Wyjaśnienia do bilansu cieplnego pomieszczeń chłodniczych

Pytanie: Dlaczego do obliczeń obciążenia cieplnego komory chłodniczej należy dokładnie podawać temperaturę początkową dostarczanego do niej towaru oraz temperaturę żądaną (temperaturę do jakiej chcemy schłodzić produkt) ? Jak wpływają te temperatury na końcowy wynik obliczeń, czyli na wydajność chłodniczą urządzenia?

Odpowiedź: Produkt spożywczy może być dostarczany do
komory chłodniczej lub mroźni jako:
• produkt świeży (po jego zbiorze, uboju lub połowie),
• produkt uprzednio schłodzony w innym miejscu, np. w
wychładzalni lub innej komorze chłodniczej,
• produkt zamrożony w innym miejscu, np. w zamrażalni
lub w innej mroźni.
Ciepło Q0 wnoszone do komory chłodniczej (chłodni) w świeżych produktach spożywczych, stanowi dużą pozycję w bilansie cieplnym tej komory. Opisuje je ilościowo wzór:
Qo = m * cp * (to – tt ) [kJ/24 godziny] (1)
gdzie:
m – masa ładowanych do chłodni (w ciągu doby)
produktów świeżych w [kg/24 godziny],
cp – ciepło właściwe produktu (zależne głównie od
ilości zawartej w nim wody) w [kJ/kg . K]
to – temperatura produktu świeżego w chwili jego
ładowania do komory w [°C],
tt – temperatura końcowa produktu wychłodzonego,
ustalana – zgodnie z wymaganiami technologii
chłodniczej żywności – indywidualnie dla
każdego rodzaju produktu [1].
Jak widać z równania (1) obciążenie cieplne komory Q0 jest
tym wyższe, im więcej produktów ładujemy w ciągu doby do
jej wnętrza, im wyższe jest ciepło właściwe produktu cp, a
także im większa jest różnica temperatury (to – tt ). Dlatego też dokładne określenie temperatury początkowej to ładowanego
do komory produktu świeżego, jest istotne dla sporządzanego
bilansu cieplnego tego obiektu, stanowiącego podstawę dla
późniejszego wyznaczenia niezbędnej mocy chłodniczej urządzenia – zawsze wiążącej się bezpośrednio z jego wielkością,
energochłonnością i ceną. Problem temperatury początkowej
produktu wprowadzanego do chłodni (komory chłodniczej)
przedstawia się inaczej niemal w każdym ogniwie łańcucha
chłodniczego.
Na przykład w chłodniach składowych, produkt świeży
dostarczany jest najpierw do wychładzalni, gdzie wskutek
schłodzenia, jego temperatura obniża się do poziomu technologicznej temperatury tt. Wychłodzony w ten sposób produkt
przewożony jest następnie do komór chłodniczych, w których
jest przechowywany przy temperaturze tt. W takim przypadku równanie (1) dotyczyć będzie tylko wychładzalni. Natomiast dla wspomnianych komór chłodniczych mamy to= tt, czyli Qo= 0 – co oznacza, że komora chłodnicza nie jest w tym
przypadku obciążona ciepłem wprowadzanego do niej produktu. Podobnie sytuacja przedstawia się w przypadku jednostopniowego zamrażania produktu świeżego w zamrażalni.
Jednak przy zamrażaniu jednostopniowym nie obowiązuje
równanie (1), lecz równanie o postaci:
Qz = m [cp (to – tm ) + ζrw + cpz (tm – tz)] [kJ/24 godziny] (2)
gdzie:
Qz – ciepło obciążające bilans cieplny
zamrażalni przy jednostopniowym
zamrażaniu produktu od temperatury to
do tz w [kJ/24 godziny],
m, cp, to – jak w równaniu (1),
tm – średnia temperatura zamarzania produktu.
Zależnie od rodzaju produktu temperatura
początku zamarzania najczęściej
wynosi −1°C, a końca −3°C w [°C],
ζ – zawartość wody w produkcie w [%],
r – ciepło zamarzania wody w [kJ/kg],
cpz – ciepło właściwe produktu zamrożonego
w [kJ/kg K],
tz – końcowa technologiczna temperatura
zamarzania w [°C].
Zamrożony jednostopniowo produkt przewożony jest następnie do mroźni, w której jest przechowywany przy temperaturze tz. Mroźnia nie jest w tym przypadku obciążona ciepłem wprowadzanego do niej produktu. Produkty spożywcze
mogą być zamrażane również metodą dwustopniową. Produkt
(np. tusze lub połówki mięsne, drób patroszony, itp.) najpierw
ochładza się w wychładzalni zlokalizowanej, np. przy zakładach mięsnych lub drobiarskich, od temperatury początkowej
to do tt (około 0°C), a następnie przewozi się go chłodzonymi
środkami transportowymi do najbliższej chłodni składowej,
gdzie zostaje zamrożony w zamrażalni (najczęściej tunelowo−owiewowej) do temperatury końcowej tz. Zamrożony w
ten sposób produkt przewozi się wewnętrznymi środkami
transportowymi (wózkami platformowymi lub kontenerowymi) do znajdującej się obok mroźni, w której, tak jak uprzednio, jest przechowywany (bez obciążenia ciepłem produktu)
przy temperaturze tz. Mroźnia jest wtedy obciążona tylko ciepłem przenikania przez przegrody (ściany, stropy i posadzki),
ciepłem oświetlenia, pracy ludzi i sprzętu, wentylacji oraz ciepłem przy odszranianiu chłodnic powietrza. W takim przypadku zamrażania w równaniu (2) zamiast (to – tm) przyjmujemy (tt – tm). Warto wiedzieć, że dwustopniowy sposób zamrażania żywności należy do najbardziej energooszczędnych. Produkty schłodzone i zamrożone w chłodni, a następnie w niej
przechowywane, mogą być – i najczęściej są – przewożone
przy użyciu chłodniczych środków transportowych do niższych ogniw łańcucha chłodniczego, np. do chłodni lub mroźni
stanowiących zaplecze towarowe sieci handlowej, np. supermarketów, dużych sklepów, restauracji, barów, szpitali, itp.
Toteż ważną rzeczą jest w takich przypadkach, aby temperatura w chłodniczych środkach transportowych nie była wyższa od temperatury komory chłodniczej lub mroźni, w których przewożony towar będzie, po rozładowaniu, przechowywany. W przeciwnym razie produkt może wymagać dochłodzenia lub domrożenia.
Aczkolwiek doładowywanie produktów świeżych do komór chłodniczych lub mroźni zawierających produkty schłodzone bądź zamrożone, nie jest dobrą praktyką technologiczną,
to jednak praktyka taka nie rzadko ma miejsce w sieci handlowej i gospodarstwie domowym. Doładowywany produkt świeży obciąża dodatkowo cieplnie komorę lub mroźnię. Przy sporządzaniu bilansu cieplnego takich obiektów oraz dobieraniu
mocy chłodniczej urządzeń, należy zawsze uwzględnić dodatkową dobową dostawę produktów oraz ich rzeczywistą
temperaturę początkową to, która niemal w każdym przypadku może być nieco inna.
Z tego rodzaju problemami spotykają się najczęściej warsztaty prowadzące montaż i serwis urządzeń chłodniczych, które dla dobrania ekonomicznej mocy urządzeń, zmuszone są
do sporządzania bilansów cieplnych komór [2]. Reasumując
można stwierdzić, że ciepło zawarte w świeżych produktach
spożywczych obciąża tylko bilans cieplny wychładzalni oraz
zamrażalni jednostopniowej. Nie obciąża natomiast komór
chłodniczych i mroźni, do których dostarczany jest produkt
uprzednio schłodzony lub zamrożony w innym miejscu. Wyjątek mogą stanowić pomieszczenia chłodnicze w sieci handlowej. Sądzę, iż z powyższego tekstu wynikają jednoznaczne wnioski, co do wpływu temperatury początkowej i końcowej produktu, na dobieraną moc chłodniczą (wydajność chłodniczą) urządzeń – w tym wypadku sprężarek chłodniczych. Z
analizy powyższej wyłączyłem meble chłodnicze handlowe
oraz domowe, bowiem za bilans cieplny i dobór mocy chłodniczej urządzeń zawsze odpowiedzialni są producenci tego sprzętu.
Autor: Aleksander Paliwoda

Artykuł z cyklu „Czytelnicy pytają – dr Paliwoda odpowiada” ”Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna”

LITERATURA:
1. Paliwoda A.: Technologia chłodnicza dla mechaników –
w zarysie. „TECHNIKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA”, Nr 4/1998.
2. Termo Schiessl, Warszawa.: „Program komputerowy do
wyznaczania (dla klientów) mocy chłodniczej urządzeń
w oparciu o uprzednio sporządzony bilans cieplny komór
chłodniczych”.