VITEZA DE CONGELARE. DURATA CONGELARII

VITEZA DE CONGELARE. DURATA CONGELARII

Procesul de congelare al unui produs alimentar poate fi impartit in trei faze (fig. 7.1):

• racirea produsului de la temperatura initiala pana la temperatura t_c la care are loc congelarea;
• congelarea propriu-zisa, care are loc la temperatura aproximativ constanta t_c;
• racirea produsului congelat pana la temperatura finala t_f .

Procesul de congelare (formare a ghetii) incepe prin agregarea unui grup de molecule de apa intr-o particula denumita nucleu de cristal. Urmeaza apoi cresterea nucleului, fenomen care are loc la temperaturi foarte apropiate de punctul de congelare. Viteza de crestere a cristalelor de gheata depinde de temperatura si de viteza de preluare a caldurii din produs: odata cu scaderea temperaturii, viteza de crestere a cristalelor scade din cauza maririi vascozitatii produsului. Scaderea temperaturii la suprafata produsului mareste diferenta de temperatura dintre suprafata si faza inca necongelata, iar viteza de crestere a cristalelor de gheata se mareste.

Viteza cu care avanseaza frontul de formare a cristalelor de gheata de la suprafata produsului catre profunzime se numeste viteza de congelare.

Considerand un produs sub forma de placa, la care extragerea caldurii se face pe o singura fata (fig. 7.2), viteza de congelare este:

unde dd este distanta pe care avanseaza frontul de cristale de gheata in intervalul de timp d.

Avand in vedere ca procesul de congelare este unul nestationar, in timpul caruia temperatura variaza permanent, se utilizeaza viteza medie liniara de congelare:

in care d este distanta cea mai mica dintre centrul termic si suprafata produsului, iar _este timpul necesar pentru ca temperatura in centrul termic sa scada de la 0⁰C la -15⁰C.

In functie de viteza liniara medie de congelare, congelarea poate fi:

• foarte lenta - w_m < 0,1 cm/h;

• lenta - w_m = 0,1.0,5 cm/h;
• rapida - w_m = 0,5.3 cm/h;
• foarte rapida - w_m = 5.10 cm/h;
• ultrarapida - w_m = 10.100 cm/h.

Congelarea lenta conduce la formarea unui numar mic de cristale de gheata, avand dimensiuni mari, in timp ce prin congelare rapida se formeaza un numar mare de cristale de dimensiuni mici. Dimensiunile mari ale cristalelor rezultate in urma congelarii lente provoaca deformarea, dislocarea si perforarea peretilor celulari, iar la decongelarea acestor produse pierderile de suc sunt mari. In cazul congelarii rapide, modificarile tesuturilor ca urmare a formarii cristalelor de gheata sunt mai putin vatamatoare, iar la decongelare pierderile de suc sunt mai reduse deoarece o mare parte din apa ramane in celule.

Pentru produsele conservate prin congelare se mai utilizeaza si denumirile de:

• produse congelate;
• produse congelate rapid.

Produsele congelate sunt obtinute si depozitate la temperaturi sub -10⁰; viteza medie liniara de congelare este de 0,1.0,5 cm/h.

Produsele congelate rapid sunt obtinute si depozitate la temperaturi mai mici de -18⁰C, viteza medie de congelare fiind de peste 0,5 cm/h. Fiecare produs congelat rapid este ambalat individual intr-un ambalaj impermeabil si este interzisa comercializarea acestui produs daca a suferit o decongelare partiala sau totala (chiar daca a fost ulterior recongelat).

Pentru un produs sub forma de placa la care caldura se extrage de pe o singura fata (fig. 7.2), determinarea prin calcul a timpului de congelare rezulta din conditia egalitatii intre cantitatea de caldura dQ₁ ce trebuie extrasa pentru formarea stratului de grosime dd si cantitatea de caldura dQ₂ transferata catre suprafata produsului prin stratul de gheata deja format, de grosime d

• , unde r_p este densitatea produsului, S este suprafata, iar l_cp este caldura latenta de solidificare;
• , in care k este coeficientul global de schimb de caldura, t_p este temperatura produsului, iar t_o este temperatura mediului.

Coeficientul global de schimb de caldura este dat de relatia:

a fiind coeficientul de transfer de caldura prin convectie de la produs la mediu, iar l_p conductivitatea termica a produsului.

Cum dQ₁ = dQ₂, rezulta:

sau

de unde, prin integrare:

rezulta timpul de congelare t_c

Aceasta relatie a fost dedusa presupunand ca produsele sunt omogene si izotrope, ca temperatura mediului de racire este constanta si ca produsele au fost in prealabil racite pana in apropierea temperaturii de congelare (deci t_p este egal cu temperatura de congelare).

In mod asemanator se poate determina timpul de congelare pentru:

• produse sub forma de cilindru, de raza r₀ si lungime infinita:

• produse sub forma de sfera cu raza r₀:

• produse sub forma de cub cu latura h, cu extragerea caldurii pe trei suprafete perpendiculare:

Timpul necesar refrigerarii produsului pana la temperatura de congelare se poate determina conform celor prezentate in subcapitolul 6.2 sau cu relatia aproximativa:

in care t_mi este temperatura medie initiala a produsului. Durata totala a congelarii va fi deci:

Folosind relatiile de mai sus, viteza de congelare pentru un produs sub forma de placa va fi:

Se observa ca viteza de congelare este maxima atunci cand grosimea d stratului de gheata este minima si scade pe masura ce se formeaza stratul de gheata (fig. 7.3).

Coeficientul de transmitere a caldurii prin convectie se poate determina cu relatia:

in care v viteza mediului in care are loc racirea sm/st.

In cazul in care produsul este ambalat, coeficientul echivalent de transfer al caldurii prin convectie va fi:

in care a este coeficientul de transfer al caldurii prin convectie, de la produs la mediul de racire, iar   reprezinta rezistenta termica a materialului din ambalaj si a aerului dintre produs si ambalaj (tabelul 7.1).