Повреждающее действие низких температур.

В наименьшей степени продукты повреждаются при консервировании путем обработки холодом. При щадящих режимах обработки качественные изменения продуктов могут не определяться органолептически. А во время холодильной обработки и хранении при умеренных температурах мяса его вкусовые свойства даже улучшаются.

Тем не менее обычно при холодильной обработке происходит некоторое снижение качественных свойств продуктов.

При быстром понижении температуры в клетке происходит глубокое нарушение обмена веществ. Это объясняется нарушением динамического равновесия биохимических процессов, это связано с разной степенью снижения активности различных ферментов при понижении температуры. При этом в клетках происходит накопление промежуточных, частично токсических для клетки метаболитов.

При быстром охлаждении такой дисбаланс происходит быстро и часто приводит к гибели клетки. Подобное явление получило название температурного шока. При постепенном снижении температуры возможна адаптация клетки к нарушениям обмена веществ.

При быстром охлаждении возможно быстрое увеличение вязкости протоплазмы, образование геля, с последующим отделением жидкой фазы и структурными изменениями в клетке.

Явление температурного шока имеет значение прежде всего для живых растений и микроорганизмов. Его неблагоприятное действие особенно сильно проявляется при быстром охлаждении теплолюбивых растений и молодых культур микроорганизмов. Основное средство, позволяющее избежать температурного шока, уменьшение скорости снижения температуры.

При замораживании продуктов основное повреждающее действие на клетку оказывает процесс образования льда.

При обычно принятых в промышленности температурах замораживания кристаллы льда сначала образуются в межклеточной жидкости; в результате вымерзания воды в межклеточной жидкости увеличивается концентрация растворенных веществ, в не замерзшем растворе возникает градиент концентрации растворов в межклеточной и внутриклеточной жидкости, под действием которого вода из клеток диффундирует в межклеточное пространств, что приводит к обезвоживанию клеток.

Обезвоживание клетки и разрастание кристаллов льда в межклеточном пространстве вызывает уменьшение размеров клетки, ее сжатие, образование складок в оболочке и, в конечном счете, механическое повреждение протоплазмы.

Механическое повреждение протоплазмы возможно также из-за возникающего механического давления между кристаллами льда, образовавшимся вокруг клетки в межклеточном пространстве, и кристаллами льда в вакуоли клетки.

Еще большее повреждение клетки происходит вследствие денатурации и коагуляции молекул белка. Причинами этих белковых изменений является обезвоживание клетки и, как следствие этого, пространственное сближение белковых молекул, входящих в состав различных протоплазматических структур, и повышение концентрации элктролитов в незамерзающей жидкости, что особенно сильно действует на липопротеиды, из которых в основном состоят мембранные структуры клеток.

С повышением концентрации солевых растворов в клетке возрастает осмотическое давление; поэтому весь комплекс физико-химических изменений, развивающихся при замораживании называется, называют осмотическим шоком.

ТЕМА 2: ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА

1.Сущность и способы получения холода. Естественное и искусственное охлаждение. Характеристика основных процессов применения агрегатного состояния вещества для получения холода (плавление, кипение, сублимация.

2.Способы охлаждения (ледяное, льдосолевое, охлаждение сухим льдом), их характеристика, применение, преимущества и недостатки.

3.Машинное охлаждение, сущность процессов получения холода.

4.Хладоагенты, применяемые в холодильных машинах, аммиак (R-717); хладон-12 (R-12); хладон-22 (R-22); хладон-502 (R-502), их характеристика и применение.

Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состоит только в скорости движения молекул и атомов. В более нагретом теле скорость движения больше, чем в нагретом. При подводе к телу тепла движение возрастает, при отнятии тепла уменьшается. Таким образом, тепловая энергия есть внутренняя энергия движения молекул и атомов.

Охлаждение тела – это отвод от него тепла, сопровождаемый понижением температуры. Самый простой способ охлаждения – теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой – наружным воздухом, речной и морской водой, почвой. Но этим способом, даже при самом совершенном теплообмене, температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Такое охлаждение называется естественным. Охлаждение тела ниже температуры окружающей среды называется искусственным. Для него используютглавным образом скрытую теплоту, поглощаемую телами при изменении их агрегатного состояния.

В процессе получения искусственногохолода имеют дело с фазовыми изменениями веществ, происходящими с поглощением или выделением тепла.

Кристаллизация. Если в морозный день подышать на покрытое инеем окно и при этом иней растает, то затем можно наблюдать, как растут иглы ледяных кристаллов. Их образование начинается от какого-нибудь уже готового кристалла льда, при росте ледяных игл образуются ответвления в стороны. Когда ледяные иглы встречаются между собой, они образуют узор из многих кристаллов.

Иногда кристаллы образуются прямо из паров, а не из жидкости. Примером этого является образование инея и снежинок на охлаждающих поверхностях камер из водяных паров воздуха.

Сублимация. Если положить кусочек твердой углекислоты (сухой лед) на открытой поверхности в контакте с воздухом комнаты, то мы увидим, что сухой лед не плавится, а сразу испаряется (как говорят, возгоняется или сублимирует), переходя в парообразное состояние, минуя жидкое состояние. Этот процесс называется сублимацией.

Плавление. Кристаллические вещества имеют определенную температуру плавления и отвердевания. Аморфные тела в отличие от кристаллических веществ при повышении температуры размягчаются постепенно, а при понижении температуры постепенно затвердевают.

Температура сосуда со льдом, внесенного в теплую комнату, держится на 0 С до тех пор, пока весь лед не растает, и только после этого она повышается. В это время к смеси лед-вода притекает теплота и, следовательно, внутренняя энергия этой смеси увеличивается. Отсюда мы должны сделать вывод, что внутренняя энергия воды при 0 С больше, чем внутренняя энергия льда при той же температуре. Итак, переход тела из твердого в жидкое состояние при определенной температуре называется плавлением. Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при постоянной температуре в жидкое состояние, называется скрытой теплотой плавления, или просто теплотой плавления. Она выражается в килокалориях на килограмм (ккал/кг); килоджоулях на килограмм (кДж/кг).

Когда тело при постоянной температуре переходит из жидкого состояния в твердое (замерзает), выделяется такое же количество тепла.

Температура плавления при нормальном давлении называется точкой плавления. Для льда точка плавления равна 0 С.

Температура плавления и затвердевания водных растворов солей зависит от рода соли и концентрации ее в растворе. Наиболее низкая температура плавления и затвердевания раствора определяется криогидратной точкой. Смесь, содержащая 30% хлорида натрия (поваренной соли) и 70% измельченного льда, тает при температуре –21,2 С.

Во время таяния льда температура его остается постоянной весь период таяния: тепловая энергия расходуется не на увеличение температуры, а на разрушение кристаллической решетки.

Испарение. Молекулы жидкости движутся с самыми разнообразными скоростями. Для того, чтобы молекула, находящаяся в поверхностном слое, могла вылететь за пределы жидкости, ее кинетическая энергия должна быть выше, чем работа которую нужно при этом затратить против сил сцепления, тянущих ее внутрь жидкости. Если вылетает больше молекул, чем возвращается, жидкость испаряется, Если наоборот, молекулы в большем числе возвращаются в жидкость, чем вылетают из жидкости, происходит конденсация пара. Легко видеть, что влияние температуры на процесс испарения очень велико. В теплой жидкости большее число молекул обладает скоростью, достаточной для того, чтобы преодолеть силы сцепления и вырваться за пределы жидкости. Итак, испарением называется процесс превращения жидкости, не достигшей точки кипения, в пар. Испарение происходит не по всему объему жидкости, а только на поверхности. В холодильной технике говорят «испарение», «теплота и температура испарения» жидкости, подразумевая под этим также и кипение.

Кипение. В отличие от испарения в этом процессе превращение жидкости в пар происходит по всему объему жидкости. Физическую сущность процесса кипения жидкости можно схематично представить как процесс образования пузырьков в приборах, аппаратах, образующихся за счет подвода тепла от воздуха или промежуточного хладоносителя (например, рассола поваренной соли) к холодильному агенту. В этих пузырьках находятся пары холодильного агента. При повышении температуры пузырек постепенно расширяется в такой мере, что давление пара в нем остается равным внешнему давлению. Однако. Когда пузырек сделается достаточно большим, выталкивающая сила жидкости заставит его оторваться от разделяющей поверхности теплообмена, например трубы батареи, оставив у стенки небольшое количество пара, из которого с течением времени разовьется новый пузырек.

Термометр, помещенный в пар над кипящей жидкостью, все время, пока жидкость кипит, при постоянном давлении показывает одну и ту же температуру. Точка (температура) кипения жидкости зависит от давления. Так, воду можно заставить кипеть при более низкой температуре, чем 100 С, если понижать давление в сосуде, где будет находиться вода. Так же и у холодильных агентов с понижением давления понижается температура кипения.

Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг жидкости, доведенной до температуры кипения, в пар, называется удельной теплотой парообразования или теплотой кипения. Теплота кипения выражается в ккал/к, кДж/кг.

Теплота преобразования расходуется на преодоление сил взаимного притяжения молекул жидкости и отрыв их от кипящей жидкости.

Конденсация. Процесс, обратный кипению называется конденсацией. Конденсация протекает при постоянных температуре и давлении, сопровождаясь выделением скрытой теплоты парообразования. Температура конденсации так же как и температура кипения, зависит от давления. С понижением давления она понижается.

Во время кипения и при конденсации над поверхностью жидкости находится насыщенный пар.

Плотность и давление насыщенного пара в присутствии жидкости не изменяются при изменении его объема при условии, что температура жидкости и пара остается неизменной. Насыщенный пар всегда находится в динамическом равновесии с жидкостью.

Давление насыщенного пара для каждой жидкости изменяется только с изменением температуры: чем выше температура, тем больше давление. Насыщенный пар может быть сухим и влажным. Сухой насыщенный пар получается при полном испарении всей жидкости. Влажный пар представляет собой смесь сухого насыщенного пара с мельчайшими капельками жидкости, находящимися в нем во взвешенном состоянии.

Существует несколько способов получения искусственного холода. Самый простой из них – охлаждение при помощи льда или снега, таяние которых сопровождается поглощением довольно большого количества тепла. Если теплопритоки извне малы, а теплопередающая поверхность льда или снега относительно велика, то температуру в помещении можно понизить почти до 0 С. практически в помещении, охлаждаемом льдом или снегом, температуру воздуха удается поддержать лишь на уровне 5-8 С. При ледяном охлаждении используют водный лед или твердую углекислоту (сухой лед).

При охлаждении водным льдом происходит изменение его агрегатного состояния – плавление (таяние). Охлаждающая способность чистого водного льда, называется удельной теплотой плавления. Она равна 335 кДж/кг. Теплоемкость льда равна 2,1 кДж/кг.градус.

Водный лед применяется для охлаждении и сезонного хранения продовольственных товаров, овощей, фруктов в климатических зонах с продолжительным холодным периодом, где в естественных условиях в зимний период его легко заготовить.

Водный лед в качестве охлаждающего средства применяется в специальных ледниках и на ледяных складах. Ледники бывают с нижней загрузкой льда (ледник-погреб) и боковой – карманного типа.

Ледяное охлаждение имеет существенные недостатки: температура хранения ограничена температурой таяния льда (обычно температура воздуха на ледяных складах 5-8 С), в ледник необходимо закладывать количество льда достаточное на весь период хранения, и добавлять по мере необходимости; значительные затраты труда на заготовку и хранение водного льда; большие размеры помещения для льда, превышающие примерно в 3 раза размеры помещения для продуктов; значительные затраты труда на соблюдение необходимых требований, предъявляемых к хранению пищевых продуктов и отводу талой воды.

Льдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Благодаря добавлению соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается ниже. Это объясняется тем, что добавление соли вызывает ослабление молекулярного сцепления и разрушение кристаллической решетки льда. Таяние льдосоляной смеси протекает с отбором теплоты от окружающей среды, в результате чего окружающий воздух охлаждается и температура его понижается. С повышением содержания соли в льдосоляной смеси температура плавления ее понижается. Раствор соли с самой низкой температурой таяния называется эвтектическим, а температура его таяния – криогидратной точкой

При замораживании водного раствора поваренной соли при концентрации, соответствующей криогидратной точке, получается однородная смесь кристаллов льда и соли, которая называется эвтектическим твердым раствором Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли – 21,2 С. Эвтектический раствор применяют для зероторного охлаждения. Для этого в зероторы – наглухо запаянные формы – заливают эвтектический раствор поваренной соли и замораживают их. Замороженные зероты используют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждаемых переносных сумок-холодильников и т.д. В торговле соляное охлаждение широко применялось до массового выпуска оборудования с машинным охлаждением.

Охлаждение сухим льдом основано на свойстве твердой углекислоты сублимировать, т.е. при поглощении тепла переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Физические свойства твердого льда следующие: температура сублимации при атмосферном давлении – 78,9 С; теплота сублимации 574,6 кДж/кг.

Сухой лед обладает следующими преимуществами по сравнению с водным:

-можно получить более низкую температуру;

-охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда;

-при охлаждении не возникает сырости, кроме того при сублимации сухого льда образуется газообразная углекислота, которая является консервирующим средством, способствующим лучшему сохранению продуктов. Сухой лед применяют для перевозки замороженных продуктов, охлаждения фасованного мороженного, замороженных фруктов и овощей.

Искусственного охлаждения можно достигнуть так же если смешать лед или снег с разведенными кислотами. Например, смесь из 7 частей снега или льда и 4 частей разведенной азотной кислоты имеет температуру –35 С. Низкую температуру можно получить и растворением солей в разведенных кислотах. Так, если 5 частей азотно-кислого аммония и 6 частей сернокислого натрия растворить в 4 частях разведенной азотной кислоты, то смесь будет иметь температуру – 40С.

Получение искусственного холода с помощью снега и льда, а так же с помощью охлаждающих смесей имеет существенные недостатки: трудоемкость процессов заготовки льда или снега, их доставки, трудность автоматического регулирования, ограниченные температурные возможности.

В последнее время в связи с энергетическим кризисом, загрязнением окружающей среды все более актуальной становится проблема использования для холодильной обработки пищевых продуктов нетрадиционных экологически безопасных методов получения холода. Наиболее перспективным сред них является криогенный метод на базе жидкого и газообразного азота с применением безмашинной проточной системы хладоснабжения, предусматривающей одноразовое использование криоагента.

Перспективность данного метода хладоснабжения возникает в связи с открытием в России больших запасов подземных высокоазотных газов. Себестоимость очищенного азота на порядок ниже, чем азота, полученного с помощью метода разделения воздуха.

Безмашинныепроточные системы азотного охлаждения имеют значительные преимущества: очень надежны в эксплуатации и имеют высокую скорость замораживания, обеспечивающую практически полное сохранение качества внешнего вида продукта, а так же минимальные потери массы за счет усушки.

Особо следует отметить экологическую чистоту таких систем (в атмосфере Земли содержится до 78% газообразного азота).

Наиболее распространенным и удобным в эксплуатационном отношении способом охлаждения является машинное охлаждение.

Машинное охлаждение – способ получения холода за счет изменения агрегатного состояния хладагента, кипения при низких температурах с отводом от охлаждаемого тела или среды, необходимой для этого теплоты парообразования.

Для последующей конденсации паров хладагента требуется предварительное повышение их давления и температуры.

В основу машинного способа охлаждения может быть положено также адиабатическое (без подвода и отвода тепла) расширение сжатого газа. При расширении сжатого газа температура его значительно понижается, так как внешняя работа в этом случае совершается за счет внутренней энергии газа На этом принципе основана работа воздушных холодильных машин.

Охлаждение путем расширения сжатого газа, в частности воздуха, отлично от всех способов охлаждения. Воздух при этом не меняет агрегатного состояния как лед, смеси и хладон, он только нагревается, воспринимая теплоту окружающей среды. (от охлаждаемого тела).

Широкое применение машинного охлаждения в торговле объясняется рядом его эксплуатационных свойств и экономических преимуществ. Стабильный и легко регулируемый температурный режим, автоматическое действие холодильной машины без больших затрат труда на техническое обслуживание, лучшие санитарно-гигиенические условия хранения продуктов, компактность и общая экономичность определяют целесообразность применения машинного охлаждения.

На предприятиях оптовой и розничной торговли используют в основном паровые и холодильные машины, действие которых основано на кипении при низких температурах специальных рабочих веществ – хладагентов. Паровые холодильные машины подразделяют на компрессионные, в которых пары хладагента подвергаются сжатию в компрессоре с затратой механической энергии, и абсорбционные, в которых пары хладагента поглощаются абсорбентом.

Хладагенты. Хладагенты – это рабочие вещества паровых холодильных машин, с помощью которых обеспечивается получение низких температур. Наиболее распространенные из них хладон и аммиак.

При выборе хладагента руководствуются его термодинамическими, теплофизическими, физико-химическими и физиологическими свойствами. Важное значение имеет также его стоимость и доступность. Хладагенты не должны быть ядовиты, не должны вызывать удушья и раздражения слизистых оболочек глаз, носа и дыхательных путей человека.

Хладон-12 (R-12) имеет химическую формулу CF2Cl2(дифтордихлорметан) он представляет собой газообразное бесцветное вещество со слабым специфическим запахом, который начинает ощущаться при объемном содержании его паров в воздухе свыше 20%. Хладон-12 обладает хорошими термодинамическими свойствами.

Хладон-22 (R-22) или дифтормонохлорметан (CHF2Cl) так же как и хладон-12, обладает хорошими термодинамическими и эксплуатационными свойствами. Отличается он более низкой температурой кипения и более высокой теплотой парообразования. Объемная холодопроизводительность хладона-22 примерно в 1,6 раза больше чем хладона –12.

Аммиак (NH3) -бесцветный газ с удушливым сильным характерным запахом. Аммиак имеет достаточно высокую объемную холодопроизводительность. Производство его основано главным образом на методе соединения водорода с азотом при высоком давлении и наличии катализатора. Аммиак применяют для получения низких температур (до –70C) при глубоком вакууме. Теплота парообразования теплоемкость и коэффициент теплопроводности у аммиака выше, а вязкость жидкости меньше, чем у хладонов.

Дата добавления: 2015-12-07