4 Тепловые процессы

4.1 Основы теплообмена в пищевой аппаратуре

Теплообменом называется процесс переноса энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру.

Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более и менее нагретого тел. Теплообмен между телами представляет между собой обмен энергией между молекулами и атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого – возрастает.

Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводностью называется процесс перенос тепла в твердых, жидких и газообразных телах при условий, жидких и газообразных телах при условии, что вещество во всем объеме рассматриваемого тела остается неподвижным.

В металлах передача тепла происходит вследствие движения свободных электронов а в неметаллических материалах теплопроводность осуществляется в основном упругими акустическими волнами.

Теплопроводность в наиболее чистом виде наблюдается в твердых телах. В газах и жидкостях наряду с теплопроводностью перенос тепла происходит также за счет движения частиц (элементарных объемов) среды.

На основе наблюдений теплопроводности в твердых телах Фурье установил следующую зависимость:

кДж,

Q – количество переданного тепла, кДж;

- градиент температуры, град/м;

n – нормаль к изотермической поверхности тела;

F – площадь, перпендикулярная к направлению распространения тепла, ,

- время, сек;

- коэффициент теплопроводности тела,

Коэффициент теплопроводности зависит от Физических свойств вещества и его температуры и определяется экспериментально.

Конвективным теплообменом называется процесс переноса тепла в движущихся газах и жидкостях одновременно конвекцией и теплопроводностью. Конвекция – перенос тепла макрочастицами газа или жидкости из части среды с одной температурой в другую часть среды с другой температурой в другую часть среды с другой температурой в другую часть среды с другой температурой.

Конвекция в газе или жидкости, движущихся под действием посторонних возбудителей (вентилятор, насос и т.д.), называется вынужденной.

Если движение жидкости вызывается разностью плотностей нагретых и холодных ее частей, то такое движение называют свободным, а теплообмен свободной конвекцией.

Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и газом или жидкостью называют конвективной теплоотдачей. Количество перенесенного тепла при конвективной теплоотдаче определяется по формуле Ньютона

Где

- коэффициент теплоотдачи,

F – площадь поверхности теплообмена, ;

- температурный напор, град;

- время, сек.

Одной из основных задач конвективного теплообмена является определение в конкретных условиях коэффициента теплоотдачи .

Аналитическое определение , как правило, невозможно потому, что величина его зависит от многих переменных, поэтому определяется по эмпирическим формулам, которые обычно составляются в критериальной форме по правилам теории подобия.

Тепловым излучением называется процесс переноса тепла электромагнитными волнами. Тепловые лучи так же, как и рентгеновские лучи, световые и радиоволны, является электромагнитными волнами и отличается от последних только длиной волны.

При переносе тепла излучением тепловая энергия нагретого тела переходит в лучистую, распространяется в окружающее пространство, нападает на другое тело и переходит в тепловую.

За единицу лучистой энергии принимается ее количество, эквивалентное одному джоулю. Количество энергии, излучаемое или поглощаемое единицей поверхности тела в единицу времени, называется излучательной, или поглощательной, способностью тела Е, т.е.

В общем случае часть лучистой энергии падающей на поверхность тела, определяется поверхностью, часть поглощается телом и часть проходит через него. Отношение поглощенной части, отраженной части и части, прощедщей сквозь тело, к падающей энергии соответственно называется коэффициентом поглощения А, отражения R и проницаемости D. Таким образом,

А+R+D=1

Если тело поглощает всю падающую на него лучистую энергию, оно называется абсолютно черным телом, если оно отражает всю падающую энергию – абсолютно белым, если пропускает – абсолютно прозрачным. Таких абсолютных тел в природе нет. Введение абсолютных тел упрощает изучение законов, управляющих излучением.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

Еще более сложным является процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку. Этот процесс носит название теплопередачи.

В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные процессы теплообмена.

Расчет теплообменной аппаратуры включает:

1. Определение теплового потока, то есть количества тепла, которое должно быть передано за определенное время от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2. Определение поверхности теплообмена аппарата обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла – теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.