СПОСОБИ І ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАЧІ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ

СПОСОБИ І ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАЧІ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ

Фізичні характеристики, актуальні для розрахунків процесів та апаратів харчових виробництв, зазвичай поділяють на структурно-механічні (густина, в’язкість, поверхневий натяг тощо), теплофізичні (теплоємність, теплопровідність, ентальпія та ін.) і терморадіаційні (відбивна та поглинальна здатність тощо). Оскільки ці характеристики застосовують під час розрахунків перенесення теплоти практично в усіх технологіях харчової промисловості, їх загальна назва — теплофізичні характеристики (ТФХ). До цієї групи належать вологообмінні та термодинамічні характеристики продуктів і процесів, з них практичне застосування мають криві сорбції-десорбції.

Якісний бік перенесення теплової енергії (теплоти) в якійсь точці речовини характеризує температура t ,ºС або Т, К, тобто інтенсивний параметр, аналогом якого в разі перенесення електричної енергії є напруга. Аналогом сили струму є поверхнева густина теплового потоку q, Вт/м², – кількість теплоти в Дж, що проходить за одиницю часу (с), через одиницю ізотермічної поверхні (м²) речовини. Теплота може передаватися одночасно кількома способами, густину теплового потоку визначають як сумарний ефект, отже q – це екстенсивна характеристика перенесення.

За традицією вважають, що перенесення теплової енергії відбувається трьома способами – за рахунок теплопровідності, конвекції та випромінювання, але, майже в усіх галузях харчової промисловості, теплові процеси супроводжуються фазовими перетвореннями речовини великої інтенсивності (кипіння, конденсація, випаровування, заморожування тощо), тому доцільно додати четвертий спосіб – за рахунок масообміну.

Теплопровідність , або кондуктивне перенесення теплоти – це передавання внутрішньої енергії або енергії теплового руху мікрочастинок тіла у напрямку зменшення температури тіла. Вважають, що перенесення відбувається на молекулярному рівні, хоча дуже часто ці частинки менші від молекул (іони, електрони), а то й взагалі є квазічастинками (фонони).

У газах теплопровідність відбувається саме на молекулярному рівні – після зіткнення з гарячою стінкою посудини в процесі нагрівання, в якій знаходиться газ, його молекули набувають енергію та швидкість, стикаються з менш рухомими молекулами, віддають їм частку енергії і так далі. В процесі охолодження, теплопровідність відбувається в зворотному напрямку – від молекули до стінки посудини. Зазвичай, до теплопровідності в газах додаються конвекція та випромінювання.

У газах під великим тиском та у краплинних рідинах відстані між молекулами можна порівняти з розмірами самих молекул, тому після отримання енергії від стінки або сусідньої молекули вони можуть лише збільшити амплітуду коливання відносно якогось положення, тому тут переважає коливальний процес теплопровідності. У твердих діелектриках зберігається той самий механізм, що й в рідинах, але якщо у аморфних тілах енергія переноситься молекулами, то у кристалічних – фононами, тобто квантами пружних коливань атомів кристалу. У металів над фононною переважає електронна провідність (за рахунок вільних електронів), для напівпровідників істотними є обидва типи.

Конвекція – це перенесення речовини рухомим середовищем, наприклад, повітряним потоком. Разом з потоком відбувається перенесення внутрішньої енергії речовини. Цей процес відбувається на молярному рівні, розміри носіїв енергії («молів») незрівнянно більші від мікрочастинок - носіїв теплопровідності. Це дозволяє віднести до явищ конвекції не лише рух чистих рідин, але й запилених потоків або навіть сипких твердих матеріалів, наприклад, зерна. Якщо потік є неізотермічним, тобто відбувається теплообмін із стінками, що обмежують потік, такий теплообмін називають конвективним, в ньому відбувається теплопровідність та конвекція.

Комбінованим способом перенесення теплової енергії також є  фазові перетворення . Так, під час конденсації пари на твердій стінці фактично відбувається виділення великої кількості теплоти на межі між парою та плівкою конденсату, далі теплота передається до стінки за рахунок теплопровідності та конвекції.

Ці три способи перенесення теплової енергії об’єднує той факт, що носії енергії обов’язково стикаються між собою під час її передавання, тому ці процеси носять загальну назву  теплообмін зіткнення .

Зовсім іншу природу має  променистий теплообмін ,оскільки джерело енергії може бути на дуже великій відстані від приймача. Долати цю відстань енергія може завдяки перетворенню з теплової на променисту в поверхневих шарах твердого чи рідкого джерела або ж в надрах гарячого газу. По досягненні приймача відбувається зворотне перетворення. У даному разі термін «теплообмін» є обґрунтованішим, оскільки приймач теж випромінює енергію в напрямку джерела. Якщо ці потоки дорівнюють один одному, променистий теплообмін має назву  рівноважного .

Як окремий вид перенесення енергії, променистий теплообмін має місце лише у повному вакуумі, в усіх інших випадках він відбувається одночасно з конвективним теплообміном або з чистою теплопровідністю – у твердих тілах, більш-менш прозорих для випромінювання. Так, під час прогрівання ґрунту, шару зерна або в поруватому ізоляційному матеріалі теплота передається теплопровідністю всередині окремих частинок, конвекцією та випромінюванням між ними. За цих умов відбувається складний теплообмін , а якщо додається ще й випаровування краплинок води, що знаходиться в повітрі між порами та в самих частинках або навпаки конденсація пари, тоді маємо справу із складним  тепломасообміном .

Кожному виду перенесення теплоти притаманні свої теплофізичні характеристики, але для спрощення розрахунків складного тепломасообміну, який здійснюється в переважній більшості технологічних процесів харчової промисловості, за основу беруть найбільш інтенсивну складову. Решту видів враховують умовно впливом на характеристики «основного» способу, а в інженерних розрахунках використовують, здебільше, інформацію про ефективні теплофізичні характеристики (ТФХ) продуктів і матеріалів харчової промисловості.