Введение

Теплообмен - самопроизвольный, необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Теплота (количество теплоты) - энергетическая характеристика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой в процессе теплообмена.

Теплообменные процессы - это процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. К ним относятся процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации, выпаривания и т. п. Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи.

В процессах теплопередачи участвует не менее двух сред (веществ) с различными температурами. Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене теплоту, называется горячим теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая теплоту, называется холодным теплоносителем (хладагентом). Теплоносители и хладагенты должны быть химически стойкими, не вызывать коррозии аппаратуры, не образовывать отложений на стенках аппаратов. В качестве теплоносителей в пищевой промышленности наибольшее распространение получили насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов - аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор теплоносителя или хладагента определяется их назначением, температурами процесса, стоимостью.

К теплообменным относят такие технологические процессы, скорость которых определятся скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация.

I Анализ литературных источников

1. Виды тепловых процессов

Нагреванием называется процесс повышения температуры материалов путем подвода к ним теплоты. Широко распространенными методами нагревания в пищевой технологии является нагревание горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным паром, топочными газами и электрическим током. Для этих целей применяются теплообменники различных конструкций.

Нагревание водой применяется для нагревания и пастеризации продуктов при температуре выше 100 °С. Для нагревания до температур выше 100°С применяют перегретую воду, находящуюся под избыточным давлением.

Рис.1. Устройства для обогрева жидких сред «острым» водяным паром:

а~ бесшумный сопловой подогреватель (1-сопло. 2-смешивающий диффузор); б-паровой барботер

Расход воды или другого теплоносителя на нагревание определяют из теплового баланса:

GвCвtв н + GпCпtпн= GвCвtвк+ GпCпtпк + Qп ,

где Gв и Gп – количество соответственно воды и продукта, кг/ч;

св и сп – теплоемкости соответственно воды и продукта, кДж/(кгград);

tвни tпн – начальные температуры соответственно воды и продукта, °С;

tвки tпк – конечные температуры соответственно воды и продукта, °С;

Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

Нагревание топочными газами

Топочные газы относятся к числу наиболее давно и широко применяемых теплоносителей, они обеспечивают надежное нагревание до темпе­ратур, достигающих 1000-1100 °С.

Наиболее существенными недостатками этого способа являют­ся: неравномерность нагрева, обусловленная охлаждением газа в процессе теплообмена; трудность регулирования температуры обогрева; низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке возможность загрязнения нагреваемых материалов продуктами неполного сгорания топлива (при непо­средственном обогреве газами). Значительные перепады температур между топочными газами и нагреваемой средой создают жесткие условия нагревания, которые допустимы для многих продуктов, поскольку могут вызвать их перегрев.

Их применяют для нагревания жидкостей, в качестве генераторов теплоты для нагревания высокотемпературных тепло­носителей, для перегрева водяного пара или пара других жидкостей.

Расход топочных газов определяют из уравнения теплового баланса. Так, если расход топочных газов составляет £>_г, а их энтальпии равны Н_х (на входе в теплообменник) и Н₂ (на выходе из теплообменника), то уравнение теплового баланса имеет вид

D_r(H\ - Я₂) = Gc(t - t₂) + е;,

откуда

D_f = lGc{t_x -1₂) + еД/СЛ - н₂\

где все обозначения, кроме указанных выше, те же, что и в первом уравне­нии. При этом величина Q'_n, кроме потерь тепла в окружаю­щую среду включает такие статьи расхода тепла как потери от химического недожога газов, потери вследствие диссоциации газов, а также потери от неполноты сгорания твердого топлива. [1]

Нагревание электрическим током осуществляется в электрических печах сопротивления прямого и косвенного действия. В печах прямого действия тело нагревается при прохождении через него электрического тока.

Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при воздействии на диэлектрик переменного элек трического тока молекулы диэлектрик а приходят в колебательное движение, при этом часть энергии затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в теплоту, нагревая тело. Количество выделяющейся теплоты пропорционально квадрату напряжения и частоте ток а. Обычно

применяют частоту ток а 1∙106…100∙106 Гц.

Рис. 2. Иллюстрация принципа высокочастотного (диэлектрического) нагревания:

1-пластины конденсатора, к которым подведен ток высокой частоты; 2-нагреваемый материал (диэлектрик), 3- ориентированные (условно) частицы материала

Количество теплоты, которое необходимо подвести в процессе нагревания электрическим током, определяется из теплового баланса:

Qэ + Gctн=Gctк + Qп ,

где Qэ – количество теплоты, выделяющейся в нагревательном электрическом устройстве при прохождении электрического тока, кДж/ч;

G – количество перерабатываемого в обогреваемом аппарате продукта, кг/ч;

с – теплоемкость перерабатываемого продукта, кДж/(кг∙град.);

tн и tк– соответственно начальная и конечная температуры перерабатываемого продукта,°C;

Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

Qэ = Gc(tк - tн) + Qп.

Мощность нагревательных элементов (в кВт) N=Qэ/3600.

Испарение – процесс превращения жидкости в пар путем подвода к ней теплоты. Наиболее эффективно испарение жидкостей происходит при кипении. Испарение в пищевой технологии используется для охлаждения и опреснения воды, концентрирования растворов, например сахарных, и для разделения жидких смесей. Испарение происходит в испарителях.

Аппараты, применяемые для опреснения воды, называются опреснителями, для повышения концентрации растворов – выпарными аппаратами.

Расход теплоты на испарение (кДж)

Q=Wr,

где W – количество испаренной жидкости, кг;

r – теплота парообразования,

Например, для испарения 1 кг воды при атмосферном давлении следует затратить 2264 кДж.

Охлаждение – процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты. Для охлаждения газов, паров и жидкостей до 25…30 °С в пищевой технологии используют воду и воздух. Для охлаждения продуктов до низких температур используют низкотемпературные хладагенты – холодильные рассолы, фреоны, аммиак, диоксид серы, жидкий азот и др. В этом разделе рассмотрим охлаждение до обыкновенных температур.

Охлаждение водой осуществляется в теплообменниках, в которых теплоносители разделены стенкой либо обмениваются теплотой при смешивании. Например, газы охлаждают разбрызгиванием в них воды. Для охлаждения применяется обычная вода температурой 15…25 °С либо артезианская температурой 8…12 °С.

Расход воды на охлаждение W (кг/ч) определяется из теплового баланса:

Gctн + Wcвtвн = Gctк + Wcвtвк + Qп, откуда

W=Gc(tн-tк)-Qп /cв(tк-tн),

где G – количество охлаждаемого теплоносителя, кг/ч;

с, св – теплоемкости соответственно теплоносителя и воды, кДж/(кгград);

tн и tк – соотв етственно начальная и конечная температуры теплоносителя, °С;

tвн и tвк – соответственно начальная и конечная температуры охлаждающей воды, °С;

Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

Охлаждение льдом применяется для охлаждения ряда продуктов, например, мороженого, до температуры, близкой к нулю. Лед, отдавая теплоту, нагревается до 0 °С и плавится, отнимая теплоту от охлаждаемого продукта. Для определения продолжительности охлаждения используются экспериментальные данные.

Охлаждение воздухом проводится естественным и искусственным способами. При естественном охлаждении горячий продукт охлаждается за счет потерь теплоты в окружающее пространство. Наиболее эффективно естественное охлаждение в зимнее время при низкой температуре воздуха.

Конденсация – переход вещества из паро- или газообразного состояния в жидкое путем отвода от него теплоты. Конденсация происходит в конденсаторах.

Процессы конденсации широко применяются в пищевой технологии для ожижения различных веществ. Количество теплоты, выделяемое при конденсации, определяется

по формуле Q = Dr,

где D – количество конденсирующегося пара, кг;

r –теплота конденсации, кДж/кг.

Поверхностная конденсация осуществляется в теплообменниках, называемых поверхностными конденсаторами. Рассмотрим процесс конденсации перегретого пара водой. Тепловой баланс процесса:

Di + Wcвtвн= Dcкtк + Wcвtвк + Qп,

где D – количество поступающего в конденсатор пара, кг/ч;

i – энтальпия пара, кДж/кг;

св, ск – теплоемкости соответственно воды и конденсата, кДж / кгград;

tв.н, tв.к – соответственно начальная и конечная температуры воды, °С;

tк – температура конденсата на выходе из аппарата, °С;

Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

Конденсация при смешении теплоносителей осуществляется в мокрых и сухих конденсаторах. В мокрых конденсаторах охлаждающую воду, конденсат и неконденсирующиеся газы, например воздух, выводят из нижней части конденсатора с помощью мокровоздушного насоса. В сухих конденсаторах охлаждающая вода вместе с конденсатом выводится из нижней части, а воздух отсасывается вакуум-насосом из

верхней части конденсатора. Мокрые и сухие конденсаторы делятся на прямоточные и противоточные. [3]

[не более 35-60 Вт/(м²-К)];