Caracteristici termofizice a produselor agroalimentare

Caracteristici termofizice a produselor agroalimentare

Valorile caracteristicilor termofizice ale produselor alimentare sunt necesare la calculul necesarului de frig si la stabilirea parametrilor tehnologici de racire si congelare. Principalele proprietati termofizice sunt: densitatea, caldura masica specifica, caldura latenta specifica de solidificare, punctul de congelare, caldura degajata de legume si fructe prin respiratie, entalpia specifica, conductivitatea termica si difusivitatea termica.

Datorita complexitatii structurii produselor alimentare, a modului de legare a apei si a caracterului fortelor de legatura dintre constituienti, proprietatile termofizice au valori cu domenii mari de variatie.

Caldura specifica masica a unui produs alimentar se exprima prin raportul dintre cantitatea de caldura necesara a fi transferata unui produs cu masa m [kg] pentru a-ti modifica temperatura cu

(1.1)

in anumite conditii si fara schimbarea starii de agregare.

In cazul apei pure caldura specifica reprezinta o anomalie tipica de variatie cu temperatura, scazand o data cu temperatura pana la atingerea unui minim dupa care creste monoton cu temperatura. Se poate considera ca in intervalul 100^oC0^oC caldura specifica a apei este de 4,1868 kJ/kgK (1 kcal/kg°C), iar pentru temperatura de 0°C caldura specifica a ghetei este de 2,0934 kJ/kgK ( 0,5 kcal/kg°C).

Daca un produs alimentar este compus din n componenti componentul i, avand participatia masica si caldura specifica (si m fiind masa componentului i respectiv masa totala a produsului) caldura specifica a produ­sului poate fi calculata dupa relatia:

(1.2)

Relatia de mai sus este valabila cu conditia ca produsul sa nu fie electrolit iar pe intervalul de temperaturi considerat sa nu se produca nici o schimbare de faza in produs (solidificare grasimi, congelare apa s.a.).

Pentru temperaturi mai mari decat 0°C, daca pentru un produs alimentar se cunoaste continutul de apa [kg/kg produs], continutul de substante uscate fara grasimi [kg/kg produs] si continutul de grasimi [kg/kg produs], atunci pentru calcule practice (cu erori, in general mai mici decat 5%) se poate calcula caldura specifica masica cu relatiile:

pentru produse de origine animala

(1.3)

pentru produse de origine vegetala

(1.4)

Relatiile de mai sus sunt valabile cu conditia ca pe intervalul de temperatura considerat sa nu se produca solidificarea grasimilor.

Caldura specifica a unui produs alimentar este practic constanta la temperaturi mai mari decat temperatura de congelare a produsului (cu exceptia zonei de temperaturi in care eventual se produce solidificarea grasimilor continute in produs), scade brusc la atingerea temperaturii de congelare si dupa aceasta scade pe masura scaderii temperaturii. Variatia caldurii specifice a unor produse alimentare in functie de temperatura este redata in tabelul 1.3.

Caldura latenta specifica de solidificare. Daca [kg/kg produs] este continutul de apa al unui produs alimentar (tabelul 1.4.), atunci caldura latenta specifica de solidificare [kJ/kg] a produsului, se poate calcula cu urmatoarea relatie:

(1.5)

in care 333,73 [kJ/kg] reprezinta caldura latenta specifica de solidificare a apei. In relatia anterioara, recomandata pentru calcule practice, s-a presupus ca intreaga cantitate de apa din produs s-a solidificat.

Tabelul 1.3. Caldurile specifice masice ale unor produse alimentare

In cazul produselor alimentare care contin grasimi sau uleiuri, la racirea sub anumite temperaturi, se poate produce solidificarea grasimilor sau uleiurilor cu degajarea caldurii latente specifice de solidificare a acestora.

Punctul de congelare pentru apa pura, adica temperatura de congelare, la presiunea atmosferica este de 0°C. Marea majoritate a produselor agroalimentare, contin ca element preponderent apa, in care sunt dispersate celelalte componente. Avand in vedere acest lucru, produsele alimentare pot fi considerate ca fiind sisteme complexe, care cuprind o faza continua de solutii apoase si o faza dispersata formata din dispersii coloidale sau grosiere. In consecinta, la scaderea temperaturii sub 0°C, congelarea apei din produsele agroalimentare nu se mai produce, ca in cazul apei pure, la temperatura de 0°C. Procesul de congelare a apei din produs incepe la valori ale temperaturii inferioare punctului de congelare a apei pure iar pe masura scaderii temperaturii, creste procentul de apa solidificata din produs. Pentru cele mai multe dintre produsele agroalimentare intreaga cantitate de apa congelabila din produs se solidifica de abia la temperaturi cuprinse intre -50 si -60°C.

Tabelul 1.4. Valori medii ale temperaturilor de congelare si ale procentelor de

apa solidificata in produsele alimentare, in functie de temperatura

Se accepta sa se defineasca ca punct de congelare a unui produs alimentar, temperatura sau intervalul de temperatura, situat sub 0°C, la care are loc solidificarea unei cantitati importante din apa continuta de produs, solidificare care confera produsului o consistenta tare, net diferita de consistenta pe care o are produsul la temperaturi peste 0°C. In acest sens, in tabelul 1.4. sunt redate valori medii ale temperaturilor de congelare pentru unele produse alimentare precum si continutul de apa solidificata in functie de temperatura.

Caldura degajata prin procesul de respiratie. Procesul de respiratie este o caracteristica a proceselor biochimice care au loc in legume si fructe. In urma acestui proces se degaja o anumita cantitate de caldura, deci se produce un efect exotermic, a carui intensitate este necesara a fi cunoscuta la calculul necesarului de frig in cadrul proceselor de racire.

Cantitatea de caldura degajata prin respiratie depinde de specie si de nivelul temperaturii (tabelul 1.5.).

Entalpia specifica. Entalpia specifica este o marime termica de stare foarte utila la calculul necesarului de frig in procesele de racire. Acest lucru se explica prin dificultatea calculului cantitatilor de caldura extrase de la un produs alimentar, pe baza caldurii specifice si a caldurilor latente specifice, dat fiind faptul ca, in multe cazuri, caldura extrasa de la un produs include atat calduri specifice cat si calduri latente, dificil uneori de cuantificat.

Daca [°C] este temperatura initiala a unui produs alimentar de masa m [kg] care trebuie racit pana la temperatura finala [°C], atunci cantitatea de caldura Q [kJ] care urmeaza a fi extrasa de la un produs se poate calcula cu relatia:

(1.6)

Tabelul 1.5. Valori medii ale cantitatilor de caldura degajata de

legume si fructe prin respiratie

In tabelul 1.6. sunt redate entalpiile specifice pentru unele produse alimen­tare in functie de temperatura. S-a considerat ca entalpia are valoarea 0 la temperatura de -40°C.

Tabelul 1.6. Valorile entalpiilor specifice ale unor produse alimentare

Pentru grasimile si uleiurile (anhidre) din produsele alimentare grase, in diagrama din fig. 1.1. sunt redate variatiile entalpiilor specifice i [kcal/ kg grasime sau ulei] si procentul de grasime sau ulei nesolidificat [kg/ kg grasime sau ulei] in functie de temperatura. S-a considerat ca entalpia specifica este 0 la temperatura de -50°C.

Pentru un produs alimentar care contine apa in participatie [kg/kg produs] si grasimi sau uleiuri in participatie [kg/kg produs[, variatia entalpiei totale [kJ/kg], la racirea produsului de la temperatura initiala [°C] pana la temperatura finala [°C] se poate calcula dupa relatiile:

- pentru refrigerare

(1.7)

- pentru congelare

in care variatia entalpiei specifice a grasimilor sau a uleiurilor din produs se pot lua din diagrama din fig. 1.1.

Pentru un produs alimentar care contine grasimi sau uleiuri in participatie [kg/kg produs] si apa si substante uscate negrase in participatie de [kg/kg produs], variatia entalpiei totale [kJ/kg] la racirea produsului se poate calcula dupa relatia:

(1.9)

in care variatia entalpiei se ia din diagrama din fig.6.1, iar variatia a entalpiei partii negrase din produs (apa + substante negrase) se poate lua din tabelul 1.6. sau se poate calcula pe baza diagramei din fig. 1.2. Relatia de mai sus poate fi folosita pentru diverse produse alimentare grase cum ar fi de exemplu carnea grasa.

In cazul unui produs alimentar complex, pentru care entalpiile specifice totale nu sunt redate in tabelul 1.6. si care contine si componentul k avand participatia [kg/kg produs], se poate utiliza urmatoarea relatie pentru calculul entalpiei specifice, totale la racirea produsului intre temperatura si .

(1.10)

In relatia de mai sus, calculul variatiei entalpiilor specifice pentru componentul k se poate face pe baza relatiilor (1.7), (1.8) sau (1.9) sau cu ajutorul relatiilor:

- pentru refrigerare

(1.11)

- pentru congelare

(1.12)

in care: sunt caldurile specifice medii ale componentului k pe inter­valele de temperaturi si respectiv

- caldura latenta specifica de solidificare a grasimilor sau uleiurilor

continute in 1kg de component k;

- caldura latenta specifica de congelare a apei continute in 1 kg de component k.

Coeficientul de conductibilitate termica. Coeficientul de conductibilitate termica [W/mK] a produselor alimentare variaza in functie de temperatura asa cum se poate observa in tabelele 1.7. si 1.8.

Tabelul 1.7. Valori ale conductivitatii termice pentru unele produse alimentare

de origine animala

Tabelul 1.8. Valori ale conductivitatii termice pentru unele produse alimentare

de origine vegetala

Difuzivitatea termica. Difuzivitatea termica a [m²/s] a unui produs alimentar se calculeaza cu relatia

in care: [W/m^2oC] este coeficientul de conductibilitate termica;

[kg/m³] - densitatea produsului;

[J/kg°C] - caldura specifica masica a produsului.

Difuzivitatea termica exprima viteza cu care se poate raci un produs in conditii date de transfer termic. Cu cat difuzivitatea termica a unui produs este mai mare cu atat produsul va absorbi sau ceda mai repede caldura.

Produsele alimentare congelate au difuzivitate termica net mai mare decat produsele necongelate.

Pentru produsele alimentare, difuzivitatea termica variaza in functie de continutul de apa, modul de legare al acesteia, densitate, continutul in grasime, porozitate si alte insusiri.