7.1. Технологическое оборудование для ведения теплообменных процессов

Несмотря на разнообразие пищевых сред и оборудования для ведения тепловых процессов общим для них является передача теплоты от среды с более высокой температурой к среде с меньшей температурой прямым контактом или через теплопередающую стенку. В общем случае передача теплоты осуществляется теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность - передача теплоты при непосредственном контакте тел с различной температурой.

Конвекция - передача теплоты в жидких и газовых средах за счет перемещения среды.

Тепловое излучение - явление переноса (передачи) теплоты в виде электромагнитных волн с взаимным превращением тепловой энергии в излучение и наоборот.

В природе в чистом виде отдельные способы передачи теплоты встречаются редко. В большинстве случаев один способ теплообмена сопровождается другим.

Количество теплоты dQ, переданные теплопроводностью, согласно закону Фурье, пропорционально градиенту температуры dt/dn, времени dτ и площади сечения dF

,

где λ – коэффициент теплопроводности, выражает количество теплоты, передаваемое за единицу времени, через единицу поверхности при градиенте температур один градус на один метр длины нормали к изотермической поверхности, кВт/(м·К).

Количество теплоты, отдаваемое конвекцией поверхностью нагрева t₁ среде t₂, рассчитывается по закону теплоотдачи Ньютона:

,

где α - коэффициент теплоотдачи, характеризует интенсивность конвективного теплообмена и показывает количество теплоты, передаваемое от единицы поверхности нагрева в окружающую среду или наоборот в единицу времени при разности температур один градус, (кВт/(м²·К).

Закономерности теплового излучения (радиации) описываются законами Стефана – Больцмана, Кирхгофа и Ламберта. Закон Стефана – Больцмана устанавливает зависимость между лучеиспускательной способностью тела E, количеством энергии Q, излучаемой телом площадью поверхности F за единицу времени.

При этом количество излучаемой энергии зависит от длины волны и температуры. Интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тел. При температуре выше 600 ºC теплообмен между твердыми телами осуществляется преимущественно излучением.

Связь между излучательной способностью E₀ (Вт/м²) и температурой абсолютно черного тела T (К) выражается зависимостью

где σ₀ – постоянная излучения абсолютно черного тела, σ₀ = 5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴).

По закону Кирхгофа отношение лучеиспускательной способности любого тела E_i к его лучепоглощательной способности A_i при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела:

.

Закон Ламберта выражает изменение интенсивности излучения по различным направлениям E_φ и записывается в виде:

Вт/м²

где E_n – максимальное излучение в направлении нормали к поверхности, Вт/м².

φ – угол излучения к нормали поверхности излучения.

В зависимости от характера и цели технологического процесса тепловая обработка пищевых продуктов должна обеспечить: темперирование т.е. поддержание процесса на заданном уровне, нагревание или охлаждение продукта, сгущение жидких растворов, растворение твердых веществ, конденсацию паров и т.д.