Определение суточного расхода холода на замораживание филе трески: Детальный расчетный алгоритм для специалистов и студентов

В современном мире, где пищевая безопасность и энергоэффективность являются краеугольными камнями устойчивого развития, точный расчет расхода холода в холодильной технологии становится не просто инженерной задачей, а критически важным элементом стратегического планирования. Каждый киловатт, каждый Джоуль холода, отводимый от продукта, напрямую влияет на себестоимость, качество конечной продукции и экологический след производства. Особенно это актуально для скоропортящихся продуктов, таких как рыба, где некорректно рассчитанные параметры замораживания могут привести к значительным потерям, снижению пищевой ценности и ухудшению органолептических свойств. И что из этого следует? Неточность в расчетах чревата не только финансовыми потерями, но и репутационными рисками, подрывая доверие потребителей к производителю.

Данный документ разработан как исчерпывающее руководство для студентов и аспирантов технических специальностей, таких как «Технология рыбы и рыбных продуктов», «Холодильная техника и технология» и «Пищевая инженерия». Его основная цель — предоставить глубокий, пошаговый алгоритм расчета суточного расхода холода, необходимого для замораживания филе трески. Мы стремимся не просто представить формулы, но и раскрыть методологические основы, подкрепив их конкретными справочными данными и детализированными примерами, позволяющими не только успешно выполнить учебные расчеты, но и подготовиться к реальным производственным задачам, где точность и обоснованность решений играют решающую роль.

Актуальность представленного анализа обусловлена необходимостью оптимизации процессов замораживания. Точный расчет расхода холода позволяет:

• Определить требуемую холодопроизводительность оборудования, избегая как избыточных затрат на покупку мощных, но неэффективных систем, так и дефицита холода, ведущего к удлинению процесса замораживания и ухудшению качества продукта.
• Минимизировать эксплуатационные расходы, связанные с потреблением электроэнергии.
• Обеспечить стабильное и равномерное замораживание, что критически важно для сохранения структуры, вкуса и пищевой ценности филе трески.
• Соблюдать санитарные нормы и технологические регламенты, гарантируя безопасность продукции для потребителя.

В рамках этого документа мы последовательно ответим на ключевые вопросы: от методологии определения массы филе с учетом отходов разделки до применения сложных теплофизических характеристик и учета всех возможных источников потерь холода. Каждый этап расчета будет детализирован, снабжен необходимыми формулами и справочными данными, что позволит читателю глубоко понять логику процесса и применять полученные знания на практике, ведь понимание каждого шага — залог принятия взвешенных решений в производстве.

Основные термины и понятия в холодильной технологии замораживания

Прежде чем приступить к сложным инженерным расчетам, важно заложить прочный фундамент понимания ключевых терминов. В холодильной технологии, как и в любой другой инженерной дисциплине, точность формулировок является залогом корректности всех последующих шагов. Без ясного осознания того, что стоит за каждым понятием, невозможно осмысленно применять формулы и интерпретировать результаты, поэтому представляем основные дефиниции, которые станут нашими ориентирами в этом анализе.

Удельная теплоемкость продукта

Представьте, что вы нагреваете или охлаждаете два разных вещества, например, воду и песок. Чтобы изменить температуру воды на один градус, потребуется значительно больше энергии, чем для песка. Это различие обусловлено удельной теплоемкостью — фундаментальной теплофизической характеристикой, которая количественно выражает способность вещества аккумулировать тепловую энергию. Формально, удельная теплоемкость (обозначается как с, измеряется в кДж/(кг·К) или ккал/(кг·°С)) — это количество теплоты, необходимое для нагревания или охлаждения 1 кг вещества на 1 градус Цельсия (или Кельвина).

В контексте пищевых продуктов, таких как филе трески, удельная теплоемкость имеет свои особенности. Она существенно меняется при переходе из незамороженного состояния в замороженное. Это происходит из-за того, что вода, основной компонент рыбы, имеет высокую удельную теплоемкость (около 4,19 кДж/(кг·К)), а лед — значительно меньшую (около 2,05 кДж/(кг·К)). Таким образом, удельная теплоемкость незамороженного филе (с_нз) будет выше, чем замороженного (с_з), поскольку в первом случае большая часть воды находится в жидком состоянии. Эта зависимость от состава и температуры критически важна для точных расчетов расхода холода на каждом этапе замораживания, ведь упущение этого нюанса может привести к серьезным погрешностям в конечном результате.

Скрытая теплота фазового перехода (теплота льдообразования)

Если удельная теплоемкость описывает энергию, связанную с изменением температуры, то скрытая теплота фазового перехода говорит о совершенно ином процессе — изменении агрегатного состояния вещества без изменения его температуры. Самый наглядный пример — это кипение воды при 100 °С или таяние льда при 0 °С. В холодильной технологии нас интересует именно процесс льдообразования, то есть переход воды из жидкого состояния в твердое.

Скрытая теплота льдообразования (r_л, измеряется в кДж/кг) — это количество теплоты, которое должно быть отведено от 1 кг воды, чтобы она перешла в лед при постоянной температуре (обычно при 0 °С для чистой воды). Важно понимать, что этот процесс требует отвода значительного количества энергии, даже если термометр не показывает изменений. Для пищевых продуктов, где вода не является чистой, а содержит растворенные соли и другие вещества, фазовый переход происходит в диапазоне температур, а не в одной точке. Однако, для инженерных расчетов принято использовать удельную теплоту льдообразования чистой воды как базовое значение (335 кДж/кг), корректируя ее на долю вымороженной воды.

Криоскопическая температура

Чистая вода замерзает при 0 °С. Но если вы когда-либо охлаждали морскую воду или сладкий напиток, то замечали, что они начинают замерзать при температурах ниже нуля. Это явление объясняется эффектом понижения точки замерзания при наличии растворенных веществ. В пищевых продуктах, таких как филе рыбы, тканевые соки представляют собой сложный раствор солей, белков, жиров и углеводов. Поэтому процесс замерзания воды в них начинается не при 0 °С.

Криоскопическая температура (t_кр, измеряется в °С) — это критическая точка, температура начала замерзания тканевых соков продукта. При этой температуре первые кристаллы льда начинают формироваться, а концентрация растворенных веществ в оставшейся незамерзшей воде увеличивается, что приводит к дальнейшему понижению точки замерзания. Для филе трески эта температура составляет около -0,91 °С. Понимание криоскопической температуры абсолютно необходимо, так как она служит естественной границей между этапами охлаждения и непосредственного замораживания продукта, определяя начальный пункт для этапа фазового перехода.

Расход холода

Наконец, расход холода — это обобщающее понятие, которое интегрирует все вышеперечисленные процессы. Это общее количество тепловой энергии, которое необходимо отвести от продукта или системы для достижения заданных температурных условий или фазового состояния. Расход холода измеряется в Джоулях (Дж), килоджоулях (кДж) или гигаджоулях (ГДж), а в контексте мощности — в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт) (при переводе в единицу времени).

Когда мы говорим о замораживании филе трески, расход холода складывается из нескольких компонент:

1. Охлаждение продукта от начальной температуры до криоскопической.
2. Замораживание (фазовый переход), то есть отвод скрытой теплоты льдообразования.
3. Доохлаждение замороженного продукта от криоскопической температуры до конечной температуры хранения.

Кроме того, в общий расход холода включаются все дополнительные теплопритоки извне (через ограждающие конструкции, при открытии дверей) и внутренние источники тепла (от оборудования, персонала, освещения). Точный расчет всех этих составляющих позволяет определить общую требуемую холодопроизводительность установки и, как следствие, обеспечить эффективное и экономичное функционирование холодильной системы. А что если не учесть все эти составляющие? Тогда можно столкнуться с недостаточной мощностью оборудования и, как следствие, с производственными задержками или ухудшением качества продукта.

Методология расчета исходной массы филе трески (детальный подход)

Точность определения необходимого расхода холода начинается задолго до того, как продукт попадает в морозильную камеру. Первым и одним из наиболее важных шагов является корректное определение массы самого продукта, который будет подвергаться замораживанию. В нашем случае это филе трески. Однако филе не появляется «из ниоткуда»; оно является результатом разделки цельной свежей рыбы, и этот процесс всегда сопряжен с потерями, или отходами. Игнорирование этих потерь или их неточный учет приведет к значительным погрешностям в конечном расчете холода.

Учет заданной производительности цеха по свежей рыбе

Отправной точкой для любого производственного расчета является производительность цеха. В данном контексте это объем свежей рыбы (трески), поступающей на переработку в течение суток. Этот показатель (например, в тоннах или килограммах в сутки) является «массой брутто», из которой будет получена целевая продукция — филе.

Производительность цеха задается исходя из плановых объемов производства, мощностей оборудования и доступности сырья. Например, если цех рассчитан на переработку 10 тонн свежей трески в сутки, то именно эта цифра будет нашим базисом. Важно убедиться, что производительность выражена в тех же единицах измерения, что и остальные параметры, или привести их к единому знаменателю (например, все в килограммах).

Детализация процентов отходов при разделке трески

Процент отходов при разделке рыбы — это не универсальная константа. Он значительно варьируется в зависимости от множества факторов:

• Вид рыбы: Разные виды рыб имеют разное соотношение мышечной ткани, костей, головы и внутренностей.
• Размер рыбы: Крупная рыба обычно имеет меньший процент отходов относительно общей массы, чем мелкая.
• Способ разделки: Именно этот фактор является ключевым для наших расчетов. Различные виды разделки дают разный выход филе.

Для трески, которая является объектом нашего анализа, проценты отходов могут быть следующими:

• Филе с кожей и реберными костями из потрошеной обезглавленной трески: Отходы составляют около 20%. Это относительно «грубая» разделка, когда часть костей и кожа остаются.
• Филе с кожей без реберных костей из потрошеной обезглавленной трески: Отходы увеличиваются до 21%. Удаление реберных костей требует дополнительной обработки и ведет к небольшому увеличению потерь.
• Филе без кожи и костей из потрошеной обезглавленной трески: Общие потери могут достигать 25%. Это более глубокая разделка, направленная на получение максимально чистого продукта.
• Филе без кожи и костей из неразделанной трески: В этом случае выход филе составляет около 42,7%, что означает колоссальные 57,3% отходов. Это самый высокий процент потерь, поскольку в «отходы» уходит голова, внутренности, кожа, кости.
• Филе, выпускаемое промышленностью (стандартизированное): Иногда приводится усредненное значение отходов в 14%, что может быть характерно для крупнотоннажного производства с оптимизированными технологиями.

Выбор процента отходов для расчета: Для максимально точного расчета необходимо знать конкретный технологический процесс, применяемый на производстве. Если речь идет о получении высококачественного филе без кожи и костей из потрошеной обезглавленной трески, то целесообразно принять процент отходов в диапазоне 21-25%. Если условия не заданы жестко, можно использовать среднее значение или то, которое наиболее приближено к типичным производственным стандартам для данного вида продукции.

Формула расчета суточной массы нетто филе

После того как мы определили производительность цеха по свежей рыбе и выбрали соответствующий процент отходов, можно рассчитать суточную массу филе, которая будет отправлена на замораживание.

Формула для расчета массы нетто (массы филе) выглядит следующим образом:


Массафиле суточная = Производительностьцеха × (100 − % отходов)/100


Где:

• Массафиле суточная — суточная масса филе трески, предназначенная для замораживания, в килограммах (кг).
• Производительностьцеха — суточная масса свежей трески (рыбы-сырца), поступающей на переработку, в килограммах (кг).
• % отходов — процент отходов при разделке трески, соответствующий выбранному технологическому процессу.

Пример: Допустим, производительность цеха по свежей треске составляет 5000 кг/сутки (5 тонн/сутки). Для производства филе без кожи и костей из потрошеной обезглавленной трески принят процент отходов 25%.

Тогда суточная масса филе составит:


Массафиле суточная = 5000 кг × (100 − 25)/100 = 5000 кг × 75/100 = 5000 кг × 0.75 = 3750 кг


Таким образом, на замораживание будет поступать 3750 кг филе трески в сутки. Эта цифра станет отправной точкой для всех последующих расчетов расхода холода.

Теплофизические характеристики филе трески для точного расчета

Расчет расхода холода — это игра с тепловой энергией, и, как и в любой точной науке, для успеха необходимы максимально точные «правила игры». В данном случае эти правила задаются теплофизическими характеристиками продукта. Филе трески — это сложная биологическая система, и ее реакция на изменение температуры описывается рядом специфических параметров. Использование усредненных или неточных данных может привести к значительным ошибкам в расчетах, что в производственных масштабах чревато как экономическими, так и технологическими потерями.

Криоскопическая температура филе трески (t_кр)

Как мы уже упоминали, криоскопическая температура — это точка начала замерзания тканевых соков. Для чистой воды это 0 °С, но для биологических тканей, содержащих соли, белки и другие растворенные вещества, она всегда ниже. Для атлантической трески экспериментально установлено, что криоскопическая температура составляет примерно -0,91 °С.

В инженерных расчетах для удобства и с учетом допустимой погрешности часто принимают -1 °С как типовое значение для криоскопической температуры рыбы. Для наших целей мы будем использовать -0,91 °С как более точное значение, но важно помнить, что в зависимости от требований к точности и доступности справочных данных, можно использовать и -1 °С. Выбор этого значения критичен, так как оно разделяет этапы охлаждения и фазового перехода, а также является одной из границ температурного диапазона для этапа доохлаждения.

Удельная теплоемкость незамороженного филе (c_нз)

Удельная теплоемкость филе, находящегося выше криоскопической температуры, напрямую зависит от его химического состава, в первую очередь от содержания воды. Чем выше содержание воды, тем ближе удельная теплоемкость продукта к удельной теплоемкости воды.

Общая формула для расчета удельной теплоемкости пищевых продуктов (выше криоскопической температуры) часто основывается на массовых долях компонентов:


cнз = Wводы · cводы + Wсухие в-ва · cсухие в-ва


Где:

• cнз — удельная теплоемкость незамороженного филе, кДж/(кг·К).
• Wводы — массовая доля воды в филе, доли единицы.
• cводы — удельная теплоемкость воды, ≈ 4,19 кДж/(кг·К).
• Wсухие в-ва — массовая доля сухих веществ в филе, доли единицы.
• cсухие в-ва — средняя удельная теплоемкость сухих веществ рыбы, принимается в диапазоне от 1,38 до 1,68 кДж/(кг·К).

Для атлантической трески массовая доля воды составляет около 81,86% (т.е. W_воды = 0,8186). Соответственно, массовая доля сухих веществ будет 1 — 0,8186 = 0,1814. Принимая среднюю удельную теплоемкость сухих веществ как 1,53 кДж/(кг·К), получим:


cнз = 0,8186 · 4,19 кДж/(кг·К) + 0,1814 · 1,53 кДж/(кг·К)
cнз ≈ 3,429 + 0,277 ≈ 3,706 кДж/(кг·К)


Таким образом, для расчетов мы примем c_нз ≈ 3,706 кДж/(кг·К).

Удельная теплоемкость замороженного филе (c_з)

После того как продукт полностью или большей частью заморожен, его теплофизические свойства значительно меняются. Удельная теплоемкость замороженного филе (c_з) становится существенно ниже, поскольку основная часть воды перешла в лед.

Для технических расчетов удельная теплоемкость мороженой рыбы часто принимается равной 2 кДж/(кг·К). В более детализированных справочниках можно встретить значения около 1,8 кДж/(кг·К). Для нашего расчета мы будем использовать усредненное, но достаточно точное значение c_з ≈ 1,9 кДж/(кг·К), которое находится в пределах указанных диапазонов и обеспечивает хорошую точность для инженерных расчетов.

Скрытая теплота льдообразования (r_л) и содержание воды (W)

Эти два параметра неразрывно связаны, так как скрытая теплота отводится именно при замерзании воды в продукте.

• Скрытая теплота льдообразования (r_л): Это универсальное значение для воды, равное 335 кДж/кг. Именно столько энергии необходимо отвести от 1 кг воды, чтобы превратить ее в лед при 0 °С.
• Содержание воды (W): Как уже упоминалось, в филе атлантической трески массовая доля воды составляет около 81,86% (или 0,8186 в долях единицы). Это значение будет использовано для определения общего количества воды, потенциально способной к замерзанию.

Детальное определение доли вымороженной воды (ω)

Важно понимать, что при замораживании пищевых продуктов далеко не вся вода превращается в лед, особенно при температурах, не достигающих очень низких значений (ниже -30…-40 °С). Часть воды остается в незамерзшем состоянии из-за высокой концентрации растворенных веществ в межклеточных жидкостях. Доля вымороженной воды (ω) критически зависит от конечной температуры замораживания.

Типовые значения доли вымороженной воды:

• При -4 °С: вымораживается около 75% воды.
• При -5 °С: около 75% воды.
• При -10 °С: более 80% воды.
• При -20 °С: около 90% воды.
• Для глубокой заморозки до -30 °С и ниже можно принять ω ≈ 0,9-0,95.

Для повышения точности расчета, особенно при различных заданных конечных температурах замораживания, целесообразно использовать эмпирические уравнения. Одним из таких является уравнение Чижова:


ω = A / (1 + B / lg|t|)


Где:

• ω — доля вымороженной воды (доли единицы).
• A и B — эмпирические коэффициенты. Для продуктов с криоскопической температурой около -1 °С (что соответствует рыбе) принимаются A = 110,5 и B = 0,31.
• t — конечная температура замороженной рыбы, взятая по абсолютной величине, °С. Важно использовать именно абсолютное значение температуры, так как логарифм отрицательного числа не определен в действительных числах.

Пример применения уравнения Чижова: Допустим, конечная температура замораживания филе трески составляет -25 °С. Тогда |t| = 25.


ω = 110,5 / (1 + 0,31 / lg(25))
lg(25) ≈ 1,3979
ω = 110,5 / (1 + 0,31 / 1,3979) = 110,5 / (1 + 0,2217) = 110,5 / 1,2217 ≈ 90,45%


Таким образом, при конечной температуре -25 °С вымораживается около 90,45% воды, что соответствует ω = 0,9045. Это значительно более точный подход, чем простое округление до 0,9. Применение этого уравнения позволяет учесть зависимость процесса фазового перехода от конечной температуры и повысить достоверность расчетов.

В следующей таблице представлены ключевые теплофизические характеристики филе трески, которые будут использоваться в наших расчетах:

Характеристика	Обозначение	Значение	Единица измерения	Примечание
Криоскопическая температура	tкр	-0,91	°С	Температура начала замерзания тканевых соков
Удельная теплоемкость незамороженного филе	cнз	3,706	кДж/(кг·К)	Рассчитано для 81,86% воды и 1,53 кДж/(кг·К) сухих веществ
Удельная теплоемкость замороженного филе	cз	1,9	кДж/(кг·К)	Типовое значение для мороженой рыбы
Скрытая теплота льдообразования	rл	335	кДж/кг	Удельная теплота фазового перехода воды
Массовая доля воды	W	0,8186	доли ед.	Содержание воды в филе атлантической трески
Эмпирический коэффициент А (Чижов)	А	110,5	—	Для расчета доли вымороженной воды
Эмпирический коэффициент В (Чижов)	В	0,31	—	Для расчета доли вымороженной воды

Основные формулы для расчета полезного расхода холода на замораживание продукта

Процесс замораживания — это не одномоментное событие, а последовательность фаз, каждая из которых требует отвода определенного количества теплоты. Для упрощения анализа и расчетов, холодильная технология выделяет три основных этапа, каждый из которых характеризуется своим уникальным физическим процессом и, соответственно, своей формулой для расчета расхода холода. Объединение этих трех компонентов дает нам полезный расход холода — то количество энергии, которое непосредственно отводится от самого продукта.

Расход холода на охлаждение филе до криоскопической температуры (Q₁)

Первый этап — это снижение температуры продукта от его начального состояния до момента, когда в нем начинают образовываться первые кристаллы льда, то есть до криоскопической температуры. На этом этапе вся вода в продукте находится в жидком состоянии, и процесс описывается формулой для отвода явной теплоты.

Формула для расчета Q₁:


Q1 = m · cнз · (tн − tкр)


Где:

• Q1 — расход холода на охлаждение филе до криоскопической температуры, кДж.
• m — масса продукта (филе трески), кг. Это та суточная масса филе, которую мы рассчитали на предыдущем этапе.
• cнз — удельная теплоемкость незамороженного филе, кДж/(кг·К). Мы приняли ее равной 3,706 кДж/(кг·К).
• tн — начальная температура продукта, °С. Это температура филе перед началом замораживания (например, температура после разделки и мойки).
• tкр — криоскопическая температура продукта, °С. Для филе трески мы используем -0,91 °С.

Пояснение: Формула отражает количество энергии, которое необходимо «извлечь» из массы m продукта, чтобы понизить его температуру на (tн - tкр) градусов, учитывая его способность аккумулировать тепло (cнз). Важно, чтобы tн была выше tкр, иначе этот этап отсутствует.

Расход холода на процесс фазового перехода (замораживание) (Q₂)

Этот этап является наиболее энергоемким в процессе замораживания. Здесь отводится скрытая теплота льдообразования, когда вода в продукте переходит из жидкого состояния в твердое. Температура продукта при этом остается практически постоянной, близкой к криоскопической, пока большая часть воды не замерзнет.

Формула для расчета Q₂:


Q2 = m · W · ω · rл


Где:

• Q2 — расход холода на фазовый переход (замораживание), кДж.
• m — масса продукта (филе трески), кг.
• W — массовая доля воды в продукте, доли единицы. Для филе трески это 0,8186.
• ω — доля вымороженной воды (от общего содержания воды), доли единицы. Это значение, которое мы определяем с помощью уравнения Чижова или принимаем по справочным данным в зависимости от конечной температуры.
• rл — удельная теплота льдообразования, кДж/кг. Принимается равной 335 кДж/кг.

Пояснение: Эта формула учитывает, что скрытую теплоту отдает только та часть воды в продукте (m ⋅ W), которая фактически замерзает (ω). Количество отводимой теплоты прямо пропорционально массе продукта, содержанию воды в нем и доле этой воды, которая превращается в лед, умноженной на удельную теплоту льдообразования.

Расход холода на доохлаждение замороженного филе (Q₃)

После того как основная масса воды в продукте замерзла, начинается третий этап — доохлаждение уже замороженного продукта до заданной конечной температуры хранения. На этом этапе температура продукта снова понижается, и процесс снова описывается отводом явной теплоты, но уже с использованием удельной теплоемкости замороженного продукта.

Формула для расчета Q₃:


Q3 = m · cз · (tкр − tск)


Где:

• Q3 — расход холода на доохлаждение замороженного филе, кДж.
• m — масса продукта (филе трески), кг.
• cз — удельная теплоемкость замороженного филе, кДж/(кг·К). Мы приняли ее равной 1,9 кДж/(кг·К).
• tкр — криоскопическая температура продукта, °С. Для филе трески это -0,91 °С.
• tск — средняя конечная температура замороженного продукта, °С. Это требуемая температура, до которой продукт должен быть заморожен для длительного хранения (например, -18 °С или -25 °С).

Пояснение: Здесь мы отводим теплоту для понижения температуры замороженного продукта от криоскопической точки tкр до конечной tск. Важно, чтобы tск была ниже tкр, и в формуле используется разность температур (tкр - tск), чтобы получить положительное значение расхода холода.

Суммарный полезный расход холода на продукт (Q_{продукт})

После того как мы рассчитали расход холода на каждом из трех основных этапов, мы можем определить общий полезный расход холода, который требуется непосредственно для обработки филе трески.

Формула для расчета Q_{продукт}:


Qпродукт = Q1 + Q2 + Q3


Где:

• Qпродукт — суммарный полезный расход холода на замораживание продукта, кДж.
• Q1, Q2, Q3 — расходы холода на соответствующие этапы, рассчитанные выше.

Это значение Qпродукт представляет собой минимально необходимое количество холода, которое нужно отвести от филе. Однако это лишь часть общего суточного расхода холода на производстве, поскольку в реальной системе существуют и другие источники теплопритоков, которые мы рассмотрим в следующем разделе.

Детальный учет дополнительных потерь холода и теплопритоков

В идеальном мире холодильная установка работала бы исключительно на замораживание продукта. В реальности же существуют многочисленные «потребители» холода, не связанные напрямую с продуктом, но неизбежные в процессе эксплуатации. Эти дополнительные потери и теплопритоки могут составлять значительную долю от общего расхода холода, и их игнорирование приведет к серьезной недооценке требуемой холодопроизводительности оборудования. Детальный учет этих факторов является признаком глубокого инженерного анализа.

Теплопритоки через ограждающие конструкции камеры

Морозильные камеры, несмотря на свою изоляцию, не являются абсолютно герметичными и теплоизолированными системами. Всегда происходит теплообмен с окружающей средой через стены, пол, потолок, двери. Этот процесс, называемый теплопередачей, является одним из основных источников теплопритоков.

Количество теплоты, поступающей через ограждающие конструкции, зависит от:

• Площади поверхности ограждений: Чем больше площадь, тем больше теплоприток.
• Разности температур: Чем больше разница между температурой внутри камеры и снаружи, тем интенсивнее теплообмен.
• Коэффициента теплопередачи (K) ограждающих конструкций: Этот параметр зависит от материала и толщины теплоизоляции. Чем он ниже, тем лучше изоляция.

Расчет теплопритоков через ограждения часто выполняется по формуле: Qогр = Σ(K ⋅ A ⋅ Δt), где K — коэффициент теплопередачи, A — площадь поверхности, Δt — разность температур. Однако для данного документа мы сосредоточимся на общем подходе к учету потерь, а не на детальном расчете каждого элемента ограждения, предполагая, что это будет учтено в комплексном коэффициенте потерь или рассчитано отдельно при проектировании камеры.

Расход холода на охлаждение и осушение воздуха

Каждое открытие двери камеры, работа вентиляционной системы или неплотности в уплотнениях приводят к поступлению теплого, влажного наружного воздуха внутрь. Этот воздух необходимо охладить до температуры камеры и, что особенно важно, осушить. При охлаждении влажного воздуха происходит конденсация или сублимация водяных паров (образование инея), что требует значительного расхода холода на отвод скрытой теплоты парообразования/сублимации.

Эти потери включают:

• Потери от инфильтрации: Проникновение воздуха через неплотности, чаще всего через дверные проемы.
• Потери от вентиляции: Если в камере предусмотрена принудительная вентиляция.
• Потери на осушение: Отведение скрытой теплоты конденсации влаги из поступающего воздуха.

Эти потери могут быть весьма существенными, особенно в камерах с частым открыванием дверей. Что находится между строк? Точный учет этих потерь часто становится ключевым фактором, определяющим реальную энергоэффективность всей системы, а их недооценка может привести к хроническому дефициту холода.

Тепловыделения от персонала, освещения и работающего оборудования

Люди, работающие внутри холодильных камер, являются источником теплоты. Количество выделяемого тепла зависит от температуры окружающей среды и интенсивности физической активности.

• Тепловыделения от людей:
  • При температуре от 0 до +5 °С: человек при легкой работе выделяет около 250 Вт, при средней физической нагрузке — около 350 Вт.
  • При температурах от -18 до -15 °С (типично для морозильных камер): эти значения увеличиваются до 290 Вт и 410 Вт соответственно, поскольку организм тратит больше энергии на поддержание температуры тела.

  Для расчета необходимо знать количество персонала и среднее время их нахождения в камере.

• Тепловыделения от освещения: Даже современные светодиодные светильники выделяют некоторое количество тепла. Для холодильных камер типичная плотность освещения составляет 8-15 Вт/м² площади пола.

  Расчет теплопритока от освещения может быть выполнен по формуле: Qосв = (Pосв ⋅ Aпола ⋅ tработы) / 24, где Pосв — установленная мощность освещения, Вт/м²; Aпола — площадь пола, м²; tработы — время работы освещения в сутки, часы.

• Тепловыделения от работающего технологического оборудования: Электродвигатели вентиляторов воздухоохладителей, насосы, транспортные системы внутри камеры — все это оборудование потребляет электроэнергию, которая почти полностью преобразуется в тепло внутри камеры.
  • Например, теплопритоки от электродвигателей вентиляторов воздухоохладителей могут составлять от 0,5 до 2 кВт в зависимости от размера камеры и мощности вентиляторов. Точные значения можно взять из паспортов оборудования.

Расход холода на охлаждение тары и упаковки

Филе трески редко замораживается без упаковки. Тара, будь то картонные коробки, полиэтиленовые пакеты или полипропиленовые контейнеры, также имеет свою массу и начальную температуру, и ее также необходимо охладить до конечной температуры замороженного продукта.

Расход холода на охлаждение тары (Q_тара) определяется по аналогии с охлаждением продукта (до криоскопической температуры):


Qтара = mт · cт · (tн − tк)


Где:

• Qтара — расход холода на охлаждение тары, кДж.
• mт — общая масса тары, кг (суточная).
• cт — удельная теплоемкость материала тары, кДж/(кг·К).
• tн — начальная температура тары, °С (обычно совпадает с температурой окружающей среды или помещения, где находится тара).
• tк — конечная температура тары, °С (совпадает с конечной температурой замороженного продукта, tск).

Удельные теплоемкости типовых упаковочных материалов при 20 °С:

• Сухой картон: ≈ 1,34 кДж/(кг·°С).
• Полиэтилен (ПЭ): от 1,55 до 2,8 кДж/(кг·°С). Для ориентировочных расчетов можно принять среднее значение около 2,2 кДж/(кг·°С).
• Полипропилен (ПП): ≈ 1,93 кДж/(кг·°С).

Для точного расчета необходимо знать массу одной единицы тары и количество таких единиц, используемых в сутки.

Применение коэффициента потерь холода для упрощенных расчетов

В случаях, когда нет возможности или необходимости в детальном расчете каждого из вышеперечисленных источников теплопритоков, можно использовать коэффициент потерь холода (k). Этот коэффициент представляет собой эмпирически определенное значение, которое умножается на полезный расход холода на продукт (и тару) для получения общего требуемого расхода холода.

Типовые значения коэффициента k варьируются от 1,1 до 1,3 (или 10-30% к полезному расходу холода).

• k = 1,1 (10%) — для хорошо изолированных камер с минимальными теплопритоками, редким открыванием дверей и небольшим количеством персонала.
• k = 1,2 (20%) — наиболее часто используемое значение для типовых камер со средними условиями эксплуатации.
• k = 1,3 (30%) — для камер с частым открыванием дверей, высокой интенсивностью работы, большим количеством персонала и оборудования, а также для систем с длинными трубопроводами или неидеальной изоляцией.

Таким образом, общая требуемая холодопроизводительность (или общий суточный расход холода) может быть определена как:


Qобщ = (Qпродукт + Qтара) · k


Важно понимать, что использование коэффициента k является упрощенным подходом. Он полезен для предварительных расчетов или при отсутствии детальной информации. Однако для проектировани�� крупных промышленных систем всегда предпочтительнее выполнять детальный расчет каждого источника теплопритоков, чтобы обеспечить максимальную точность и эффективность.

Пошаговый алгоритм расчета суточного расхода холода на замораживание филе трески

Пришло время объединить все теоретические знания и формулы в единую, логически выстроенную последовательность действий. Этот пошаговый алгоритм станет нашим путеводителем для выполнения исчерпывающего расчета суточного расхода холода, необходимого для замораживания филе трески. Представим, что перед нами стоит конкретная задача: определить суточный расход холода для цеха по производству замороженного филе трески.

Шаг 1: Определение суточной массы филе

Цель: Рассчитать массу филе трески, которая будет поступать на замораживание в течение суток, исходя из производительности цеха по свежей рыбе и технологических потерь.

Действия:

1. Определите производительность цеха по свежей треске в сутки (Масса_{рыбы свежей}).
2. Выберите или определите процент отходов (% отходов) при разделке трески на филе. Учитывайте вид разделки (с кожей/без кожи, с костями/без костей). Если вид разделки не указан, можно принять типовое значение 20-25% для филе без кожи и костей из потрошеной обезглавленной трески.
3. Примените формулу:


Массафиле суточная = Массарыбы свежей × (100 − % отходов)/100


Пример: Производительность цеха = 5000 кг/сутки; % отходов = 25%.


Массафиле суточная = 5000 кг * (100 - 25) / 100 = 3750 кг/сутки.


Шаг 2: Сбор и применение теплофизических характеристик

Цель: Определить все необходимые теплофизические параметры филе трески и условия замораживания.

Действия:

1. Начальная температура филе (t_н): Температура филе перед замораживанием (например, после разделки, мойки). Пусть будет +10 °С.
2. Конечная температура замороженного филе (t_ск): Требуемая температура продукта после замораживания. Пусть будет -25 °С.
3. Криоскопическая температура (t_кр): Для филе трески принимаем -0,91 °С.
4. Удельная теплоемкость незамороженного филе (c_нз): Принимаем 3,706 кДж/(кг·К).
5. Удельная теплоемкость замороженного филе (c_з): Принимаем 1,9 кДж/(кг·К).
6. Скрытая теплота льдообразования (r_л): Принимаем 335 кДж/кг.
7. Массовая доля воды в филе (W): Для атлантической трески принимаем 0,8186.
8. Доля вымороженной воды (ω): Используем уравнение Чижова для конечной температуры -25 °С:


ω = 110,5 / (1 + 0,31 / lg|-25|) ≈ 0,9045


Таким образом, ω = 0,9045.

Шаг 3: Расчет расхода холода на охлаждение до криоскопической температуры (Q₁)

Цель: Определить количество холода, необходимое для понижения температуры филе от начальной до криоскопической.

Действия: Применить формулу:


Q1 = Массафиле суточная · cнз · (tн − tкр)


Расчет:


Q1 = 3750 кг * 3,706 кДж/(кг·К) * (+10 °С - (−0,91 °С))
Q1 = 3750 * 3,706 * 10,91 ≈ 151528,68 кДж


Шаг 4: Расчет расхода холода на фазовый переход (Q₂)

Цель: Определить количество холода, необходимое для замерзания части воды в филе.

Действия: Применить формулу:


Q2 = Массафиле суточная · W · ω · rл


Расчет:


Q2 = 3750 кг * 0,8186 * 0,9045 * 335 кДж/кг
Q2 = 3750 * 0,8186 * 0,9045 * 335 ≈ 931980,5 кДж


Шаг 5: Расчет расхода холода на доохлаждение замороженного филе (Q₃)

Цель: Определить количество холода, необходимое для понижения температуры замороженного филе от криоскопической до конечной температуры хранения.

Действия: Применить формулу:


Q3 = Массафиле суточная · cз · (tкр − tск)


Расчет:


Q3 = 3750 кг * 1,9 кДж/(кг·К) * (−0,91 °С - (−25 °С))
Q3 = 3750 * 1,9 * (24,09) ≈ 171630,38 кДж


Шаг 6: Расчет суммарного полезного расхода холода на продукт (Q_{продукт})

Цель: Суммировать расходы холода на всех трех этапах замораживания филе.

Действия: Применить формулу:


Qпродукт = Q1 + Q2 + Q3


Расчет:


Qпродукт = 151528,68 кДж + 931980,5 кДж + 171630,38 кДж ≈ 1255139,56 кДж


Шаг 7: Учет дополнительных потерь и определение общего суточного расхода холода

Цель: Определить общий суточный расход холода, включая потери на тару и прочие теплопритоки.

Действия:

1. Расчет расхода холода на охлаждение тары (Q_тара):
   • Допустим, филе замораживается в полиэтиленовых пакетах, а затем укладывается в картонные коробки.
   • Предположим, суточная масса полиэтиленовой упаковки составляет 50 кг, а картонной тары — 150 кг.
   • Начальная температура тары (t_н) = +20 °С.
   • Конечная температура тары (t_к) = -25 °С (равна t_ск продукта).
   • c_{т_картон} = 1,34 кДж/(кг·К), c_{т_полиэтилен} = 2,2 кДж/(кг·К).

   
Qтара полиэтилен = 50 кг · 2,2 кДж/(кг·К) · (20 − (−25)) °С = 50 · 2,2 · 45 = 4950 кДж
Qтара картон = 150 кг · 1,34 кДж/(кг·К) · (20 − (−25)) °С = 150 · 1,34 · 45 = 9045 кДж


Qтара = 4950 + 9045 = 13995 кДж


2. Учет прочих потерь холода:
   • Для упрощенных расчетов применим коэффициент потерь холода (k). Для типового цеха со средними теплопритоками можно принять k = 1,2 (20% потерь).
   • Общий суточный расход холода (Q_{суточный общ}):

   
Qсуточный общ = (Qпродукт + Qтара) · k


   Расчет:

   
Qсуточный общ = (1255139,56 кДж + 13995 кДж) * 1,2
Qсуточный общ = 1269134,56 кДж * 1,2 ≈ 1522961,47 кДж


Итоговый суточный расход холода на замораживание 3750 кг филе трески составит приблизительно 1 522 961,47 кДж.

Перевод в кВт·ч (для оценки энергопотребления):

1 кВт·ч = 3600 кДж.


Qсуточный общ, кВт·ч = 1522961,47 кДж / 3600 кДж/кВт·ч ≈ 423,04 кВт·ч.


Этот пошаговый алгоритм позволяет систематически подойти к расчету и учесть все ключевые факторы, влияющие на потребление холода, обеспечивая максимально точный и обоснованный результат.

Заключение

Процесс замораживания пищевых продуктов, в частности филе трески, является сложным комплексом теплофизических и технологических явлений. Наш детальный расчетный алгоритм, представленный в этом документе, демонстрирует, что для достижения оптимальной эффективности и качества продукции необходим всесторонний подход к определению суточного расхода холода. Мы прошли путь от базовых определений и методологии расчета исходной массы сырья до глубокого анализа теплофизических характеристик продукта и исчерпывающего учета всех дополнительных источников теплопритоков.

Ключевая ценность данного материала заключается в его академической строгости и практической применимости. Мы не только предоставили основные формулы, но и подробно объяснили каждую переменную, привели конкретные справочные данные для филе трески и показали, как использовать эмпирические методы, такие как уравнение Чижова, для повышения точности расчетов доли вымороженной воды. Учет таких нюансов, как различные проценты отходов при разделке, удельные теплоемкости разных материалов тары, а также тепловыделения от персонала и оборудования, превращает упрощенный учебный расчет в инструмент, приближенный к реальным инженерным задачам, что, в конечном итоге, приводит к значительному улучшению производственных показателей.

Значимость комплексного подхода к расчету расхода холода трудно переоценить. Точные данные позволяют:

• Оптимизировать выбор холодильного оборудования: Избежать переизбытка мощности, влекущего за собой излишние капитальные и эксплуатационные затраты, или, наоборот, недостатка, ведущего к неэффективности и браку.
• Снизить производственные издержки: Энергопотребление холодильных систем является одной из основных статей расходов на предприятиях по переработке рыбы. Точный расчет позволяет выявить и устранить неэффективные звенья.
• Обеспечить высокое качество продукции: Правильно рассчитанный режим замораживания гарантирует сохранение органолептических, питательных и микробиологических свойств филе трески, что напрямую влияет на конкурентоспособность продукта на рынке.
• Минимизировать воздействие на окружающую среду: Энергоэффективные холодильные системы способствуют снижению выбросов парниковых газов и более рациональному использованию ресурсов.

Перспективы применения полученных знаний безграничны. Для студентов и аспирантов этот документ станет надежным пособием при выполнении курсовых проектов, дипломных работ и подготовке к экзаменам по холодильной технологии. Для практикующих инженеров и технологов он может служить ориентиром для аудита существующих систем или проектирования новых производственных линий, позволяя принимать обоснованные и эффективные решения в области холодильной обработки пищевых продуктов. В конечном итоге, глубокое понимание принципов расчета расхода холода — это не просто знание формул, а ключ к инновациям и устойчивому развитию в пищевой промышленности.

Список использованной литературы

1. Воскресенский Н.А., Лагунов Л.Л. Технология рыбных продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1968. 424 с.
2. Ершов А.М. Технология рыбы и рыбных продуктов. М.: Гиорд, 2006. 941 с.
3. Маслов А.М., Чубик И.А. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. М.: Пищевая промышленность, 1970. 184 с.
4. Зайцев В.П., Кизеветтер И.В. и др. Технология обработки водного сырья. М.: Пищевая промышленность, 1976. 696 с.
5. Родин Е.М. Холодильная технология рыбных продуктов. 2-е изд. М.: Агропромиздат, 1989. 303 с.
6. Треска — химический состав, пищевая ценность, БЖУ. URL: https://fitaudit.ru/catalog/food/264210/chemical (дата обращения: 24.10.2025).
7. Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. Упоминается в Thermalinfo.ru: Плотность рыбы, икры, теплоемкость, теплопроводность и другие свойства рыбных продуктов. URL: https://thermalinfo.ru/spravochnik/teplofizicheskie-svojstva-veshhestv/plotnost-ryby-ikry-teploemkost-teploprovodnost-i-drugie-svojstva-rybnyh-produktov (дата обращения: 24.10.2025).
8. Технологии обработки рыбы и морепродуктов. URL: http://fish.ferma.agronationale.ru/articles/technologies/item/352-tehnologii-obrabotki-ryby-i-moreproduktov (дата обращения: 24.10.2025).
9. Боташев А.Ю., Коркмазов Р.М., Малсугенов Р.С. Холодильное оборудование: Учебно-методическое пособие по выполнению курсового проекта. 2018. URL: https://www.ncsa.ru/images/doc/science/educational/books/2018/holodilnoe-oborudovanie.pdf (дата обращения: 24.10.2025).
10. Потери при тепловой и холодной обработке, химический состав: Треска потрошенная обезглавленная. URL: https://www.chefexpert.ru/articles/foodstuffs/treska-potroshennaya-obezglavlennaya/ (дата обращения: 24.10.2025).
11. Расчет расхода холода на замораживание рыбного сырья. URL: https://studfile.net/preview/9338600/page:21/ (дата обращения: 24.10.2025).
12. Технологии охлажденной и мороженой продукции, принципы консервирования холодом (ВНИРО). URL: https://vniro.ru/files/vniro_technologies_02_18.pdf (дата обращения: 24.10.2025).
13. Практические задания на тему: Решение задач по обработке рыбы. URL: https://infourok.ru/prakticheskie-zadaniya-na-temu-reshenie-zadach-po-obrabotke-ribi-3714209.html (дата обращения: 24.10.2025).
14. Нормы отходов свежей рыбы. URL: https://master-povar.ru/normy-othodov-svezhej-ryby.html (дата обращения: 24.10.2025).
15. Калькулятор. Расчет мощности охлаждения чиллера (СПЕЦСЕРВИС ПЛЮС). URL: https://chillers.ru/calculator (дата обращения: 24.10.2025).
16. Теплофизические характеристики рыбы и рыбных продуктов и тепловые критерии подобия. URL: https://studfile.net/preview/554975/page:10/ (дата обращения: 24.10.2025).
17. Расчет расхода холода на замораживание рыбы и линейной скорости замораживания. URL: https://studfile.net/preview/9252329/page:19/ (дата обращения: 24.10.2025).
18. Определение криоскопической температуры некоторых промысловых видов рыб. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-krioskopicheskoy-temperatury-nekotoryh-promyslovyh-vidov-ryb (дата обращения: 24.10.2025).
19. Скотников Д.А. Холодильная техника: краткий курс лекций для студентов. URL: https://studfile.net/preview/7161836/ (дата обращения: 24.10.2025).
20. Расчет количества отходов и выхода полуфабрикатов из рыбы (FoodTeor). URL: https://foodteor.ru/raschet-kolichestva-otxodov-i-vyxoda-polufabrikatov-iz-ryby/ (дата обращения: 24.10.2025).
21. Глава XII охлаждение, замораживание и холодильное хранение пищевых продуктов. URL: https://studfile.net/preview/8061435/ (дата обращения: 24.10.2025).
22. Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ (лабораторный практикум) для обучающихся в бакалавриате (Калининградский государственный технический университет). URL: https://www.klgtu.ru/upload/iblock/d76/d76ee179979944d1ed36d0e80ce6c382.pdf (дата обращения: 24.10.2025).
23. Физические характеристики продуктов. URL: https://studfile.net/preview/5903708/page:45/ (дата обращения: 24.10.2025).