ВОПРОС № 1. НАГРЕВАНИЕ

Модуль № 4

Теплообменные процессы

Лекция № 20

Нагревание и испарение

Литература:

1. Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил.

2. Процессы и аппараты пищевых производств. Учебник для вузов в 2 книгах/ [А.Н. Острикова и др.]; под ред. А.Н. Острикова.

План лекции:

1. Нагревание.

2. Испарение.

3. Аппараты для нагревания пищевых сред.

Контрольные вопросы:

1. Какими методами нагревают пищевые продукты?

2. В чем особенности нагревания водой?

3. Какими достоинствами обладает процесс нагревания водяным насыщенным паром?

4. В чем недостатки нагрева топочными газами?

5. Как используют электрический ток для нагревания?

6. В чем существо терморадиационного нагрева?

7. В каких аппаратах теплообменными конструкциями являются трубы?

8. Определите технологические преимущества пластинчатых теплообменников.

ВОПРОС № 1. НАГРЕВАНИЕ

Нагреванием называется процесс повышения температуры ма­териалов путем подвода к ним теплоты. В пищевой технологии широко распространены методы нагревания горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным па­ром, топочными газами и электрическим током.

Для этих целей применяют теплообменники различных конст­рукций.

Нагревание водой используют для повышения температуры и пастеризации пищевых продуктов при температурах ниже 100 °С. Для нагревания до температуры выше 100 °С применяют перегретую воду, находящуюся под избыточным давлением. Вода относится к доступным и дешевым некоррозиеактивным теплоно­сителям, обладающим высокими теплоемкостью и коэффициен­том теплоотдачи. Обычно обогрев водой осуществляется через разделяющую теплоноситель и продукт стенку аппарата.

При нагревании водой или другими жидкостями, например маслом, органическими теплоносителями, часто применяют циркуляционный способ обогрева. По этому способу го­рячая вода (либо другой теплоноситель) циркулирует между на­гревателем и теплообменником, в котором она отдает теплоту.

Циркуляция может быть естественной или принудительной. Есте­ственная циркуляция происходит за счет разности плотностей го­рячего и холодного теплоносителей.

Более эффективен способ обогрева с принудительной циркуля­цией при помощи насоса.

Для обогрева теплиц при выращивании огурцов, томатов и дру­гих овощей используют горячую воду, отходящую от заводских теплоиспользующих установок.

Другой способ нагревания горячими жидкостями — обогрев при помощи обогревательных бань, представляющих собой аппараты с рубашками. Рубашка нагревается топочными га­зами, электрическим током или насыщенным водяным паром вы­сокого давления, подаваемым в змеевик.

Из высококипящих органических жидкостей для создания вы­соких температур применяют минеральные масла (до 250... 300 °С), тетрахлордифенил (до 300 °С), глицерин, кремнийорганические соединения и др. Наибольшее распространение получила дифенильная смесь, которую используют для нагревания по циркуля­ционному способу, а также для заполнения обогревательных бань. Коэффициент теплоотдачи для жидкой дифенильной смеси в ус­ловиях естественной циркуляции составляет 200... 350 Вт/(м² · К). Дифенильная смесь обеспечивает обогрев до 260...400 °С.

Расход воды или другого теплоносителя на нагревание опреде­ляют из теплового баланса.

(1)

где W_в и G_п– массовые расходы соответственно воды и продукта, кг/ч; с_в и с_п – теплоёмкости соответственно воды и продукта, кДж/(кг · К); t_в.н. и t_п.к. – конечные температуры соответственно воды и продукта, °С; Q_п – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

(2)

Нагревание водяным насыщенным паром получило широкое рас­пространение благодаря следующим его достоинствам: большому количеству теплоты, выделяющемуся при конденсации водяного пара (2024...2264 кДж на 1кг конденсирующегося пара при абсо­лютных давлениях соответственно 0,1...1,0 МПа); высокому коэф­фициенту теплоотдачи отконденсирующего пара стенке — при­мерно 20 000...40 000 кДж/(м² · ч · К); равномерности обогрева.

При нагревании водяным насыщенным паром применяют два способа: нагревание «глухим» насыщенным и «острым» паром.

При нагревании «глухим» паром теплота от кон­денсирующегося насыщенного водяного пара нагреваемому теп­лоносителю передается через разделяющую их стенку. Греющий «глухой» пар конденсируется и выводится из парового простран­ства теплообменника в виде конденсата. При этом температуру конденсата принимают равной температуре насыщенного грею­щего пара.

Массовый расход пара (кг/ч) при нагревании жидкости опреде­ляют из теплового баланса.

(3)

Расход «глухого» пара

(4)

где D – массовый расход пара, кг/ч; G – массовый расход жидкости, кг/ч; с – удельная теплоёмкость жидкости, кДж/(кг · К); t_и и t_к – соответственно начальная и конечная температуры жидкости, °С; і^´ и і^´´ - удельные энтальпии соответственно греющего пара и конденсата, кДж/ч.

Чтобы пар полностью конденсировался в паровом простран­стве теплообменника, на отводной линии конденсата устанавли­вают конденсатоотводчики различных конструкций (рис. 1). Конденсатоотводчик пропускает конденсат, но не пропускает пар, поэтому он полностью конденсируется в паровом пространстве Теплообменника, что приводит к существенной экономии пара.

При нагревании «острым» паром водяной пар вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Пар конденсирует­ся и отдает теплоту нагреваемой жидкости, а конденсат смешива­ется с жидкостью. Пар вводится через барботер, представляющий собой во многих случаях трубу сотверстиями, согнутую по спирали Ар­химеда либо по окружности. Впуск пара по барботеру обеспечивает одно­временно с нагреванием жидкости ее перемешивание с паром.

Рис. 1. Схема установки конденсатоотводчика:

1 – теплообменник; 2 – продувочный вентиль; 3 – конденсатоотводчик;

4 – вентили; 5 – отводная линия.

Расход «острого» пара определяют из теплового баланса

(5)

Обозначения здесь те же, что и в уравнении (3).

Расход «острого» пара

(6)

Нагревание «острым» паром применяют в тех случаях, когда допустимо разбавление нагреваемой среды водой. Этот способ ча­сто используют для нагревания воды и водных растворов.

Нагревание топочными газами, образующимися при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в специальных пе­чах, используют, например, для обогрева сушилок.

Недостатками обогрева топочными газами являются: низкий коэффициент теплоотдачи, равный 60...120кДж/(м² · ч · К), зна­чительные температурные перепады и неравномерный нагрев; сложность регулирования температуры; окисление стенок аппа­ратов, а также наличие вредныхпродуктов сгорания, что делает недопустимым применение топочных газов для нагревания пи­щевых продуктов при непосредственном соприкосновении с ними.

Кроме топочных газов, полученных в специальной печи, ис­пользуют также отработавшие газы от печей, котлов и т. д. тем­пературой 300...500 °С. Применение отработавших газов не требу­ет дополнительного расхода топлива, поэтому использование их для нагревания весьма рационально.

При нагревании электрическим током используют ток напряже­нием 220...380 В и частотой 50 Гц, токи высокой и сверхвысокой частоты (СВЧ) с частотой колебаний от нескольких сотен кило­герц до тысяч мегагерц.

Нагревание продуктов электрическим током может осуществляться прямым и косвенным действием. При прямом воздействии электрического тока тело нагревается при прохождении через него электрического тока. При косвенном воздействии теплота выде­ляется при прохождении электрического тока по нагревательным элементам (ТЭН). Выделяющаяся при этом теплота передается материалу тепловым излучением, теплопроводностью и конвек­цией. Нагревательные элементы изготовляют из проволоки или ленты нихрома (сплав, содержащий 20 % хрома, 30...80 % никеля, 0,5...50 % железа).

ТЭНы бывают разнообразной формы: цилиндрические, плос­кие, спиральные, круглые, кольцеобразные. ТЭНы устанавливают в электроплитах, мармитах, варочных котлах, фритюрницах, блинницах, в хлебопекарных печах.

Количество теплоты, которое необходимо подвести в процессе нагревания электрическим током, определяют из теплового ба­ланса

(7)

где Q_э – количество теплоты, которое выделяется в нагревательном электрическом элементе при прохождении в нём электрического тока, Дж/ч; G – расход продукта, кг/ч; с – удельная теплоёмкость продукта, Дж/ (кг · К); t_и и t_к - соответственно начальная и конечная температуры перерабатываемого продукта, °С; Q_п – потери теплоты в окружающую среду, Дж/ч.

Из уравнения (7) получим

(8)

Мощность электронагревательных элементов, Вт,

(9)

В настоящее время большинство оборудования пищевой промышленности работает на электрическом токе, который практически вытеснил газовые приборы.

Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при воздействии на диэлектрик, помещенный между пластинами кон­денсатора переменного электрического тока, его молекулы прихо­дят в колебательное движение, при этом часть энергии затрачива­ется на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в теплоту, нагревая тело. Количество выделяющей­ся теплоты пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Обычно частота тока составляет 1 · 10⁶...100 · 10⁶ Гц.

Для получения токов высокой частоты используют генераторы различных конструкций. К достоинствам диэлектрического нагре­вания относятся: непосредственное выделение теплоты в нагрева­емом теле, равномерный быстрый нагрев всей массы продукта до требуемой температуры, простота регулирования процесса.

В последние годы широкое применение в пищевой технологии на­шел нагрев в поле СВЧ, которое характеризуется сантиметровым диа­пазоном длин волн и частотой колебаний в тысячи мегагерц. СВЧ-на­грев используют в микроволновых печах для разогревания продуктов, выпечки и т. д., а также для обеззараживания сырья и продуктов.

Для преобразования электрического тока частотой 50 Гц в токи СВЧ в микроволновых печах служат магнитроны. Частота колеба­ний находится в обратной зависимости от длины волны λи опре­деляется как v = с/λ,где с— скорость распространения света, равная 300 000 км/с. Высокочастотный нагрев основан на явлении поляризации. В диэлектрике колебания молекул связаны с трени­ем частиц между собой. В результате возникающего трения в мас­се продукта выделяется теплота. Чем больше частота электричес­кого поля, тем больше генерируется в массе продукта теплоты.

Для определения количества теплоты, выделяемой в единице массы продукта, определим удельные диэлектрические потери.

Потери мощности в единице массы или объема, Вт/см³,

(10)

где Р— общая потеря мощности, Вт, в диэлектрике емкостью с, находящемся под переменным напряжением U при частоте f, V— единица объема.

Подставим в уравнение (10) значения общей потери мощнос­ти Р= UI_cмcos φ и полного значения тока смещения в диэлектрике I_см - ωcU, где ω – угловая частота поля; ω = 2πf.

После подстановки получим

(11)

Заменив V= Sd, где площадь S— поверхности рабочей части пластин конденсатора; d— расстояние между пластинами; φ — угол, на который ток смещения в цепи опережает приложенное напряжение, получим

(12)

Если напряженность электрического поля Е (В/см) выразим как Е= U/d,a емкость с = εS/d, где ε — диэлектрическая проница­емость продукта, получим

(12)

Произведение etg δ называется коэффициентом диэлектричес­ких потерь. Как следует из уравнения (85), удельные диэлект­рические потери, которые определяют количество выделяемой теплоты в единице массы или объема диэлектрика-продукта, зави­сят от параметров поля высокой частоты и от диэлектрических свойств материала, т. е. от угла δ диэлектрических потерь и ди­электрической проницаемости ε.

Терморадиационный нагрев представляет собой сложный физи­ческий процесс, обусловленный большой оптической плотностью и неоднородностью облучаемых продуктов.

При терморадиационном нагреве теплота подводится к про­дукту от генераторов инфракрасного излучения: высокотемпера­турных излучателей, кварцевых и зеркальных ламп.

Применение ИК-нагрева позволяет сократить продолжитель­ность обработки продуктов, а также повысить их качество. При облучении продукта ИК-лучами лучистая энергия превращается в теплоту. Эффективность нагревания зависит от спектральных ха­рактеристик генераторов излучения и облучаемого продукта.

Так, например, при вялении дынь продолжительность процес­са в поле ИК-излучений сокращается в 3...5 раз и при этом значи­тельно повышается качество продукта.

Инфракрасное излучение отличается от других видов электро­магнитных колебаний частотой, длиной волны и скоростью ее распространения. Длина волны ИК-излучения находится в преде­лах 7,7 · 10^-5...3,4 · 10^{-2 см (0,77...340 мкм).}

Оптические свойства продукта определяются его свойствами и содержащейся в нем воды. Спектральные характеристики генера­торов излучения должны соответствовать спектральным характе­ристикам облучаемых продуктов. При правильном выборе излуча­теля и режима облучения обеспечивается проникновение излуче­ния в глубь материала, что приводит к интенсификации процес­сов тепломассообмена. Проницаемость материалов для ИК-лучей зависит от вида материала (капиллярно-пористые или коллоид­ные), их структуры, размеров капилляров, характера их распреде­ления, от вида связи влаги с материалом.

Капиллярно-пористые материалы поглощают энергии больше, чем коллоидные. Это связано с многочисленными отражениями тепловых лучей от стенок капилляров материала.

Основная часть энергии поглощается поверхностным слоем продукта, а внутрь попадает только незначительная ее часть, со­ставляющая на глубине 1...2 мм только 5...20% энергии облуче­ния. Так, при ИК-нагреве слой муки не должен превышать 10 мм, фруктов и овощей — 10... 15 мм.

Если продукт способен выдерживать нагрев до высоких темпе­ратур, то при проникающем облучении следует применять высо­котемпературные источники излучения. При этом заметно ин­тенсифицируется процесс нагревания без опасности перегрева поверхности продукта.

В электрических индукционных печах нагревание осуществля­ется индукционными токами. Корпус печи выполняет роль сер­дечника соленоида, по которому пропускается переменный ток. Вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенке печи электродвижущую силу. Стенки печи нагреваются вторичным током. Соленоид изготовляют из матери­алов с низким омическим сопротивлением, например из медной и алюминиевой проволоки.

Диэлектрическое нагревание используют для нагревания ди­электриков. Количество выделяющейся теплоты прямо пропорци­онально квадрату напряжения и частоте тока.

Преимущества диэлектрического нагревания: высокая скорость процесса, равномерный прогрев материала, возможность регули­рования процесса.