НАГРЕВАНИЕ и конденсация
Лекция 9
Нагревание – это процесс повышения температуры продуктов путем подвода к ним теплоты.
Движущая сила теплообменных процессов – разность температур теплоносителей.
Основными методами нагревания в пищевой технологии являются нагревание горячей водой, насыщенным водяным паром, дымовыми или топочными газами, представляющими собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическим током.
К теплоносителям предъявляются следующие требования: они должны обладать малой вязкостью, высокими плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования, быть негорючими, нетоксичными, термически стойкими, не оказывать разрушающего воздействия на материал теплообменника, они должны обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных его расходах и быть достаточно дешевыми. Выбор теплоносителя определяется величиной требуемой температуры нагревания.
Нагревание горячей водой.Вода является доступным и дешевым теплоносителем, имеющим высокие теплоемкость и коэффициент теплоотдачи. Обычно обогрев водой осуществляется через разделяющую теплоноситель и продукт стенку аппарата.
Расход воды на нагревание определяют из уравнения теплового баланса
, (1)
где Gв и Gм – массовые расходы воды и продукта, кг/ч; св и см – удельные теплоемкости воды и продукта, кДж/(кг×К); tв.н и tм.н – начальные температуры воды и продукта, °С; tв.к и tм.к – конечные температуры воды и продукта, °С; Qп– потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч;
. (2)
Нагревание водяным паром. Наиболее широко применяется в качестве греющего агента насыщенный водяной пар. В результате конденсации пара получают большие количества теплоты при относительно небольшом расходе пара, т. к. его теплота конденсации составляет приблизительно 2264 кДж/кг при давлении 0,098 МПа. Вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление переносу теплоты со стороны пара мало.
Основной недостаток водяного пара – значительное возрастание давления с повышением температуры. Поэтому температуры, до которых можно производить нагревание насыщенным водяным паром, обычно не превышают 180…190 °С, что соответствует давлению пара 1,0…1,2 МПа.
Нагревание глухим паром. Наиболее распространено нагревание глухим паром в теплообменнике, где нагреваемая среда (жидкость или газ) нагревается паром через разделяющую их стенку. Пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конденсируется на ней, и пленка конденсата стекает по поверхности стенки. Для того чтобы облегчить удаление конденсата, пар вводят в верхнюю часть аппарата, а конденсат отводят из его нижней части. Температура пленки конденсата близка к температуре конденсирующегося пара, и эти температуры могут быть приняты равными друг другу.
Расход D пара при непрерывном нагревании определяют из уравнения теплового баланса
, (3)
где G – расход нагреваемой среды; с – средняя удельная теплоемкость нагреваемой среды; tl, t2 – начальная и конечная температуры нагреваемой среды; iп, iк – энтальпии греющего пара и конденсата; Qп – потери теплоты в окружающую среду.
Для полной конденсации пара в паровом пространстве теплообменника на отводной линии конденсата устанавливают конденсатоотводчик, который пропускает конденсат, но не пропускает пар.
Нагревание острым паром. В тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом, используют нагревание острым паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Такой способ проще нагрева глухим паром и позволяет лучше использовать теплоту пара, т. к. паровой конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью и их температуры выравниваются. Если одновременно с нагреванием жидкость необходимо перемешать, то ввод острого пара осуществляют через барботеры – трубы, расположенные у дна аппарата, закрытые с конца и снабженные множеством мелких отверстий, обращенных кверху.
Расход острого пара определяют, учитывая равенство конечных температур нагреваемой жидкости и конденсата. Тогда по уравнению теплового баланса находим
, (4)
откуда расход пара
, (5)
где G – расход нагреваемой среды; с – средняя удельная теплоемкость нагреваемой среды; tl, t2 – начальная и конечная температуры нагреваемой среды; св – удельная теплоемкость конденсата; iп – энтальпия греющего пара; Qп – потери теплоты в окружающую среду.
Нагревание топочными газами. Дымовые, или топочные, газы образуются при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в котельных, хлебопекарных и других печах и т. д. Их используют для нагрева промежуточных теплоносителей через стенку. Недостатками обогрева топочными газами являются: низкий (не более 35…60 Вт/(м2×К)) коэффициент теплоотдачи, неравномерность нагрева, окисление стенок аппаратов, возможность загрязнения продуктами неполного сгорания топлива при непосредственном нагревании пищевых продуктов.
Расход топлива при нагреве топочными газами определяют из уравнения теплового баланса
, (6)
где В – расход газообразного топлива, кг/с; G – расход нагреваемой среды, кг/с; с – средняя удельная теплоемкость нагреваемой среды; tl, t2 – начальная и конечная температуры нагреваемой среды; I1 – энтальпия топочных газов на входе в теплообменник; I2 – энтальпия топочных газов на выходе из теплообменника; Qп – общие потери теплоты в окружающую среду, потери от химического недожога газов и вследствие их диссоциации, а также от неполноты сгорания твердого топлива.
Нагревание электрическим током. Применение электрического тока для нагревания пищевых продуктов не получило широкого распространения в промышленности, хотя с его помощью нагрев можно производить в очень широком диапазоне температур, точно поддерживая и легко регулируя температуру нагрева в соответствии с технологическим режимом. Более того, электрические нагревательные устройства отличаются простотой, компактностью и удобны для обслуживания.