Процессы нагревания и охлаждения. Теплопроводность, теплоотдача, теплопередача

Нагреванием называется процесс повышения температуры мате­риалов путем подвода к ним теплоты. Широко распространенными методами нагревания в пищевой технологии являются нагревание горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщен­ным водяным паром, топочными газами и электрическим током.

Для этих целей применяют теплообменники различных кон­струкций.

Нагревание водой используют для повышения температуры и пастеризации пищевых продуктов при температурах ниже 100 °С.

Другим способом нагревания горячими жидкостями является обогрев с помощью обогревательных бань, представляющих собой аппараты с рубашками. Рубашка нагре­вается топочными газами, с помощью электрообогрева или насы­щенным водяным паром высокого давления, подаваемым в змеевик.

Нагревание водяным насыщенным паром получило широкое распространение, что объясняется следующими его достоинствами: большим количеством теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара (2024...2264 кДж на 1 кг конденсирующегося пара при абсолютных давлениях соответственно 0,1... 1,0 МПа); высоким коэффициентом теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке — порядка 20 000...40 000 кДж/м² )равномерностью обогрева.

Нагревание топочными газами, образующимися при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в специальных печах, используется, например, для обогрева сушилок.

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 элект­рического тока молекулы диэлектрика приходят в колебательное движение, при этом часть энергии затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в теплоту, нагревая тело.

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

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

Охлаждение льдом применяют для охлаждения ряда продуктов, например мороженого, до температуры, близкой к нулю.

Теплопередача — теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку.

Теплоноситель — движущаяся среда (газ, пар, жидкость), ис­пользуемая пля пеоеноса теплоты.

Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энер­гии от более нагретых участков тела к менее нагретым в резуль­тате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В резуль­тате теплопроводности температура тела выравнивается.

Основной закон теплопроводности, установленный Фурье (1768—1830) и названный его именем, гласит, что количество теп­лоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально гради­енту температуры dt/dl, времени dt и площади сечения dF, перпен­дикулярного направлению теплового потока:

гдеλ. — коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м-К).

Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природы и агрегатного состояния, температуры и давления.

Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхно­стью тела и окружающей средой.

Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом

теплоотдачи, равным отноше­нию плотности теплового пото­ка на поверхности раздела к тем­пературному напору между по­верхностью теплообмена и сре­дой (теплоносителем).

Основной закон теплоотдачи — закон Ньютона гласит: количе­ство теплоты dQ, переданное от поверхности теплообмена к потоку, жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности t_ст и ядра потока t_f (или наоборот) и продол­жительности процесса dt: