale se formează în cazul unui proces lent de congelare, când
temperatura în agregat este de –12o până la –15oC, iar coeficientul de recirculare a aerului redus.
Când viteza de congelare este mare, agregate cu temperatura de regim de -35o până la –
40oC, în produs se formează cristale de gheață multe, mici și egal repartizate în spațiile inter și
intra celulare. Ele nu cresc în volum decât foarte puțin în procesul congelării fa ță de mărimea
inițială iar forma lor este relativ regulată.

4.2. Viteza de congelare
Viteza de congelare reprezintă viteza cu care avansează frontul de cristalizare a apei în
produs. Formarea cristalelor de apă începe în stratul superficial al produsului, frontul de gheață
creat avansând în timp spre centrul termic al produsului. Considerâ nd că la un moment stratul
de produs congelat are grosimea x și că în intervalul de timp aceasta înaintează spre centrul
termic pe o distanță dx, viteza de congelare liniară momentană se definește prin relația:

Viteza medie liniară de congelare este:

unde: distanța cea mai scurtă cintre centrul termic al produsului și suprafața acestuia, [cm]
durata congelării de la 0oC la –15oC, [h]
Gutschmidt indică relația empirică:

în care: durata totală a congelării produsului, [h];
tmi=temperatura medie inițială a produsului, [oC];
tmf=temperatura medie finală a produsului, [oC];
Se recomandă:
– pentru congelare rapidă: w m=0,5…5cm/h
– pentru congelare foarte rapidă: w m=5…50cm/h
– pentru congelare ultrarapidă: w m=50…150cm/h

d
[ / ]dxw cm hd
0[ / ]
0w cm hm

0
0
[]01 0,01 0,015 15th
ttmi mf

    
t

40
La congelarea rapidă se impune o capacitate mare de congelare pentru justificarea
costurilor ridicate ale agregatelor, impuse de sistemele de mecanizare și automatizare.
La aparatele cu funcționare continuă trecerea produselor prin spațiile de congelare are loc
în flux continuu, asigurat prin sistemele de transport mecanizate și automatizate care asigură în
același timp și alimentarea uniformă a agregatului de congelare și evacuarea produselor
congelate. Produsele de congelat trebuie să aibă dimensiuni cât mai uniforme.

4.3. Schimbul de caldura la congelarea cu azot a produselor intr -un
congelator criogenic.
Pentru studiul schimbului de căldură la congelarea produselor într -un aparat criogenic cu
mai multe zone se dă exemplu un stand experimental care permite să se modeleze procesul î n
diferite condiții de organizare. Schema standului experimental este prezentată în figura 4.
Elementul de bază al standului este tunelul izolat termic, compus din două secții: prima
secție permite modelarea condițiilor de schimb de căldură a produsului cu vaporii de azot (în
zonele de răcire și egalizare a temperaturii în tot volumul produsului), iar a doua zonă este de
congelare cu azot lichid.

Tabelul – 2 Elemente componente:
– PD – perete despărțitor;D – duză;BMT – bloc pentru măsurarea temperaturii;VE – ventilator
evacuare vapori;TT – tub transfer azot lichid din butelie;I – zona de prerăcire (refrigerare);
– II – zona de congelare propriu -zisă;III – zona de subrăcire si egalizare a temperaturi
– M – motor electric;R – reductor melc;TL – transmisie prin lanț;T – tambur;BT – bandă
tranportoare;II – incintă izolată;P – produs (afine); T – termorezistență;V – ventilator;

18 [ ] Co
Fig.4. 1 Schema standului experimental

41

Azotul lichid din vasul Dewar, prin conducta p e care e montat un ventil electromagnetic,
pătrunde în dispozitivul de pulverizare, care se compune din injectorul axial cu garnituri
speciale, care asigură un unghi mare de pulverizare a azotului. Admisia azotului lichid este
reglată prin mărirea presiuni i în vasul Dewar cu ajutorul încălzitorului electric. Obținuți prin
pulverizare, vaporii pătrund în prima secție unde sunt circulați cu ajutorul ventilatoarelor.
Containerele cu produse se deplasează în lungul tunelului cu ajutorul electrobandei
mișcate și întinse de un tambur. Viteza de deplasare a containerelor este funcție de timpul de
congelare al produsului.
În zona I are loc prerăcirea produsului cu vapori de azot, în zona II congelarea cu azot
lichid, iar în zona III egalizarea temperaturii produsulu i în grosime.
Incinta este prevăzută cu fund ondulat etanș, care asigură aducerea azotului lichid până la
suprafețele de mai jos ale produsului. În lungul tunelului sunt instalate 12 termocuple, legate la
un potențiometru pentru măsurarea temperaturii azotului în tunel.

4.4.Calculul duratei de congelare
UTILIZÂND AZOT LICHID PENTRU AFINE
Procesul de congelare al unui produs alimentar este un proces tipic nestaționar de transfer
de căldură și masă. Fenomenele de transfer sunt complexe datorită
schimbării de fază prin solidificarea apei și a modificării unor proprietăți termo -fizice ale
produsului (conductivitate termică, căldură specifică, etc.).
Congelarea straturilor interioare din produs prezintă o anumită întârziere față de straturile
superfic iale, întârziere care este mai mare la începutul procesului de congelare și mai mică spre
final.
Metodele de calcul folosite au la bază o serie de ipoteze simplificatoare care permit
stabilirea unor relații de calcul simple pentru calculul duratei de conge lare (după Plank):
– întreaga cantitate de căldură este preluată la temperatura punctului de congelare;
– produsele sunt omogene și izotrope;
– mediul de răcire are o temperatură constantă;
– produsul a fost răcit în prealabil până la temperatura de congelare.
Pentru un produs de formă sferică, durata congelării propriu -zise se calculează cu
formula lui Plank:

42

unde:
 ro [m] – raza sferei; r=5[mm]
 lcg [kJ/kg] – căldura latentă de congelare (solidificare) a produsului;
lcg=288,4[kJ/kg]
 [kg/m3] – densitatea produsului;
 tcg [oC] – temperatura de congelare; t cg=-2,6 [oC]
 tmII [oC] – temperatura mediului de răcire(zona II); t mII=-150 [oC]
 [W/m2K] – coeficient de convecție; =530[W/m2K]
 [W/mK] – conductivitatea termică a produsului. =0,54[W/mK]

La congelarea cu azot lichid (aspersie) variază între 35 W/m2K (zona de prerăcire cu
vapori) și 525 -535 W/m2K (zona de stropire cu azot lichid).
Durata totală a procesului de congelare este:
, [s]
unde: [s] – durata refrigerării prealabile;
[s] – durata congelării propriu -zise;
[s] – durata subrăcirii produsului;
Durata de răcire prealabilă se calculează cu relația:
,[s]
în care:
 [kg] – masa produsului;
=998[kg/m3] ;
2
00[]63rr lcgs cgttcg mII



    

3998[ / ]kg m




235 1033998 288,4 10 5 1034,50[ ] 0,575[min]2,6 150 6 0,54 3 530s cg




          

c r cg sr     
r
cg
sr
lnttmc imIrs t tmIf
mV

340
3r
V


43

 c [kJ/kgK] – căldura specifică a produsului; c=3,64[kJ/kg]
 [W/m2K]- coeficient de convecție; =35[W/m2K]
 s [m2] – suprafața exterioară a produsului;
 ti [oC] – temperatura inițială a produsului; ti=25 [oC]
 tf [oC] – temperatura finală a produsului; t f=-18 [oC]
 tmI [oC] – temperatura mediului de răcire (zona I); t mI=-60 [oC]

Durata subrăcirii produsului congelat până la temperatura medie finală (t mf) se calculează
cu rela ția stabilită de Plank:

în care:
 – cm[kJ/kgK] – căldura specifică medie a produsului congelat;
cm=1,88[kJ/kgK]
 n – coeficient adimensional a cărui valoare depinde de criteriul Biot, definit de relația:
, unde .
Bi 0,25 0,5 1,0 2,0 4,0 10 20
N 1,21 1,188 1,156 1,112 1,06 1,02 1,008 1,000

 tcg – temperatura la sfârșit de congelare; t cg=-4 [oC]
 tmIII – temperatura mediului de răcire (zona III); t mIII=-80 [oC]
 tcf – temperatura finală în centrul termic al produsului; t cf=-15 [oC]

334 5 10
998 0,00039[ ]3m kg  
  


224 0,000706 [ ]0s r m   
30,00176 3,64 10 25 60ln 94,27 [ ] 1,57 [min]35 0,000706 0,9 60s r       
][6,31 20913,0 lg 9332
0 0hr r
t tt tnc
mIII cfmIII cg
m sr 



Bi

0r

35 50,324 1,1880.54Bi n   
237,5 1034 80 2 7,5 10 1933 1,88 1,21 lg 0,091315 80 35 1,346 3,6
32,53 [ ]sr
s sr





          


44
Durata totală a procesului de congelare este:

4.5 Calculul vitezei de congelare cu azot lichid
Viteza de congelare nu este constantă în cursul procesului ea depinzând de grosimea
stratului congelat, astfel: la suprafața produsului, când x=0 viteza de congelare prezintă un
maxim, iar pentru x=r o (în centrul termic al produsului ) viteza prezintă un minim. Viteza de
congelare inițială, respectiv la suprafața sferei, nu
depinde de diametrul acesteia, ci de coeficientul parțial de transfer termic prin convecție . Cu
cât valoarea lui este mai mare, cu atât mai rapid scade viteza de congelare în interiorul
produsului.
Viteza medie efectivă de congelare se calculează cu relația:

unde:
 – distanța minimă de la centrul termic al produsului până la
suprafața acestuia;
 – durata efectivă de congelare, calculată pentru scăderea temperaturii
produsului de la temperatura inițială t i=25oC, la temperatura finală din centrul
termic t cf=-15oC.

45,24 94,27 32,53 195,22[ ] 2,86[min] 3[min] s c     


[ / min] w mmme

[]0r mm
[min]e
51.74[min] 1.74[ / min]2,86W mm em   