ТЕПЛОФІЗИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛОЧНОГО ЖИРУ
Теплофізичні характеристики молочного жиру
Молочних жир використовують під час
виробництва регенерованих продуктів (вершкове масло, молоко, вершки, сметана
тощо), а також у кулінарії.
Характеристики молочного жиру потрібні для
проектування та експлуатації будь-якого обладнання молочних виробництв,
оскільки він є основним складником молочних продуктів.
Динаміку залежності основних ТФХ вершків від
вмісту молочного жиру за додатних температур досліджено комплексним
теплометричним методом і наведено в табл. 1, 2 і 3.
Таблиця 1. Теплоємність
вершків і молочного жиру с, Дж/(кг·К)
|
Продукт
|
Температура,
ºС
|
||||||
|
Вершки
жирністю, %:
|
5
|
10
|
20
|
30
|
40
|
50
|
60
|
|
10
|
4150
|
4000
|
3850
|
3830
|
3770
|
3790
|
3810
|
|
20
|
4380
|
4050
|
3750
|
3710
|
3580
|
3600
|
3620
|
|
30
|
4610
|
4110
|
3660
|
3580
|
3380
|
3410
|
3435
|
|
40
|
4850
|
4170
|
3560
|
3450
|
3180
|
3210
|
3250
|
|
50
|
5070
|
4230
|
3470
|
3330
|
2980
|
3020
|
3060
|
|
60
|
5290
|
4290
|
3370
|
3200
|
2790
|
2830
|
2870
|
|
70
|
5520
|
4350
|
3280
|
3080
|
2590
|
2630
|
2680
|
|
80
|
5750
|
4410
|
3180
|
2950
|
2390
|
2440
|
2690
|
|
Молочний
жир
|
3000
|
3540
|
4300
|
3640
|
2400
|
2270
|
–
|
Таблиця 2. Теплопровідність
вершків та молочного жиру l,
Вт/(м·К)
|
Продукт
|
Температура,
ºС
|
|||||||
|
Вершки
жирністю, %:
|
5
|
15
|
25
|
35
|
45
|
55
|
65
|
75
|
|
10
|
0,472
|
0,484
|
0,494
|
0,505
|
0,516
|
0,527
|
0,538
|
0,549
|
|
20
|
0,419
|
0,428
|
0,438
|
0,446
|
0,454
|
0,463
|
0,472
|
0,481
|
|
30
|
0,370
|
0,377
|
0,384
|
0,390
|
0,397
|
0,404
|
0,411
|
0,417
|
|
40
|
0,327
|
0,332
|
0,337
|
0,342
|
0,347
|
0,352
|
0,357
|
0,361
|
|
50
|
0,286
|
0,289
|
0,292
|
0,295
|
0,299
|
0,302
|
0,305
|
0,309
|
|
60
|
0,255
|
0,257
|
0,259
|
0,261
|
0,262
|
0,264
|
0,266
|
0,268
|
|
70
|
0,226
|
0,227
|
0,228
|
0,228
|
0,229
|
0,230
|
0,230
|
0,231
|
|
80
|
0,204
|
0,204
|
0,203
|
0,203
|
0,203
|
0,202
|
0,202
|
0,202
|
|
Молочний
жир
|
0,167
|
0,172
|
0,170
|
0,169
|
0,167
|
0,165
|
0,164
|
0,162
|
Таблиця 3. Температуропровідність
вершків та молочного жиру а·106, м2/с
|
Продукт
|
Температура,
ºС
|
|||||||
|
Вершки
жирністю, %:
|
5
|
15
|
25
|
35
|
45
|
55
|
65
|
75
|
|
10
|
0,111
|
0,121
|
0,126
|
0,131
|
0,135
|
0,138
|
0,141
|
0,144
|
|
20
|
0,094
|
0,109
|
0,116
|
0,123
|
0,127
|
0,129
|
0,132
|
0,134
|
|
30
|
0,080
|
0,098
|
0,106
|
0,109
|
0,119
|
0,121
|
0,122
|
0,124
|
|
40
|
0,067
|
0,088
|
0,097
|
0,107
|
0,112
|
0,113
|
0,114
|
0,115
|
|
50
|
0,058
|
0,078
|
0,088
|
0,098
|
0,104
|
0,104
|
0,105
|
0,105
|
|
60
|
0,049
|
0,071
|
0,081
|
0,093
|
0,099
|
0,098
|
0,098
|
0,099
|
|
70
|
0,042
|
0,064
|
0,075
|
0,088
|
0,094
|
0,093
|
0,092
|
0,092
|
|
80
|
0,037
|
0,059
|
0,069
|
0,0840
|
0,091
|
0,089
|
0,088
|
0,087
|
|
Молочний
жир
|
0,029
|
0,052
|
0,064
|
0,083
|
0,092
|
0,089
|
0,086
|
0,084
|
Вимірювання миттєвих значень температури та
густини теплового потоку в різних точках зразків молочного жиру дало змогу
визначити їхні основні ТФХ – с,
l та а – у діапазоні температур –80…+90 °С.
Ступінь розбіжності дослідних даних
характеризує середньоквадратичне відхилення (±) в кожній з формул, наведених
нижче.
В області твердого стану жиру теплоємність,
практично, не залежить від температури в діапазоні t = –75…–25 °С, кДж/(кг∙К),
с = 1,468 ± 0,009. (1)
У діапазоні t = –25…+37ºС до вимірюваної величини
теплоємності входить теплота плавлення. Перший пік плавлення має теплоємність
6,0 кДж/(кг∙К), а другий – 3,7 кДж/(кг∙К). Очевидно, ці значення залежать від
кількісного співвідношення фракцій молочного жиру. Плавлення закінчується за t = 37 °С. Теплоємність
розплавленого жиру, кДж/(кг·К),
с = 1,7613 + 0,00586t ± 0,156. (2)
Теплопровідність l, Вт/(м·К), твердого жиру зростає з
підвищенням температури в діапазоні t = –75…–25 °С:
l = 0,167
+ 0,000515t ±
0,047. (3)
З досягненням першого піку плавлення масова
частка рідкої фази починає переважати, тому теплопровідність l починає зменшуватися з підвищенням
температури t = +37…+90 ºС,
Вт/(м·К),
l = 0,174
+ 0,000515t ±
0,03. (4)
Зі збільшенням вмісту повітря в молочному
жирі його теплопровідність зменшується. Так, за вологості молочного жиру W = 14,5…16,8 % і вмісту повітря 0,1; 6,5 і 10,0 %
теплопровідність відповідно становить 0,21; 0,19 і 0,17 Вт/(м·К).
Температуропровідність а, м2/c, молочного жиру в твердому стані зростає та
має пік при t = –20…–25 °С:
а×108
= 11,5
+ 0,0418t + 2,88×10–5t2. (5)
З подальшим підвищенням температури
температуропровідність різко спадає до мінімуму при t = +15 °С, далі зростає з
підвищенням температури до t = +37 °С.
В інтервалі температури t = +37…+90 °С визначають а, м2/c,
а×108
= 10,58 – 0,0351t + 7,8×10–5t2. (6)
Під час плавлення твердого жиру та його
тверднення відбуваються гістерезисні явища: рідкі фракції жиру містяться
всередині твердих (або навпаки) по-різному в цих процесах, тригліцериди жиру
утворюють комплекси з різними енергіями зв’язку тощо. Істотно розрізняються
температури плавлення та тверднення жиру і його фракцій, отриманих у різні пори
року (табл. 4) та, навіть, місяці року (табл. 5).
Таблиця
4. Температура
плавлення і тверднення молочного жиру і його фракцій залежно від пори року
|
Об’єкт
дослідження
|
Температура,
ºС
|
Об’єкт
дослідження
|
Температура,
ºС
|
||
|
плавлення
|
тверднення
|
плавлення
|
тверднення
|
||
|
Молочний
жир
|
|
|
третя:
|
|
|
|
Зимовий
|
34,5
|
27,13
|
зимовий
жир
|
33,5
|
23,8
|
|
Осінній
|
31,3
|
22,13
|
літній жир
|
33,4
|
28,8; 22
|
|
Весняний
|
40,3
|
20,1; 12,1
|
четверта:
|
|
|
|
Літній
|
30,0
|
20
|
зимовий
жир
|
27,5
|
19,9
|
|
Фракції
молочного жиру
|
|
|
літній жир
|
22,1
|
15,5; 12,8
|
|
перша:
|
|
|
п'ята:
|
|
|
|
зимовий
жир
|
51,6
|
48,7
|
зимовий
жир
|
7,5
|
5,0
|
|
літній жир
|
52,8
|
49,2
|
літній жир
|
7,2
|
4,5; 2,5
|
|
друга:
|
|
|
|
|
|
|
зимовий
жир
|
45,8
|
42,0
|
|
|
|
|
літній жир
|
44,3
|
41,3
|
|
|
|
Таблиця
5.
Температура плавлення і тверднення
молочного жиру по місяцях року
|
Місяць
|
tплавл,ºС
|
tтверд,ºС
|
Місяць
|
tплавл,ºС
|
tтверд,ºС
|
|
Січень
|
35,28
|
25,32
|
Липень
|
37,4
|
25,22
|
|
Лютий
|
35,30
|
23,96
|
Серпень
|
36,3
|
23,18
|
|
Березень
|
37,63
|
23,70
|
Вересень
|
37,16
|
24,50
|
|
Квітень
|
35,43
|
23,60
|
Жовтень
|
37,6
|
25,30
|
|
Травень
|
34,30
|
22,55
|
Листопад
|
35,9
|
26,05
|
|
Червень
|
37,7
|
26,20
|
Грудень
|
–
|
–
|
Ефективна
теплоємність сеф
молочного жиру в зоні фазових перетворень складається з власне теплоємності
жиру с і теплоти l, що
виділяє (або поглинає) 1 кг
жиру в одиничному інтервалі зміни температури:
сеф = с + І. (7)
У цьому разі жир можна розглядати як
суміш: Х – кількість твердого жиру із
теплоємністю с' та (1–Х) – рідкого із с'', тоді
с = стХ + ср(1 – Х). (8)
У
результаті використання формул (6) та (7)отримаємо
с = 1,468Х + (1,7613 + 0,00586t)(1
– Х). (9)
Теплопровідність
молочного жиру в області фазових переходів описують формулою для бінарної
індиферентної композиції з компонентами рідкого та твердого жиру теплопровідністю
відповідно l' і l'':
l = l'×Х + l''×(1 – Х)
– 0,72×|l' – l''|×Х(1 – Х). (10)
Підстановкою в цю модель l' та l'' з формул (8) та (9)
одержано формули для визначення l в
області фазових перетворень:
в інтервалі t = –25…+10 °С
l = 0,174 – 0,000155t – (0,0067 – 0,00067t)(1,72Х – 0,72Х2); (11)
в
інтервалі t = +10…+37 °С
l = 0,174 – 0,000155t – (0,0067 – 0,00067t)(0,28Х + 0,72Х2). (12)
Середньоквадратичне відхилення дослідних
даних від підрахованих за формулами (14), (16), (17) становить 3…5 %.
Температуропровідність
молочного жиру в зоні фазових перетворень простіше розраховувати як а = l/(сr).
Густина
жиру r,
кг/м3, в інтервалі Т = 293…273
К, більша, якщо він охолоджується швидко, а не ступінчасто. За вищої температури
від 313 до 293 К ця різниця зникає (табл. 6).
Таблиця 6. Густина
молочного жиру
|
Охолодження
|
Температура
Т, К
|
||||||||
|
273
|
278
|
283
|
285
|
288
|
293
|
298
|
303
|
313
|
|
|
Швидке
|
961,8
|
955,0
|
946,4
|
944,4
|
940,2
|
929,9
|
921,9
|
914,4
|
903,6
|
|
Ступінчасте
|
955,2
|
950,5
|
941,9
|
–
|
934,3
|
926,9
|
922,1
|
914,3
|
903,6
|
Густина жиру коров’ячого молока залежить від
температури (Т = 293…303 К) і
визначається його характеристикою, кг/м3
для
тугоплавкого
r = 1341 + 1,4Т; (13)
для
нормального
r = 1279 – 1,4Т; (14)
для рідкого
r = 1095 – 0,6Т; (15)
Густина жиру майже не залежить від пори року.
Її значення визначають залежно від температури:
при Т = 293…333
К
r = 1121,3 – 0,69Т; (16)
при Т = 303…343 К
r = 1126 – 0,71Т; (17)
при Т = 273…363 К
r = 1125,7 – 0,708Т. (18)
Залежність густини емульсії жиру коров’ячого
молока від вмісту жиру Ж в емульсії за температури Т = 303 К наведено нижче:
|
Ж, %
|
0,50
|
1,00
|
2,00
|
4,00
|
10,0
|
15,0
|
48,0
|
|
r, кг/м3
|
728
|
820
|
837
|
888
|
913
|
918
|
922
|
Температурний коефіцієнт об’ємного розширення
жиру коров’ячого молока:
|
Т, К
|
303 … 313
|
313 … 323
|
323 … 333
|
333 … 373
|
|
b·103, К-1
|
0,78
|
0,79
|
0,79
|
0,80
|
Залежність
твердості молочного жиру від температури наведено в табл. 7.
Таблиця
7.
Залежність твердості молочного жиру від
температури
|
t, ºC
|
Твердість,
Н/см2
|
t, ºC
|
Твердість,
Н/см2
|
t, ºC
|
Твердість,
Н/см2
|
|
17
|
0,3256
|
0
|
6,8646
|
–14
|
14,4560
|
|
10
|
2,9420
|
–5
|
9,8066
|
–18
|
15,9799
|
|
5
|
4,3806
|
–9
|
12,9703
|
–25
|
21,0372
|
Розплавлений
молочний жир поводить себе як ньютонівська рідина, тобто його в’язкість не залежить
від швидкості деформації, тому його динамічна
в’язкість µ, Па∙с, залежить від температури нагрівання Т і температури плавлення Тпл
кожної фракції жиру.
Коментарі
Дописати коментар