1 Теоретическая часть. Теплообменные процессы

К теплообменным относят такие технологические процессы, скорость которых определятся скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более горячего и менее нагретого тела.

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 [3].

Нагревание водой применяется для нагревания и пастеризации продуктов при температуре выше 100 ⁰С. Для нагревания до температур выше 100 ⁰С применяют перегретую воду, находящуюся под избыточным давлением.

Нагревание водяным насыщенным паром получило широкое распространение, что объясняется следующими его достоинствами: большим количеством теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара; высоким коэффициентом теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке; равномерностью обогрева.

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

В печах косвенного действия теплота выделяется при прохождении

электрического тока по нагревательным элементам. Выделяющаяся при этом теплота передается материалу тепловым излучением, теплопроводностью и конвекцией.

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.

Охлаждение – процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты.

Для охлаждения газов, паров и жидкостей до 25 – 30 ⁰С в пищевой технологии используют воду и воздух. Для охлаждения продуктов до низких температур используют низкотемпературные хладагенты - холодильные рассолы, фреоны, аммиак, диоксид серы, жидкий азот [4].

Охлаждение водой осуществляется в теплообменниках, в которых теплоносители разделены стенкой либо обмениваются теплотой при смешивании. Например, газы охлаждают разбрызгиванием в них воды.

Конденсация – переход вещества из паро- или газообразного состояния в жидкое путем отвода от него теплоты. Процессы конденсации широко применяются в пищевой технологии для ожижения различных веществ.

Конденсацию можно проводить при отводе теплоты от конденсируемых веществ с помощью охлаждающего теплоносителя, отделенного стенкой, либо при непосредственном смешивании конденсируемых паров с охлаждающим теплоносителем – водой. В первом случае имеет место поверхностная конденсация, во втором – конденсация смешением.

Различают два вида передачи теплоты: простой и сложный, состоящий из простых. К простым тепловым процессам относят: теплопроводность, конвекцию, тепловое излучение.

Тепловые процессы реализуются в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплопроводность – перенос теплоты (внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении тел с различной температурой. Энергия беспорядочных тепловых колебаний молекул при этом передается от одного тела другому или от одной части тела другим его частям путем непосредственных соударений молекул.

Конвекция – это перенос теплоты в пространстве вместе с движущимися объемами газа или жидкости. Каждый движущийся объем среды в этом процессе никуда свою энергию не передаст, поток теплоты движется вместе с ним.

Тепловое излучение (тепловая радиация) – это явление переноса теплоты электромагнитными волнами. При этом происходит двойное преобразование энергии: вначале энергия теплового движения молекул преобразуется в энергию электромагнитного излучения, а затем происходит поглощение электромагнитного излучения другим телом и превращение ее в энергию теплового движения молекул. Воздух, через который передается тепловое излучение, практически не нагревается, т.е. он диатермичен [5].

Сложный тепловой процесс – это совокупность двух или более простых. Любой перенос теплоты в пространстве называют теплопереносом, а любой обмен теплотой между физическими телами – теплообменом.

На практике один вид теплопередачи сопровождается другим. Например, обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью происходит одновременно с теплопроводностью и теплоотдачей при конвективном переносе теплоты; в целом этот сложный процесс называют конвективным теплообменом между данными телами или теплоотдачей.