Comparative analysis of air and plate freezers

Abstract

Freezing products in both air and plate freezers is widespread. What type of equipment to give preference in a particular case? What is the effectiveness of the devices from a technical and economic point of view? To answer these questions, we will conduct a comparative analysis of air and plate quick freezers.

Full Text

Время замораживания. Этот показатель является наиболее важным, определяющим качество замораживаемой продукции. Оно зависит от ее теплофизических свойств, начальной, конечной температур и геометрической формы, температуры и скорости воздуха в камере при воздушном замораживании, температуры поверхности испарителя при контактном замораживании.

Известно, что интенсивность теплопередачи будет тем выше, чем больше разность температур на поверхности и в толще продукта. Поэтому чем ниже температура поверхности, тем выше скорость замораживания.

При замораживании в плиточном аппарате температура на поверхности продукта близка к температуре кипения хладагента, так как происходит непосредственный контакт испарителя с замораживаемым продуктом, а плиты и упаковочные формы изготовлены из алюминиевых сплавов с высоким коэффициентом теплопроводности.

При воздушном замораживании для охлаждения продукта используется промежуточный теплоноситель -воздух, который охлаждается в испарителе. Температура воздуха на выходе из испарителя выше температуры кипения на 5...6 °C (рис. 1).

Рис 1. Распределение температуры при замораживании продуктов

Температура поверхности продукта во время замораживания медленно снижается и в конце процесса она выше температуры воздуха на 5... 10 °C. Существующая разность температур между хладагентом и поверхностью продукта приводит к необходимости снижения температуры кипения.

Сравним время замораживания в обоих скороморозильных аппаратах, используя для этого широко распространенную формулу Планка для бесконечной пластины:

$\mathfrak{r}=\frac{Lf}{Tf-Tвозд}\times \left(\frac{\delta }{2\alpha }+\frac{{\delta }^2}{8\lambda }\right)$

где $\mathfrak{r}$ -время замораживания;

L_f -удельная объемная разность энтальпий;

T_f -криоскопическая температура;

Т_возд -температура воздуха;

$\delta$ -толщина пластины;

$\alpha$ -коэффициент теплоотдачи;

$\lambda$ -коэффициент теплопроводности.

Эту формулу можно применять для расчета времени замораживания блоков, толщина которых значительно меньше ширины и длины. Представим эту формулу в виде суммы двух слагаемых:

$𝞃=\left(\frac{Lf}{Tf-Tвозд}\times \frac{{\delta }^2}{8\lambda }\right)+\left(\frac{Lf}{Tf-Tвозд}\times \frac{\delta }{2\alpha }\right)=𝞃\lambda +𝞃\alpha$

где ${𝞃}_{𝞴}$ -время, за которое температура в толще продукта достигает конечной величины (за счет теплопроводящих свойств продукта);

Время воздушного замораживания в зависимости от толщины блока и коэффициента теплоотдачи продукта (в сравнении с контактным замораживанием)

а, Вт/(м2-К)	Относительное время воздушного замораживания при толщине блока 6, мм
	50	75	100	125	150
10	9,00	6,33	5,00	4,20	3,67
20	5,00	3,67	3,00	2,60	2,33
30	3,67	2,78	2,33	2,07	1,89
40	3,00	2,33	2,00	1,80	1,67
50	2,60	2,07	1,80	1,64	1,53

Рис. 2. Номограмма для приближенного определения времени замораживания в плиточных и воздушных скороморозильных аппаратах

${𝞃}_{\alpha }$ -время, за которое теплота отводится от продукта за счет вынужденной конвекции холодного воздуха.

В плиточных аппаратах время замораживания определяется только одним слагаемым ${𝞃}_{𝝺}$. Следовательно, при воздушном охлаждении это время больше в $\left(1+\frac{4\lambda }{\alpha \delta }\right)$ раз. Если время контактного замораживания условно принять за единицу, то время воздушного замораживания в зависимости от толщины и коэффициента теплоотдачи можно определить по таблице.

Данные, приведенные в таблице, были получены при $\lambda$ = 1 Вт/(мК). Для большинства продуктов коэффициент теплопроводности лежит в пределах 0,5... 1,5 Вт/(мК).

Высокие коэффициенты теплоотдачи ос соответствуют высоким скоростям воздуха, которые обычно не превышают 5 м/с. Но увеличение скорости воздуха приводит к значительной усушке продукта, к более интенсивному обмерзанию испарителя, что требует применения мощных вентиляторов.

Неравномерность скоростей и температуры воздуха над поверхностью продуктов вызывает переохлаждение одних и недоохлаждению других продуктов. Для устранения этого недостатка приходится увеличивать свободное пространство между блоками, усложнять систему циркуляции воздухе и т.д.

Рис. 2. Номограмма для приближенного определения времени замораживания в плиточных и воздушных скороморозильных аппаратах

Кроме того, при воздушном замораживании продукты, как правило, па куют в картонную тару. Так как кар тон является теплоизоляционным материалом, время замораживания увеличивается.

На рис. 2 представлена номограмма, по которой в первом приближении можно оценить время за мораживания для плиточных и воз душных скороморозильных аппаратов.