Коэффициенты теплопроводности пищевых жидкостей: справочные таблицы и расчеты

Таблица 1. Основные пищевые жидкости и их теплопроводность

Таблица 2. Молоко и молочные продукты при различных температурах

Таблица 3. Растительные масла и животные жиры

Таблица 4. Соки, сахарные растворы и сиропы

Таблица 5. Спиртосодержащие жидкости и напитки

1. Теплопроводность пищевых жидкостей: основные понятия

Теплопроводность является одним из важнейших теплофизических свойств пищевых жидкостей, определяющих эффективность технологических процессов в пищевой промышленности. Коэффициент теплопроводности характеризует способность вещества передавать тепловую энергию от более нагретых участков к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия молекул.

Коэффициент теплопроводности пищевых жидкостей обозначается греческой буквой λ (лямбда) и измеряется в ваттах на метр-кельвин (Вт/м·К). Физический смысл этого показателя заключается в количестве теплоты, которое проходит через единицу площади поверхности в единицу времени при градиенте температуры, равном единице.

Значения коэффициента теплопроводности пищевых жидкостей варьируются в широком диапазоне. Наибольшей теплопроводностью обладает вода — около 0,6 Вт/м·К при комнатной температуре. Молочные продукты имеют показатели от 0,3 до 0,56 Вт/м·К в зависимости от жирности. Растительные масла характеризуются низкой теплопроводностью — около 0,17 Вт/м·К, что примерно в три с половиной раза меньше, чем у воды.

Помимо коэффициента теплопроводности, важными теплофизическими характеристиками являются удельная теплоемкость и температуропроводность. Удельная теплоемкость показывает количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус, и измеряется в килоджоулях на килограмм-кельвин (кДж/кг·К). Температуропроводность характеризует скорость выравнивания температуры в различных точках вещества.

2. Факторы, влияющие на коэффициент теплопроводности

Теплопроводность пищевых жидкостей не является постоянной величиной и зависит от нескольких ключевых факторов. Понимание этих зависимостей критически важно для оптимизации технологических процессов в пищевой промышленности.

Влияние температуры

Температура оказывает наиболее существенное влияние на теплопроводность жидкостей. Для большинства водных растворов и напитков характерно увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры. Вода демонстрирует повышение λ с 0,551 Вт/м·К при 0°C до 0,683 Вт/м·К при 100°C, что составляет прирост около 24 процентов.

Молоко и молочные продукты также показывают рост теплопроводности при нагревании. Цельное молоко увеличивает свой коэффициент теплопроводности с 0,50 Вт/м·К при 0°C до 0,54 Вт/м·К при 60°C. Этот эффект связан с повышением интенсивности теплового движения молекул и уменьшением вязкости жидкости.

Растительные масла демонстрируют противоположную тенденцию — их теплопроводность снижается с ростом температуры. Подсолнечное масло при 0°C имеет λ около 0,174 Вт/м·К, а при 100°C этот показатель уменьшается до 0,156 Вт/м·К. Такое поведение объясняется увеличением межмолекулярных расстояний при нагревании, что затрудняет передачу тепловой энергии.

Влияние концентрации растворенных веществ

Концентрация растворенных веществ существенно влияет на теплопроводность пищевых жидкостей. Увеличение содержания сахара в водных растворах приводит к снижению коэффициента теплопроводности. Раствор сахара с концентрацией 10 процентов имеет λ около 0,55 Вт/м·К, тогда как при концентрации 60 процентов этот показатель падает до 0,35 Вт/м·К.

Аналогичная закономерность наблюдается для молочных продуктов. С увеличением жирности молока его теплопроводность снижается. Обезжиренное молоко характеризуется λ около 0,55 Вт/м·К, в то время как сливки 30-процентной жирности имеют коэффициент всего 0,34 Вт/м·К. Это объясняется тем, что жир обладает значительно меньшей теплопроводностью по сравнению с водной фазой.

Влияние состава и структуры

Химический состав пищевых жидкостей определяет их теплофизические свойства. Белки, углеводы и жиры имеют различную теплопроводность. Жиры характеризуются наименьшей теплопроводностью среди основных компонентов пищи, что объясняет низкие значения λ для растительных масел и жирных молочных продуктов.

Присутствие растворенных солей также влияет на теплопроводность. Рассолы, используемые в консервировании, имеют несколько повышенную теплопроводность по сравнению с чистой водой благодаря ионной проводимости. Концентрация спирта в водно-спиртовых растворах линейно влияет на теплопроводность — чем выше содержание этанола, тем ниже коэффициент теплопроводности.

3. Теплофизические свойства молока и молочных продуктов

Молоко и молочные продукты занимают особое место в пищевой промышленности, и знание их теплофизических свойств критически важно для множества технологических процессов, включая пастеризацию, стерилизацию, охлаждение и концентрирование.

Цельное и обезжиренное молоко

Цельное молоко с жирностью от 3,2 до 4,0 процентов при температуре 20°C имеет коэффициент теплопроводности в диапазоне 0,50-0,52 Вт/м·К. Удельная теплоемкость составляет 3,85-3,95 кДж/кг·К, а плотность — 1028-1032 кг/м³. Эти показатели делают молоко промежуточным по теплофизическим свойствам между водой и растительными маслами.

Обезжиренное молоко характеризуется более высокой теплопроводностью — 0,54-0,56 Вт/м·К при той же температуре. Это объясняется большим содержанием водной фазы и отсутствием жировых глобул, которые снижают теплопроводность. Теплоемкость обезжиренного молока также несколько выше и составляет 3,95-4,00 кДж/кг·К, приближаясь к значениям для воды.

Температурная зависимость теплопроводности молока выражена слабо. При нагревании от 0°C до 90°C коэффициент теплопроводности цельного молока возрастает примерно на 8-10 процентов. Это необходимо учитывать при расчете теплообменников для пастеризационно-охладительных установок.

Сливки различной жирности

Сливки демонстрируют выраженную зависимость теплофизических свойств от содержания жира. При увеличении жирности с 10 до 30 процентов коэффициент теплопроводности снижается с 0,47 до 0,34 Вт/м·К при температуре 20°C. Одновременно уменьшается и удельная теплоемкость — с 3,80 до 3,30 кДж/кг·К.

Для расчета теплопроводности сливок при температуре 0°C в зависимости от жирности используется эмпирическая формула: λ = 0,36 - 0,0014 × Ж, где Ж — массовая доля жира в процентах. Эта зависимость справедлива для диапазона жирности от 20 до 45 процентов.

Сгущенные молочные продукты

Сгущенное молоко без сахара при концентрации сухих веществ 25-30 процентов и температуре 40°C имеет теплопроводность 0,38-0,45 Вт/м·К и теплоемкость 2,85-3,10 кДж/кг·К. При добавлении сахара и увеличении концентрации сухих веществ до 65-70 процентов эти показатели снижаются до 0,30-0,36 Вт/м·К и 2,50-2,75 кДж/кг·К соответственно.

Сыворотка молочная, являющаяся побочным продуктом производства сыра и творога, по теплофизическим свойствам близка к обезжиренному молоку. При жирности 0,25 процентов и температуре 15°C ее теплопроводность составляет 0,56-0,58 Вт/м·К, а теплоемкость — 3,95-4,05 кДж/кг·К. Высокие показатели теплопроводности делают сыворотку эффективным теплоносителем в системах рекуперации тепла на молочных заводах.

4. Характеристики растительных масел и жиров

Растительные масла характеризуются существенно более низкой теплопроводностью по сравнению с водными растворами и молочными продуктами. Это обусловлено их химической структурой и физическими свойствами триглицеридов жирных кислот, составляющих основу масел.

Общие закономерности теплопроводности масел

Большинство растительных масел при температуре 20°C имеют коэффициент теплопроводности в диапазоне 0,165-0,175 Вт/м·К, что примерно в 3,5 раза ниже теплопроводности воды. Удельная теплоемкость масел составляет 1,9-2,0 кДж/кг·К, что также вдвое меньше, чем у воды. Плотность растительных масел при комнатной температуре находится в пределах 910-930 кг/м³.

Характерной особенностью растительных масел является снижение теплопроводности при повышении температуры. При нагревании от 0°C до 100°C коэффициент теплопроводности подсолнечного масла уменьшается с 0,174 до 0,156 Вт/м·К, то есть примерно на 10 процентов. Одновременно с этим возрастает удельная теплоемкость — с 1,94 до 2,18 кДж/кг·К.

Особенности различных видов масел

Подсолнечное масло, являющееся наиболее распространенным в России и Украине, при 20°C имеет теплопроводность 0,168-0,172 Вт/м·К. Оливковое масло характеризуется близкими значениями — 0,170-0,174 Вт/м·К. Кукурузное, соевое и рапсовое масла также демонстрируют схожие теплофизические показатели в этом диапазоне.

Различия в теплопроводности между разными видами растительных масел незначительны и обычно не превышают 5 процентов при одинаковой температуре. Это связано с близким химическим составом триглицеридов, входящих в их состав. Более существенное влияние на теплофизические свойства оказывает степень рафинирования и наличие примесей.

Практические аспекты термообработки масел

Низкая теплопроводность растительных масел создает определенные сложности при их технологической обработке. Процессы рафинирования, дезодорации и гидрогенизации требуют точного контроля температуры, что затрудняется медленной теплопередачей внутри продукта. Для интенсификации нагрева используют перемешивание, увеличение поверхности теплообмена и применение тонкослойных теплообменников.

При жарке пищевых продуктов в растительном масле его низкая теплопроводность влияет на равномерность нагрева. Поверхностные слои масла, контактирующие с нагревательными элементами, могут перегреваться до точки дымления, в то время как центральные области остаются недостаточно прогретыми. Это требует организации принудительной циркуляции масла в промышленных фритюрницах.

5. Водные растворы, соки и сиропы

Водные растворы различных веществ, фруктовые и овощные соки, а также сахарные сиропы составляют значительную часть продукции пищевой промышленности. Их теплофизические свойства определяются концентрацией растворенных веществ и температурой.

Сахарные растворы и сиропы

Теплопроводность сахарных растворов закономерно снижается с увеличением концентрации сахара. При концентрации 10 процентов коэффициент теплопроводности составляет около 0,55 Вт/м·К, что близко к показателям разбавленных водных растворов. С повышением концентрации до 60 процентов λ снижается до 0,35 Вт/м·К, что обусловлено увеличением вязкости раствора и уменьшением доли воды.

Удельная теплоемкость сахарных растворов также уменьшается с ростом концентрации. Раствор с содержанием сахара 20 процентов имеет теплоемкость около 3,70 кДж/кг·К, а при концентрации 50 процентов этот показатель падает до 2,80 кДж/кг·К. Такая зависимость связана с тем, что теплоемкость сухого сахара значительно ниже теплоемкости воды.

Температура оказывает положительное влияние на теплопроводность сахарных растворов. При нагревании от 30°C до 90°C коэффициент теплопроводности раствора с концентрацией 40 процентов увеличивается примерно на 15-18 процентов. Это необходимо учитывать при расчете выпарных аппаратов для производства сиропов и концентрированных растворов.

Фруктовые и овощные соки

Натуральные соки представляют собой сложные многокомпонентные системы, содержащие сахара, органические кислоты, пектиновые вещества и другие компоненты. Их теплофизические свойства определяются в первую очередь содержанием растворимых сухих веществ.

Яблочный сок с концентрацией сухих веществ 12-15 процентов при температуре 15°C имеет теплопроводность 0,52-0,54 Вт/м·К и теплоемкость 3,85-3,95 кДж/кг·К. Виноградный сок с содержанием сахаров 15-20 процентов характеризуется λ около 0,51 Вт/м·К. Апельсиновый сок с 10-12 процентами сухих веществ демонстрирует теплопроводность 0,53-0,55 Вт/м·К.

Томатный сок, содержащий 5-6 процентов сухих веществ, имеет наиболее высокие показатели теплопроводности среди фруктовых и овощных соков — 0,55-0,57 Вт/м·К. Это объясняется низкой концентрацией растворенных веществ и приближением свойств к показателям чистой воды.

Рассолы и маринады

Солевые растворы, используемые в консервной промышленности, характеризуются несколько повышенной теплопроводностью по сравнению с чистой водой. Рассол с концентрацией соли 10 процентов имеет теплопроводность около 0,58-0,60 Вт/м·К при температуре 20°C. Присутствие ионов натрия и хлора способствует более эффективной теплопередаче.

Маринады, содержащие уксусную кислоту, сахар и пряности, демонстрируют теплофизические свойства, промежуточные между рассолами и сахарными растворами. При концентрации уксусной кислоты 2-3 процента и сахара 5-8 процентов теплопроводность маринадов составляет 0,54-0,57 Вт/м·К.

6. Спиртосодержащие пищевые жидкости

Спиртосодержащие напитки и растворы этанола представляют особую группу пищевых жидкостей с уникальными теплофизическими свойствами. Коэффициент теплопроводности этанола существенно ниже, чем у воды, что определяет характеристики водно-спиртовых смесей.

Чистый этанол и его водные растворы

Безводный этиловый спирт при температуре 20°C имеет коэффициент теплопроводности 0,170-0,177 Вт/м·К, что примерно в 3,5 раза ниже теплопроводности воды. Удельная теплоемкость этанола составляет 2,40-2,45 кДж/кг·К, что также вдвое меньше, чем у воды. Плотность чистого спирта при комнатной температуре равна 789-794 кг/м³.

При понижении температуры теплопроводность этанола возрастает. При 0°C коэффициент λ составляет 0,188-0,192 Вт/м·К, а при 50°C снижается до 0,162-0,168 Вт/м·К. Такое поведение типично для большинства органических жидкостей и объясняется изменением межмолекулярных взаимодействий при нагревании.

Водно-спиртовые растворы демонстрируют промежуточные значения теплофизических свойств между чистой водой и этанолом. Теплопроводность раствора приближенно линейно зависит от объемной доли спирта. Раствор с концентрацией 40 процентов (крепость водки) имеет λ около 0,38-0,40 Вт/м·К, а 70-процентный спирт — 0,26-0,28 Вт/м·К при 20°C.

Алкогольные напитки

Столовые вина с крепостью 12-14 процентов при температуре 15°C характеризуются теплопроводностью 0,52-0,54 Вт/м·К и теплоемкостью 3,85-3,95 кДж/кг·К. Эти показатели близки к значениям для фруктовых соков с аналогичным содержанием сухих веществ, поскольку влияние относительно невысокой концентрации этанола на теплофизические свойства невелико.

Крепкие спиртные напитки — водка, коньяк, виски — с содержанием спирта 40 процентов имеют теплопроводность 0,37-0,40 Вт/м·К и теплоемкость 3,45-3,55 кДж/кг·К. Присутствие экстрактивных веществ, сахаров и других компонентов в коньяке и виски незначительно влияет на эти показатели по сравнению с чистой водкой.

Пиво как слабоалкогольный напиток с крепостью 4-5 процентов и содержанием сухих веществ 4-6 процентов демонстрирует теплопроводность 0,56-0,58 Вт/м·К при 15°C. Эти значения близки к показателям для водных растворов с низкой концентрацией органических веществ.

Особенности технологической обработки

Спиртосодержащие жидкости требуют особого внимания при термической обработке из-за летучести этанола и изменения концентрации при нагревании. Температура кипения водно-спиртовых смесей зависит от содержания этанола и изменяется от 78,15°C для чистого спирта до 100°C для воды. Азеотропная смесь с концентрацией 95,6 процента (по массе) кипит при 78,15°C.

При пастеризации винодельческой продукции необходимо учитывать, что этанол имеет более низкую температуру кипения, чем вода. Нагревание выше 70-75°C может привести к потерям спирта за счет испарения, что требует применения специальных технологий с использованием противодавления или кратковременной высокотемпературной обработки.

7. Практическое применение в пищевой промышленности

Знание коэффициентов теплопроводности и других теплофизических свойств пищевых жидкостей имеет критическое значение для проектирования и эксплуатации технологического оборудования пищевых производств. Правильный учет этих параметров обеспечивает энергоэффективность процессов и качество готовой продукции.

Расчет теплообменного оборудования

При проектировании пластинчатых, трубчатых и кожухотрубных теплообменников коэффициент теплопроводности продукта является одним из ключевых параметров. Он входит в расчет общего коэффициента теплопередачи, который определяет необходимую площадь поверхности теплообмена. Недооценка или переоценка теплопроводности может привести к завышению или занижению размеров аппарата, что отразится на капитальных затратах и эффективности производства.

Для пастеризационно-охладительных установок молока критически важен точный расчет температурных режимов. Недостаточная теплопроводность может привести к неравномерному прогреву продукта и сохранению жизнеспособности патогенных микроорганизмов в недостаточно прогретых участках. Избыточная интенсивность теплообмена может вызвать перегрев и денатурацию белков, ухудшающую органолептические свойства молока.

Процессы концентрирования и выпаривания

Производство концентрированных соков, молока, сахарных сиропов основано на процессах выпаривания воды. Изменение концентрации продукта приводит к существенному изменению его теплофизических свойств, что необходимо учитывать при расчете многокорпусных выпарных установок.

При упаривании яблочного сока с 12 до 70 процентов сухих веществ теплопроводность снижается с 0,53 до примерно 0,32 Вт/м·К, а теплоемкость уменьшается с 3,9 до 2,5 кДж/кг·К. Это приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи и снижению интенсивности кипения в последних корпусах установки, что требует увеличения их площади поверхности нагрева.

Вязкость концентрированных растворов возрастает на порядки, что дополнительно ухудшает теплообмен. Для интенсификации процесса применяют пленочные выпарные аппараты с механическим перемешиванием, падающей или восходящей пленкой, а также вакуумное выпаривание при пониженных температурах для сохранения термолабильных компонентов.

Технологии охлаждения и замораживания

Быстрое охлаждение пастеризованных продуктов критически важно для предотвращения размножения термостойких микроорганизмов. Скорость охлаждения определяется теплопроводностью продукта, площадью теплообменной поверхности и разностью температур между продуктом и хладагентом.

Для молочных продуктов рекомендуется охлаждение от температуры пастеризации 75-85°C до 4-6°C за время не более 2 часов. При использовании пластинчатых теплообменников с ледяной водой в качестве хладагента это достигается за счет большой площади контакта и высокой турбулизации потока, компенсирующей относительно невысокую теплопроводность молока.

При замораживании пищевых жидкостей теплопроводность продукта существенно возрастает за счет образования льда, теплопроводность которого в четыре раза выше, чем у воды. Это необходимо учитывать при расчете морозильного оборудования для производства замороженных соков, пюре и других жидких продуктов.

Энергосбережение и рекуперация тепла

Системы рекуперации тепла на пищевых предприятиях основаны на использовании горячих продуктов для предварительного нагрева холодных. В пастеризационно-охладительных установках молока степень регенерации может достигать 90-95 процентов, что обеспечивает существенную экономию энергоресурсов.

Эффективность рекуперации зависит от теплофизических свойств продукта и конструкции теплообменников. Высокая теплопроводность обезжиренного молока и соков позволяет достичь большей степени регенерации по сравнению со сливками и концентрированными сиропами. При проектировании энергоэффективных производств необходим тщательный учет всех теплофизических параметров для оптимизации тепловых схем.

Часто задаваемые вопросы