Передача тепла конвекцией

Турбуле́нтность , турбуле́нтное тече́ние (лат. turbulentus — бурный, беспорядочный) — явление, заключающееся в том, что при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил.

Ламина́рное тече́ние (лат. lamina — пластинка, полоска) — течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).

Интенсивность переноса тепла конвекцией зависит от степени турбулентности (беспорядочности) потока жидкости и перемешивания частиц внутри него. Следовательно, конвекция сильно зависит от гидродинамических условий течения потока жидкости.

В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией. Совместный перенос тепла этими способами называется конвективной теплоотдачей. Механизм переноса тепла в ядре потока при его турбулентном движении характеризуется интенсивным перемешиванием макрообъемов среды, которое приводит к выравниванию температур до некоторого среднего значения t_ж. По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает. Это объясняется тем, что вблизи нее образуется тепловой пограничный слой, подобный гидродинамическому пограничному слою, но обычно меньше его по толщине. В этом слое, по мере приближения к стенке, все большее значение приобретает теплопроводность, а влияние турбулентности становится пренебрежимо мало.

Плотность турбулентного теплообмена

в направлении, перпендикулярном потоку, определяется выражением:

= -

Где - коэффициет турбулентной теплопроводности

Величина во много раз превышает значения λ , т.к. в ядре турбулентного потока переносится заметно большее количество тепла, чем путем теплопроводности в тепловом пограничном слое.

Интенсивность переноса тепла в ядре потока за счет определяется коэффициентом турбулентной температуропроводности:

=

величина которого в области теплового слоя, по мере приближения в стенке уменьшается. Для интенсификации конвективного теплообмена необходимо уменьшить толщину теплового пограничного слоя.

Сложность механизма конвективного теплообмена обуславливает трудности расчета процесса теплоотдачи. Точное решение задачи о количестве тепла, передаваемого от стенки к среде, связано с необходимостью определения температурного градиента у стенки и профиля изменения температур теплоносителя вдоль поверхности теплообмена, что весьма затруднительно. Поэтому в основу непрерывного процесса теплоотдачи берут уравнение Ньютона:

Q = α F ( - )

Где α – коэффициент теплоотдачи, который показывает какое количество тепла передается от 1 м² поверхности стенки к жидкости в течении 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град. Он зависит от следующих факторов:

1) Скорости жидкости W, ее плотности ρ и вязкости µ, т.е. переменных, определяющих режим течения жидкости;

2) Тепловых свойств жидкости (удельной теплоемкости Ср, теплопровод­ности λ, коэффициента объемного расширения β);

3) Геометрических параметров - форма и определяющие размеры стенки (для

труб - их диаметр d и длина L, шероховатость έ). Таким образом

a =f (W, µ, ρ , Ср , β, d, L, έ)

Трудность заключается в расчете величины a. Кроме того, невозможно получить расчетное уравнение, пригодное для всех случаев теплоотдачи. Только путем обобщения опытных данных с помощью теории подобия можно получить обобщенные (критериальные) выражения для типовых случаев теплоотдачи, позволяющие рассчитать a для конкретных условий.

Передача тепла излучением

Закономерности теплового излучения описываются законами Стефана-Больцмана, Кирхгофа и Ламберта. В невидимой инфракрасной области с длиной волн 0.8 … 40 мкм может передаваться большое количество теплоты. Интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела, а при температурах выше 600 ° С теплообмен между твердыми телами и газами осуществляется путем лучеиспускания.

Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость между лучеиспускательной способностью тела Е , количеством энергии Q, излучаемой телом в течении 1 часа и площадью поверхности тела F:

Е= Q / F

При этом энергия излучения зависит от длины волны и температуры

Связь между лучеиспускательной способностью Е₀ (Вт/м²)и температурой абсолютно черного тела Т (К) выражается зависимостью формулой:

Е₀ = К₀

где К₀ - константа излучения абсолютно черного тела Вт/(м² )

Абсолютно чёрное тело — физическая идеализация, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

По закону Кирхгофа отношение лучеиспускательной способности любого тела к его лучепоглощающей способности при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела:

Е₀= Е₁/ А₁ = / = ….= Е₀ / А₀

Где Е₁, Е₂,.. Е₀ лучеиспускательная способность первого, второго и абсолютно черного тела соответтвенно. А₁, А₂, …А₀ - лучепоглощающая способность этих тел.

Классификация оборудования для темперирования в пищевой и

обрабатывающей отрасли.

Среди аппаратов для темперирования и повышения концентрации пищевых сред можно выделить следующие :

1.Аппараты для нагревания, уваривания и варки.

2. Развариватели крахмалосодержащего сырья, фруктов и овощей.

3. Заторные и сусловарочные аппараты.

4. Ошпариватели и бланширователи для фруктов и овощей.

5.Автоклавы, пастеризаторы и стерилизаторы.

Данное оборудование предназначается для осуществления тепломассообменных процессов, которые вызывают сложные физико-химические и структурно – механические изменения ,связанные с поверхностым или объемным проникновением теплоты в продукт. Это вызывает изменение агрегатного и структурного состояния продукта, размягчение растительных тканей , что способствует их разрушению и экстрагированию необходимых веществ, а так же приводит к гибели микроорганизмов и предотвращением их развития.

В производстве пищевых продуктов из используемых теплоносителей преимущественно применение водяного насыщенного пара, что обусловлено удобством его транспортирования, легкостью регулирования количества и температуры, большой теплотой конденсации, невысокой стоимостью.

ппараты для нагревания, уваривания и варки пищевых сред.

В аппаратах для нагревания пищевые среды доводятся до определенной температуры. К ним относятся аппараты, в которых практически отсутствует процесс кипения и поддерживается постоянная температура полуфабриката выше температуры окружающей среды.

Нагреванию подвергаются молоко, начинки, патока, фруктово - ягодное сырье.

Уваривание служит для повышения концентрации пищевых сред. При кипении в процессе уваривания из них удаляется влага.

Варка применяется для тепловой обработки мяса, мясопродуктов, круп, картофеля, до состояния кулинарной готовности в воде, острым паром или смесью насыщенного пара и воздуха при температурах ниже 100° С .

Для проведения операций нагревания, уваривания и варки широко используют кожухотрубные нагреватели и темперирующие сборники.

Темперирующие сборники бывают горизонтальными - вместительностью до 10 т. И вертикальными – вместительностью 3 т.

Вертикальный тем­перирующий сборник.

Устройство: ка­као тертое или шоколад­ная масса загружается в цилиндрический резерву­ар 19 с водяной рубашкой 18, покрытый изоляцией 16. Управление обогревом осуществляет­ся с пульта кнопками 6. Термометр 8 регистриру­ет температуру воды, а термометр 5 показывает температуру массы. Кон­трольная лампа 9 указыва­ет, что сборник работает. Сверху сборник закрыт крышкой 4. Крышка от­крывается с помощью ру­коятки 11, при ее повороте кулачок 12 выключателем 13 выключает электродвигатель 1 мешалки. Он через редуктор 2 вращает планетарную мешалку 10 с частотой вращения 30 об/мин. Резервуар освещается лампой 3, установленной на крышке.

Для циркуляции массы и загрузки сборника служит насос 14 с подачей 50 дм³/мин. При помощи трехходового крана 15 можно массу от насоса направить по обогреваемо­му трубопроводу 17 на грибок 7 в сборник для рециркуляции или перекачать в другую емкость. Есть сборники с комбинированным обогревом — паровым и электриче­ским.

Варочные котлы (реакторы) предназначены для перемешивания с подогревом вязких и жидких пищевых продуктов из нескольких компонентов. В зависимости от вместимости реакторы выпускают различных типов.

В арочные котлы бывают со стационарной и опрокидываемой чашей, открытые (без крышки) и закрытые. Рассмотрим закрытый варочный котел с опроки­дываемой чашей. Внутренняя чаша 10 изготовлена из меди или нержавеющей стали. При помощи стального кольца 17, прокладки, болтов и отбортовки она соединяется со стальной паровой рубашкой 7. Полость между чашей и рубашкой образует паро­вое пространство, в которое подается пар. На подводящей линии установлен мано­метр 3, предохранительный клапан 4 и запорный вентиль 5. Конденсат отводится из наинизшей точки парового пространства 13. При пуске и в процессе работы воздух из рубашки периодически выпускают через кран 18, расположенный в наивысшей точке парового пространства.

Принцип действия: после загрузки котла массой закрывают люк крышкой 15, открывают воздушный кран 18, продувочный кран на конденсатоотводчике или обводной линии и пускают пар, открыв вентиль 5. Продувку парового пространства производят до тех пор, пока из кранов не пойдет сухой пар. После этого закрывают продувочные краны, включают конденсатоотводчик и увеличивают поступление пара. В процессе нагревания наблюдают по манометру 3 за давлением греющего пара и по манометрическому термометру 2 за температурой массы.

Подогретая масса выгружается через штуцер 12, для чего рукояткой 1 поднима­ют клапан 11. Котлы снабжаются мешалками 9 для увеличения равномерности про­грева вязких веществ. Приводной электродвигатель 8 шарнирно соединен со станиной 19 и своим весом создает необходимое натяжение ремней с помощью уст­ройства 6. Иногда натяжение увеличивается дополнительными грузами и пружина­ми. Крышка 14 котла имеет трубу 16 для отвода пара.