Цель работы
Познакомиться с расчетными методиками определения температуры охлаждения продуктов и выявить основные факторы, влияющие на характер охлаждения продуктов. Оценить точность расчетной методики путем сравнения расчетных и экспериментальных данных.
Задание
1. Для заданных продуктов и условий рассчитать температуру охлаждения.
2. Экспериментально проверить полученные результаты расчетов.
3. Рассчитать относительную погрешность точности используемых расчетных методик путем сравнения расчетных и экспериментальных данных.
Оборудование
1. Стенд холодильный.
2. Секундомер.
Общие сведения
Технология охлаждения и замораживания продуктов предопределяет необходимость количественной оценки длительности процессов холодильной обработки. Под холодильной обработкой понимают процессы, связанные с изменением температуры продукта от начальной температуры перед закладкой до конечной температуры хранения, или от температуры холодильного хранения до температуры дальнейшей технологической обработки и употребления (размораживание). Длительность обработки является одним из важнейших факторов, влияющих на качество и длительность хранения продуктов при их транспортировке, на продовольственных складах, базах, в складских помещениях розничной сети, на предприятиях общественного питания и в бытовых условиях.
Наиболее распространенные условия охлаждения – это условия охлаждения в конвективной среде (воздухе, жидкости) при неизменной ее температуре. Такие условия считаются условиями III рода.
В соответствии законом Ньютона количество теплоты dQ, Дж,переданное от поверхности участника теплообмена конвективной среде (или наоборот), прямо пропорционально площади поверхности теплообмена dF, м2,разности начальных температур поверхности участника теплообмена tн и окружающей среды tс (tн– tс), 0Си продолжительности процесса теплообмена t, с. Таким образом, количество тепла dQ, которым обменивается тело через элемент поверхности dF с окружающей средой за промежуток времени равным dt, можно определить, как:
dQ = a (tн – tс) dFdt, (l)
где a – коэффициент теплоотдачи от поверхности участника теплообмена конвективной среде (или наоборот), Вт/м2×К.
С другой стороны, по закону Фурье количество теплоты dQ,переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температур 
,площади поверхности dF, перпендикулярной направлению теплового потока, продолжительности процесса dt:
, (2)
где l – коэффициент теплопроводности, Вт/м×К.
Минус перед формулой (2) связан с тем, что тепло движется от более нагретых частей тела к менее нагретым, т.е. температура убывает, и градиент температуры будет отрицательным.
По закону сохранению энергии количество тепла, отданное теплоотводящей среде, равно количеству тепла, подведенному к поверхности в результате теплообмена. Приравнивая (1) и (2), получим:
. (3)
Выражение (3) является математическим выражением граничного условия III рода.
Используя дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье,
(4)
где а – коэффициент температуропроводности, решаем его для граничных условий III рода и начальных условий tн = t(x, 0 ). В результате получаем уравнения температурного поля для продукта, имеющего форму бесконечной пластины – выражение (5), форму шара – выражение (6), форму цилиндра – выражение (7):
; (5)
; (6)
(7)
где 
– коэффициенты ряда Фурье (Fo) и корни соответствующих характеристических уравнений; 
– температура в любой точке продукта на отрезке x, м, за время t, с, размерность 0C; 
– температура теплоотводящей среды, 0C; 
– начальная температура продукта, 0C; x – текущая координата точки, м; R – характерный геометрический размер продукта, м; 
– модифицированная функция Бусселя нулевого порядка первого рода; Fo – число Фурье.
находят по величине числа Bi приложения 1: по табл. П1.1 – для пластины, по табл. П1.2 – для шара. Число корней 
характеристических уравнений Фурьеи коэффициентов 
зависит от желаемой точности расчетов, которая, в свою очередь, связана с размерами продукта и длительностью процесса. Чем меньше размер продукта и длительность охлаждения, тем большее число членов ряда следует применять. При Fо > 0,3можно ограничиться одним членом. При Fо < 0,3число членов должно быть не меньше трех. Характерный геометрический размер продукта R принимается: для пластины – половина толщины, так как полная толщина пластины равна 2R; для шара и цилиндра – радиус. Для поверхности продукта значение 
преобразуется в 
. Для центра продукта x = 0 м.
Критерий подобия, учитывающий взаимосвязь переноса тепла к поверхности продукта и от его поверхности к теплоотводящей среде, называется числом Био:
(8)
где 
– коэффициент теплопроводности продукта, Вт/м×К; R – характерный геометрический размер продукта, м; a – коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к теплоотводящей среде, Вт/м2×К.
Приближенно коэффициент теплоотдачи a продукта в воздухе можно определить по эмпирической формуле:
a = 1,16(5,3+3,6× Vв), (9)
где Vв – скорость движения воздуха в холодильной камере, м/с. Для условий
лабораторной установки Vв = 0 м/с.
Fo – число Фурье, учитывающее нестационарность охлаждения продукта:
(10)
где t – длительность охлаждения, с; a – коэффициент температуропроводности, м2/с.
Коэффициент температуропроводности можно определить по уравнению:
а = λ / C·ρ (11)
где С – удельная теплоемкость продукта, Дж/кг×К; r – плотность продукта, кг/м3.
Теплофизические характеристики продуктов животного и растительного происхождения приведены в табл. П1.3 приложения 1.
Порядок выполнения работы
1. Замерить характерный геометрический размер продуктов R, м.
2. С помощью температурных датчиков замерить начальную температуру продуктов на заданной глубине 
0C и температуру воздуха в холодильной камере 
0C.
3. Поместить продукты в холодильную камеру.
4. Через равные, заданные преподавателем интервалы времени D t, замерять с помощью температурных датчиков текущую температуру продуктов 
0C.
5. По истечении заданного времени t, с замерить температуру продуктов 0C, которая и будет конечной экспериментальной температурой 
0C.
6.По формулам или (5), или (6), или (7) определить расчетную температуру охлаждения 
0C.
7. Рассчитать относительную погрешность полученных расчетных и экспериментальных данных e.
8. Значения используемых величин свести в табл. П2.1 и табл. П2.2 приложения 2.
9. Построить график зависимости температуры охлаждения от времени t = f (t), используя данные табл. П2.2 приложения 2.
10. Сделать выводы о причинах, приводящих к погрешностям и различному характеру охлаждения исследуемых продуктов.
11. По указанной ниже форме составить письменный отчет.
Форма отчета
1. Название лабораторной работы.
2. Цель работы.
3. Оборудование.
4. Общие сведения.
5. Сводные таблицы исходных данных и полученных результатов.
6. Графики зависимости изменения температуры продукта от времени t = f (t).
7. Выводы по работе.