Темы кодификатора ЕГЭ : изменение агрегатных состояний вещества, плавление и кристаллизация, испарение и конденсация, кипение жидкости, изменение энергии в фазовых переходах.

Лёд, вода и водяной пар - примеры трёх агрегатных состояний вещества: твёрдого, жидкого и газообразного. В каком именно агрегатном состоянии находится данное вещество - зависит от его температуры и других внешних условий, в которых оно находится.

При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы - изменения агрегатных состояний вещества тела. Нас будут интересовать следующие фазовые переходы .

Плавление (твёрдое тело жидкость) и кристаллизация (жидкость твёрдое тело).
Парообразование (жидкость пар) и конденсация (пар жидкость).

Плавление и кристаллизация

Большинство твёрдых тел являются кристаллическими , т.е. имеют кристаллическую решётку - строго определённое, периодически повторяющееся в пространстве расположение своих частиц.

Частицы (атомы или молекулы) кристаллического твёрдого тела совершают тепловые колебания вблизи фиксированных положений равновесия - узлов кристаллической решётки.

Например, узлы кристаллической решётки поваренной соли - это вершины кубических клеток «трёхмерной клетчатой бумаги» (см. рис. 1 , на котором шарики большего размера обозначают атомы хлора (изображение с сайта en.wikipedia.org.)); если дать испариться воде из раствора соли, то оставшаяся соль будет нагромождением маленьких кубиков.

Рис. 1. Кристаллическая решётка

Плавлением называется превращение кристаллического твёрдого тела в жидкость. Расплавить можно любое тело - для этого нужно нагреть его до температуры плавления , которая зависит лишь от вещества тела, но не от его формы или размеров. Температуру плавления данного вещества можно определить из таблиц.

Наоборот, если охлаждать жидкость, то рано или поздно она перейдёт в твёрдое состояние. Превращение жидкости в кристаллическое твёрдое тело называется кристаллизацией или отвердеванием . Таким образом, плавление и кристаллизация являются взаимно обратными процессами.

Температура, при которой жикость кристаллизуется, называется температурой кристаллизации . Оказывается, что температура кристаллизации равна температуре плавления: при данной температуре могут протекать оба процесса. Так, при лёд плавится, а вода кристаллизуется; что именно происходит в каждом конкретном случае - зависит от внешних условий (например, подводится ли тепло к веществу или отводится от него).

Как происходят плавление и кристаллизация? Каков их механизм? Для уяснения сути этих процессов рассмотрим графики зависимости температуры тела от времени при его нагревании и охлаждении - так называемые графики плавления и кристаллизации.

График плавления

Начнём с графика плавления (рис. 2 ). Пусть в начальный момент времени (точка на графике) тело является кристаллическим и имеет некоторую температуру .

Рис. 2. График плавления

Затем к телу начинает подводиться тепло (скажем, тело поместили в плавильную печь), и температура тела повышается до величины - температуры плавления данного вещества. Это участок графика.

На участке тело получает количество теплоты

где - удельная теплоёмкость вещества твёрдого тела, - масса тела.

При достижении температуры плавления (в точке ) ситуация качественно меняется. Несмотря на то, что тепло продолжает подводиться, температура тела остаётся неизменной. На участке происходит плавление тела - его постепенный переход из твёрдого состояния в жидкое. Внутри участка мы имеем смесь твёрдого вещества и жидкости, и чем ближе к точке , тем меньше остаётся твёрдого вещества и тем больше появляется жидкости. Наконец, в точке от исходного твёрдого тела не осталось ничего: оно полностью превратилось в жидкость.

Участок соответствует дальнейшему нагреванию жидкости (или, как говорят, расплава ). На этом участке жидкость поглощает количество теплоты

где - удельная теплоёмкость жидкости.

Но нас сейчас больше всего интересует - участок фазового перехода. Почему не меняется температура смеси на этом участке? Тепло-то подводится!

Вернёмся назад, к началу процесса нагревания. Повышение температуры твёрдого тела на участке есть результат возрастания интенсивности колебаний его частиц в узлах кристаллической решётки: подводимое тепло идёт на увеличение кинетической энергии частиц тела (на самом деле некоторая часть подводимого тепла расходуется на совершение работы по увеличению средних расстояний между частицами - как мы знаем, тела при нагревании расширяются. Однако эта часть столь мала, что её можно не принимать во внимание.).

Кристаллическая решётка расшатывается всё сильнее и сильнее, и при температуре плавления размах колебаний достигает той предельной величины, при которой силы притяжения между частицами ещё способны обеспечивать их упорядоченное расположение друг относительно друга. Твёрдое тело начинает «трещать по швам», и дальнейшее нагревание разрушает кристаллическую решётку - так начинается плавление на участке .

С этого момента всё подводимое тепло идёт на совершение работы по разрыву связей, удерживающих частицы в узлах кристаллической решётки, т.е. на увеличение потенциальной энергии частиц. Кинетическая энергия частиц при этом остаётся прежней, так что температура тела не меняется. В точке кристаллическая структура исчезает полностью, разрушать больше нечего, и подводимое тепло снова идёт на увеличение кинетической энергии частиц - на нагревание расплава.

Удельная теплота плавления

Итак, для превращения твёрдого тела в жидкость мало довести его до температуры плавления. Необходимо дополнительно (уже при температуре плавления) сообщить телу некоторое количество теплоты для полного разрушения кристаллической решётки (т.е. для прохождения участка ).

Это количество теплоты идёт на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц. Следовательно, внутренняя энергия расплава в точке больше внутренней энергии твёрдого тела в точке на величину .

Опыт показывает, что величина прямо пропорциональна массе тела:

Коэффициент пропорциональности не зависит от формы и размеров тела и является характеристикой вещества. Он называется удельной теплотой плавления вещества . Удельную теплоту плавления данного вещества можно найти в таблицах.

Удельная теплота плавления численно равна количеству теплоты, необходимому для превращения в жидкость одного килограмма данного кристаллического вещества, доведённого до температуры плавления.

Так, удельная теплота плавления льда равна кДж/кг, свинца - кДж/кг. Мы видим, что для разрушения кристаллической решётки льда требуется почти в раз больше энергии! Лёд относится к веществам с большой удельной теплотой плавления и поэтому весной тает не сразу (природа приняла свои меры: обладай лёд такой же удельной теплотой плавления, как и свинец, вся масса льда и снега таяла бы с первыми оттепелями, затопляя всё вокруг).

График кристаллизации

Теперь перейдём к рассмотрению кристаллизации - процесса, обратного плавлению. Начинаем с точки предыдущего рисунка. Предположим, что в точке нагревание расплава прекратилось (печку выключили и расплав выставили на воздух). Дальнейшее изменение температуры расплава представлено на рис. (3) .

Рис. 3. График кристаллизации

Жидкость остывает (участок ), пока её температура не достигнет температуры кристаллизации, которая совпадает с температурой плавления .

С этого момента температура расплава меняться перестаёт, хотя тепло по-прежнему уходит от него в окружающую среду. На участке происходит кристаллизация расплава - его постепенный переход в твёрдое состояние. Внутри участка мы снова имеем смесь твёрдой и жидкой фаз, и чем ближе к точке , тем больше становится твёрдого вещества и тем меньше - жидкости.Наконец,вточке жидкостинеостаётсявовсе-онаполностьюкристаллизовалась.

Следующий участок соответствует дальнейшему остыванию твёрдого тела, возникшего в результате кристаллизации.

Нас опять-таки интересует участок фазового перехода : почему температура остаётся неизменной, несмотря на уход тепла?

Снова вернёмся в точку . После прекращения подачи тепла температура расплава понижается, так как его частицы постепенно теряют кинетическую энергию в результате соударений с молекулами окружающей среды и излучения электромагнитных волн.

Когда температура расплава понизится до температуры кристаллизации (точка ), его частицы замедлятся настолько, что силы притяжения окажутся в состоянии «развернуть» их должным образом и придать им строго определённую взаимную ориентацию в пространстве. Так возникнут условия для зарождения кристаллической решётки, и она действительно начнёт формироваться благодаря дальнейшему уходу энергии из расплава в окружающее пространство.

Одновременно начнётся встречный процесс выделения энергии: когда частицы занимают свои места в узлах кристаллической решётки, их потенциальная энергия резко уменьшается, за счёт чего увеличивается их кинетическая энергия - кристаллизующаяся жидкость является источником тепла (часто у проруби можно увидеть сидящих птиц. Они там греются!). Выделяющееся в ходе кристаллизации тепло в точности компенсирует потерю тепла в окружающую среду, и потому температура на участке не меняется.

В точке расплав исчезает, а вместе с завершением кристаллизации исчезает и этот внутренний «генератор» тепла. Вследствие продолжающегося рассеяния энергии во внешнюю среду понижение температуры возобновится, но только остывать уже будет образовавшееся твёрдое тело (участок ).

Как показывает опыт, при кристаллизации на участке выделяется ровно то же самое количество теплоты , которое было поглощено при плавлении на участке .

Парообразование и конденсация

Парообразование - это переход жидкости в газообразное состояние (в пар ). Существует два способа парообразования: испарение и кипение.

Испарением называется парообразование, которое происходит при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Как вы помните из листка «Насыщенный пар», причиной испарения является вылет из жидкости наиболее быстрых молекул, которые способны преодолеть силы межмолекулярного притяжения. Эти молекулы и образуют пар над поверхностью жидкости.

Разные жидкости испаряются с разными скоростями: чем больше силы притяжения молекул друг к другу - тем меньшее число молекул в единицу времени окажутся в состоянии их преодолеть и вылететь наружу, и тем меньше скорость испарения. Быстро испаряются эфир, ацетон, спирт (их иногда называют летучими жидкостями), медленнее - вода, намного медленнее воды испаряются масло и ртуть.

Скорость испарения растёт с повышением температуры (в жару бельё высохнет скорее), поскольку увеличивается средняя кинетическая энергия молекул жидкости, и тем самым возрастает число быстрых молекул, способных покинуть её пределы.

Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости: чем больше площадь, тем большее число молекул получают доступ к поверхности, и испарение идёт быстрее (вот почему при развешивании белья его тщательно расправляют).

Одновременно с испарением наблюдается и обратный процесс: молекулы пара, совершая беспорядочное движение над поверхностью жидкости, частично возвращаются обратно в жидкость. Превращение пара в жидкость называется конденсацией .

Конденсация замедляет испарение жидкости. Так, в сухом воздухе бельё высохнет быстрее, чем во влажном. Быстрее оно высохнет и на ветру: пар сносится ветром, и испарение идёт более интенсивно

В некоторых ситуациях скорость конденсации может оказаться равной скорости испарения. Тогда оба процесса компенсируют друг друга и наступает динамическое равновесие: из плотно закупоренной бутылки жидкость не улетучивается годами, а над поверхностью жидкости в этом случае находится насыщенный пар .

Конденсацию водяного пара в атмосфере мы постоянно наблюдаем в виде облаков, дождей и выпадающей по утрам росы; именно испарение и конденсация обеспечивают круговорот воды в природе, поддерживая жизнь на Земле.

Поскольку испарение - это уход из жидкости самых быстрых молекул, в процессе испарения средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается, т.е. жидкость остывает. Вам хорошо знакомо ощущение прохлады и порой даже зябкости (особенно при ветре), когда выходишь из воды: вода, испаряясь по всей поверхности тела, уносит тепло, ветер же ускоряет процесс испарения (nеперь понятно, зачем мы дуем на горячий чай. Кстати сказать, ещё лучше при этом втягивать воздух в себя, поскольку на поверхность чая тогда приходит сухой окружающий воздух, а не влажный воздух из наших лёгких;-)).

Ту же прохладу можно почувствовать, если провести по руке кусочком ваты, смоченным в летучем растворителе (скажем, в ацетоне или жидкости для снятия лака). В сорокаградусную жару благодаря усиленному испарению влаги через поры нашего тела мы сохраняем свою температуру на уровне нормальной; не будь этого терморегулирующего механизма, в такую жару мы бы попросту погибли.

Наоборот, в процессе конденсации жидкость нагревается: молекулы пара при возвращении в жидкость разгоняются силами притяжения со стороны находящихся поблизости молекул жидкости, в результате чего средняя кинетическая энергия молекул жидкости увеличивается (сравните это явление с выделением энергии при кристаллизации расплава!).

Кипение

Кипение - это парообразование, происходящее по всему объёму жидкости.

Кипение оказывается возможным потому, что в жидкости всегда растворено какое-то количество воздуха, попавшего туда в результате диффузии. При нагревании жидкости этот воздух расширяется, пузырьки воздуха постепенно увеличиваются в размерах и становятся видимы невооружённым глазом (в кастрюле с водой они осаждают дно и стенки). Внутри воздушных пузырьков находится насыщенный пар, давление которого, как вы помните, быстро растёт с повышением температуры.

Чем крупнее становятся пузырьки, тем большая действует на них архимедова сила, и определённого момента начинается отрыв и всплытие пузырьков. Поднимаясь вверх, пузырьки попадают в менее нагретые слои жидкости; пар в них конденсируется, и пузырьки сжимаются опять. Схлопывание пузырьков вызывает знакомый нам шум, предшествующий закипанию чайника. Наконец, с течением времени вся жидкость равномерно прогревается, пузырьки достигают поверхности и лопаются, выбрасывая наружу воздух и пар - шум сменяется бульканьем, жидкость кипит.

Пузырьки, таким образом, служат «проводниками» пара изнутри жидкости на её поверхность. При кипении наряду с обычным испарением идёт превращение жидкости в пар по всему объёму - испарение внутрь воздушных пузырьков с последующим выводом пара наружу. Вот почему кипящая жидкость улетучивается очень быстро: чайник, из которого вода испарялась бы много дней, выкипит за полчаса.

В отличие от испарения, происходящего при любой температуре, жидкость начинает кипеть только при достижении температуры кипения - именно той температуры, при которой пузырьки воздуха оказываются в состоянии всплыть и добраться до поверхности. При температуре кипения давление насыщенного пара становится равно внешнему давлению на жидкость (в частности, атмосферному давлению ). Соответственно, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнётся кипение.

При нормальном атмосферном давлении ( атм или Па) температура кипения воды равна . Поэтому давление насыщенного водяного пара при температуре равно Па. Этот факт необходимо знать для решения задач - часто он считается известным по умолчанию.

На вершине Эльбруса атмосферное давление равно атм, и вода там закипит при температуре . А под давлением атм вода начнёт кипеть только при .

Температура кипения (при нормальном атмосферном давлении) является строго определённой для данной жидкости величиной (температуры кипения, приводимые в таблицах учебников и справочников - это температуры кипения химически чистых жидкостей. Наличие в жидкости примесей может изменять температуру кипения. Скажем, водопроводная вода содержит растворённый хлор и некоторые соли, поэтому её температура кипения при нормальном атмосферном давлении может несколько отличаться от ). Так, спирт кипит при , эфир - при , ртуть - при . Обратите внимание: чем более летучей является жидкость, тем ниже её температура кипения. В таблице температур кипения мы видим также, что кислород кипит при . Значит, при обычных температурах кислород - это газ!

Мы знаем, что если чайник снять с огня, то кипение тут же прекратится - процесс кипения требует непрерывного подвода тепла. Вместе с тем, температура воды в чайнике после закипания перестаёт меняться, всё время оставаясь равной . Куда же при этом девается подводимое тепло?

Ситуация аналогична процессу плавления: тепло идёт на увеличение потенциальной энергии молекул. В данном случае - на совершение работы по удалению молекул на такие расстояния, что силы притяжения окажутся неспособными удерживать молекулы неподалёку друг от друга, и жидкость будет переходить в газообразное состояние.

График кипения

Рассмотрим графическое представление процесса нагревания жидкости - так называемый график кипения (рис. 4 ).

Рис. 4. График кипения

Участок предшествует началу кипения. На участке жидкость кипит, её масса уменьшается. В точке жидкость выкипает полностью.

Чтобы пройти участок , т.е. чтобы жидкость, доведённую до температуры кипения, полностью превратить в пар, к ней нужно подвести некоторое количество теплоты . Опыт показывает, что данное количество теплоты прямо пропорционально массе жидкости:

Коэффициент пропорциональности называется удельной теплотой парообразования жидкости (при температуре кипения). Удельная теплота парообразования численно равна количеству теплоты, которое нужно подвести к 1 кг жидкости, взятой при температуре кипения, чтобы полностью превратить её в пар.

Так, при удельная теплота парообразования воды равна кДж/кг. Интересно сравнить её с удельной теплотой плавления льда ( кДж/кг) - удельная теплота парообразования почти в семь раз больше! Это и не удивительно: ведь для плавления льда нужно лишь разрушить упорядоченное расположение молекул воды в узлах кристаллической решётки; при этом расстояния между молекулами остаются примерно теми же. А вот для превращения воды в пар нужно совершить куда большую работу по разрыву всех связей между молекулами и удалению молекул на значительные расстояния друг от друга.

График конденсации

Процесс конденсации пара и последующего остывания жидкости выглядит на графике симметрично процессу нагревания и кипения. Вот соответствующий график конденсации для случая стоградусного водяного пара, наиболее часто встречающегося в задачах (рис. 5 ).

Рис. 5. График конденсации

В точке имеем водяной пар при . На участке идёт конденсация; внутри этого участка - смесь пара и воды при . В точке пара больше нет, имеется лишь вода при . Участок - остывание этой воды.

Опыт показывает, что при конденсации пара массы (т. е. при прохождении участка ) выделяется ровно то же самое количество теплоты , которое было потрачено на превращение в пар жидкости массы при данной температуре.

Давайте ради интереса сравним следующие количества теплоты:

Которое выделяется при конденсации г водяного пара;
, которое выделяется при остывании получившейся стоградусной воды до температуры, скажем, .

Дж;
Дж.

Эти числа наглядно показывают, что ожог паром гораздо страшнее ожога кипятком. При попадании на кожу кипятка выделяется «всего лишь» (кипяток остывает). А вот при ожоге паром сначала выделится на порядок большее количество теплоты (пар конденсируется), образуется стоградусная вода, после чего добавится та же величина при остывании этой воды.

Нагреванием называется процесс повышения температуры мате­риалов путем подвода к ним теплоты. Широко распространенными методами нагревания в пищевой технологии являются нагревание 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.

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.

Нагревание водяным насыщенным 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/м 2)равномерностью обогрева.

Нагревание топочными газами, образующимися при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в специальных печах, используется, например, для обогрева сушилок.

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.

Охлаждение - процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты.

Охлаждение водой осуществляется в теплообменниках, в кото­рых теплоносители разделены стенкой либо обмениваются тепло­той при смешивании. Например, газы охлаждают разбрызгиванием в них воды.

Охлаждение льдом применяют для охлаждения ряда продуктов, например мороженого, до температуры, близкой к нулю.

Теплопередача - теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку.

Теплоноситель - движущаяся среда (газ, пар, жидкость), ис­пользуемая пля пеоеноса теплоты.

Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энер­гии от более нагретых участков тела к менее нагретым в резуль­тате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В резуль­тате теплопроводности температура тела выравнивается.

Основной закон теплопроводности, установленный Фурье (1768-1830) и названный его именем, гласит, что количество теп­лоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально гради­енту температуры dt/dl, времени dt и площади сечения dF, перпен­дикулярного направлению теплового потока:

гдеλ. - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м-К).

Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природы и агрегатного состояния, температуры и давления.

Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхно­стью тела и окружающей средой.

Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом

теплоотдачи, равным отноше­нию плотности теплового пото­ка на поверхности раздела к тем­пературному напору между по­верхностью теплообмена и сре­дой (теплоносителем).

Основной закон теплоотдачи - закон Ньютона гласит: количе­ство теплоты dQ, переданное от поверхности теплообмена к потоку, жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности t ст и ядра потока t f (или наоборот) и продол­жительности процесса dt:

36.Электроосаждение и конструкция электрофильтра. Назначение, устройство, принцип действия и область
применения.Простейший электрофильтр - это два электрода, один из кото­рых - анод - выполняется в виде трубы или пластины, а другой - катод - в виде проволоки, которая натянута внутри трубчатого анода либо между пластинчатыми анодами, выполненными из про­волочной сетки. Анолы заземляют.

Газовая смесь поступает внутрь трубчатых электродов или между пластинчатыми. Благодаря высокой разности потенцилов на электродах и неоднородности электрического поля в слое газа у отрицательного электрода - катода - образуется поток электронов, направленный к аноду. В результате соударений электронов с нейтральными молекулами газа газ иони­зируется. Такая ионизация называется ударной. Признаком иониза­ции газа является образование «короны» у катода, поэтому катод называют коронирующим. Частицы пыли или тумана оседают на аноде, покрывая его слоем осадка.

ВОПРОС № 1. НАГРЕВАНИЕ

Модуль № 4

Теплообменные процессы

Лекция № 20

Нагревание и испарение

Литература:

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.

План лекции:

1. Нагревание.

2. Испарение.

3. Аппараты для нагревания пищевых сред.

Контрольные вопросы:

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.

где D – массовый расход пара, кг/ч; G – массовый расход жидкости, кг/ч; с – удельная теплоёмкость жидкости, кДж/(кг · К); t и и t к – соответственно начальная и конечная температуры жидкости, °С; і ´ и і ´´ - 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 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

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

где Q э – количество теплоты, которое выделяется в нагревательном электрическом элементе при прохождении в нём электрического тока, Дж/ч; G – расход продукта, кг/ч; с – удельная теплоёмкость продукта, Дж/ (кг · К); t и и t к - соответственно начальная и конечная температуры перерабатываемого продукта, °С; Q п – потери теплоты в окружающую среду, Дж/ч.

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.

Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при воздействии на диэлектрик, помещенный между пластинами кон­денсатора переменного электрического тока, его молекулы 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 частота тока составляет 1 · 10 6 ...100 · 10 6 Гц.

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 λ и 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.

Потери мощности в единице массы или объема, Вт/см 3 ,

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 c м cos 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)

Выразив f в Гц, Е в В/см, окончательно получим потерю мощ­ности, Вт/см 3 , (13)

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.

Инфракрасное излучение отличается от других видов электро­магнитных колебаний частотой, длиной волны и скоростью ее распространения. Длина волны ИК-излучения находится в преде­лах 7,7 · 10 -5 ...3,4 · 10 -2 см (0,77...340 мкм).

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.

Нагревание можно проводить: непосредственно голым пламенем; через асбестированную сетку; на бане; электронагревательными приборами.

Голым пламенем пользуются большей частью при прокаливании шамотных, фарфоровых, платиновых, никелевых, железных и других металлических тиглей и кварцевой посуды.

Нагревать голым пламенем химическую посуду, например колбы, стаканы и т. д., не рекомендуется, так как посуда при этом может лопнуть. При нагревании химической посуды в большинстве случаев пользуются асбе-стированными сетками (рис. 208) или куском листового асбеста. Сетку кладут на треногу или на кольцо штатива, на нее ставят сосуд и снизу подставляют горелку. Пламя горелки не касается непосредственно сосуда, и нагревание идет через асбест, чем достигается большая равномерность обогрева.

Однако на сетке довольно трудно вести нагревание при какой-либо определенной температуре. Для этого применяют разного рода бани, из них наиболее употребительными являются: водяные, паровые, солевые, воздушные, песочные, масляные, глицериновые, парафиновые, трикрезилфосфатные, из легкоплавких металлов и сплавов.

Водяные бани (рис. 209). Водяные бани применяют только в тех случаях, когда требуется нагревание не выше 100°С, Бани закрываются сверху рядом концентрических, налегающих одно на другое колец.

Кроме одпогнездных водяных бань, в лабораториях применяют также и многогнездные, одна из которых показана на рис. 210.

Рис. 208. Асбестированная сетка.

Нагревание на водяной бане можно проводить двумя способами: обогреваемую посуду погружают в кипящую воду, в этом случае температура нагрева достигает 100° С; обогреваемая посуда не касается воды и нагревается только водяным паром, - температура нагрева на несколько градусов ниже 100° С.

Рис. 210. Трехгнездная водяная баня с газовым обогревом.

В баню наливают воду так, чтобы до краев оставалось 2-3 см. Нагреваемый сосуд помещают на кольцо такого диаметра, чтобы своей нижней частью он находился на 1,5-2 см внутри бани.

Если нагревают стакан, то его надо ставить так, чтобы он не проваливался, т. е, внутренний диаметр кольца должен быть меньше диаметра дна стакана.

Воду в бане нагревают до кипения и поддерживают в таком состоянии во все время нагревания.

При работе с водяной баней нужно заботиться о том, чтобы в ней всегда была вода. Часто случается, что по недосмотру работающего вся вода из бани выкипит, в результате чего могут произойти неприятные последствия (порча бани, порча нагреваемого вещества). Поэтому в лабораторной практике лучше всего пользоваться 6ai нями с автоматическим питанием водой (рис. 209,а)." В нижней части такой бани имеется отросток, к которому присоединено сифонное устройство для автомати-

Рис. 211. Схема сифона для поддержания постоянного уровня воды: 1 - трубка, присоединяемая к водо-проиодному крану; 2-сливная трубка для удаления избытка воды; S-трубка, соединяющая сифонное устройство с водяной баней.

ческого поддержания уровня воды. Сифонные устройства бывают различной конструкции. Одна из конструкций сифонного устройства для автоматического питания бани водой показана на рис. 211. Вода в баню поступает через трубку /, соединенную с источником воды (водопроводный кран, бутыль с водой). Излишки воды вытекают через сливной патрубок 2, на который надевают резиновую трубку, отведенную в раковину. Ток воды через трубку / устанавливают очень медленный.

Можно также устроить автоматическое питание бани водой по схеме, изображенной па рис. 212. Баня 5 соединяется через сифонное устройство 4 резиновой трубкой с сосудом 3. Вода в этом сосуде должна находиться на одном уровне с водой в бане. Этот сосуд при помощи коленчатой трубки 2 соединен с сосудом 1. Трубка 2 опущена в сосуд 3 на 1-1,5 см. Когда уровень воды в бане 5 и в сосуде 3 понизится так, что конец трубки 2 будет находиться над уровнем жидкости, из сосуда / выльется такое количество воды, которое снова создаст прежний уровень.

Еще менее сложное приспособление для автоматического питания водой приведено на рис. 213; оно состоит из колбы или бутыли 1 емкостью в несколько литров, укрепленной в штативе горлышком вниз. Через пробку проходит уравнительная трубка 2, нижний конец которой опущен в патрубок 3 так, чтобы он был в воде не более чем на 1 см. По мере убывания воды в бане 4 нижний конец уравнительной трубки 2 окажется над уровнем жидкости, в результате чего из бутыли / выльется такое количество воды, что в патрубке 3 установится начальный уровень жидкости.

Для обогревания небольших пробирок в качестве водяной бани рекомендуется использовать химические стаканы небольшой емкости. Предложено много способов крепления пробирок в подобных случаях. Удобно применять приспособление (рис. 214), которое легко может изготопкть каждый работающий в лаборатории. В центре корковой пробки подходящего размера (по стакану) укрепляют держалку из проволоки. В пробке просверливают 3-4 или больше отверстий, диаметр которых на 1 мм больше диаметра пробирок. Пробирку с веществом, подлежащим обогреву, вставляют в отверг стис пробки и помещают последнюю в стакан с горячей водой.

Если в лаборатории имеется подводка пара, то им очень удобно пользоваться для обогрева водяных бань, особенно групповых, имеющих много гнезд. Приспособить водяную баню для обогрева паром может любая механическая мастерская. Устройство водяной бани с паровым обогревом напоминает паровую баню (см, ниже).