ТЕПЛОФІЗИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОРОЗИВА

Теплофізичні характеристики морозива

Виробництво мороженого здійснюється за температур широкого діапазону в процесах його теплового і холодильного оброблення, тому під термінами теплоємність і ентальпія розуміють ефективну (повну) теплоємність і ентальпію, значення яких враховує теплоту фазових перетворень складових морозива.
Вплив зазначеного чинника на теплоємність сумішей морозива визначається температурою. За температури від 70 °С до кріоскопічної, коли незначна частина рідких фракцій молочного жиру переходить у тверду фазу, теплоємність сумішей становить: пломбірної 3,05…3,35 кДж/(кг∙К); вершкової – 3,17…3,48; молочної – 3,29…3,39; фруктової – 3,09…3,1 кДж/(кг∙К). За температури –3…–10 °С, коли інтенсивно вимерзає вода в суміші й формується морозиво, теплоємність збільшується в кілька разів, досягаючи при –3…–5 °С найбільших значень: молочне – 55,84 кДж/(кг∙К); вершкове – 41,15; пломбір – 32,08; фруктове – 30,81 кДж/(кг∙К). З подальшим зниженням температури теплоємність морозива всіх наведених видів різко зменшується, оскільки зменшується частка вологи, яка перетворюється на лід, а за більш низьких, аж до –30 °С, повільно зменшується.
Теплоємність морозива залежно від температури наведено в табл. 1.
Таблиця 1. Теплоємність морозива залежно від температури, кДж/(кг∙К)
t, °C
Морозиво
t, °C
Морозиво
молочне
вершкове
пломбір
фруктове
молочне
вершкове
пломбір
фруктове
-30
2,69
2,69
2,51
2,56
6
3,33
3,30
3,27
3,09
-29
2,71
2,72
2,53
2,60
8
3,34
3,33
3,31
3,09
-28
2,77
2,75
2,56
2,64
10
3,35
3,38
3,38
3,09
-27
2,80
2,78
2,58
2,68
12
3,37
3,42
3,45
3,09
-26
2,85
2,82
2,63
2,73
14
3,39
3,47
3,51
3,09
-25
2,92
2,87
2,70
2,81
16
3,39
3,47
3,52
3,09
-24
2,97
2,93
2,78
2,85
18
3,36
3,40
3,41
3,09
-23
3,06
3,02
2,92
2,90
20
3,33
3,31
3,28
3,09
-22
3,16
3,13
3,06
2,95
22
3,33
3,31
3,27
3,09
-21
3,27
3,25
3,16
3,05
24
3,33
3,31
3,28
3,09
-20
3,40
3,33
3,24
3,17
26
3,33
3,31
3,28
3,09
-19
3,53
3,44
3,34
3,29
28
3,33
3,30
3,28
3,09
-18
3,68
3,58
3,45
3,40
30
3,33
3,31
3,28
3,09
-17
3,85
3,76
3,57
3,59
32
3,33
3,31
3,28
3,09
-16
4,04
3,98
3,76
4,21
34
3,33
3,30
3,26
3,09
-15
4,32
4,03
4,10
5,13
36
3,29
3,19
3,10
3,10
-14
4,80
4,42
4,48
6,04
38
3,29
3,18
3,09
3,10
-13
5,39
4,88
5,06
7,00
40
3,29
3,19
3,09
3,10
-12
6,06
5,67
5,71
8,13
42
3,29
3,19
3,09
3.10
-11
6,94
6,30
6,57
10,03
44
3,29
3,19
3,09
3,10
-10
8,10
7,4З
7,86
13,03
46
3,30
3,19
3,10
3,10
-9
9,72
8,96
9,35
15,93
48
3,30
3,19
3,10
3,10
-8
11,72
10,67
11,10
19,55
50
3,30
3,19
3,10
3,10
-7
14,96
14,92
16,68
22,31
52
3,30
3,20
3,11
3,10
-6
19,80
19,94
26,73
27,93
54
3,30
3,20
3,1l
3,10
-5
26,37
25,72
32,08
30,81
56
3,30
3,20
3,11
3,10
-4
43,13
41,15
30,22
8,91
58
3,30
3,20
3,11
3,10
-3
55,84
27,82
3,17
3,09
60
3,30
3,18
3,08
3,10
-2
3,30
3,24
3,18
3,09
62
3,29
3,17
3,06
3,10
-1
3,31
3,25
3,19
3,09
64
3,29
3,16
3,05
3,10
0
3,31
3,25
3,19
3,09
66
3,29
3,16
3,05
3,10
2
3,31
3,26
3,21
3,09
68
3,29
3,17
3,05
3,10
4
3,32
3,28
3,23
3,09
70
3,29
3,17
3,05
3,10

Дані табл. 1 використано для розрахунку ентальпії морозива за різних температур у межах –30…+70 °С.
Таблиця 2. Ентальпія морозива за різних температур, кДж/кг
t, °C
Морозиво
t, °C
Морозиво
молочне
вершкове
пломбір
фруктове
молочне
вершкове
пломбір
фруктове
-30
0
0
0
0
20
338,39
302,58
281,24
291,30
-28
5,40
5,41
5,04
5,16
22
345,05
309,20
287,79
297,48
-26
10,97
10,94
10,18
10,48
24
351,71
315,82
294,34
303,66
-24
16,74
16,63
15,51
16,02
26
358,37
322,44
300,90
309,84
-22
22,77
22,58
21,21
21,77
28
365,03
329,05
307,46
316,02
-20
29,20
28,96
27,43
27,77
30
371,69
335,65
314,02
322,20
-18
36,13
35,73
34,01
34,23
32
378,35
342,27
320,58
328,38
-16
43,66
43,07
41,03
41,22
34
385,01
348,89
327,13
334,56
-14
52,02
51,08
48,89
50,56
36
391,65
355,44
333,57
340,75
-12
62,21
60,38
58,43
63,60
38
398,23
361,82
339,76
346,95
-10
75,21
72,35
70,71
81,76
40
404,81
368,19
345,94
353,15
-8
93,03
88,74
87,92
110,72
42
411,39
374,57
352,12
359,35
-6
119,71
114,33
115,70
115,70
44
417,97
380,95
358,30
365,55
-4
165,88
159,99
174,51
174,51
46
424,56
387,33
364,49
371,75
-2
264,85
228,96
207,90
207,90
48
431,16
393,71
370,69
377,95
0
271,46
235,45
214,27
214,27
50
437,76
400,09
376,89
384,15
2
278,08
241,95
220,66
220,66
52
444,36
406,47
383,09
390,35
4
284,70
248,48
227,08
227,08
54
450,96
412,87
389,31
396,55
6
291,34
255,04
233,54
248,04
56
457,56
419,27
395,53
402,75
8
298,00
261,66
240,10
254,22
58
464,16
425,67
401,75
408,95
10
304,68
268,34
246,75
260,40
60
470,76
432,05
407,94
415,15
12
311,39
275,12
253,55
266,58
62
477,35
438,40
141,09
421,35
14
318,14
281,99
260,48
272,76
64
483,93
444,73
420,20
427,55
16
324,92
288,94
267,52
278,94
66
490,51
451,05
426,30
433,75
18
331,68
295,83
274,49
285,12
68
497,09
457,38
432,40
439,95





70
503,67
463,72
438,50
446,15

Теплопровідність морозива за температури 20 °С має такі значення: молочне – 0,425 Вт/(м∙К); вершкове – 0,389; пломбірне – 0,304; фруктове – 0,433 Вт/(м∙К). Ці значення у межах температури від 70 °С до кріоскопічної є практично сталими.
Теплопровідність морозива за від'ємних температур і різного ступеня збитості наведено в табл. 3.
Таблиця 3. Теплопровідність морозива, Вт/(м∙К)
t, °C
Морозиво
молочне
вершкове
пломбір
фруктове
Збитість, частка одиниці
0,3
0,5
0,7
0,3
0,5
0,7
0,3
0,5
0,7
0
0,3
0,5
0,7
-4
0,630
0,550
0,470
0,540
0,485
0,410
0,400
0,390
0,325
0,475
0,425
0,375
0,318
-5
0.700
0,610
0,520
0,610
0,550
0,465
0,495
0,465
0,395
0,580
0,510
0,445
0,375
-6
0,750
0,664
0,561
0,685
0,630
0,530
0,565
0,515
0,451
0,665
0,575
0,511
0,430
-8
0.795
0,690
0,600
0,725
0,665
0,565
0,630
0,555
0,495
0,810
0,680
0,590
0,511
-10
0.835
0,720
0,630
0,740
0,680
0,575
0,665
0,585
0,525
0,910
0,740
0,650
0,565
-14
0,890
0,770
0,670
0,790
0,710
0,615
0,710
0,625
0,560
1,000
0,805
0,720
0,610
-18
0,925
0,800
0,688
0,830
0,735
0,635
0,725
0,654
0,575
1,040
0,840
0,743
0,640
-22
0,935
0,810
0,695
0,845
0,748
0,645
0,730
0,657
0,582
1,058
0,855
0,752
0,650
-26
0,945
0,820
0,705
0,855
0,757
0,655
0,740
0,670
0,587
1,070
0,865
0,765
0,665
-30
0,954
0,837
0,711
0,867
0,767
0,660
0,749
0,675
0,594
1,080
0,880
0,772
0,672

Після оброблення даних теплопровідності l, Вт/(м∙К), морозива з різним ступенем збитості й за різних температур отримано емпіричну формулу для обчислення цієї характеристики:
l = (lm cS) + x(tкрt)0,3,                               (1)
де l – теплопровідність відповідної суміші морозива, Вт/(м∙К); c і x – безрозмірнісні коефіцієнти, подані в табл. 4, які характеризують вплив відповідно збитості й частки вимороженої води на теплопровідність кожного виду морозива (табл. 3); S – ступінь збитості морозива, частка одиниці.
Таблиця 4. Значення безрозмірнісних коефіцієнтів c , x
Морозиво
c
x
Діапазон збитості S,
де дійсна формула, %
Молочне
0,3307
0,2327
30…70
Вершкове
0,2856
0,2102
30…70
Пломбір
0,2248
0,1725
30…70
Фруктове
0,4423
0,2354
0…70

Обмежений у дужках перший доданок формули (1) визначає вплив збитості на теплопровідність суміші, а другий доданок цієї формули відображає внесок у теплопровідність морозива вимороженої в ньому води, частка якої залежить від температури.
Залежність теплопровідності l, Вт/(м∙К), молочного жиру від температури в інтервалі 17…–35 °С визначають за емпіричною формулою
l = 4,1×10-6(273 + t)1,886,                                  (2)
де t – температура молочного жиру, °С.
Теплопровідність молочної суміші морозива також залежить від температури (табл. 5).
Таблиця 5. Теплопровідність молочної суміші морозива
t, °С
5
20
45
70
85
l, Вт/(м·К)
0,457
0,495
0,559
0,623
0,661

Теплопровідність, теплоємність і температуропровідність морозива залежно від температури за його збитості 70 % і густини 650 кг/м3 наведено у табл. 6.
Таблиця 6. Теплопровідність, теплоємність, температуропровідність морозива залежно від температури за його збитості 70 % і густини 650 кг/м3
Морозиво
t , °С
l , Вт/(м·К)
с, Дж/(кг·К)
а·106, м2
Молочне
-4
0,472
2847,0
0,255

-6
0,562
2533,0
0,342

-8
0,606
2344,6
0,397

-10
0,627
2235,7
0,433

-12
0,641
2168,8
0,455

-14
0,652
2097,6
0,478

-16
0,669
2068,3
0,497

-18
0,674
2051,5
0,505
Вершкове
-4
0,405
2742,3
0,228

-6
0,501
2436,7
0,317

-8
0,549
1842,2
0,372

-10
0,578
2156,2
0,414

-12
0,595
2085,0
0,442

-14
0,606
2030,6
0,461

-16
0,616
1988,7
0,478

-18
0,626
1959,4
0,489

Примітки: 1. Склад молочного морозива: жиру 3,5 %; сухого молочного знежиреного залишку (СЗМЗ) 10,5 %; цукру 16 %; води 68 %; стабілізатор – борошно пшеничне; 2. Склад вершкового морозива: жиру 10 %; молочного сухого знежиреного залишку (СЗМЗ) 10,5 %; цукру 16 %; води 63,2 %; стабілізатор – агар.
Теплопровідність і в’язкість молочної та вершкової сумішей для морозива залежно від температури подано у табл. 7.
Таблиця 7. Теплопровідність і в’язкість молочної та вершкової сумішей для морозива залежно від температури
t, °С
Молочна суміш
Вершкова суміш
l, Вт/(м·К)
m, Па·с
m, Па·с
5
0,457
-
0,0594
10
0,469
-
0,0445
15
0,482
0,0236
0,0269
20
0,495
0,0182
0,0214
25
0,508
0,0164
0,0162
30
0,521
0,0143
0,0124
35
0,533
0,0124
0,0105
40
0,546
0,0107
0,0093
45
0,559
0,0095
0,0080
50
0,572
0,0083
0,0071
55
0,584
0,0070
0,0064
60
0,597
0,0064
0,0057
65
0,610
0,0059
0,0052
70
0,623
0,0050
0,0048
75
0,636
0,0048
0,0046
80
0,648
0,0045
0,0040
85
0,661
0,0043
0,0039

Примітки: 1. Склад молочної суміші: жиру 3,5 %; сухого молочного знежиреного залишку (СЗМЗ) 10%; цукру 16% (всього сухих речовин 29,5 %). Стабілізатор – агар. 2. Склад вершкової суміші: жиру 10 %; молочного сухого знежиреного залишку (СЗМЗ) 10 %; цукру 16 % (всього сухих речовин 36 %). Стабілізатор – агар.

Температуропровідність a, м2/с, сумішей і морозива, а також молочного жиру обчислено за наведеними даними теплоємності і теплопровідності цих продуктів за формулою
a = l / (c×r),                                             (3)
де с – ефективна теплоємність, кДж/(кг∙К); r – густина морозива, кг/м3.
Суміші мають такі значення температуропровідності a106, м2/с: молочна – 0,116; вершкова – 0,106; пломбірна – 0,100 і фруктова –0,124.
Дані про температуропровідність морозива наведено в табл. 8.
Таблиця 8. Температуропровідність морозива a∙106, м2
t, °С
Морозиво
молочне
вершкове
пломбір
фруктове
Збитість, частка одиниці
0,3
0,5
0,7
0,3
0,5
0,7
0,3
0,5
0,7
0
0,3
0,5
0,7
tkp
0,147
0,140
0,145
0,133
0,139
0,126
0,127
0,133
0,132
0,124
0,147
0,150
0,146
-3
0,012
0,012
0,012
0,014
0,015
0,014
-
-
-
-
-
-
-
-4
0,021
0,021
0,021
0,019
0,020
0,019
0,015
0,017
0,016
0,021
0,025
0,025
0,024
-5
0,036
0,036
0,035
0,032
0,033
0,031
0,020
0,021
0,021
0,017
0,020
0,020
0,019
-6
0,051
0,052
0,050
0,045
0,047
0,045
0,031
0,032
0,032
0,023
0,026
0,027
0,026
-7
0,069
0,069
0,067
0,065
0,069
0,066
0,051
0,052
0,053
0,031
0,035
0,035
0,034
-8
0,088
0,088
0,086
0,087
0,092
0,089
0,073
0,074
0,075
0,040
0,044
0,044
0,044
-10
0,131
0,130
0,129
0,127
0,135
0,129
0,109.
0,110
0,112
0,070
0,074
0,075
0,074
-12
0,179
0,179
0,176
0,174
0,179
0,177
0,151
0,154
0,158
0,112
0,119
0,121
0,118
-14
0,231
0,230
0,227
0,211
0,219
0,215
0,195
0,199
0,202
0,158.
0,166
0,171
0,164
-16
0,273
0,271
0,266
0,247
0,255
0,249
0,230
0,238
0,240
0,232
0,242
0,248
0,241
-18
0,304
0,305
0,295
0,279
0,285
0,279
0,253
0,263
0,262
0,275
0,289
0,295
0,288
-20
0,329
0,329
0,320
0,302
0,309
0,301
0,269
0,279
0,280
0,299
0,312
0,319
0,312
-22
0,354
0,354
0,344
0,325
0,332
0,324
0,288
0,300
0,301
0,320
0,336
0,341
0,334
-24
0,377
0,377
0,367
0,346
0,354
0,346
0,316
0,331
0,330
0,333
0,350
0,357
0,349
-26
0,395
0,396
0,386
0,361
0,369
0,361
0,336
0,351
0,348
0,350
0.368
0,375
0,370
-28
0,410
0,410
0,399
0,371
0,380
0,372
0,346
0,361
0,358
0,363
0,382
0,390
0,385
-30
0,419
0,424
0,408
0,381
0,389
0,379
0,353
0,367
0,366
0,373
0,395
0,400
0,395

Примітка. Кріоскопічні температури (tkp) молочної, вершкової, пломбірної і фруктової сумішей відповідно дорівнюють –2,13°С; –2,54; –3,41; –3,84 °С.
Узагальнену залежність температуропровідності морозива від температури визначають за формулою
a = d(tкрt) – b + {[A / exp(b)]×[1 / [(Btкрt) + (tкрtB)]},           (4)
де d, b, A, B, b – сталі, значення яких наводяться в табл. 37; tkр  кріоскопічна температура морозива, °С; t температура морозива, °С.
Розрахунки, проведені за формулою (4), не перевищують відносну похибку 5 % в інтервалі температур, нижчих від зони максимального льодоутворення.
Таблиця 9. Значення сталих для різних видів морозива
Морозиво
d
b
A
B
b
Молочне
0,01474
0,00088
0,130
15,00
0,16
Вершкове
0,01346
-0,00464
0,128
15,00
0,16
Пломбір
0,01268
-0,00836
0,128
15,00
0,16
Фруктове
0,01443
-0,0090
0,148
15,00
0,30

Залежність температуропровідності молочного жиру від температури в межах 17…–35 °С визначають за емпіричною формулою:
a∙106 = 0,93×10-3(17 – t) + 0,038.                             (5)
Відносна похибка значень температуропровідності, обчислених за формулою (5), не перевищує 8 %.
Таблиця 10. Кріоскопічна температура сумішей морозива різного складу
Склад суміші, %
Стабілізатор
Кріоскопічна температура, ºС
жир
СЗМЗ
цукор
сухі речовини
дослідна
розрахункова
3,65
9,4
20,0
33,35
Агар
−2,65
−2,54
3,60
9,7
16,0
31,00
Борошно
−2,25
−2,12
3,76
10,5
16,0
30,55
Агар
−2,35
3,75
10,5
22,0
36,55
Агар
−3,20
4,55
9,6
18,0
32,55
Желатин
−2,50
3,50
10,5
16,0
30,30
Агар
−2,40
3,50
10,5
16,0
32,00
Борошно
−2,40
3,50
10,0
16,0
29,80
Агар
−2,00
10,5
9,8
16,0
38,0
Борошно
−2,30
−2,40
10,0
10,5
14,0
34,80
Агар
−2,30
10,0
10,5
16,0
36,80
Агар
−2,60
10,0
10,5
18,0
38,80
Агар
−2,82
10,0
10,0
12,0
32,45
Желатин
−2,18
10,0
8,0
16,0
34,45
Желатин
−2,38
10,0
14,0
16,0
40,45
Желатин
−3,21
10,0
10,0
18,0
38,45
Желатин
−3,07
10,0
10,0
20,0
40,45
Желатин
−3,54
12,3
11,3
14,0
37,98
Желатин
−2,47
12,0
10,0
14,0
36,50
Желатин
−2,28
−2,26
10,0
10,5
14,0
35,00
Желатин
−2,30
10,0
10,5
16,0
36,80
Агар
−2,6
10,0
14,0
10,0
34,30
Агар
−1,6
16,1
8,5
16,0
40,50
Агар
−2,42
18,6
8,7
12,0
39,68
Желатин
−2,13
18,7
8,7
12,0
39,76
Желатин
−2,18
15,0
10,0
16,0
41,30
Агар
−2,70
-
-
30,0
30,62
Желатин
−3,48
-
-
28,0
30,95
Агар
−3,45
-
-
30,0
32,50
Агар
−3,50

Примітка. Кріоскопічною температурою називають температуру, яка відповідає початку замерзання розчину певної концентрації.
Динамічна в’язкість сумішей морозива значною мірою залежить від хімічного складу суміші й виду використовуваного стабілізатора та завжди збільшується зі зниженням температури (табл. 11).
Таблиця 11. Динамічна в’язкість сумішей морозива з різними стабілізаторами за температури 20 °С, МПа∙с

Стабілізатор
Масова частка
в суміші, %
Суміш морозива
молочна
вершкова
пломбірна
Агароїд
0,15
52,5
106,1
150,9
0,20
60,0
112.8
164,3
0,30
71,3
146,3
201,9
Метилцелюлоза
0,10
17,8
60,0
92,7
0,20
24,9
69,8
110,0
0,30
30,0
86,2
146,7
0,30
28,4
55,0
93,8
Желатин
0,40
34,1
73,9
102,6
0,5
37,6
85,8
132,0


Коментарі

Популярні дописи з цього блогу

ХІМІЧНИЙ СКЛАД, ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ, ХАРЧОВА ТА БІОЛОГІЧНА ЦІННІСТЬ ЗНЕЖИРЕНОГО МОЛОКА, МАСЛЯНКИ ТА МОЛОЧНОЇ СИРОВАТКИ

ТЕПЛОФІЗИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕРШКОВОГО МАСЛА

ПРОСТОКВАША