Кинетика процесса концентрирования вымораживанием вишневого сока

Концентрирование пищевых и биологических сред методом вымораживания влаги обеспечивает наиболее полное сохранение химического состава и свойств веществ, входящих в сгущаемый продукт.

При этом, указанный процесс подразумевает выделение воды в виде льда при температурах ниже кристаллизации чистой воды, что особенно важно в случаях получения концентрированных плодовых и овощных соков высокого качества, продуктов детского и диетического питания, при энергетических затратах на проведение процесса сопоставимых с традиционными методами концентрирования мембранными методами и вакуумным выпариванием [1].

Режим вымораживания влаги, определяющий механизм процесса, характеризуется следующими параметрами: температурой охлаждающей среды или теплообменной поверхности, воспринимающей теплоту кристаллизации влаги, скоростями перемещения и площадью поверхности контакта теплообме-нивающихся сред, видом и концентрацией растворенных веществ продукта. Так выявляется зависимость механизма вымораживания от внешних факторов, объединяемых понятием режима вымораживания [2-3].

Исследование изменения средней величины количества вымороженного льда с единицы теплообменной поверхности вымораживающей установки во времени, полученное опытным путем, является одной из основных характеристик процесса вымораживания влаги.

С целью исследования кинетических закономерностей процесса концентрирования вишневого сока вымораживанием была создана экспериментальная установка на базе льдогенератора «blexmatic V41 electronic », принципиальная схема работы которой представлена на рисунке 1.

Экспериментальная установка состоит из холодильного агрегата с системой подачи и отвода хладагента, обеспечивающего достижение требуемой температуры кипения хладагента в цапфах испарителя и опрокидывающейся ванны. Поверхность вымораживания влаги представляет собой вертикальные цапфы испарителя, погруженные в ванну с продуктом.

Для замера температуры цапфы испарителя использовали прикрепленную к ней хромель-копелевую термопару с диаметром спая 0,2 мм. Конец термопары прикреплялся ко входному разъему измерителя – регулятора ТРМ202 с пределами измерения –200 °С...+800 °С и ценой деления 0,1 °С.

Рисунок 1. Схема работы вымораживающей установки в режиме: а) вымораживание влаги; б) оттаивание

Холодные спаи термопар термостатировались. Предварительно изолированные друг от друга полихлорвиниловыми трубками они помещались в сосуд Дьюара с тающим льдом. Нуль в сосуде Дьюара контролировался лабораторным термометром с погрешностью измерения 0,1 °С. Термопара периодически проверялась на точность показаний.

Измерение высоты жидкого продукта в ванне проводили при помощи мерной линейки с ценой деления шкалы 1,0 мм, укрепленной с левой стороны ванны.

Продолжительность цикла вымораживания влаги измерялась при помощи электронного секундомера с дискретностью выходного сигнала равного 0,1 с.

Съем вымороженного льда из вишневого сока осуществлялся при опущенном положении ванны льдогенератора и переключенной работе холодильного агрегата в режиме «оттаивание».

Вес вымороженного льда определялся за один цикл работы установки, продолжительность которого была принята равной 3600 с.

Вымороженный лед помещался в заранее взвешенную мерную ёмкость, и суммарная масса мерной емкости с вымороженным льдом определялась на аналитических весах с точностью до 0,01 г. Для определения величины сухого вещества вишневого сока, захватываемого при кристаллизации льда в пространство между кристаллами формировавшейся ледяной гранулы, полученный вымороженный лед расплавляли, термостатировали при температуре 20 °С и определяли содержание сухих веществ в нем при помощи зеркального рефрактометра ИРФ-22.

Система подачи хладагента во внутреннюю полость морозильных цапф испарителя состоит из холодильного агрегата, включающего поршневой герметичный компрессор, двухсекционный воздушный конденсатор, ресивер, фильтр-осушитель, терморегулирующий вен- тиль, чувствительный баллон которого прикреплен к магистрали всасывания хладагента в компрессор, реле давления и соленоидные клапаны.

В качестве холодильного агента в холодильной машине использовался Фреон R134а. Мощность холодильного агрегата позволяла при экспериментах получать температуру кипения холодильного агента от 262 до 250 К за счет варьирования холодопроизводительности компрессора. Давление во всасывающей и нагнетающей магистрали компрессора контролировалось при помощи манометров, размещенных на приборной панели вымораживающей установки.

После осуществления цикла вымораживания определяли производительность вымораживающей установки по вымороженному льду и содержание сухих веществ в концентрированном вишневом соке.

Проведенные исследования роста и скорости роста ледяной фазы на поверхности теплообменных элементов площадью 0,08 м2, за цикл вымораживания, равный 3600 с, в зависимости от температуры теплообменной поверхности и начального содержания сухих веществ в вишневом соке представлены на рисунках 2-5.

Рисунок 2. Кривые роста и скорости роста ледяной фазы на поверхности теплообменных элементов площадью 0,08 м2, при температуре кипения хладагента 258 К и начальном содержании сухих веществ в вишневом соке: 1–12,0 %; 2–16,0 %; 3–20 %; 4–24 %

Анализ полученных экспериментальных кривых роста ледяной фазы и кривых скорости роста ледяной фазы, полученных методом графического дифференцирования, позволяет сделать следующие выводы.

Кривые роста ледяных фаз на исследуемой теплообменной поверхности вымораживающей установки, в зависимости от изменения температуры поверхности вымораживания и начального содержания сухих веществ в вишневом соке, носят идентичный характер [4-6].

Рисунок 3. Кривые роста и скорости роста ледяной фазы на поверхности теплообменных элементов площадью 0,08 м2, при температуре кипения хладагента 253 К и начальном содержании сухих веществ в вишневом соке: 1–12,0 %; 2–16,0 %; 3–20 %; 4–24 %

Увеличение начального содержания сухих веществ в вишневом соке при постоянной температуре кипения хладагента в испарителе вымораживающей установки нелинейно снижает удельное количество льда, образовавшееся на теплообменной поверхности.

Температура кипения хладагента в цапфах вымораживающей установки также оказывает влияние на удельное количество льда, вымороженное за соответствующие интервалы времени при организации процесса в указанном интервале времени.

Изменение температуры кипения хладагента также вызывает нелинейное увеличение удельного количества льда, вымороженного на теплообменной поверхности, при этом с уменьшением температуры кипения хладагента удельное количество вымороженного льда повышается.

Рисунок 4. Кривые роста и скорости роста ледяной фазы на поверхности теплообменных элементов площадью 0,08 м2, при начальном содержании сухих веществ в вишневом соке 12,5 % и температуре кипения хладагента: 1 – 262 К; 2 – 257 К; 3 – 255 К; 4 – 253 К

Кривые скорости роста ледяной фазы имеют сложную конфигурацию. Отмечено, что в момент контакта имеющей температуру, значительно меньшую по сравнению с температурой вымораживаемого вишневого сока, скорость кристаллизации резко возрастает от нулевого до максимального значения за весьма краткий промежуток времени вследствие теплового «удара» в момент контакта сока с охлажденными поверхностями цапф вымораживающей установки.

Рисунок 5. Кривые роста и скорости роста ледяной фазы на поверхности теплообменных элементов площадью 0,08 м2, при начальном содержании сухих веществ в вишневом соке 18,0 % и температуре кипения хладагента: 1 – 262 К; 2 – 257 К; 3 – 255 К; 4 – 253 К

После этого кривая скорости кристаллизации резко изменяет свой угол наклона и наблюдается практически линейное изменение направления кривой скорости кристаллизации влаги на теплообменной поверхности до второй точки перегиба, что свидетельствует об образовании тонкого слоя льда на поверхности теплообмена, установлении сформировавшегося температурного режима между вишневым соком и поверхностью теплообмена.

Затем характер кривой скорости роста ледяной фазы приобретает нелинейный характер, после чего претерпевает вторую точку перегиба и монотонно нелинейно снижается. Отмеченная точка перегиба является пограничной, разделяющей процессы льдообразования влаги, имеющей различный характер связи с растворенными веществами вишневого сока. При этом в начальный период вымораживания кристаллизуется влага, находящаяся в слоях наиболее близких к поверхности льдообразования в форме наименее связанной с растворимыми веществами вишневого сока, а затем при смещении и миграции слоев жидкой фазы, наступает период резкого снижения скорости льдообразования, вызванный как термическим сопротивлением слоя вымороженного льда на теплообменной поверхности, так и преодолением всевозрастающих сил сцепления молекул воды с растворимыми веществами вишневого сока.

Также исследована зависимость изменения степени концентрации вишневого сока при вымораживании от температуры кипения хладагента и начального содержания сухих веществ в нем, представленные на рисунках 6-7.

Рисунок 6. Изменение степени концентрации вишневого сока от начального содержания сухих веществ и температуре кипения хладагента: 1 – 262 К;

2 – 258 К; 3 – 255 К; 4 – 253 К

Рисунок 7. Изменение степени концентрации вишневого сока от температуры кипения хладагента при начальном содержании сухих веществ: 1–12,6 %; 2–14,1 %; 3–16,3 %; 4–17,9 %; 5–19,8 %

Зависимость изменения степени концентрации вишневого сока при вымораживании от начального содержания сухих веществ носит выраженный нелинейный характер [4]. Отмечено, что при увеличении начального содержания сухих веществ в вишневом соке величина отношения сухих веществ в сконцентрированном соке по отношению к исходному нелинейно монотонно снижается.

Температура кипения хладагента в теплообменных элементах вымораживающей установки также оказывает влияние на изменение степени концентрации вишневого сока при различном содержании сухих веществ в нем. Увеличение температуры кипения хладагента обусловливает пропорциональное снижение степени концентрирования исходного вишневого сока при прочих условиях вымораживания влаги из него.

Проведенные исследования позволяют глубже раскрыть особенности и механизм об- разования льда на теплообменной поверхности вымораживающей установки при концентрировании вишневого сока.