Процеси та апарати харчових виробництв
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
Тема 3.1. Загальні відомості про теплові процеси та фізичні основи переносу теплоти і маси речовини при нагріванні харчових продуктів Програма 19. Загальні відомості про процеси нагрівання. Характеристика теплоносіїв. 20. Особливості засобів нагрівання харчових продуктів у електромагнітному полі СВЧ. Інфрачервоний нагрів, його фізична суть. Поняття про діелектричне та індукційне нагрівання продуктів. 21. Теплопровідність, її суть. Суть дифузії, вологопровідності, теплопровідності. 22. Конвективний і складний тепло- і масообмін, їх суть. Теплообмін при фазових перетвореннях речовини. 23. Апарати, що забезпечують тепловий вплив на харчові продукти. Методичні вказівки 19. Технологічні процеси, швидкість перебігу яких визначається швидкістю підведення або відведення теплоти, називаються тепловими процесами, а апаратура, що призначена для проведення цих процесів називається - тепловою. Технологічні процеси виробництва різноманітних харчових продуктів включають цілий ряд основних теплових процесів, що є загальними для більшої частини харчових виробництв. До основних теплових процесів відносяться: Нагрівання - підвищення температури продуктів, що переробляються шляхом підведення до них теплоти. Охолодження - зниження температури продуктів, що переробляються шляхом відведення від них теплоти. Конденсація - перехід речовини з паро - або газоподібного стану в рідину шляхом відведення від неї теплоти. Випаровування - перехід рідини в пару шляхом підведення до неї теплоти. Випарювання - процес згущення розчинів шляхом вилучення з них частини рідини. Плавлення - фазовий перехід речовини з твердого стану в рідкий за рахунок підведення теплоти. Твердіння - перехід речовини з рідкого чи пластичного стану в твердий шляхом відведення теплоти. Поряд з цими процесами широке розповсюдження мають специфічні теплові процеси, що притаманні ряду харчових виробництв: пастеризація, стерилізація, (смаження, варіння) і т.д. У основі всіх теплових процесів покладена зміна теплового стану тіл або середовищ, що беруть участь у цих процесах. Теплова обробка продуктів є основним способом у технологічному процесі виробництва кулінарних виробів. Теплові процеси, що використовуються у громадському харчування можуть бути розділені на : - основні; - допоміжні; - комбіновані. До основних процесів теплової обробки харчових продуктів відносяться варіння і смаження. Варіння може здійснюватись при атмосферному, надлишковому тиску, під вакуумом і на парі. Смаження включає обробку в жирі у фритюрі, в жарочних шафах, на відкритому вогні та за допомогою інфрачервоного випромінювання. До допоміжних процесів теплової обробки відносяться процеси пасерування, ошпарювання, обпалювання та ін. Найважливішими параметрами, що обумовлюють кулінарну готовність страви є температура і час обробки продукту. Співвідношення між цими параметрами повинне бути оптимальне. Найбільше розповсюдження в харчовій технології одержали такі способи нагрівання: - нагрівання прямими джерелами теплоти - димовими газами, електричним струмом; - проміжними теплоносіями - водяною парою, гарячою водою, гарячим повітрям, мінеральними маслами. Крім того для нагрівання використовують теплоту раніше нагрітого харчового продукту, що під час обробки повинен бути охолоджений. Рушійна сила є основою усіх теплових процесів. При цьому середовище з більш високою температурою, що віддає теплоту, називається гарячим теплоносієм, а середовище з більш низькою температурою, що сприймає теплоту, називається холодним теплоносієм. Як гарячий теплоносій під час нагрівання використовують насичену водяну пару, гарячу воду і конденсат, гаряче повітря, електричний струм, топкові гази та ін. У процесах охолодження широко застосовуються такі холодні теплоносії, як холодна вода, лід, розсіл, скраплена вуглекислота, аміак, фреон та ін. При виборі теплоносія враховують його термічну та хімічну стійкість, токсичність, вартість, доступність. Водяна пара є найбільш розповсюдженим теплоносієм. Економічним є використання відпрацьованої пари паросилових установок і вторинної пари випарних установок. Частіше використовують насичену водяну пару тиском до 1,2 МПа. Розрізняють нагрівання гострою, глухою і м'якою парою. Топковий газ – застосовується для одержання високих температур, досягнення яких неможливе при застосовуванні водяної пари або інших теплоносіїв. Топкові гази дозволяють, здійснювати нагрівання до 1100 С. Їх одержують під час згорання твердого, рідкого чи газоподібного палива в спеціальних топках. Електричний струм. За допомогою електричного струму можна проводити нагрівання у широкому діапазоні температур, легко регулювати і точно підтримувати заданий температурний режим. Всі електричні нагрівачі прості за конструкцією, компактні та зручні в обслуговуванні. Проте їх застосування обмежується порівняно високою вартістю. Проміжними теплоносіями називаються ті, що сприймають теплоту від прямих джерел тепла і передають її матеріалам, що нагріваються. У якості проміжних теплоносіїв застосовуються гаряча і перегріта вода, мінеральні масла, високотемпературні органічні теплоносії. 20. В останній час в харчову технологію широко впроваджуються електрофізичні способи обробки харчових продуктів: електростатичне поле, струми промислової частоти, струми ВЧ і НВЧ, інфрачервоне випромінювання, ультразвук. НВЧ-нагрівання стало останнім часом одним з найбільш перспективних способів термічної обробки харчових продуктів. Використання його дозволяє значно інтенсифікувати теплові та масообмінні процеси, зменшити втрати маси продуктів під час термічної обробки, зберегти вітаміни,мінеральні та екстрактивні речовини. У змінному електромагнітному полі надвисокої частоти (НВЧ) нагрівання харчових продуктів може здійснюватися по всьому об'єму. До основних особливостей НВЧ нагрівання слід віднести: - спроможність НВЧ - поля проникати в продукт на значну глибину, що дозволяє здійснити його об'ємне нагрівання незалежно від теплопровідності; - високу швидкість нагрівання і відсутність контакту продукту з теплоносієм; - безінерційність процесу нагрівання; - високий ККД перетворення енергії НВЧ-поля в теплоту. Інфрачервоне нагрівання здійснюється за схемою "теплота - промінь - теплота", тобто спочатку за рахунок нагрівання випромінювача в ньому генерується енергія, після чого вона передається у вигляді електромагнітних коливань через середовище (повітря, газ) до об'єкту нагрівання, в якому енергія електромагнітних коливань знову перетворюється в теплоту. Джерелами випромінювання (генераторами) інфрачервоної енергії є головним чином температурні випромінювачі, в яких ІЧ проміння виникає в результаті спалювання газу, якогось іншого пального або під час нагрівання тіл. Крім того джерелами випромінювання можуть бути електричні лампи розжарювання, ртутні та кварцові лампи, напіввипромінюючі ТЕНи, СЕНи (селітові), металеві та керамічні випромінювачі газових пальників та ін. Однією з найбільш важливих характеристик генераторів ІЧ дії є довжина хвилі максимального випромінювання, тобто довжина хвилі, якій відповідає максимальна інтенсивність процесу. 21. Теплообміном називається самодовільний незворотній процес поширення теплоти в рідких, твердих і газоподібних середовищах, або переносу теплоти від одного середовища до іншого. Теплообмін викликається нерівномірністю розподілу температури у даній системі тіл, тобто зумовлений характером її температурного поля. Є три способи ( механізми ) теплообміну: теплопровідність, конвекція і випромінювання. Теплопровідність - це процес передачі теплової енергії від більш нагрітої частини тіла до менш нагрітої у результаті безпосередньої взаємодії частинок ( молекул, атомів, електронів ) в їхньому тепловому русі. Теплопровідність у твердих тілах, рідинах і газах відбувається, відповідно за рахунок: передавання енергії теплових коливань між сусідніми молекулами і атомами; крім того, у металах - за рахунок руху вільних електронів, що має переважний характер; обміну енергії сусідніх молекул і дифузії молекул; дифузії молекул. Теплопровідність розглядається як самостійний процес, що може протікати тільки у твердих тілах. У рідинах і газах теплопровідність протікає спільно з конвекцією або випромінюванням, або з обома цими процесами водночас. Передача теплоти теплопровідністю пов'язана з наявністю різниці температур тіла. Сукупність значень температур всіх точок тіла в даний момент часу називається температурним полем. Є два види теплообміну, які найбільш часто зустрічаються в теплотехнічній практиці: тепловіддачу і теплопередачу. Тепловіддачею називається процес теплообміну між твердим тілом (наприклад, стінкою апарата) і рідиною (або газом), що його омиває. Теплообмін між рідинами, газами, між рідиною і газом, розділений твердою стінкою, називається теплопередачею. Кількість теплоти, яка передається через стінку за одиницю часу, називається тепловим потоком ( має розмірність потужності, Вт ). Тепловий потік віднесений до одиниці поверхні, називається густиною теплового потоку (Вт/м2). Конвекція - це процес переносу теплоти шляхом переміщення деяких об'ємів (макрооб'ємів) рідини або газу з більш нагрітої області простору в менш нагріту. Таким чином, конвективна теплопередача тісно пов'язана з масовим переносом і супроводжується теплопровідністю між сусідніми макрооб'ємами. Розрізняють природну (вільну) і вимушену конвекцію. Під час природної конвекції переміщення середовища зумовлене меншою густиною більш нагрітих об'ємів та їх підняття у полі сил тяжіння за законом Архімеда. Якщо переміщення викликається штучно вентилятором, насосом, мішалкою, то така конвекція називається вимушеною. При цьому розповсюдження теплоти, тобто прогрівання всієї маси рідини (газу) відбувається значно швидше, ніж під час вільної конвекції. Поряд зі змушеним рухом водночас може розвиватися і вільний. Конвективний перехід теплоти від рідких і газових теплоносіїв до твердих тіл спостерігається під час варіння харчових продуктів у водному або паровому середовищі. Теплове випромінювання полягає в імітуванні енергії, що випромінюється тілом і розповсюдженні її в просторі електромагнітними хвилями. При цьому внутрішня енергія тіла перетворюється в енергію електромагнітних хвиль. Кількість енергії, що випромінюється, визначається температурою тіла, станом його поверхні, властивостями тіла. Частина цієї енергії поглинається тілами, розташованими на шляху розповсюдження хвиль, і перетворюється у внутрішню енергію поглинаючого тіла, тобто витрачається на підвищення тіла. Якась кількість променевої енергії частково відбивається від поверхні тіла, що її сприймає, а частково проходить крізь тіло. Практично розповсюдження теплоти відбувається не лише якимось одним із способів, а водночас двома, а ще частіше - всіма трьома: теплопровідністю, конвекцією і випромінюванням. Такий процес називається складним теплообміном. У теплових процесах променевий теплообмін часто супроводжується конвективним рухом середовища відносно тепловипромінюваної поверхні. Одночасна передача теплоти шляхом конвективного і променевого теплообміну називається конвективно - променевий теплообмін. Наприклад, конвективно - променевим теплообміном здійснюється тепловіддача від стінок теплообмінних апаратів у довкілля. 22. Під масообмінними процесами розуміють процеси переходу однієї або декількох речовин з однієї фази в іншу через межу їхнього розділу в напрямку досягнення системою рівноважного стану. Цей перехід речовин відбувається завдяки молекулярній та конвективній дифузіям, тому такі процеси часто називають дифузійними. Перехід речовини з однієї фази в іншу здійснюється шляхом молекулярної і конвективної дифузії, а також термодифузії та бародифузії. Молекулярна дифузія - це перехід речовини з однієї фази в іншу внаслідок хаотичного руху молекул в нерухомому рідкому (газоподібному) середовищі. Здійснюючи безладний рух, молекули будь - якого компонента рідини (газу) переходять з області з високою концентрацією в місце з меншою концентрацією. Переміщення розчиненої твердої речовини КМпО4 з однієї камери посудини в іншу почалося за рахунок різниці її концентрації і закінчилося, коли в кожній точці посудини концентрація стала однаковою. Перехід речовини з одного розчину в інший можливий якщо С1 = С2. Процес масообміну продовжується до тих пір, доки концентрації розчиненої твердої речовини в обох половинках зрівняються і встановиться середня концентрація, що називається рівноважною Ср. Дифузія можлива за таких умов: С2 - Ср С2 Конвективна дифузія спостерігається у тих випадках, коли перенесення речовини відбувається у рідині або газі під час їхнього перемішування. При цьому перенесення речовини відбувається як за рахунок броунівського руху молекул, так і за рахунок перенесення більш великих частинок, що утворені з багатьох молекул. Внаслідок цього, під час конвективної дифузії швидкість переміщення речовини у багато разів переважає швидкість переміщення речовини під час молекулярної дифузії. Процес конвективної дифузії буде спостерігатися, якщо в посудині встановити мішалку і після вилучення перегородки включити її. Молекулярна і конвективна дифузії називаються концентраційними, бо їх рушійною силою є різниця концентрацій речовини, що переміщається. Термодифузія - молекулярна дифузія, що являє собою переміщення частинок речовини внаслідок перепаду температур в рідкому (газовому) середовищі. Якщо, наприклад, між гарячою і холодною поверхнями знаходиться рідка (газова) суміш, що містить компоненти з різною густиною, то під впливом різниці температур більш важкий компонент починає рухатися до холодної поверхні, а легкий компонент назустріч йому - до нагрітої поверхні. Прикладом впливу термодифузії є зростання вологості м'якушки хлібного виробу на час закінчення його випічки. Термодифузія є причиною переміщення цукристих речовин від поверхні стружки цукрового буряка всередину її, так як температура на поверхні стружки цукрової стружки більш температури в центрі. Бародифузія - молекулярна дифузія, що викликається неоднорідністю тиску. Найчастіше зустрічається в інженерній практиці. 23. Теплообмінники - це пристрої, в яких здійснюється теплообмін між середовищами, які гріють і які нагріваються. У теплообмінних апаратах здійснюються всі види теплових процесів, тому їх можна поділити на групи: 1. Залежно від виконуємих функцій: - нагрівачі; - випарники, та кип'ятильники; - холодильні установки та конденсатори; - випарні апарати; - пастеризатори; - регенератори; 2. Залежно відагрегатногостану робочих середовищ: - рідинно - рідинні - теплообмін між двома рідкими середовищами; - парорідинні та парогазові - теплообмін між парою та рідиною (газом); - газорідинні і газогазові - теплообмін між газом і рідиною ( газом). 3. За способом передачі теплоти: - поверхневі; - змішувальні. 4. За тепловим режимом: - періодичної дії; - безперервної дії. 5. За конфігурацією: - трубчасті: ( кожухотрубні, змійовикові, елементні, секційні, зрошувальні та комбіновані); - пластинчасті; - спіральні; - оболонкові; -з ребристою поверхнею. Кожухотрубні теплообмінники. Ці теплообмінники отримали у промисловості найбільше застосування завдяки своїй компактності, простоті виготовлення та надійності у роботі. Вони використовуються для теплообміну між потоками у різних агрегатних станах: пара - рідина, рідина - рідина, газ - газ, газ - рідина. Вертикальний одноходовий теплообмінник жорсткої конструкції, що складається з циліндричного корпусу ( або кожуха ) та приварених до нього трубних решіток з пучком труб. Пучок труб поділяє весь об'єм корпусу теплообмінника на трубний простір, укладений всередині гріючих труб, та міжтрубний простір. До корпусу приєднані герметично за допомогою прокладок і болтового сполучення два днища. Для введення та виведення теплоносіїв корпус і днища мають патрубки. Один потік теплоносія, наприклад, рідина, спрямовується в трубний простір, проходить по трубках і виходить з теплообмінника через патрубок у верхньому днищі. Інший потік теплоносія, наприклад пара, рухається у міжтрубному просторі теплообмінника, омиваючи ззовні пучок гріючих труб. При цьому середовище, що гріється, спрямовують знизу вгору, а середовище, що віддає теплоту, - в протилежному напрямку Елементарні теплообмінники. Найпростіший двотрубний теплообмінник типу " труба в трубі " складається з двох труб: внутрішньої труби меншого діаметру і зовнішньої труби більшого діаметру. Звичайно складають послідовно один з другим у батарею декілька таких простих теплообмінних елементів за допомогою фланцевих з'єднань і колін (калачів). У двотрубних теплообмінниках можна створити високі швидкості теплоносія і продукту. У зв'язку з цим апарати характеризуються порівняно високим коефіцієнтом теплопередачі. Однак ці теплообмінники громіздкі та металомісткі. Змійовикові теплообмінники. Теплообмінний елемент - змійовик – це труба, зігнута таким чином і поміщена в судину. При цьому змійовикв рідину, яка нагрівається або охолоджується теплоносієм, що рухається по змійовику. У змійовиковому вакуум - апараті для уварювання кондитерських мас по змійовику проходить продукт. Змійовикові теплообмінники виготовляються з плоским змійовиком або із змійовиком, зігнутим у вигляді гвинтової лінії. Теплообмінники відрізняються простотою конструкції. У той же час у них ускладнено очищення внутрішньої поверхні зігнутої труби, змійовик має великий гідравлічний. Спіральні теплообмінники. У спіральному теплообміннику поверхня теплообміну утворюється двома металевими листами, згорнутими у вигляді спіралі.З Внутрішні кінці листів приварені до глухої перегородки, а їхні зовнішні кінці зварені один з одним. Торці спіралі закриті встановленими на прокладках плоскими кришками. Біля зовнішніх кінців спіралей та в центрі кришки приварені патрубки для введення і виведення теплоносіїв. Спіральний теплообмінник має високий коефіцієнт теплопередачі, незначний гідравлічний опір і відрізняється компактністю. Проте він складний у виготовленні та непридатний для роботи під тиском більше 1 МПа. Пластинчасті теплообмінники знайшли широке застосування для охолодження та підігрівання різноманітних рідин (молока, соків, вина, пива та ін.) з робочими температурами до 300 °С з тиском до 1,6 МПа. Теплообмінник складається з пакету гофрованих металевих пластин. Між пластинами утворюються герметичні канали, в яких здійснюється протиточна течія гарячого і холодного теплоносіїв. Пластини гофровані для того, щоб збільшити поверхню теплообміну і створити турбулентну течію рідини у вузьких каналах, відстань між якими дорівнює 3...10 мм. Пластини відокремлюються одна від одної прокладками і мають два отвори по кутах для входу і виходу одного теплоносія, що циркулює в герметичному каналі. Через два інших кутових отвори в пластині втікає і витікає інший теплоносій. Пластини стягнуті зажимами. Внаслідок високих швидкостей руху рідини між пластинами досягається високе значення коефіцієнта теплопередачі з малим гідравлічним опором. |