Лекция 4 - Процессы и аппараты пищевых производств

# Процессы и аппараты перерабатывающих производств

5В073200- Стандартизация и сертификация __ст.преводаватель__ Саидов А.М.

## Лекция 4

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Цель: сформировать представление о тепловых процессах

План

1 Основы теплопередачи

2 Нагревание и охлаждение

3 Пастеризация и стерилизация

4 Конвекция и излучение

1 Основы теплопередачи

Процессы связанные с изменением теплового состояния взаимодействующих сред называются тепловыми

Температура — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы. кельвин (К). Т. градус Цельсия (°C) t.

T = t + 273, где Т - по Кельвину, t по Цельсию. 0°C=+273.15°K

Теплово́е движе́ние — процесс хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество.(чем больше нагревается вещество, тем быстрее движутся частицы)

Внутренняя энергия - это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.

Внутренняя энергия - тела зависит от средней кинетической энергии его молекул, которая в свою очередь зависит от температуры. Изменяя t мы изменяем внутреннюю энергию

Чтобы перевести вещество из одного агрегатного состояния в другое, необходимо изменить внутреннюю энергию.

- Если над телом совершают работу(трение, деформация) то внутренняя энергия тела увеличивается

- Если тело само совершает работу, то внутренняя энергия тела уменьшается

Процессы переноса теплоты, происходящие между телами, имеющими разную температуру, называют теплообменом.

Теплообмен(Теплопередача) - процесс переноса теплоты, происходящий между телами, имеющими разную температуру, при котором изменяется внутренней энергия без совершения работы над телом или самим телом.

Теплообмен всегда происходит от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.

3 способа теплообмена:

-теплопроводность

-конвекция

-излучение

Теплопроводность(способность тела проводить через себя тепло) —процесс переноса энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым.

Вещества с высоким коэффицентом теплопроводности называют хорошими проводниками тепла

Хорошие проводники тепла — металлы, расплавы, твердые тела

Плохие проводники тепла(изоляторы): — воздух, газы, жидкости, земля, дерево, стекло

------Железо проводит тепло в 100 раз лучше чем вода,а вода в 27 раз лучше чем воздух--------

Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Например:

- Если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку. Значит, железо обладает хорошей теплопроводностью.

- Если внести в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.

Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум

Для переноса теплоты применяются движущиеся рабочие среды, называемые теплоносителями.

Горячие теплоносители (теплоносители) — вещества с более высокой температурой, которые в процессе теплообмена отдают теплоту.

В пищевой промышленности наиболее распространены такие горячие теплоносители, как насыщенный водяной пар, вода, электрической ток, дымовые газы.

Холодные теплоносители (.хладагенты) — вещества с более низкой температурой, воспринимающие теплоту.

В качестве хладагентов используются аммиак, фреоны, рассолы хлорида кальция, воздух, азот.

Выбор теплоносителя или хладагента определяют их назначением, температурами процесса и стоимостью.

Тепловые процессы протекают только при наличии разности температур между теплоносителями, т.е. разность температур — движущая сила теплообмена.

Сложный теплообмен между двумя и более движущимися теплоносителями, разделенными поверхностью фазового контакта или поверхностью нагрева (твердой стенкой), называется теплопередачей.

Существуют два основных способа проведения тепловых процессов:

• непосредственное соприкосновение теплоносителей;

• передача теплоты через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче теплоты непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо, поэтому такой способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном исполнении.

При передаче теплоты через стенку теплоносители не смешиваются и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используется для передачи теплоты и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплообмена. При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени, тогда как при неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени.

Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с постоянным режимом; неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия, а также при пуске и останове аппаратов непрерывного действия или изменении режима их работы.

Передача теплоты от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания (лучистого теплообмена).

2 Нагревание и охлаждение

Нагревание — процесс повышения температуры материалов путем подвода к ним теплоты. В пищевой промышленности нагревание служит для ускорения гидромеханических, тепловых и массообменных процессов, а также для проведения пастеризации и стерилизации многих пищевых продуктов.

Процесс нагревания осуществляется при взаимодействии теплоносителей. Теплоносители аккумулируют тепловую энергию, полученную от источника теплоты, и отдают ее в теплообменных аппаратах.

Выбор теплоносителей зависит от требуемой температуры и необходимости ее регулирования.

Процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты называют охлаждением.

В зависимости от выбора необходимой температуры охлаждения используются следующие охлаждающие агенты:

вода и воздух — для охлаждения газов, паров и жидкостей; холодильные рассолы, фреоны, аммиак, диоксид серы, жидкий азот и другие — для охлаждения продуктов до отрицательных температур.

3 Пастеризация и стерилизация

К процессам тепловой обработки пищевых продуктов в целях уничтожения и снижения общего количества болезнетворных микроорганизмов относятся пастеризация и стерилизация.

Пастеризация — вид тепловой обработки продукта, проводимой при температурах до 100 °С.

Основоположником теории пастеризации является известный ученый Л. Пастер. Развитие теории пастеризации жидких сред в поточных теплообменниках принадлежит Г. А. Куку.

Пастеризацию применяют при изготовлении пива, для длительного хранения молока, зернистой икры и др.

Процесс пастеризации состоит из трех периодов:

- нагревания продукта до температуры пастеризации;

- выдержки при этой температуре;

- охлаждения продукта.

Зависимость между температурой пастеризации и ее продолжительностью до полного уничтожения микроорганизмов для любого продукта определяют опытным путем.

Стерилизация — вид тепловой обработки продукта, проводимой при температурах выше 100 °С.

Способы воздействия на микроорганизмы при стерилизации подразделяются на физические, химические и биологические.

К физическим способам воздействия относят тепловую обработку — воздействие высоких температур, использование токов различной частоты; механическую — применение ультразвуковых колебаний; радиационную — воздействие инфракрасных, ионизирующих лучей.

К химическим способам воздействия относят использование химических консервантов (хлорная известь, формалин, кислоты) и антисептиков.

К биологическим способам воздействия относят применение антибиотиков, ферментов.

Из всех способов воздействия на пищевые среды наиболее широко используется тепловая обработка (стерилизация).

Одним из основных требований, предъявляемых к высокотемпературной обработке пищевых сред, является быстрое проведение процесса в тонком слое без доступа кислорода и последующее быстрое охлаждение.

Стерилизация электрическим током — один из вариантов тепловой стерилизации пищевых продуктов. Стерилизация проводится электрическим током высокой (ВЧ) и сверхвысокой (СВЧ) частоты для продуктов, помещенных только в стеклянные или пластмассовые банки. При этом продукт в банке нагревается до температуры стерилизации примерно во всем объеме за небольшой промежуток времени (10...60 с). Микроорганизмы в поле тока высокой и сверхвысокой частоты быстро погибают, поэтому консервы не требуется долго выдерживать при высокой температуре.

Стерилизующий эффект заключается в том, что под действием электромагнитного поля молекулы ориентируются вдоль силовых линий, направление которых изменяется с частотой электрического тока. Микроорганизмы погибают вследствие импульсного воздействия магнитного поля и повышения температуры. При изменении направления поля меняется и направление мо-

4 Конвекция и излучение

Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.

Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться.

(Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.

Различают два вида конвекции:

Естественная (или свободная)

Возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется.

Вынужденная(принудительная)

Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т. д.

Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.

Конвекция в твердых телах происходить не может.

Излучение(лучеиспускание) — процесс теплопередачи путем переноса энергии в виде электромагнитных волн.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.

Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.

Абсолютно черное тело – тело поглощающее всю падающую на него лучистую энергию

Абсолютно белое тело – тело полностью отражающее всю падающую на него энергию

Абсолютно прозрачное тело – тело пропускающее всю падающую на него энергию

Контрольные вопросы

1. Какие технологические процессы относят к тепловым?

2. Какими способами может передаваться теплота от одного теплоносителя к другому?

3. В чем смысл законов теплоотдачи Ньютона и теплопроводности Фурье?

4. Из каких величин складывается общее термическое сопротивление теплопередачи?

5. Как определяется движущая сила теплообменных процессов?

6. Какие методы нагревания применяются в пищевых производствах?

Пилипенко, "Процессы и аппараты" стр. 76-89