Нагревание

Нагревание, испарение, охлаждение и конденсация

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 является доступным и дешевым, некоррозиеактивным теплоносителем, имеющим высокие теплоемкость и коэффициент 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 эффективным является способ обогрева при принудительной циркуляции, которую осуществляют с помощью насоса.

Для обогрева теплиц при выращивании огурцов, томатов и других овощей используют горячую воду, отходящую от заводских теплоиспользующих установок.

Другим способом нагревания горячими жидкостями является обогрев с помощью обогревательных бань представляющих собой аппараты с рубашками. Рубашка нагревается топочными газами, с помощью электрообогрева 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 имеет дифенильная смесь, которая используется для нагревания по циркуляционному способу, а также для заполнения обогревательных бань.

Расход воды или другого теплоносителя на нагревание определяют из теплового баланса

где ,— массовый расход соответственно воды и продукта, кг/ч; ,, — теплоемкости соответственно воды и продукта, кДж/(кг х К); ,— начальные температуры соответственно воды и продукта, °С; ,— конечные температуры соответственно воды и продукта, °С; - потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

.Нагревание насыщенным водяным паром получило широкое распространение, что объясняется следующими его достоинствами: большим количеством теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара (2024...2264 кДж на 1 кг конденсирующегося пара при абсолютных давлениях соответственно 0,1... 1,0 МПа); высоким коэффициентом теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке — порядка 20 000...40 000 кДж/(м²ч х К); равномерностью обогрева.

При нагревании водяным насыщенным паром применяют два способа: нагревание «глухим» насыщенным паром и «острым» паром.

При нагревании «глухим» паром теплота от конденсирующегося насыщенного водяного пара к нагреваемому теплоносителю передается через разделяющую их стенку. 1 'реющий «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 (в кг/ч) при нагревании жидкости определяют из теплового баланса

Расход «глухого» пара

где — массовый расход пара, кг/ч; — массовый расход жидкости, кг/ч; с — удельная теплоемкость жидкости, кДж/(кг*К); и — соответственно начальная и конечная температуры жидкости, °С; я — удельные энтальпии соответственно греющего пара и конденсата, кДж/ч.

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 пар полностью конденсируется в паровом пространстве теплообменника, что приводит к существенной его экономии.

При нагревании «острым» паром водяной пар вводится не посредственно в нагреваемую жидкость. Пар конденсируется и отдает теплоту нагреваемой жидкости, а конденсат смешивается с жидкостью. Пар вводится через барботер, представляющий собойво многих случаях трубу с отверстиями, 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:

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 используется, например, для обогрева сушилок.

Недостатками обогрева топочными газами являются: низкий коэффициент теплоотдачи, равный 60... 120 кДж/м чК), значительные температурные перепады и неравномерный нагрев; сложность регулирования температуры; окисление стенок аппаратов, а также наличие вредных продуктов 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.

Нагревание электрическим током осуществляется в электрических печах сопротивления прямого и косвенного действия.

В печах прямого действия тело нагревается при прохождении через него электрического тока.

Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при воздействии на диэлектрик переменного электрического тока молекулы диэлектрика приходят в колебательное движение, при этом часть энергии затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в теплоту, нагревая тело. Количество выделяющейся теплоты пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Обычно применяют частоту тока 10 - /0 Гц.

Для получения токов высокой частоты используют генераторы различных конструкций.

Достоинства диэлектрического нагревания: непосредственное выделение теплоты в нагреваемом теле; равномерный быстрый нагрев всей массы материала до требуемой температуры; простота регулирования процесса.

В печах косвенного действия теплота выделяется при прохождении электрического тока по нагревательным элементам. Выделяющаяся при этом теплота передается материалу тепловым излучением, теплопроводностью и конвекцией.

Количество теплоты, которое необходимо подвести в процессе нагревания электрическим током, определяется из теплового баланса

;