К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты нагревания, охлаждения, испарения и конденсации. Нагревание — повышение температуры тел путем подвода к ним теплоты. Охлаждение — понижение температуры тел путем отвода от них теплоты. Частным случаем испарения является процесс выпаривания — концентрирования при кипении растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Конденсация — сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от них теплоты.
Теплота является наиболее универсальной формой энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц — молекул, атомов, электронов. Универсальность тепловой энергии состоит в том, что любая форма энергии (механическая, химическая, электрическая, ядерная и т. п.) трансформируется в конечном счете частично или полностью в тепловое движение молекул (теплоту). Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики.
Перенос энергии в форме теплоты происходит между телами с различной температурой и называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел. Теплообмен — это самопроизвольный процесс переноса теплоты. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы, называют теплообменниками.
Теплопередача — это перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку. Оба вещества, участвующие в теплопередаче, называются теплоносителями (более нагретый — горячим, менее нагретый — холодным).
В случае возможности смешения теплоносителей теплопередача осуществляется непосредственным соприкосновением, т. е. смешением обоих теплоносителей. Очевидно, что в этом случае процесс теплопередачи протекает интенсивнее. Аппаратурное оформление процесса значительно упрощается.
Исследования показывают, что теплопередача является сложным процессом. При изучении этот процесс расчленяют на простые явления. Различают три элементарных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
Теплопроводность представляет собой процесс молекулярного переноса теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры. Теплопроводность в чистом виде, как правило, встречается в твердых телах. Так, в металлах перенос теплоты теплопроводностью связан с перемещением свободных электронов и колебаниями атомов кристаллической решетки.
Конвекция происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что перенос теплоты осуществляется перемещающимися в пространстве макроскопическими объемами среды.
Тепловое излучение — это процесс переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением — тепловой энергии в лучистую и обратно.
В действительности элементарные виды теплообмена не обособлены и в чистом виде встречаются редко. В большинстве случаев теплота передается комбинированным (совокупным) путем. Например, обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью (или газом) происходит с помощью теплопроводности и конвекции одновременно и называется конвективным теплообменом или теплоотдачей.
Совокупность всех трех видов переноса теплоты называется сложным теплообменом.
Теплоноситель — движущаяся среда (газ, пар, жидкость), используемая для переноса теплоты.
В процессах теплопередачи участвует не менее двух сред (веществ) с различными температурами. Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене теплоту, называется горячим теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая теплоту, называется холодным теплоносителем (хладагентом). Теплоносители и хладагенты должны быть химически стойкими, не вызывать коррозии аппаратуры, не образовывать отложений на стенках аппаратов.
В качестве теплоносителей в пищевой промышленности наибольшее распространение получили насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов — аммиак, фреон, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор теплоносителя или хладагента определяется его назначением, температурами процесса, стоимостью.
Теплопередача между средами может происходить в установившихся (стационарных) и неустановившихся (нестационарных) условиях.
При установившемся (стационарном) процессе поле температур в аппарате не изменяется во времени. При неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы протекают в непрерывно действующих аппаратах, неустановившиеся — в аппаратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.
При тепловой обработке многих пищевых продуктов, например теста, молока, сахарных растворов, изменяются их физико-химические свойства, что вызывает, в свою очередь, изменение условий теплопередачи.
К основным кинетическим характеристикам процесса теплопередачи относятся средняя разность температур, коэффициент телепередачи, количество передаваемой теплоты (от этой величины зависят размеры теплообменной аппаратуры).
Зависимость между количеством передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена называется основным уравнением теплопередачи:
(1)
котopoe для установившегося процесса имеет вид
(2)
где dQ – количество переданной теплоты; К – коэффициент теплопередачи между средами; F – площадь поверхности теплообмена; Δtср – разность температур между средами – движущая сила процесса; dτ – продолжительность процесса.
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты (кДж) передается от одного теплоносителя другому через разделяющую стенку площадью 1м2 в течение 1 ч при разности температур между теплоносителями 1º.
Площадь поверхности теплообмена (теплопередачи) аппарата
(3)
Чтобы воспользоваться уравнением (3), необходимо знать количество переданной теплоты, которое определяется из теплового баланса, среднюю разность температур и коэффициент теплопередачи между средами.
Наибольшую трудность представляет расчет средней разности температур между теплоносителями, которая определяется по их начальным и конечным температурам и осложняется продольным перемешиванием теплоносителей, а также определение коэффициента теплопередачи, зависящего от режима движения теплоносителей, а также от условий протекания теплопередачи.