Лекція 10 Тема. ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ ТА АПАРАТИ ОСНОВНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ТЕПЛООБМІН

Лекція 10

Тема. ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ ТА АПАРАТИ ОСНОВНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ТЕПЛООБМІНУ

Мета. Розглянути основні закономірності теплообміну.

План.

1. Задачі та способи теплової обробки матеріалів.

2. Способи передачі тепла та їх основні закономірності.

1. Завдання та способи теплового оброблення харчових продуктів і матеріалів Технологічні процеси, основою яких є передача теплоти під впливом різниці температур, називаються тепловими процесами, а апаратура, призначена для їх проведення, називається тепловою. Технологічні процеси виробництва різноманітних харчових продуктів включають цілий ряд основних теплових процесів, що є загальними для більшої частини харчових виробництв. До основних процесів відносяться нагрівання, охолодження, випаровування (в тому числі випарювання) і конденсація. Нагрівання - підвищення температури матеріалів, що переробляються, шляхом підведення до них теплоти. Охолодження - зниження температури матеріалів, що переробляються, шляхом відводу від них теплоти. Конденсація - перехід речовини з паро- або газоподібного стану в рідкий відведенням від неї теплоти. Випаровування — перехід рідини в пару підведенням до неї теплоти. Випарювання - процес згущення розчинів шляхом вилучення з них частини води випаровуванням. Поряд з цими процесами значно поширені специфічні теплові процеси, притаманні ряду харчових виробництв, у тому числі й виробництву продукції ресторанного господарства. До них можна віднести процеси плавлення, тверднення, пастеризації, стерилізації, варення, смаження та ін. В основі всіх теплових процесів лежить зміна теплового стану тіл або середовищ, що беруть участь у цих процесах. Теплове оброблення продуктів є основним способом у технологічному процесі виробництва кулінарних виробів. Нагрівання прискорює хімічні, біохімічні й масообмінні процеси, що відбуваються під час оброблення продуктів. Воно зумовлює зміну фізико-хімічних, структурно-механічних і органолептичних властивостей, які в сукупності визна-чають ступінь кулінарної готовності продукту. При цьому, наприклад, зменшується механічна міцність рослинних і тваринних продуктів (картоплі, м'яса і т. п.) внаслідок розпаду вуглеводів, зміни білків з'єднувальної тканини. Теплове оброблення продукту нагріванням має велике санітарно-гігієнічне значення. Під час нагрівання продукту до температури понад 80° С відбувається знищення мікроорганізмів, що містяться в продукті. До позитивних властивостей нагрівання слід віднести руйнування отруйних речовин, що містяться в деяких продуктах (наприклад, картоплі, квасолі). Охолоджування продуктів переслідує дві основні мети. Перша з них полягає в технологічному призначенні. Так, охолоджування необхідне, наприклад, при збиванні продуктів для одержання піни, кремів, для розкачування шарового тіста. На заключній стадії технологічного процесу охолоджування необхідне при приготуванні драглів, желе й багатьох інших кулінарних виробів. Друга мета охо-лоджування пов'язана з санітарно-гігієнічними показниками продукції. Охолоджування уповільнює життєдіяльність мікроорганізмів і забезпечує стерильність продукту. Теплові процеси, за прийнятою класифікацією можуть бути розподілені на основні, допоміжні й комбіновані. До специфічних основних засобів теплового оброблення харчових продуктів відносяться варіння і смаження. В свою чергу, варіння може здійснюватися при атмосферному, надлишковому тиску, під вакуумом і на парі. Процеси смаження продуктів включають у себе оброблення в малій кількості жиру, в фритюрі, в жарочних шафах, на відкритому вогні і за допомогою інфрачервоного випромінювання. До допоміжних засобів теплового оброблення відносяться процеси пасерування, ошпарювання, опалювання та ін. Як теплоносії під час нагрівання застосовують насичену водяну пару, гарячу воду і конденсат, топкові гази, гаряче повітря, електричний струм та ін. У процесах охолоджування широко застосовують такі холодні теплоносії, як холодна вода, лід, охолоджений розсіл, скраплені вуглекислота, аміак, фреони тощо. Теплообмін між різноманітними теплоносіями найчастіше відбувається при таких комбінаціях теплових процесів: - нагрівання "холодної"" рідини за рахунок "охолоджування" гарячої; - нагрівання рідини за рахунок теплоти конденсації гріючої пари; - кипіння рідини за рахунок охолоджування "гарячої"" рідини; - кипіння рідини за рахунок теплоти конденсації гріючої пари. У харчових виробництвах широко застосовується раціональне тепловикористання, коли в якості гріючого теплоносія використовуються рідкі харчові продукти, вторинні пари й конденсати.

2. Способи передачі теплоти та їхні основні закономірності Теплообміном називається передача теплоти від більш нагрітого тіла до менш нагрітого через стінку, що їх розділяє (поверхню теплообміну), або змішуванням теплоносіїв (поверхня теплообміну - поверхня контакту фаз обох теплоносіїв). Рушійною силою цього процесу є різниця температур, причому теплота спонтанно переходить від більш нагрітого до менш нагрітого тіла. Наука про теплообмін розрізняє три принципово різних способи поширення теплоти: теплопровідність, конвекцію і випромінювання. Практично теплота поширюється не одним яким-небудь з розглянутих способів, а водночас двома, а ще частіше - всіма трьома. Такий процес називається складним теплообміном. Розглянемо кожний з цих способів та об'єднуючий їх складний процес переносу теплоти. Умовимось в подальшому розрізняти два випадки теплообміну: тепловіддачу і теплопередачу. Тепловіддачею називається процес теплообміну між твердим тілом (наприклад, стінкою апарату) і рідиною (або газом), що його омиває. Теплообмін між рідинами, газами, між рідиною й газом, розділеними твердою перегородкою (стінкою), називається теплопередачею. Кількість теплоти, яка передається через стінку за одиницю часу, називається тепловим потоком (має розмірність потужності - Вт). Тепловий потік, віднесений до одиниці поверхні, називається густиною теплового потоку (Вт/м ).

Теплопровідність - це процес передачі теплової енергії від більш нагрітої частини тіла до менш нагрітої внаслідок безпосередньої взаємодії частинок (молекул, атомів, електронів) у їхньому тепловому русі. Теплопровідність у твердих тілах, рідинах і газах відбувається, відповідно, внаслідок:

- передачі енергії теплових коливань між сусідніми молекулами і атомами; крім того, в металах - переважно через рух вільних електронів, що має переважний характер;

- обміну енергією сусідніх молекул і дифузії молекул;

- дифузії молекул.

Теплопровідність розглядається як самостійний процес, що може протікати тільки в твердих тілах (у тому числі твердих харчових продуктах). У рідинах і газах теплопровідність протікає спільно з конвекцією або випромінюванням, або з обома цими процесами водночас. Розглянемо процес передачі теплоти теплопровідністю в твердій стінці. Обов'язковою умовою здійснення такого процесу є різниця температур поверхонь стінки. В цьому випадку в ній утворюється потік теплоти від поверхні стінки з більшою температурою до поверхні стінки з меншою температурою.

Якщо тепловий потік не змінюється в часі і якщо при цьому залишаються постійними температури поверхонь стінки, то такий процес називається усталеним.

За основним законом теплопровідності - законом Фур'є – кількість теплоти, що проходить через стінку, прямо пропорційна величині поверхні теплообміну, часу, різниці температур на обох її поверхнях (температурному напору) і обернено пропорційна товщині стінки.

Коефіцієнт теплопровідності характеризує спроможність тіла проводити теплоту й залежить від природи тіла, його структури, температури, густини, вологості та деяких інших факторів. Залежно від значень коефіцієнта теплопровідності матеріали, що використовуються при конструюванні апаратів, умовно поділяються на добрі провідники теплоти - метали й погані - теплоізоляційні матеріали і гази.

Приблизні значення для деяких матеріалів в Вт /(м • K):

Мідь 380 Повітря 0,03

Алюміній 210 Шлаковата 0,1

Нержавіюча сталь 23 М'ясо, риба, картопля 0,6

Вода 0,6 Жири, олії, мастила 0,18

Бажано вдумливо проаналізувати наведені дані та зробити відповідні висновки щодо застосування металів, ізоляції, тривалості прогрівання харчових продуктів тощо.

Конвекція - це перенос теплоти шляхом переміщення деяких об'ємів (макрооб'ємів) рідини або газу з більш нагрітої області простору в менш нагріту.

Таким чином, конвективний теплоперенос тісно пов'язаний з масоперенесенням і супроводжується теплопровідністю між сусідніми макрооб'ємами. Розрізняють природну (вільну) і змушену конвекції. При природній конвекції переміщення середовища зумовлене меншою густиною більш нагрітих об'ємів і їх підняттям у полі сил тяжіння за законом Архімеда. Якщо переміщення спричинюється штучно вентилятором, насосом, мішалкою, то така конвекція називається змушеною. При цьому розповсюдження теплоти, тобто прогрівання всієї маси рідини (газу), відбувається значно швидше, ніж при вільній конвекції. В загальному випадку поряд зі змушеним рухом водночас може розвиватися й вільний. Перенесення теплоти конвекцією відбувається, якщо стінка (або тверді харчові продукти) сприймає або віддає теплоту, контактуючи з рухомими частинками рідини. Під час протікання потоку рідини в трубах і каналах або під час зовнішнього обтікання тіл у безпосередній близькості від твердої поверхні утворюється особлива зона - пограничний шар, що відіграє надзвичайно важливу роль у процесі конвективного теплообміну. Частинки рідини, які знаходяться в безпосередній близькості від поверхні, немов би "прилипають" до неї, і швидкість потоку в точці, що знаходиться на поверхні стінки, дорівнює нулю. Гальмуюча дія поверхні на потік розповсюджується на деяку відстань 8 від поверхні внаслідок в'язкого тертя в рідині. Зона гальмування потоку називається динамічним ламінарним пограничним шаром; у ньому зосереджено основну частину перепаду температур між поверхнею і ядром потоку, а теплота передається теплопровідністю.

За межами пограничного шару відбувається інтенсивне вирівнювання температури рідини внаслідок турбулентного її переміщування. На рис. 4.1 показано особливості зміни температури в рухомому середовищі при конвективному теплообміні.

Найбільші градієнти температур спостерігаються в пограничному шарі, термічний опір якого в основному визначає інтенсивність тепловіддачі.

Згідно із законом Ньютона - Ріхмана, кількість теплоти, відданої стінкою рідині (або прийнятою від рідини), прямо пропорційна поверхні стінки, часу та різниці температур поверхні стінки й рідини (або навпаки):

Коефіцієнт тепловіддачі показує, яка кількість теплоти передається від теплообмінної поверхні в 1 м2 до потоку рідини, яка її обмиває, (або від цього потоку до поверхні теплообміну), протягом одиниці часу при різниці температур поверхні теплообміну і ядра потоку рідини ВІК.

Коефіцієнти тепловіддачі від теплоносія до стінки  і від стінки до теплоносія залежать від багатьох факторів: швидкості потоку рідини, її густини, в'язкості, теплоємності, теплопровідності, форми і геометричних розмірів поверхні теплообміну та ін. Тому значення цих коефіцієнтів визначають дослідним шляхом.

На основі теорії подібності складають так звані критеріальні рівняння, в які входять шукані коефіцієнти тепловіддачі. Наприклад, критеріальне рівняння, що характеризує теплообмін між теплоносієм (нагрітою рідиною) і стінкою (трубою) для турбулентного режиму руху теплоносія в трубі.

Конвективний перехід теплоти від рідких і газових теплоносіїв до твердих тіл спостерігається під час варення харчових продуктів в водному або паровому середовищі, хлібовипіканні, сушінні та інших процесах.

Теплове випромінювання - це процес перенесення енергії шляхом електромагнітних хвиль від випромінюючого тіла до тіл, розташованих, у навколишньому просторі. Теплова енергія переноситься в найбільшому ступені інфрачервоним промінням при довжинах хвиль 0,8-800 мкм. Кількість енергії та інтенсивність випромінювання тіла залежать від його фізичної природи, стану поверхні й температури нагрівання.

Властивості інфрачервоного випромінювання: прямолінійне розповсюдження, спроможність поглинатися, відбиватися або заломлюватися при зустрічі з будь- якими тілами. Поглинута променева енергія перетворюється на теплову, що може підвищити температуру тіла й посилити його власне випромінювання. Відбита або та, що пройшла через тіло, енергія може поглинатися іншими тілами.

Тіло, яке відбиває повністю всі промені, які на нього падають (R=1; А=0;D=0), називається абсолютно білим. Якщо вся променева енергія, що падає на тіло, ним поглинається і перетворюється на теплову, то таке тіло називається абсолютно чорним (А=1; R=0; D=0). Тіло називається прозорим або діатермічним, якщо воно пропускає всю променеву енергію, яка на нього падає, не поглинаючи її та не відбиваючи (R=О, A=0, D=1). У природі не існує абсолютно чорних, абсолютно білих і діатермічних тіл; реальні тіла по-різному поглинають, відбивають і пропускають крізь себе променеву енергію і через це називаються сірими.

Випромінювання тіл підкоряється закону Стефана-Больцмана. Відповідно до цього закону, кількість випромінюваної нагрітою поверхнею стінки теплоти прямо пропорційна поверхні стінки, часу і різниці абсолютних температур поверхні стінки й навколишнього середовища в четвертому ступені.

Найбільше значення коефіцієнт випромінювання має для абсолютно чорного тіла.

Для сірих тіл уводять коефіцієнт ступеня чорноти тіла. Величини є для різних тіл (поверхонь) наводяться в довідниках.

Теплоту, що передана поверхнею стінки газовому середовищу у вигляді променевої енергії, можна також виразити через коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням.

Складний теплообмін. У теплових процесах променистий теплообмін часто супроводжується конвективним рухом середовища відносно тепловипромінюваної поверхні. Одночасна передача теплоти шляхом конвективного і променистого теплообміну називається конвективно-променистим теплообміном. Наприклад, конвективно-променистим теплообміном відбувається тепловіддача від стінок теплообмінних апаратів в навколишнє середовище. Обидва ці процеси не впливають один на одного, тому результуючий коефіцієнт тепловіддачі дорівнює сумі

Цей коефіцієнт показує, яка кількість теплоти переходить у довкілля за рахунок радіації і конвекції з 1м² поверхні стінки апарата за 1с за різниці температур між стінкою й довкіллям (повітрям), рівній 1К.

Відзначимо, що коефіцієнт тепловіддачі конвекцією відносно слабко залежить від температури теплоносія, в той час як коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням, а отже, й сумарний коефіцієнт тепловіддачі істотно залежать від температури, що необхідно мати на увазі при розрахунках конвективно-променистого теплообміну.

При розв'язанні окремих задач для випадку тепловіддачі в закритих приміщеннях при температурі стінки до 150 °С сумарний коефіцієнт тепловіддачі.

Теплопередача через роздільну стінку. В теплообмінних апаратах теплота передається від однієї рідини до іншої здебільшого через стінку, що їх розділяє. Такий теплообмін називається теплопередачею.

Теплопередача може здійснюватися при усталених процесах (безперервних) і таких, що не встановилися (періодичних). Усталений тепловий процес характеризується тим, що температура і кількість теплоти в кожній точці теплоносіїв з плином часу не змінюються, а при неусталеному процесі ці параметри безперервно змінюються в кожній точці обох теплоносіїв.

Розглянемо теплопередачу через плоску одношарову стінку, по одну сторону якої знаходиться гаряча вода, а по іншу - повітря (рис. 4.3). Нехай температура рідини, що нагріває, t1, а температура повітря, що нагрівається, t4 (t1>t4). Процес передачі теплоти складається з процесу тепловіддачі від нагріваючої рідини до поверхні А стінки, передачі теплоти теплопровідністю через стінку і процесу тепловіддачі від поверхні Б стінки до повітря, що нагрівається. Слід врахувати, що від поверхні Б стінки теплота до повітря передається за рахунок випромінювання і конвекції. В усталеному процесі теплопередачі тепловий потік в усіх означених етапах один і той самий.

Рушійна сила теплових процесів. Цією силою є різниця температур середовищ, за наявності якої теплота поширюється від середовища з більшою температурою до середовища з меншою температурою.

Під час вивчення законів теплопередачі ми вважали ці температури по обидва боки стінки, що їх розділяє, постійними. У більшості випадків у процесі теплообміну температури теплоносіїв (або, принаймні, одного з них) змінюються вздовж поверхні теплообміну, тому в теплових розрахунках, де застосовується основне рівняння теплопередачі (4.16), використовується середня різниця температур.

На практиці трапляються такі дві основні схеми руху теплоносіїв:

а) прямотечія - обидва теплоносії рухаються паралельно один одному в одному напрямку;

б) протитечія - паралельний зустрічний рух. Крім цього мають місце перехресна течія - рух у взаємно перпендикулярному напрямку та змішана течія - один або два теплоносії роблять декілька ходів у апараті, омиваючи одну частину його поверхні за схемою прямотечії, іншу - за схемою протитечії або перехресної течії.

Для розрахунку середньої різниці температур необхідно встановити за графіками в кожному конкретному випадку більшу і меншу різницю температур.

Після цього встановлюють величину відношення між більшою й меншою різницею температур.

Питання для самоперевірки

1. Які існують засоби передачі теплоти? їх визначення.

2. Викладіть закон Фур'є.

3. Що називають коефіцієнтом теплопровідності?

4. Наведіть приклади багатошарової стінки.

5. У чому полягає сутність конвективного теплообміну?

6. Тепловіддача при вільному русі рідини.

7. Що таке плівкова конденсація пари?

8. Від чого залежить передача теплоти випромінюванням?

9. Викладіть закон Стефана-Больцмана.

10. Що таке ступінь чорноти?

11. Які тіла називають абсолютно чорними?

12. У чому сутність процесу теплопередачі?

13. Що таке складний теплообмін?

14. Коефіцієнт теплопередачі, його визначення.

15. Обчислення коефіцієнта теплопередачі для одношарової та

багатошарової стінок.

16. Рушійна сила теплових процесів, її визначення.

Використана література.

13. Процеси і апарати харчових виробництв / За редакцією А.М.Поперечного.- К.:Центр учбової літератури, 2007, - 301 с.

14. Стабников В.Н., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств.- М.:Пищ.пром-сть, 1984, -349 с.

15. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. –М.: Агропромиздат, 1999, - 430 с.