Сельское хозяйство / Технологии хранения и переработки
сельскохозяйственной продукции
Маркова
Н.В., к.т.н. Короленко
В.А., к.х.н. Широкий Е.И.
Херсонский
национальный технический университет, Украина
Теплофизические характеристики заливки для консервов
"Перец сладкий натуральный"
Постановка
проблемы. Математическое
моделирование процесса стерилизации консервов предполагает знание значений
теплофизических коэффициентов среды, в которой происходит перенос тепла. Темпы
роста ассортимента консервов, выпускаемых современными предприятиями,
значительно превосходят возможности профильных научных лабораторий для
экспериментального изучения теплофизических характеристик сырья и материалов,
используемых в пищевой промышленности. Поэтому значительный интерес представляет
научно обоснованное прогнозирование указанных характеристик многокомпонентных консервов на основе известных
данных о характеристиках отдельных компонентов.
Анализ
предшествующих публикаций. В
справочной литературе имеются разрозненные сведения о теплофизических
характеристиках однокомпонентных водных растворов, смесь которых представляет
собой заливка для консервирования сладкого перца [1-5]. При чем, эти данные, в
своем большинстве, не отражают зависимости теплофизических коэффициентов от
температуры теплопроводящей среды, ее состава, в частности, от концентрации
растворов.
Целью
публикации является разработка модели
расчета теплофизических характеристик заливки для консервирования сладкого
перца. Для достижения поставленной цели необходимо решить такие задачи:
1) систематизировать
имеющиеся в литературе сведения о теплофизических характеристиках водных
растворов соли, сахара и лимонной кислоты;
2) изучить зависимости указанных характеристик
от температуры и концентрации раствора;
3) на основе собранных данных
рассчитать теплофизические характеристики заливки для консервирования сладкого
перца, являющейся смесью, перечисленных ранее однокомпонентных растворов.
Основная
часть. По рецептуре [6] заливка для
консервов "Перец сладкий натуральный" содержит в каждых 1000 кг воды
12 кг поваренной соли, 24 кг сахара и 2,4 кг лимонной кислоты. Для проведения
теоретического расчета теплофизических характеристик указанной заливки будем
считать, что она, как многокомпонентный раствор, образуется из однокомпонентных растворов соли, сахара и лимонной
кислоты, соотношения компонентов которых указаны в табл. 1.
По технологии заливка подается на фасовку
при температуре 
, а стерилизация консервов происходит при температуре 
. Поэтому теплофизические и другие необходимые
характеристики растворов будем изучать в диапазоне изменения температуры 
. Учитывая незначительный перепад температур, при
моделировании процессов нестационарной теплопроводности в период прогревания
автоклава, будем считать указанные характеристики растворов постоянными и
равными среднему арифметическому значений, полученных при температурах 
и 
.
Теплофизические
и некоторые другие характеристики раствора соли.
Согласно справочнику [4] плотность раствора соли указанной концентрации составляет 1000,2
при 
и значительно
не изменяется при температурах в диапазоне 
.
Теплоемкость раствора соли 
может быть рассчитана
по формуле [3]:
,
где
– теплоемкость
воды; 
(кг/кг) –
концентрация раствора соли; T (град)
– его температура.
Таблица 1
Характеристики
однокомпонентных растворов
|
Характеристики |
Растворы |
||
|
соли |
сахара |
лимонной кислоты |
|
|
Масса воды, кг |
300 |
600 |
100 |
|
Масса компонента, кг |
12 |
24 |
2,4 |
|
Концентрация, кг/кг |
0,0385 |
0,0385 |
0,0234 |
|
Плотность, кг/м3 |
1000,2 |
|
1008,3 |
|
Коэффициент теплоемкости |
|
|
|
|
Коэффициент теплоемкости |
|
|
|
|
Коэффициент теплоемкости
усредненный, |
|
|
4478,02 |
|
Коэффициент
теплопроводности при |
|
|
|
|
Коэффициент
теплопроводности при |
|
|
|
|
Коэффициент
теплопроводности усредненный, |
|
|
|
|
Коэффициент
температуро-проводности при |
|
|
|
|
Коэффициент
температуро-проводности при |
|
|
|
|
Коэффициент
температуропро-водности усредненный, |
|
|
|
Теплоемкость воды, в свою очередь,
вычисляется формуле [3]:
.
После проведения необходимых расчетов,
получаем значения коэффициентов теплопроводности раствора соли при разных
температурах, приведенные в табл. 1.
Теплопроводность раствора соли 
в зависимости
от концентрации раствора 
(кг/кг) и его
температуры T (град) может быть вычислена
по эмпирически установленной формуле [1]:
.
При этом по данным справочника [2]
теплоемкость воды при 
і 
соответственно равна: 
и 
=0,679.
Как известно, коэффициент
температуропроводности 
вычисляется
для любой среды по формуле:
Теплофизические
и некоторые другие характеристики раствора сахара. Плотность 
раствора
сахара концентрации 4% по данным справочника [6, С. 807] изменяется 1013,88
до 1003,40 
при изменении
температуры от 20 до 50
. Для изучаемого диапазона температур справочных
данных о плотности растворов сахара авторами не обнаружено. В результате
собственных экспериментальных исследований установлено, что плотность раствора
сахара при температурах 
можно считать
постоянной и равной 
.
Значения коэффициентов теплоемкости растворов
сахара 
для табл. 1
рассчитывались по формуле [5]:
,
де
(кг/кг) –
концентрация раствора сахара; T
(град) – его температура.
Теплопроводность раствора сахара 
в зависимости
от концентрации раствора 
(кг/кг) и его
температуры T (град) может быть
вычислена по эмпирически установленной формуле [5]:
.
Теплофизические
и некоторые другие характеристики раствора лимонной кислоты. Плотность раствора лимонной кислоты 
по справочнику
[4] равна 1008,3 
при 
. Ввиду отсутствия других сведений предположим, что
изменение температуры не влияет существенно на плотность раствора лимонной
кислоты.
Теплоемкость раствора лимонной кислоты 
может быть
вычислена по формуле [3]:
где 
(кг/кг) –
концентрация раствора лимонной кислоты; T
(град) – его температура.
Теплопроводность раствора лимонной кислоты
в зависимости
от концентрации раствора W (кг/кг)
при температуре 
может быть
вычислена по эмпирически установленной формуле [1]:
Из-за отсутствия других данных будем
считать, что температура не влияет значительно на коэффициент теплопроводности
раствора лимонной кислоты.
На практике достаточно точно
теплофизические характеристики смеси растворов можно рассчитать, опираясь на
гипотезу о приближенной аддитивности характеристик растворов, которые
составляют смесь [7]:
где р – исследуемая характеристика.
Используя последнюю формулу, получаем
такие значения характеристик многокомпонентного водного раствора – заливки для
консервов "Перец сладкий натуральный", какие приведены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики многокомпонентного
водного раствора –
заливка для консервов "Перец сладкий
натуральный"
|
Плотность, кг/м3 |
Коэффициент теплоемкости, |
Коэффициент теплопроводности,
|
Коэффициент температуро-проводности,
|
|
|
|
|
|
Выводы
и перспективы дальнейших исследований.
Рассчитанные в работе теплофизические характеристики многокомпонентного водного
раствора – заливки для консервов "Перец сладкий натуральный" – могут
использоваться для математического моделирования процесса стерилизации
названных консервов.
Перспективы дальнейших исследований авторы
связывают с пополнением и уточнением базы данных о теплофизических
характеристиках однокомпонентных растворов, составляющих заливку изучаемых
консервов, а так же с проведением экспериментальных исследований по
установлению значений необходимых коэффициентов.
Литература:
1. Свойства жидкостей и газов: Метод. указания к курсовому проектированию /
Сост. Е.И. Борисова, О.Н. Круковский, А.В. Маркова, О.В. Муратов. — Сп-б.: Сп-б
технологический институт, 2001. — 23 с.
2. Волков А.И. Большой
химический справочник / А.И. Волков,
И.М. Жарский. — Мн.: Современная школа, 2005. — 608 с.
3. Справочник химика / Под
редакцией Б.П. Никольского. 2-е издание Т.1. — М.-Л.: Химия. — 1966. — 1072 с.
4. Краткий
справочник по химии / Под ред. проф. О.Д. Куриленко. — К.: Наукова Думка, 1965. — 991 с.
5. Mohos Ferenc Á.
Confectionery and Chocolate Engineering: Principles and Applications [Электронный
ресурс] / Ferenc Á. Mohos. — Режим доступа: http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/9781444320527.
6.
Справочник технолога
плодоовощного консервного производства. — М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1983. — 408
с.
7.
Колпакова Н.А. Физическая химия. Ч.
1. / Н.А. Колпакова, В.А. Колпаков,
С.В. Романенко. —
Томск: Изд-во ТПУ, 2004. — 168 с.