Лекция 4
ТЕПЛОВЫЕ
ПРОЦЕССЫ
Цель: сформировать
представление о тепловых процессах
План
1
Основы теплопередачи
2 Нагревание и охлаждение
3 Пастеризация и стерилизация
4 Конвекция и излучение
1
Основы теплопередачи
Процессы связанные с изменением теплового состояния взаимодействующих
сред называются тепловыми
Температура — физическая
величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы. кельвин (К). Т. градус Цельсия (°C) t.
T = t + 273, где Т - по Кельвину, t по Цельсию.
0°C=+273.15°K
Теплово́е движе́ние — процесс
хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество.(чем больше
нагревается вещество, тем быстрее движутся частицы)
Внутренняя энергия - это
энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.
Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и
потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию
тела.
Внутренняя энергия - тела
зависит от средней кинетической энергии его молекул, которая в свою очередь
зависит от температуры. Изменяя t мы
изменяем внутреннюю энергию
Чтобы перевести вещество из одного агрегатного состояния в другое,
необходимо изменить внутреннюю энергию.
- Если над телом совершают работу(трение, деформация) то внутренняя
энергия тела увеличивается
- Если тело само совершает работу, то внутренняя энергия
тела уменьшается
Процессы
переноса теплоты, происходящие между телами, имеющими разную температуру,
называют теплообменом.
Теплообмен(Теплопередача) -
процесс переноса теплоты, происходящий между телами, имеющими разную
температуру, при котором изменяется внутренней энергия без совершения работы над
телом или самим телом.
Теплообмен всегда
происходит от тел с более высокой
температурой к телам с более низкой.
Когда температуры тел
выравниваются, теплообмен прекращается.
3 способа
теплообмена:
-теплопроводность
-конвекция
-излучение
Теплопроводность(способность тела проводить через себя
тепло) —процесс переноса энергии от более нагретых участков тела к менее
нагретым.
Вещества с высоким коэффицентом теплопроводности называют хорошими
проводниками тепла
Хорошие проводники тепла —
металлы, расплавы, твердые тела
Плохие проводники
тепла(изоляторы): — воздух, газы, жидкости, земля, дерево,
стекло
------Железо проводит тепло в 100 раз лучше чем вода,а вода в 27 раз
лучше чем воздух--------
Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних
тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к
другой.
Например:
- Если один конец гвоздя нагреть в пламени, то
другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Значит, железо обладает хорошей теплопроводностью.
- Если внести в огонь конец
деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи,
будет холодным. Значит, дерево обладает плохой
теплопроводностью.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага,
пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих
веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум
Для
переноса теплоты применяются движущиеся рабочие среды, называемые
теплоносителями.
Горячие
теплоносители (теплоносители)
— вещества с более высокой температурой, которые в процессе теплообмена отдают
теплоту.
В
пищевой промышленности наиболее распространены такие горячие теплоносители, как
насыщенный водяной пар, вода, электрической ток, дымовые газы.
Холодные
теплоносители (.хладагенты)
— вещества с более низкой температурой, воспринимающие теплоту.
В
качестве хладагентов используются аммиак, фреоны, рассолы хлорида кальция,
воздух, азот.
Выбор
теплоносителя или хладагента определяют их назначением, температурами
процесса и стоимостью.
Тепловые
процессы протекают только при наличии разности температур между теплоносителями,
т.е. разность
температур —
движущая сила
теплообмена.
Сложный
теплообмен между двумя и более движущимися теплоносителями, разделенными
поверхностью фазового контакта или поверхностью нагрева (твердой стенкой),
называется теплопередачей.
Существуют
два основных способа проведения тепловых процессов:
•
непосредственное
соприкосновение теплоносителей;
•
передача
теплоты через стенку, разделяющую теплоносители.
При
передаче теплоты непосредственным соприкосновением
теплоносители
обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо, поэтому такой способ
применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном
исполнении.
При
передаче теплоты через стенку
теплоносители
не смешиваются и каждый из них движется по отдельному каналу;
поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используется для
передачи теплоты и называется поверхностью
теплообмена.
Различают
установившийся
и неустановившийся
процессы теплообмена. При установившемся (стационарном) процессе
температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени, тогда как при
неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во
времени.
Установившиеся
процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с постоянным режимом;
неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия, а также
при пуске и останове аппаратов непрерывного действия или изменении режима
их работы.
Передача
теплоты от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности,
конвекции и лучеиспускания (лучистого теплообмена).
2
Нагревание
и охлаждение
Нагревание
— процесс повышения температуры материалов путем подвода к ним теплоты. В
пищевой промышленности нагревание служит для ускорения гидромеханических,
тепловых и массообменных процессов, а также для проведения пастеризации и
стерилизации многих пищевых продуктов.
Процесс
нагревания осуществляется при взаимодействии теплоносителей. Теплоносители
аккумулируют тепловую энергию, полученную от источника теплоты, и отдают ее
в теплообменных аппаратах.
Выбор
теплоносителей зависит от требуемой температуры и необходимости ее
регулирования.
Процесс
понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты называют
охлаждением.
В
зависимости от выбора необходимой температуры охлаждения используются
следующие охлаждающие агенты:
вода
и воздух — для охлаждения газов, паров и жидкостей; холодильные рассолы, фреоны,
аммиак, диоксид серы, жидкий азот и другие — для охлаждения продуктов до
отрицательных температур.
3
Пастеризация и стерилизация
К
процессам тепловой обработки пищевых продуктов в целях уничтожения и снижения
общего количества болезнетворных микроорганизмов относятся пастеризация и
стерилизация.
Пастеризация
— вид тепловой обработки продукта, проводимой при температурах до 100
°С.
Основоположником
теории пастеризации является известный ученый Л. Пастер. Развитие теории
пастеризации жидких сред в поточных теплообменниках принадлежит Г. А.
Куку.
Пастеризацию
применяют при изготовлении пива, для длительного хранения молока, зернистой
икры и др.
Процесс
пастеризации состоит из трех периодов:
-
нагревания продукта до температуры пастеризации;
-
выдержки при этой температуре;
-
охлаждения продукта.
Зависимость
между температурой пастеризации и ее продолжительностью до полного
уничтожения микроорганизмов для любого продукта определяют опытным
путем.
Стерилизация
— вид тепловой обработки продукта, проводимой при температурах выше 100
°С.
Способы
воздействия на микроорганизмы при стерилизации подразделяются на физические,
химические и биологические.
К
физическим способам воздействия относят тепловую обработку — воздействие
высоких температур, использование токов различной частоты; механическую —
применение ультразвуковых колебаний; радиационную — воздействие инфракрасных,
ионизирующих лучей.
К
химическим способам воздействия относят использование химических консервантов
(хлорная известь, формалин, кислоты) и антисептиков.
К
биологическим способам воздействия относят применение антибиотиков,
ферментов.
Из
всех способов воздействия на пищевые среды наиболее широко используется тепловая
обработка (стерилизация).
Одним
из основных требований, предъявляемых к высокотемпературной обработке
пищевых сред, является быстрое проведение процесса в тонком слое без
доступа кислорода и последующее быстрое охлаждение.
Стерилизация
электрическим током — один из вариантов тепловой стерилизации пищевых
продуктов. Стерилизация проводится электрическим током высокой (ВЧ) и
сверхвысокой (СВЧ) частоты для продуктов, помещенных только в стеклянные или
пластмассовые банки. При этом продукт в банке нагревается до температуры
стерилизации примерно во всем объеме за небольшой промежуток времени
(10...60 с). Микроорганизмы в поле тока высокой и сверхвысокой частоты быстро
погибают, поэтому консервы не требуется долго выдерживать при высокой
температуре.
Стерилизующий эффект заключается в том, что под действием
электромагнитного поля молекулы ориентируются вдоль силовых линий,
направление которых изменяется с частотой электрического тока.
Микроорганизмы погибают вследствие импульсного воздействия магнитного поля
и повышения температуры. При изменении направления поля меняется и направление
мо-
4 Конвекция и
излучение
Конвекция — это процесс
теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или
газа.
Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над
пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося
нагретого воздуха начинает вращаться.
(Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и
становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда,
действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила
тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух
«всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный
воздух.
Различают два вида конвекции:
Естественная
(или свободная)
Возникает в веществе
самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние
слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои,
наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс
повторяется.
Вынужденная(принудительная)
Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т.
д.
Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их
нагревать снизу.
Конвекция в твердых телах происходить не может.
Излучение(лучеиспускание) —
процесс теплопередачи путем переноса энергии в виде электромагнитных
волн.
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело
человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем
больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично
поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела
нагреваются по-разному, в зависимости от состояния
поверхности.
Тела с темной поверхностью
лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то
же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем
тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше
сохраняет высокую температуру, чем в темном.
Абсолютно черное тело – тело поглощающее всю падающую на него лучистую
энергию
Абсолютно белое тело – тело полностью отражающее всю падающую на него
энергию
Абсолютно прозрачное тело – тело пропускающее всю падающую на него
энергию
Контрольные вопросы
1.
Какие
технологические процессы относят к тепловым?
2.
Какими
способами может передаваться теплота от одного теплоносителя к
другому?
3.
В
чем смысл законов теплоотдачи Ньютона и теплопроводности Фурье?
4.
Из
каких величин складывается общее термическое сопротивление
теплопередачи?
5.
Как
определяется движущая сила теплообменных процессов?
6.
Какие методы нагревания применяются в пищевых производствах?
Пилипенко, "Процессы и аппараты" стр. 76-89