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 температурдвижущая 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