2.1.4. Джерела теплоти, теплоносії і теплоізоляційні матеріали

На сучасних підприємствах ресторанного господарства джерела тепла використовують електричну енергію і газ.

Електрична енергія може перетворюватися у теплову як за допомогою спеціальних елементів, що нагріваються, так і безпосе­редньо в харчових продуктах.

Електронагрівання забезпечує найбільш точне підтримання необхідної температури і регулювання технологічного процесу, високу культуру виробництва, дозволяє створити компактні і надійні апарати.

Електрична енергія – найбільш досконалий енергоносій. Під час перетворення 1 кВтгод електроенергії виділяється 3,6 МДж теплоти.

Газ має значні переваги перед твердим і рідким паливом: споживач звільняється від турбот з приводу транспортування і збері­гання палива, вивезення попелу і шлаку; покращуються санітарно-гігієнічні умови праці; не забруднюються повітряні басейни населених пунктів; теплові апарати порівняно легко можуть бути автоматизовані; підвищується культура виробництва і продуктивність праці; знижуються витрати на експлуатацію апаратів.

Зазначені переваги роблять газ найбільш зручним, економічним, а у деяких випадках і незамінним джерелом теплоти. Питомі витрати теплоти на газифікованих підприємствах низькі. Вартість 1 кДж теплоти, одержаної при спалюванні газу, в декілька разів нижча, ніж при використанні електроенергії. Однак газ як паливо має ряд істотних недоліків: у певній пропорції з повітрям може утворюватися вибухонебезпечна суміш; горючі гази, особливо штучні, а також продукти неповного згорання газу – токсичні.

Як паливо застосовуються природні, штучні і змішані горючі гази.

Проміжними теплоносіями, що передають тепло речовині, яка нагрівається, можуть бути: 1) водяна пара або гаряча вода; 2) мінеральні масла; 3) високотемпературні органічні теплоносії.

Речовини, що використовуються як проміжні теплоносії, повинні відповідати таким вимогам: забезпечувати необхідну темпе­ратуру при нагріванні і створювати можливість її регулювання у процесі теплової обробки продуктів. Теплоносій повинен бути термічно стійким, корозійностійким, дешевим.

Вода в теплових процесах підприємств ресторанного госпо­дарства використовується як теплоносій (нагрівальне середовище) для безпосереднього нагрівання харчових продуктів (варіння), і як про­міжний теплоносій у нагрівальних оболонках апаратів, що працюють в одно- і двофазному режимі.

Якість води характеризується прозорістю (вмістом зважених речовин), сухим залишком, загальною твердістю, лужністю і кислотністю. Під сухим залишком розуміють загальну кількість розчинених у воді речовин (кальцію, магнію, натрію, заліза, алюмінію та ін.), яка залишається після випаровування води і висушування залишку. Сухий залишок виражають у міліграм-літрах води.

При нагріванні і кип’ятінні води загальна її твердість визначає інтенсивність відкладання накипу на теплообмінних поверхнях апаратів, що, як наслідок, знижує інтенсивність теплообміну. Утворення накипу залежить не тільки від твердості води, але й від рівня мінералізації. Крім того, склад води безпосередньо впливає на її корозійну активність.

Вибираючи матеріали для захисту теплообмінних поверхонь від корозії і утворення накипу, необхідно враховувати властивості води. Загальну твердість і корозійну активність води можна змінювати.

Гаряча вода як теплоносій використовується переважно в апаратах для підтримання готової продукції у гарячому стані. Порівняно з вологою насиченою парою гаряча вода має ряд недоліків: більш низький коефіцієнт тепловіддачі, нерівномірне температурне поле вздовж поверхні теплообміну, а також висока теплова інерційність апарата, що ускладнює регулювання теплового режиму середовища, яке нагрівається.

Водяна пара – один із найбільш широко застосовуваних теплоносіїв. Основними перевагами його є: високий коефіцієнт тепловіддачі від конденсуючої пари до стінки теплообмінника, сталість температури конденсації (при даному тиску); можливість достатньо точно підтримувати температуру нагрівання, а також, у разі необхідності, регулювати її, змінюючи тиск пари; доступність, пожежна безпека тощо.

Недоліком водяної пари є значне зростання тиску з підвищен­ням температури. Тому насичена водяна пара застосовується для процесів нагрівання тільки до помірних температур (у межах 150 ^°С).

Властивості водяної пари, її основні розрахункові параметри і характеристики наочно ілюструються P,V-, T,S-, I,S- діаграмами. І,S- діаграма є робочою і використовується при різних розрахунках (рис. 2.3). На діаграмі зображено основні лінії: нижня примежова крива (х = 0), верхня примежова крива (х =1), лінії p = const (ізобари), v = const (ізохори), t = const (ізотерми в області ІІІ збігаються з ізобарами), лінії постійного паровмісту х = const. Області І, ІІ, ІІІ є відповідно: областю перегрітої пари, насиченої води і вологої пари.

Ізобари в області ІІІ мають вигляд віялоподібного розбіжного пучка прямих ліній, дотичних до нижньої примежової кривої. В області перегрітої пари вони криволінійні і мають випуклість у сторону осі S. Для будь-якої ізобари – ізотерми в області ІІІ будуть визначатися

,

де Т^ – температура насичення, незмінна для цього тиску на всьому проміжку між примежовими кривими, К.

Із зростанням тиску збільшується температура насичення і відповідно кут .

В області перегрітої пари

,

де Т – температура перегріву, К.

Оскільки із зростанням температури перегріву збільшується теплоємність С_р, то кут  також збільшується уздовж ізобари.

Ізотерми в області перегрітої пари незначно підіймаються вверх і праворуч. При невеликих тисках ізотерми майже збігаються з лініями i = const.

Для будь-якої точки на І,S-діаграмі можна безпосередньо знайти такі параметри пари: p, v, t, i, s, x.

Якщо позначити параметри води індексом , сухої насиченої пари – , ступінь сухості пари – х, то, як відомо з термодинаміки,

або ;

або ;

або ,

де і – ентальпія, s – ентропія води або пари.

і = і+r,

де r – повна теплота пароутворення, кДж/кг.

Ентальпія перегрітої пари

і_п = і+q = i + r + q_п,

де q_п – кількість теплоти, що витрачена на перегрівання пари, кДж/кг.

Насичена пара від перегрітої відрізняється тим, що незначне ізобарне охолодження останньої не призводить до осідання деякої його частки у вигляді конденсату, а тільки знижує температуру перегріву. За цією ознакою перегріта пара нагадує гази. Чим вища при певному тиску температура перегріву пари, тим більше вона набли­жається за своїми властивостям до ідеальних газів. Перегріта пара має велику потенційну енергію і незначний коефіцієнт тепловіддачі, тому вона широко використовується у парових машинах і турбінах. Стан пари визначається тиском р і температурою перегріву t_п. Суха наси­чена пара нестійка: при охолодженні (p = const) вона перетворюється у вологу, а при нагріванні – у перегріту пару. Стан сухої насиченої пари визначається тільки тиском, за яким встановлюють всі пара­метри пари.

Стан вологої насиченої пари визначається її тиском р або температурою t і ступенем сухості х.

Ентальпія вологої насиченої пари і_х – це теплота, затрачена при постійному тиску на підігрівання 1 кг води від 0°С до температури кипіння і на процес неповного пароутворення, при якому випаро­вується не 1 кг рідини, а х кг, кДж/кг:

і_х = і+хr.

При температурі живильної води не 0 °С, а t, витрата теплоти на одержання вологої насиченої пари визначається з рівняння, кДж/кг:

q = i – сt + хr,

де с – теплоємність води, кДж/(кгград).

У теплових апаратах підприємств ресторанного господарства більш широко використовується волога насичена пара.

Процеси смаження і випікання протікають при більш високих температурах, тому як проміжні теплоносії використовуються так звані високотемпературні теплоносії: органічні й кремнійорганічні рідини, топочні гази.

Органічні рідини – це органічні речовини (гліцерин, етиленглі­коль), деякі похідні ароматичних вуглеводнів (дифеніл та ін.), діарилметани (дитолілметан-ДТМ, дикумілметан-ДКМ), дифенільна суміш (даутерм А).

З перерахованих органічних теплоносіїв вимогам теплових процесів найбільше відповідають дифенільна суміш, ДКМ і ДТМ. Це легкорухомі рідини жовтуватого кольору з різким характерним запахом, при горінні чадять. Органічні рідини застосовуються як в однофазному (рідкому) стані, так і в двофазному (рідина – пара), не викликають корозії металів, дешеві, термостійкі, витримують тривалі й багаторазові нагрівання без помітної зміни своїх властивостей.

Температури кипіння органічних теплоносіїв становлять відпо­відно: ДКМ –336°С, ДТМ – 296°С, дифеніальна суміш – 258 °С.

Основний недолік органічних теплоносіїв – це різкий харак­терний запах, який потребує ретельної герметизації сорочок теплових апаратів для забезпечення нульової концентрації їх у навколишньому середовищі.

Рідкі кремнійорганічні речовини займають проміжне положення між органічними і неорганічними сполуками. Теплоносії застосову­ються тільки в рідкій фазі, оскільки їхні пари нестійкі.

Кремнійорганічні рідини відрізняються низькою температурою застигання (від –60 до –140°С), високою теплопровідністю, стійкістю до окиснення, хорошими діелектричними властивостями, малою в’язкістю; вони вибухобезпечні, не мають запаху і корозійної активності.

Серед теплоносіїв, що найбільше задовольняють вимоги щодо обігріву робочих камер теплових апаратів, розрізняють ПФМС-4, сополімер-5 і ФМ-6 (табл. 2.1).

Таблиця 2.1