При проникновении к центру банки теплота должна преодолеть термическое сопротивление стенки тары σ, зависящее от толщины стенки δ и ее теплопроводностиλ, которое выражается отношением δ/λ. Таким образом, термическое сопротивление стенки банки будет тем больше, чем больше ее толщина и чем меньше ее теплопроводность (табл. 20.1).
Как следует из табл. 20.1, те колебания толщины жести, с которыми приходится встречаться в консервном производстве, не могут существенно отразиться на термическом сопротивлении стенки жестяной банки. Колебания толщины стенки стеклянной тары существенно сказываются на термическом сопротивлении. Термическое сопротивление стенки стеклянной банки σст довольно значительно. Можно считать, что, если термическое сопротивление жести σж принять за единицу, то σст составит 1000 таких условных единиц.
На практике встречаются два основных варианта прогреваемости: стерилизации подлежит жидкий продукт, в котором теплота распространяется в основном путем конвекции, и густой продукт, в котором теплота распространяется преимущественно путем теплопроводности.
Каждый из этих видов продуктов может быть фасован в два вида тары: жестяную или стеклянную. Получаемые четыре теплофизических варианта охватывают практически все многообразие встречающихся в производстве случаев.
Вариант 1. При стерилизации жидкого продукта в жестяной таре теплота передается следующим образом (рис. 20.3): вначале происходит конвективная теплоотдача от теплоносителя к стенке тары (коэффициент теплоотдачи а1); далее теплота распространяется путем теплопроводности через стенку жестяной тары с теплопроводностью λж толщиной δж. Пройдя через стенку, теплота передается снова конвективным путем (коэффициент теплоотдачи а2).
Общее термическое сопротивление такой системы σ1 можно выразить следующим образом:
Величины а1 и а2, как правило, довольно большие, обратные же величины (1/а1 и 1/а2) малы. Еще меньшее значение имеет, как показывают расчеты, термическое сопротивление жести. Значит, и общее термическое сопротивление системы тара-продукт» в данном случае мало, общее время прогрева такой тары с продуктом невелико.
Если принять, что термические сопротивления в системе распределяются приблизительно в соотношении 100:1:100, то можно утверждать, что на время проникновения теплоты в глубину продукта влияют в равной мере физические свойства продукта и физические свойства тары («на долю» тары приходится 100 условных единиц термического сопротивления 1/а1 из 201 единицы суммарного термического сопротивления).
Вариант 2. При стерилизации жидкого продукта в стеклянной таре с толщиной стенки δс термическое сопротивление системы тара-продукт σ2 составит:
Термические сопротивления в этой системе распределяются ориентировочно в соотношении 100:1000:100 (δс/λс в 1000 раз больше δ ж/δж). Отсюда можно заключить:
- время прогрева такой тары должно быть в несколько раз больше, чем время прогрева в предыдущем случае (здесь суммарно 1200 условных единиц термического сопротивления, а не 201, как в варианте 1);
- на время проникновения теплоты вглубь тары с продуктом влияют, главным образом, физические свойства тары, а не продукта, так как в системе термических сопротивлений тара- продукт большая доля приходится на тару (1100 единиц из 1200).
Вариант 3. При стерилизации густого продукта в жестяной таре теплота в продукте распространяется преимущественно путем теплопроводности (рис. 20.4).
При этом передача теплоты в центр тары происходит вначале конвективным путем - от пара или воды к стенке, затем путем теплопроводности - через стенку тары и, наконец, также путем теплопроводности - через толщу продукта к центру тары. Тогда общее термическое сопротивление такой системы σ3 составит:
где δпр - толщина «продуктовой» стенки от периферии до центра банки; λпр, - коэффициент теплопроводности продукта.
Так как толщина «продуктовой» стенки в сотни раз больше толщины металлической стенки, а коэффициент теплопроводности продукта примерно в 100 раз меньше коэффициента теплопроводности жести, то распределение термических сопротивлений в данной системе можно представить приблизительно в виде соотношения 100 : 1 : 25000. Следовательно, время прогрева в данном случае во много раз больше, чем время прогрева банки с продуктом, в которой теплота распространяется путем конвекции.
На время проникновения теплоты в центр такой тары с продуктом влияют почти исключительно физические свойства продукта.
Вариант 4. При стерилизации густого продукта в стеклянной таре термическое сопротивление в системе тара-продукт составляет:
Распределение термических сопротивлений в данной системе можно представить приблизительно в виде соотношения 100:1000:25000. При этом можно сделать вывод: во-первых, время проникновения теплоты в центр такой тары велико, во- вторых, это время определяется почти исключительно термическим сопротивлением продукта.