Расчеты по холодильной технике и технологии

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

Ю. А. Фирсова, А. Г. Сайфетдинов

РАСЧЕТЫ 

ПО ХОЛОДИЛЬНОЙ 

ТЕХНИКЕ 

И ТЕХНОЛОГИИ

Учебно-методическое пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2020

УДК 621.56.001.24(075)
ББК 31.392я7

Ф62

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

нач. цеха по эксплуатации и ремонту холодильных установок 

на ООО «Казанский молочный комбинат» А. Г. Агафонов

канд. техн. наук, доц. А. А. Мустафин

Ф62

Фирсова Ю. А. 
Расчеты по холодильной технике и технологии : учебно-методическое 
пособие / Ю. А. Фирсова, А. Г. Сайфетдинов; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 112 с.

ISBN 978-5-7882-2901-0

Приведены примеры расчетов теплофизических характеристик пищевых 

продуктов, продолжительности охлаждения и замораживания продуктов питания. 
Рассмотрены расчет теплопритоков камеры хранения пищевых продуктов и тепловой расчет одноступенчатого холодильного цикла, осуществлен подбор основного холодильного оборудования: компрессора, конденсатора, испарителя. Представлены расчет флюидизационного морозильного аппарата для замораживания 
мелкоштучных пищевых продуктов в воздухе и расчет камеры для замораживания мясопродуктов.

Предназначено для бакалавров направлений подготовки 19.03.04 «Техноло
гия продукции и организация общественного питания», 16.03.03 «Холодильная, 
криогенная техника и системы жизнеобеспечения», 14.03.01 «Ядерная энергетика 
и теплофизика», изучающих дисциплины «Холодильная техника и технология», 
«Основы технологии производства потребителей холода», «Проектирование и 
эксплуатация холодильных установок».

Подготовлено на кафедре холодильной техники и технологий.

ISBN 978-5-7882-2901-0
© Фирсова Ю. А., Сайфетдинов А. Г., 2020
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 621.56.001.24(075)
ББК 31.392я7

2 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение...................................................................................................... 5
Практическая работа 1 
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ........................................................................ 6

1.1. Количество вымороженной воды.................................................... 6
1.2. Удельная теплоемкость пищевого продукта.................................. 8
1.3. Коэффициент теплопроводности пищевого продукта .................. 9
1.4. Плотность пищевого продукта...................................................... 10
1.5. Коэффициент температуропроводности ...................................... 11

Практическая работа 2 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ 
ПРОДУКТА ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ........................................... ..13
Практическая работа 3 
РАСЧЕТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЗАМОРАЖИВАНИЯ 
ПРОДУКТОВ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ ................................................ 18
Практическая работа 4 
КАЛОРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАМЕРЫ ХРАНЕНИЯ ПРОДУКТОВ.... 23

4.1. Расчет коэффициента теплопередачи ........................................... 25
4.2. Теплоприток из окружающей среды через наружные 
ограждения............................................................................................. 27

4.2.1. Теплопритоки через стены, покрытие, пол ............................ 28
4.2.2. Теплоприток через пол с обогревом ....................................... 28
4.2.3. Теплоприток от солнечной радиации ..................................... 29

4.3. Теплоприток от продуктов при холодильной обработке............ 30
4.4. Теплоприток при вентиляции помещений ................................... 33
4.5. Эксплуатационные теплопритоки................................................. 34

4.5.1. Теплоприток от освещения...................................................... 34
4.5.2. Теплоприток от пребывания людей........................................ 34
4.5.3 Теплоприток от работающих электродвигателей................... 36
4.5.4. Теплоприток при открывании дверей..................................... 36
4.5.5. Теплоприток при «дыхании» продуктов ................................ 38

4.6. Определение нагрузки для подбора холодильного 
оборудования ......................................................................................... 38
4.7. Задание на практическую работу.................................................. 42

Практическая работа 5 
СХЕМЫ И ЦИКЛЫ РАБОТЫ ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ ПАРОВЫХ 
КОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН........................... 44

5.1. Схемы и цикл работы одноступенчатой аммиачной ПКХМ...... 44
5.2. Схема и цикл работы одноступенчатой фреоновой ПКХМ с 
регенерацией тепла................................................................................ 46
5.3. Выбор системы охлаждения камер и холодильной машины...... 49

5.3.1. Тепловой расчет одноступенчатой холодильной машины 
и подбор компрессора ........................................................................ 49
5.3.2. Подбор конденсаторов ............................................................. 54
5.3.3. Подбор испарителей................................................................. 55

Практическая работа 6 
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ МОРОЗИЛЬНОГО ФЛЮИДИЗАЦИОННОГО 
АППАРАТА .............................................................................................. 57

6.1. Определение теплопритока от продукта при замораживании ... 61
6.2. Определение оптимальной скорости движения воздуха ............ 61
6.3. Определение теплопритока от площади поверхности частиц 
продукта.................................................................................................. 63
6.4. Определение продолжительности замораживания клубники .... 65
6.5. Определение размеров аппарата ................................................... 65
6.6. Тепловая нагрузка на воздухоохладитель.................................... 66
6.7. Определение площади поверхности воздухоохладителя............ 67
6.8. Определение конструктивных размеров воздухоохладителя..... 68
6.9. Аэродинамический расчет аппарата............................................. 69

Практическая работа 7 
РАСЧЕТ КАМЕРЫ ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ МЯСОПРОДУКТОВ .. 72
Библиографический список..................................................................... 84
Приложение............................................................................................... 86

В В Е Д Е Н И Е

Сохранение пищевой и биологической ценности продукции рас
тениеводства и животноводства в течение длительного периода возможно только с помощью консервирования. Выбор того или иного способа консервирования зависит от свойств продукта, возможностей поддержания его качеств и эффективности затрат на хранение.

Холодильное консервирование – эффективный способ обработки 

и хранения продуктов питания. Воздействие холода по сравнению 
с другими методами консервирования вызывает минимальные изменения первоначальных свойств продукции.

Холодильная техника – это отрасль науки, исследующая и разра
батывающая различные способы получения искусственного холода, 
а также технические средства получения и применения холода.

Холодильная технология продуктов питания – отрасль науки, ко
торая изучает рациональные и научно обоснованные способы использования холода в пищевой промышленности, решает задачи сохранения 
сырья и продуктов питания с помощью холода и применения его в их 
производстве.

Холодильная техника и холодильная технология как наука бази
руются на знаниях из курсов термодинамики, механики, других наук 
физического цикла, биологии животных и растений, микробиологии, 
химии органических и неорганических соединений, биологической, 
коллоидной и физической химии.

В пособии рассматриваются холодильная технология пищевых 

продуктов, физические основы и технические средства получения низких температур, а также устройство и теплотехнический расчет охлаждаемых сооружений. 

П р а к т и ч е с к а я  р а б о т а  1

Р А С Ч Е Т  О С Н О В Н Ы Х  Т Е П Л О Ф И З И Ч Е С К И Х  
Х А Р А К Т Е Р И С Т И К  П И Щ Е В Ы Х  П Р О Д У К Т О В

К основным теплофизическим характеристикам пищевых про
дуктов относятся: удельная теплоемкость продуктов с, теплопроводность λ, плотность продукта ρ и коэффициент температуропроводности 
продукта а. 

Особенность пищевых продуктов как теплофизических объектов 

в том, что они являются дисперсной системой, где составные части более 
или менее равномерно распределены по объему и при этом не вступают 
в химическую реакцию. Дисперсной средой является вода, а дисперсной 
фазой – органические вещества и минеральные соли. Значительную 
сложность представляет то, что каждый продукт отличается по составу 
и свойствам друг от друга. Поэтому теплофизические характеристики 
пищевых продуктов при выполнении расчетов среднестатистические, 
что может внести значительные погрешности в сами расчеты [1].

Еще одна особенность – фазовый переход воды, содержащейся 

в пищевом продукте, в лед в процессе замораживания продукта. Большие различия в теплофизических свойствах воды и водного льда вызывают существенные изменения теплофизических свойств продукта 
в процессе холодильной обработки. 

Рассмотрим изменение ряда теплофизических параметров пище
вых продуктов в зависимости от температуры в процессе их холодильной обработки.

1 . 1 .  К о л и ч е с т в о  в ы м о р о ж е н н о й  в о д ы

Основным параметром, входящим в расчетные формулы для 

определения теплофизических характеристик продуктов, является такой параметр, как вымороженная вода – это вода, перешедшая в лед
при замораживании продуктов. 

Количество вымороженной воды ω определяется отношением ко
личества льда Mл при данной температуре к общему количеству воды 
Mw в продукте:

л

w

М .
М
 =

Количество вымороженной воды можно подсчитать по формуле

кр
t
1
,
t


 = − 




(1.1)

где t – текущая температура продукта, °С; tкр – криоскопическая температура, °С. Криоскопической температурой называется температура 
начала фазового перехода воды продукта в лед. Ее величина зависит от 
вида и состояния пищевого продукта и в большинстве случаев находится в диапазоне температур от 0 до –3 С.

Примерный график зависимости количества вымороженной 

воды в продукте от температуры представлен на рис. 1.1. 

Рис. 1.1. График зависимости количества вымороженной воды 

от температуры

Из графика видно, что по мере снижения температуры заморажи
вания продукта количество вымороженной воды возрастает, что связано с фазовым переходом воды в лед. И при температуре –30 ºС наблюдается практически полное вымораживание воды в продукте, что соответствует 90–100 % на графике.

1 . 2 .  У д е л ь н а я  т е п л о е м к о с т ь  п и щ е в о г о  п р о д у к т а

Удельная теплоемкость продукта – это количество теплоты, ко
торое необходимо отвести от 1 кг продукта, чтобы изменить его температуру на 1 К. В СИ измеряется в джоулях на килограмм на кельвин 
Дж/(кг·К).

Удельная теплоемкость продукта может рассчитываться по за
кону смешения:

1
1
2
2
n
n
с
g
c
g
c
...
g
c ,
=

+

+
+


где g1, g2, gn – массовые доли компонентов; с1, с1, сn – удельные теплоемкости компонентов, Дж/(кг·К).

Продукты можно рассматривать как двухкомпонентные си
стемы, состоящие из воды и сухих веществ. Тогда теплоемкость продукта в процессе охлаждения до криоскопической температуры можно 
определить из выражения

(
)
(
)
o
w
c
с
с
w
c
1
w , Дж / кг К ,
=

+

−

(1.2)

где сw, сс – удельная теплоемкость воды и сухих веществ соответственно; w – массовая доля воды (справочный параметр); (1 – w) – массовая доля сухих веществ.

Замороженный продукт может рассматриваться как трехкомпо
нентная смесь, состоящая из сухого вещества, воды и льда. Тогда его 
теплоемкость определяется как

(
)
(
)
з
w
л
c
с
с
w
1
c
w
c
1
w ,
=


−  +

+

−
(1.3)

где сw – удельная теплоемкость воды; сл – удельная теплоемкость льда; w 
– массовая доля воды в продукте; (1 – w) – массовая доля сухих веществ.

Принимая во внимание выражение (1.2), упрощаем выражение 

(1.3) и получаем

(
)
з
o
w
л
с
с
с
c
w
,
=
−
−


(1.4)

где с0 – удельная теплоемкость охлажденного продукта.

Теплоемкость замороженного продукта меньше теплоемкости охла
жденного продукта, так как часть воды превращается при замораживании 
в лед, а теплоемкость льда ( л
с
2100 Дж / (кг К)
=

) меньше, чем теплоем
кость воды ( w
с
4200 Дж / (кг К)
=

). С учетом изложенного выражение 

для расчета удельной теплоемкости продукта в окончательном виде:

з
o
с
с
2100 w
,
=
−

 Дж/(кг·К).
(1.5)

Примерный график изменения теплоемкости продукта представ
лен на рис. 1.2.

С

tКР
-t

С0

c=f(t)

Рис. 1.2. График зависимости удельной теплоемкости 

от температуры продукта

1 . 3 .  К о э ф ф и ц и е н т  т е п л о п р о в о д н о с т и  п и щ е в о г о  

п р о д у к т а

Коэффициент теплопроводности – это количество теплоты,

проходящее через продукт толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 с при разности температур 1 К. В метрической системе мер единицей измерения 
коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Величины коэффициентов теплопроводности пищевых продук
тов в значительной мере зависят не только от состава продукта, но и от
его структуры. Характер изменения коэффициента теплопроводности 
при холодильной обработке, в частности при заморозке, в значительной 
мере определяется различием в величинах коэффициента теплопроводности воды и водного льда. Так, коэффициент теплопроводности воды 

w
0,554 Вт / (м К)

=

, а льда –
л
2,21Вт / (м К)
 =

. Это объясняет рост теп
лопроводности при замораживании продуктов.

Для расчета коэффициентов теплопроводности пищевых продук
тов  используют формулу Эйкена [2]:

н
к
м
н
н
н
к

3
(
)
1
3
1 (1
) (
)


  − 
 =  
−


 − 
−    − 


, Вт/(м∙К),
(1.6)

где λн и λк – начальная и конечная теплопроводность продукта.  

Примерный график зависимости коэффициента теплопроводно
сти от температуры представлен на рис. 1.3.



tКР
-t

=f(t)

Рис. 1.3. График зависимости коэффициента теплопроводности 

от температуры

1 . 4 .  П л о т н о с т ь  п и щ е в о г о  п р о д у к т а

Плотность продукта может рассчитываться по закону смешения, 

т. е. как средняя плотность компонентов продукта с учетом его массовой доли в продукте:

1
2
n

1
2
n

1
,
g
g
g
...
 =
+
+
+



(1.7)

где g1–gn – массовые доли компонентов в пищевом продукте; ρ1–ρn –
плотности соответствующих компонентов.