Радиация или тепловое излучение

Перенос теплоты излучением (радиация) имеет место в хлебопекарных радиационных печах и радиационных сушилках, применение которых в настоящее время ограничено из-за довольно высокой энергоемкости. Сюда же можно отнести и микроволновые печи, используемые в быту.

Если на поверхность тела попадает лучистая энергия в количестве Q, то в общем случае телом поглощается с превращением в тепловую только часть ее Q_А; часть лучистой энергии Q_R отражается от поверхности тела, а часть Q_D проходит сквозь тело. Очевидно, что

Q = Q_А + Q_R + Q_D  (20)

Первое слагаемое правой части равенства (20) характеризует поглотительную способность тела, второе – отражательную, третье – пропускательную. Если первое слагаемое гораздо больше других, то такое тело называется абсолютно черным, если это можно сказать о втором слагаемом, то – тело абсолютно белое, а если о третьем, то тело абсолютно прозрачное. О продуктах питания такое сказать нельзя. Каждое тело обладает своей лучеиспускательной и лучепоглотительной способностью. Эта характеристика (Е) в общем случае выражается формулой:

Е = Q/F  (21)

Продифференцировав это выражение по длине волны, а затем, проинтегрировав его с учетом выражения Планка для различных длин волн, получим зависимость лучеиспускательной способности тела от температуры, которое получило название закона Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела:

Е = k_o T⁴ ,  (22) где k_o – константа излучения абсолютно черного тела.

Но в жизни тела бывают в большей части серыми. Поэтому в выражение (22) была внесена поправка έ, названная степенью черноты тела, а закон Стефана-Больцмана принял вид:

Е = έ С_о (Т/100)⁴ ,  (23) где С_о – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Соотношение же между лучеиспускательной и лучепоглотительной способностью тела определяется законом Кирхгофа: отношение лучеиспускательной способности тел к их поглотительной для всех тел одинаково, равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре и зависит только от температуры.

 Теплоотдача при конденсации пара 

Теплоотдача возникает при контакте пара с охлажденной поверхностью. При этом на поверхности образуются капельки жидкости – конденсата. Если этот процесс продолжается, то капельки заполняют всю поверхность конденсации и сливаются в сплошную пленку. В дальнейшем пар конденсируется  на поверхности пленки, которая представляет собой дополнительное термическое сопротивление в процессе теплоотдачи от пара к стенке. Так как при этом термическое сопротивление в паровой фазе ничтожно мало, скорость передачи теплоты зависит от толщины и свойств этой пленки. Формула для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации пара, рассчитанная путем преобразования критериальных уравнений теплоотдачи, представляет следующее выражение:            __________

а= А ⁴√ λ³ρ²gr/μLΔt_пк,  (24)

где А – коэффициент, связанный с ориентацией поверхности: для вертикальных поверхностей А=0,94, для горизонтальный – А=0,72; λ, ρ, μ – коэффициенты теплопроводности, вязкости и плотности конденсата; L – высота поверхности по которой стекает конденсат, м; g – ускорение свободного падения, м/с²; r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; Δt_пк- разность температуры пара и пленки, К.

Использование уравнения (24) для расчета «а»  на практике связано с  трудностями определения перепада температур на пленке, поэтому эту величину определяют методом последовательных приближений от произвольно выбранного начального значения или определяется путем экспериментов.

 Теплопередача при кипении жидкостей 

Кипением называется процесс испарения жидкости, при котором пар образуется в виде пузырьков в определенных местах (центрах) поверхности нагрева либо в виде сплошной пленки. Первый вид парообразования называется пузырьковым или ядерным, второй – пленочным.

Теплоотдача при кипении жидкостей относится к числу особенно сложных процессов, поэтому до последнего времени никому из исследователей не удалось еще сделать теоретических обобщений, позволяющих надежно вычислять коэффициенты теплоотдачи для этого случая. На основании же опытных данных С.С.Кутателадзе предложил формулу для определения этого коэффициента при пузырьковом кипении:

а= 7.10^-4 λ [g(ρ_ж – ρ_п)/σ]^0,5 [pq/g(ρ_ж – ρ_п)r ρ_п v]^0,7 (v/α)^0,35 ,  (25)

где ρ_ж , ρ_п – плотности жидкости и пара, кг/м³; р – давление над поверхностью пара, Па; σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; v – кинематическая вязкость жидкости, м²/с; α – коэффициент температуропроводности, м²/с; q – тепловой поток, Дж/м^2.с; r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; g – ускорение свободного падения, м/с².

Часто этим уравнением (25) невозможно пользоваться из-за отсутствия необходимых данных при температурах кипения. Поэтому для расчетов применяют найденные опытным путем зависимости для различных жидкостей вида:

а= А₁рⁿ q^m, (26)

где А₁, n, m – константы, которые находят по справочникам, р – давление, q – плотность теплового потока.

 Процессы выпаривания

Выпаривание – процесс концентрирования растворенных нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Превращение же жидкости с ее свободной поверхности в пар называется испарением. 

В пищевой промышленности обычно выпаривают водные растворы: свекловичный сок, барду, молоко и т.д. Поэтому образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства. Количество теплоты, необходимое для выпаривания:

Q = m r, (27)

где m – масса выпаренного растворителя, кг; r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, так как r = f (p). При этом она тем выше, чем ниже давление. Однако термолабильность растворов в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения. Вот почему в пищевой промышленности широко используется выпаривание под вакуумом.

Аппарат, в котором осуществляется выпаривание, - это, прежде всего теплообменный аппарат (рис. 5). За счет подвода теплоты от горячего теплоносителя в нем поддерживается кипение раствора. Особенностью выпарного аппарата является развитое паровое пространство 2 над свободной поверхностью кипящей жидкости. В качестве горячего теплоносителя обычно используется водяной пар, подводимый в межтрубное пространство 4 нагревательной камеры 8. Образовавшийся конденсат отводится из нагревательной камеры через патрубок 5, а неконденсируемые газы - через патрубок 9. Раствор в аппарат подается через патрубок 10, а выводится через патрубок 7. Образовавшийся при выпаривании растворителя пар называется вторичным в отличие от греющего пара. В паровом пространстве вторичный пар должен отделиться от капель раствора и выйти из аппарата. Это обеспечивает сепаратор 1 – устройство, расположенное в верхней части аппарата. Для увеличения интенсивности выпаривания следует увеличить скорость движения жидкости по трубам. Поэтому устанавливают нагревательные трубы малого диаметра 6, а в центре циркуляционную трубу большого диаметра 3. Процесс, осуществляемый в описанном аппарате, называется простой выпаркой. Кроме этого существуют выпарные аппараты однокорпусные, многокорпусные и т.д.