Для чего нужно нагревание

ВОПРОС № 1. НАГРЕВАНИЕ

Модуль № 4

Теплообменные процессы

Лекция № 20

Нагревание и испарение

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.

3. Аппараты для нагревания пищевых сред.

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/(м 2 · К). Дифенильная смесь обеспечивает обогрев до 260. 400 °С.

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

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.

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/(м 2 · 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.

Расход «глухого» пара

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

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/(м 2 · 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)

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.

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.

(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

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.

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.

Источник

Нагрев

Нагрев — искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала/тела, либо за счёт внутренней энергии, либо за счёт подведения к нему энергии извне. Для подведения энергии извне используется специальное устройство — нагреватель (нагревательный элемент), того или иного вида и конструкции.

Содержание

Физика процесса

Нагрев тела происходит за счёт увеличения скорости движения либо колебаний молекул и атомов, составляющих его. Движение молекул и атомов в разных телах происходит по-разному.

В твёрдых телах частицы колеблются около положения равновесия. С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым.

Броуновское движение

Броуновское движение является доказательство теплового движения молекул и было открыто английским ботаником Робертом Броуном в 1827 году.

Применение

В технике

В быту

См. также

Ссылки

Примечания

Полезное

Смотреть что такое «Нагрев» в других словарях:

НАГРЕВ — НАГРЕВ, нагрева (нагреву), мн. нет, муж. (спец.). 1. Действие по гл. нагревать и нагреваться. При солнечном нагреве. Излишний нагрев проводов (электрических). 2. Степень, до которой что нибудь нагрето; разогретость, тепло. Мало нагреву от плохих… … Толковый словарь Ушакова

НАГРЕВ — НАГРЕВ, а, муж. 1. см. нагреть. 2. Степень, а также поверхность нагревания чего н. (спец.). Площадь нагрева. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

нагрев — сущ., кол во синонимов: 15 • воздухонагрев (4) • воздухообогрев (2) • нагревание … Словарь синонимов

нагрев — — [ГОСТ Р 54325 2011 (IEC/TS 61850 2:2003)]] Тематики релейная защита EN warmWrm … Справочник технического переводчика

нагрев — įkaitimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. heating vok. Beheizen, n; Erhitzung, f; Erwärmung, f rus. нагрев, m; нагревание, n; накал, m pranc. chauffage, m; échauffement, m … Automatikos terminų žodynas

нагрев — kaitinimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. heating; incandescence vok. Beheizung, f; Erhitzen, n; Erwärmen, n; Glühen, n; Heizung, f rus. нагрев, m; нагревание, n; накал, m; накаливание, n pranc. chauffage, m; chauffe, f;… … Automatikos terminų žodynas

нагрев — kaitimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. heating vok. Erwärmung, f; Heizung, f rus. нагрев, m; накал, m pranc. chauffage, m … Radioelektronikos terminų žodynas

нагрев — šildymas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Vyksmas, kurio metu sistema gauna tam tikrą šilumos kiekį. atitikmenys: angl. heating; warming vok. Beheizung, f; Erhitzung, f; Erwärmen, n; Erwärmung, f; Heizung, f rus. нагрев … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

нагрев — kaitinimas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Kūno temperatūros didinimas (daugiau kaip 100 ºC). atitikmenys: angl. heating vok. Erwärmung, f; Glühen, n; Heizung, f rus. нагрев, m; накаливание, n; разогрев, m pranc.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

нагрев — kaitinimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Kūno temperatūros kėlimas (>100 °C). atitikmenys: angl. heating; incandescence rus. нагрев; нагревание; накал; накаливание; прокаливание; прокалка … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Источник

Молекулярная физика. Плавление и кристаллизация.

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением. Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристал лизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристалли зации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке АВ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке ВС вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия моле­кул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке CD) означает увеличение кинетической энер­гии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок DE) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При 0°С (горизонтальный участок EF) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвер­девании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, пре­вращаясь в жидкость (участок ВС). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Металлы, плавящиеся при температуре выше 1650 ºС, называют тугоплавкими (титан, хром, молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около 3400 °С. Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.

Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Неда­ром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача­ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы­шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое. Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристалли­зации вещества из жидкого состояния. При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энер­гии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца — 25 кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой λ (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой 1 кг выделяются те же 332 Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обыч­ное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты Q, выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Источник