1.2. Основные принципы передачи тепла при нагреве пищевых продуктов

Нагрев продуктов при кулинарной обработке происходит за счет процессов теплообмена путем передачи тепла от более нагретого источника теплоты к менее нагретому продукту. При этом различают три основных способа передачи тепла:

 молекулярный теплообмен,

 конвективный теплообмен,

 лучистый (радиационный) теплообмен.

Молекулярный теплообмен или теплопроводность, как физическое явление представляет собой перенос тепла беспорядочно движущимися частицами внутри вещества при их столкновении друг с другом. В газах и жидкостях такими частицами являются молекулы и ионы, в кристаллических решетках твердых тел - атомы и электроны Основными характеристиками теплопроводности вещества являются:

 - коэффициент теплопроводности, представляющий собой количество тепла, переносимое через единицу поверхности в единицу времени при нагреве на 1⁰, Вт/(мК):

а - коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость передачи тепла, м²/с.

Теплопроводность вещества зависит от его исходного состояния (начальная температура, влажность и т.д.), а также от особенностей структуры. Например, структура ряда пищевых продуктов характеризуется пористостью. В порах может находиться влага или пар, количество которых в процессе тепловой обработки может меняться. Это приведет к изменению теплофизических характеристик и, следовательно, самого процесса нагрева.

За количественную характеристику процесса переноса теплоты наиболее удобно принимать удельный тепловой поток q, оценивающий количество теплоты, проходящее через единицу площади продукта, Вт/м²Молекулярный теплообмен описывается законом Фурье

=, (1)

где - изменение температуры в процессе теплообмена;

- изменение координаты в направлении нормали к изо терме;

- толщина продукта, в которой происходит передача тепла;

- разница температур по толщине в процессе теплообмена.

Конвективный теплообмен представляет собой перенос тепла отдельными элементарными объемами сред (жидкостью, паром, газом и др.) на границе их раздела с другими средами или твердыми поверхностями.

Конвективный теплообмен описывается законом теплоотдачи Ньютона

, (2)

где _к - коэффициент поверхностной теплоотдачи конвекцией;

 t - разница температур между средами.

Коэффициент поверхностной теплоотдачи зависит от свойств граничных поверхностей контактирующих сред, а также от характера теплообмена.

, (3)

где Nu – критерий Нуссельта, зависящий от определяющих

критериев условий теплообмена;

 – коэффициент теплопроводности конвективной среды;

l – определяющий геометрический размер граничной поверхности

конвективного теплообмена.

Конвективный теплообмен может быть свободным и вынужденным.

Теплообмен, протекающий при свободном движении элементарных объемов сред под действием гравитационных сил, называется свободной конвекцией. Он характеризуется определяющими критериями Грасгофа Gr и Прантля Pr. Первый учитывает интенсивность конвективных потоков, возникающих в следствие разностей плотностей и температур конвективных сред, второй – их физические константы (коэффициенты температуропроводности и вязкости). При таком теплообмене более нагретые жидкие или газообразные слои поднимаются вверх, перенося тепло, а менее нагретые опускаются вниз.

Принудительное движение сред под действием внешних сил на границе теплообмена называется вынужденной конвекцией и оценивается при помощи определяющих критериев Прандтля Pr и Рейнольдса Re, учитывающего динамику теплового потока. Теплообмен в условиях вынужденной конвекции протекает более интенсивно. Это объясняется высокими значениями _к. Например, коэффициент поверхностной теплоотдачи при свободной конвекции в газах находится в пределах _к =530 Вт/м²К, а при вынужденной _к = 100500 Вт/м²К.

Лучистый теплообмен связан с двойным превращением энергии. Тепловая энергия более нагретого тела превращается в лучевую в виде электромагнитных волн ИК-диапозона, проходит через пространство и попадая на менее нагретую поверхность поглощается, отражается или пропускается ею. Интенсивность нагрева при лучистом теплообмене зависит от оптических свойств нагреваемого тела, которые делятся на отражающие (R), поглощающие (А) и пропускающие (D). Оптические свойства тел характеризуются коэффициентом, называемым степенью черноты . Количество теплоты, передаваемое телу при лучистом теплообмене можно определить, используя закон Стефана-Больцмана

, (4)

где Т₁ и Т₂ – абсолютные температуры соответственно нагреваемого тела

и источника ИК-излучения;

S₁ и S₂ – площади соответственно нагреваемого тела и поверхности

излучения;

 ₁ и  ₂ – степень черноты соответственно нагреваемого тела

и поверхности излучения.

В большинстве случаев, при тепловой обработке продуктов одновременно имеет место не один, а несколько из перечисленных выше способов теплообмена, протекающих с разной интенсивностью. При этом, оборудование должно обеспечивать наиболее благоприятные условия для осуществления тех или иных способов тепловой обработки. Например, при варке определяющим должен быть молекулярный теплообмен, обеспечивающий равномерный прогрев продукта по всему объему. При жарке наоборот, предпочтительными являются конвективный или лучевой теплообмен, обеспечивающие неравномерный и достаточно интенсивный нагрев поверхности продукта. Важную роль при этом играют теплофизические свойства, как самих продуктов, так и других участников теплообмена (стенок варочной или жарочной емкости, нагревательного устройства, пара, жидкости и т.д.).