4.8. Определение температуры стенок.

Расчет температуры стенок производят исходя из уравнений теплоотдачи и теплопередачи.

Количество тепла, получаемое холодным теплоносителем

где t₂ – температура холодного теплоносителя.

Количество тепла, отдаваемое горячим теплоносителем

где t₁ – температура горячего теплоносителя.

Их этих уравнений находим

, (1)

. (2)

Согласно основному уравнению теплопередачи

где - средняя разность температур между теплоносителями.

Подставляя значение Q из уравнения теплопередачи в уравнение (1) и (2), получим

4.9. Нагревание, охлаждение пастеризация и стерилизация.

В пищевой технологии с помощью соответствующих теплообменных аппаратов широко применяют процессы нагревания, охлаждения, пастеризации и стерилизации.

4.9.1 Нагревание.

Нагревание широко применяют для ускорения многих гидромеханических, тепловых и массообменных процессов. В зависимости от температурных и других условий проведения процесса для каждого из них выбирают такой метод нагревания, который является наиболее оправданным в технологическом и экономическом отношениях.

В качестве теплоносителей при нагревании пищевых сред применяют водяной пар, горячую воду, горячий воздух, дымовые газы и электрический ток.

Нагрев жидкости возможен открытым и глухим паром. При нагревании открытым (острым) паром (рисунок 5) его вводят через барботер непосредственно в нагреваемую среду и образующийся при этом конденсат пара смешивается с ней и принимает ее конечную температуру.

Рис.4.5. Рис.4.6.

Расход острого пара определяют из следующего теплового баланса:

. (1)

где G – количество нагреваемой жидкости, кг/с;

t₁, t₂ – начальная и конечная температуры нагреваемой среды;

с – средняя теплоемкость среды в интервале температур t₁-t₂, Дж/(кг К);

i – энтальпия греющего пара, Дж/кг;

с_к и t_к – теплоемкость и температура конденсата (принимают t_к=t₂, G_k=D Q_n – потери тепла от стенок аппарата в окружающую среду; для аппаратов находящихся в помещении, Q_n принимают равными 3-5% от общего количества подводимого тепла.

Из уравнения (1) расход острого пара D на нагревание составит

или

(2)

где x=1,03-1,05 – коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду при нагревании.

При нагревании глухим паром (Рисунок 4.6) среда не соприкасается с паром, а отделена от него теплопроводящей стенкой нагревательного устройства. Температуру получаемого при этом конденсата t_k принимают равной температуре греющего пара t_n ; точнее .

Расход глухого пара определят из теплового баланса, аналогичного балансу (1)

(3)

Приняв G_k=D и t_k=t_n , получим формулу для определения расхода глухого пара D (кг/с)

,

или

. (4)

Из формул (2) и (4) следует, что расход глухого пара всегда больше расхода острого пара, так как t_n>t₂.

Водяной пар широко применяют для нагревания жидкости до 120-130^оС.

Нагревание горячей водой применяют значительно реже, чем водяным паром. Как правило, для этой цели используют отходящую горячую воду или конденсат пара.

Нагревание дымовыми газами возможно до 200-300^оС. Достоинством этого способа нагрева является возможность форсирования процесса и получения высоких температур при атмосферном давлении, а недостатками – низкая теплоемкость газов и низкий коэффициент теплоотдачи, из-за чего для достижения необходимой степени нагрева приходиться пропускать большие объемы газов.

Нагревание горячим воздухом широко применяют в сушильных установках. Для этого воздух, предварительно очищенный от взвешенных примесей, нагревают до необходимой температуры, дымовыми газами или паром в воздухоподогревателях (калориферах).

Нагревание электрическим током получило в последнее время большое применение в пищевой промышленности и в особенности на предприятиях общественного питания.

Нагревание электрическим током обеспечивает равномерный и быстрый нагрев до 1000^оС, легкое регулирование степени нагрева путем изменения напряжения электрического тока или включения и выключения части нагревательных элементов, однако этот способ нагрева еще дорогой.

4.9.2 Охлаждение

Для охлаждения продуктов широко применяют холодную речную и артезианскую воду, лед, смесь льда с солью, сухой лед, сжиженный аммиак, фреон и другие.

Холодная вода, как наиболее доступный и недорогой хладоноситель широко используется в холодильниках, конденсаторах и других устройствах.

Расход воды на охлаждение определяют из уравнения теплового баланса.

,

откуда

. (5)

где G – количество охлаждаемого продукта, кг/с;

t₁ и t₂ – начальная и конечная температуры охлаждаемого продукта;

с – теплоемкость охлаждаемого продукта, Дж/(кг К);

x= 0,95-0,97 – коэффициент учитывающий потери тепла в окружающую среду при охлаждении.

При использовании льда можно получить температуру продукта, близкую к нулю. Если добавить ко льду или снегу кристаллическую поваренную соль, то температура таяния этой смеси будет ниже нуля и величина ее определяется количеством задаваемой в смесь соли. Наиболее низкую температуру таяния смеси (-21,2^оС) можно получить при содержании в смеси 29% соли; при этом практически удается снизить температуру воздуха в помещении до минус 13^оС. Такой способ охлаждения трудоемкий и требует много льда и соли. Кроме того, при этом трудно поддерживать в холодильной камере равномерную температуру и влажность воздуха, что особенно важно при длительном хранении пищевых продуктов.

При охлаждении продуктов твердой углекислотой (сухим льдом) в результате испарения ее, температура среды понижается до минус 75-78^оС и каждый килограмм ее при этом поглощает до 628 КДж тепла. Кроме охлаждающего действия, сухой лед, испаряясь, образует углекислый газ, в результате чего атмосфера в холодильной камере обедняется кислородом и бактериологические процессы, связанные с порчей пищевых продуктов, значительно замедляются.

Более совершенным является машинное охлаждение, основанное на свойствах сжиженных аммиака, фреонов и других газов при испарении поглощать из окружающей среды большое количество тепла.

4.9.3 Основы пастеризации и стерилизации

Ряд пищевых продуктов является хорошей питательной средой для многих микроорганизмов, способных вызвать инфекционные заболевания.

Тепловая обработка продуктов играет большую роль в обезвреживании их от микроорганизмов, что очень важно для последующего сохранения высоких пищевых качеств продуктов.

Под пастеризацией понимают такую тепловую обработку продукта, в результате которой погибают лишь болезнетворные формы микроорганизмов, ее проводят при температурах ниже 100^оС для продуктов, качество которых значительно снижается при нагревании их выше 100^оС.

Стерилизация – способ обезвреживания микроорганизмов, аналогичной пастеризации, но осуществляемый при температурах выше 100^оС в течении определенного времени.

Одним из основных требований, предъявляемых к высокотемпературной обработке пищевых сред, является быстрое проведение процесса в тонком слое без доступа кислорода с последующим быстрым охлаждением.

Наиболее эффективно этот процесс протекает в пластинчатом теплообменнике.

Тепловой способ обезвреживания пищевых продуктов и сред до сих пор является решающим в промышленности, несмотря на то, что в последнее время имеется ряд конкурирующих с ним, но пока еще дорогостоящих способов. Среди них представляют интерес следующие: обработка пищевых сред токами высокой частоты и ультрозвуковыми колебаниями, облучение их ультрофиолетовыми, инфрокрасными и другими лучами, выделение микроорганизмов в поле действия центробежных сил и другие.