§17 Тепловые процессы в пищевом производстве.

Тепловые процессы – это неотъемлемая часть в процессе производства пищевых продуктов. Диапазон используемой тепловой энергии в пищевом производстве очень велик. Например, нагрев, охлаждение, выпаривание, сушка, конденсация и многие другие биохимические процессы.

Движущие силы теплопередачи (теплового потока) является наличие разности температур – градиент температуры.

Тепло от одного тела к другому переносится механизмом передачи тепла по средствам теплопроводности, конвекции или излучения.

В пищевом производстве широко используют тепловые излучения. В общем, в инфракрасной области спектра с длинной волны от 1 до 40 мкм можно передавать достаточно большое количество теплоты, причем интенсивность излучения возрастает с повышением температуры (свыше 600˚С).В этом случае, в основном, теплообмен между взаимодействующими телами осуществляется по средствам лучистой энергии. При этом, тепловой (энергетический) баланс лучистого теплообмена:

; где

Q – общее количество тепла;

- поглощающая поверхность тела;

- отражающая поверхность тела;

- проходящий насквозь трубы.

Способность излучать тепловую энергию записывается законом: Т, где

5,7*

где

Степень черноты тела: ε ≈ 0,1…0,9.

Важное значение для лучшего теплообмена и лучепоглащающей способности сред при одной и той же температуры. Это является постоянной величиной для данного процесса:

;

Всего в теплообмене участвуют не менее двух сред. При этом принято обозначать среда или тепло называть его теплоносителем.

Горячий теплоноситель 1⟹FT

Холодный теплоноситель 2⟹XT

где

расход ГТ (

С – теплоемкость ГТ ;

;

В реальных процессах тепловой баланс будет следующим:

В реальном случае, особенно в современных аппаратах потеря тепла невелика 3…5%, поэтому потерями можно пренебречь.

Рассмотрим схему расчета теплопередачи через твердую стенку с накипью:

Т,˚С

А)Через стенку теплопередача осуществляется по закону теплопроводности Фурье.

, где

- температура стенки со стороны ГТ;

–температура со стороны ХТ;

λ – коэффициент теплопроводности;

- толщина стенки.

Б) Теплопередача от горячего теплоносителя к стенке осуществляется по закону конвективного теплообмена, Ньютон.

- накипь, изоляционный слой;

–коэффициент конвективной теплоотдачи.

В) Теплоотдача через слой накипи, теплопередача протекает по закону теплопроводности:

Г) Теплопередача с поверхности накипи в направлении нагреваемой по закону конвективного теплообмена.

- Температура холодного теплоносителя.

§18 Процессы выпаривания в пищевом производстве.

Выпаривание- это процесс удаления растворителя из жидкого раствора( смеси) путем ее испарения при кипении. В результате получается более концентрированный раствор (более густой). Выпариванию подвергают самые различные вещества (соки, молоко, суспензии, эмульсии и получается сухой продукт).

Отметим, что при выпаривании растворитель уменьшается, а количество дисперсной фазы практически остается неизменным. В процессе выпаривания в качестве источника тепла обычно используют водяной пар и называют его греющим (первичным паром). Пар, образующийся в результате выпаривания растворителя из исходного раствора, называют вторичным паром. В зависимости от физико-химических свойств исходного раствора, технологические процессы выпаривания происходят в различных условиях (повышенное или пониженное давление, атмосферное давление или вакуум).

Основным параметром процесса выпаривания является рабочая температура. В ряде случаев при высоких температурах выпаривания некоторые вещества раствора могут разлагаться, что может привести к снижению качества получаемого продукта. Поэтому иногда приходится снижать рабочую температуру. А это возможно путем снижения рабочего давления в выпарном аппарате или в вакууме, при этом температура может снижаться до 60-65̊ С.

Кроме того, во-первых, идет снижение рабочей температуры, градиент температуры между первичным и вторичным паром возрастает. Это приводит к снижению площади нагрева выпарного аппарата, т.е. снизить энергетические затраты, во-вторых, можно существенно снизить температуру первичного пара (греющего).

Общее количество тепла для выпаривания:

Q=mr

Где m- масса выпариваемого растворителя;

r – скрытая теплота парообразования (испарения)

Причем расход тепла в значительной степени зависит от давления и температуры. С понижением давления парообразование возрастает. Расход энергии на выпаривание в вакууме будет больше. Вместе с тем невысокие термостабильность и термоустойчивость большинства пищевых растворов требуют ограниченную допустимую температуру кипения для данного раствора.

А вот в процессе выпаривания под избыточным давлением повышается температура кипения, что сопряжено с дополнительными трудностями. Поэтому используется редко в случае выпаривания термостойких компонентов.

Процессы выпаривания разделяют на простые и сложные. Простые реализуют в однокорпусных аппаратах, а сложные в многокорпусных.

А) материальный баланс:

- количество концентрированного раствора после выпаривания (

- начальное количество исходного раствора;

U – количество выпарного растворителя (выпарной пар).

Если количество сухого компонента в процессе не изменяется, то можно записать:

- начальная концентрация раствора.

Б) уравнение теплового баланса:

- количество, теплоемкость и начальная температура исходного раствора.

- количество расходуемого на выпаривание градиента пара

- удельная энтальпия первичного конденсата и вторичного пара

- потеря тепла в окружающую среду

После некоторых допущений и упрощений можно вычислить количество расходуемого первичного пара:

I- греющий пар расходуется на нагрев исходного раствора на образование

II- на образование вторичного пара

III- на потери в окружающую среду

Из уравнения теплового баланса можно определить количество выпарного растворителя: