1. Основы теплообмена. Основное уравнение теплопередачи.

Теплопроводность – это процесс передачи тепла внутри тела от одних молекул к другим, вследствие их движения и взаимного соприкосновения. Основными кинетическими характеристиками процесса теплопередачи являются средняя paзность температур, коэффициент теплопередачи, количество передаваемой теплоты (от этой величины зависят размеры теплообменного аппарата). Связь между количеством передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена определяется основным уравнением теплопередачи

dQ = K F Δt dτ,

которое для установившегося процесса имеет вид

Q = K F Δtcp,

где dQ – количество переданной теплоты;

Колличество теплоты, передаваемое в единицу времени через единицу поверхности теплообмена, называют удельной тепловой нагрузкой, или плотностью теплового потока.

К – коэффициент теплопередачи между средами;

F – площадь поверхности теплообмена;

Δt – разность температур между средами – движущая сила процесса;

dτ – продолжительность процесса.

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты (кДж) передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку площадью 1 м2 в течение 1 ч при разности температур между теплоносителями 1°С.

Площадь поверхности теплообмена (теплопередачи) аппарата определяется по формуле F = Q / KΔtсмτ.

Чтобы воспользоваться уравнением, необходимо знать количество переданной теплоты, которое определяется из теплового баланса, среднюю

разность температур и коэффициент теплопередачи между средами. При нагревании жидкости или газа:

G– количество нагреваемой жидкости или газа; –начальная и конечная температура нагреваемой среды; х₁= 1,03-1,05– коэффициент, учитывающий потери тепла теплообменником в окружающую среду при нагревании.

При охлаждении жидкости или газа:

Х₂= 0,95-0,97

При испарении кипящей жидкости или конденсации пара:

При конденсации пара с последующим охлаждением полученного конденсата от температуры конденсации t_к до температуры продукта t:

2. Виды тепловой обработки.

К специфическим тепловым процессам относят бланширование, варку, жарку. Бланшированием называется кратковременная тепловая обработка при определенном температурном режиме в воде, паром или в водных растворах солей, сахара, органических кислот щелочей. Разваривание производится в кипящей воде или паром для разрушения структуры ткани и облегчения протирания. С целью повышения пищевой ценности и придания продукту определенных вкусовых качеств проводится обжарка или пассерование в растительном масле или животном жире. Обжаркой называется тепловая обработка в жирах до уменьшения массы сырья выше 30% при определенном температурном режиме. Пассерование – обжарка сырья с уменьшением массы до 30%.

3. Основы пастеризации и стерилизации.

Под пастеризацией понимают такую тепловую обработку продукта, в результате которой погибают лишь негативные болезнетворные формы микроорганизмов. Пастеризацию проводят при температурах ниже 100 для продуктов, качество которых значительно снижается при нагревании их свыше 100 . Чем ниже температура пастеризации, тем требуется больше времени для достижения нужного эффекта. В соответствии с этим пастеризацию молока производят при температуре = 72–75 в течении 21–24с. Для подавления микроорганизмов в продуктах питания и производственных средах применяется стерилизация – способ обезвреживания, аналогичный пастеризации, но осуществляемый при температурах выше 100 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. В последнее время для стерилизации сливок, молока, томата-пасты, морковных и других пюре, а также для нагревания сахарных растворов до поступления их на выпарную установку и воды для диффузионных установок сахарных заводов применяют пароконтактные устройства. В них нагрев осуществляется в результате непосредственного контакта среды с паром. В пароконтактном стерилизаторе жидкий продукт распыляется в нагревателе и мгновенно обрабатывается в нем паром, полученным из дистиллированной воды. Затем продукт поступает в вакуумную камеру, где в результате испарения удаляется перешедший в него конденсат, а так же летучие кислоты придавшие продукту нежелательный привкус. В качестве химических стерилизующих средств применяют хлорную известь, формалин, серную и соляную кислоту.

4. Испарение, охлаждение.

Испарение – процесс превращения жидкости в пар путем подвода к ней теплоты. Наиболее эффективно испарение жидкостей происходит при кипении. Испарение в пищевой технологии используется для охлаждения и опреснения воды, концентрирования растворов, например сахарных, и для разделения жидких смесей. Испарение происходит в испарителях.

Аппараты, применяемые для опреснения воды, называются опреснителями, для повышения концентрации растворов – выпарными аппаратами. Расход теплоты на испарение (кДж)

Q=Wr, где W – количество испаренной жидкости, кг;

r – теплота парообразования,

Охлаждение – процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты. Для охлаждения газов, паров и жидкостей до 25…30 °С в пищевой

технологии используют воду и воздух.

Для охлаждения продуктов до низких температур используют низкотемпературные хладагенты – холодильные рассолы, фреоны, аммиак, диоксид серы, жидкий азот и др.

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

Для охлаждения применяется обычная вода температурой 15…25 °С либо артезианская температурой 8…12 °С. С целью экономии свежей воды часто для охлаждения используют оборотную воду, охлажденную

за счет ее испарения в градирнях. Оборотная вода имеет температуру,

достигающую летом 30 °С.

Охлаждение льдом применяется для охлаждения ряда продуктов, например, мороженого, до температуры, близкой к нулю. Лед, отдавая теплоту, нагревается до 0 °С и плавится, отнимая теплоту от охлаждаемого продукта. Для определения продолжительности охлаждения используются экспериментальные данные.

Охлаждение воздухом проводится естественным и искусственным способами. При естественном охлаждении горячий продукт охлаждается за счет потерь теплоты в окружающее пространство. Наиболее эффективно естественное охлаждение в зимнее время при низкой температуре воздуха. Искусственное охлаждение воздухом применяется для охлаждения

воды в градирнях, в которых охлаждаемая вода стекает сверху вниз навстречу подаваемому снизу воздуху. При этом охлаждение происходит не только за счет теплообмена, но и в значительной степени за счет испарения части жидкости.