Тема: Основы теплотехники. Теплогенерирующие устройства

Основы теплотехники. Теплопроводность.

Теплопроводность как физическое явление представляет собой перенос тепла беспорядочно движущимися микрочастицами, непо­средственно соприкасающимися друг с другом. В газах и жидко­стях передвигаются молекулы, в кристаллической решетке твер­дых тел колеблются атомы, в металлах диффундируют свободные электроны. К основному закону теплопроводности относится закон Фурье, в соответствии с которым

где q₁ — плотность теплового потока, Вт/м²; γ — коэффициент теп­лопроводности, Вт/(м-К); t — температура, К; п — координата, перпендикулярная поверхности переноса тепла, м.

В правой части уравнения (1.1) стоит знак минус, так как век­торы теплового потока qt и градиент температуры dt/dn направле­ны в противоположные стороны.

Коэффициент теплопроводности представляет собой количест­во теплоты, переносимой через единицу поверхности вединицу времени при градиенте температуры, равном единице. Уравнение (1.1) верно в стационарных условиях, когда температура не зави­сит от времени дt/дn≠0, a dt/dn=const. В более общем случае, в нестационарных условиях, когда температура изменяется во вре­мени и по координате, т. е. dt/dn≠0 и dt/дп=const, перенос теп­ла теплопроводностью описывается уравнением Фурье:

Внутри тела может генерироваться или поглощаться тепло, например за счет химических реакций. В таких случаях рассмат­ривается задача с внутренним источником тепла (соответственно положительным или отрицательным) и уравнение (1.2) превра­щается в уравнение

где I_q —источник тепла, Дж/(м³-с).

Коэффициент температуропроводности а является характерис­тикой инерционных свойств тела, обусловленных распространени­ем теплоты теплопроводностью. Тело с большим а быстрее на­гревается и охлаждается.

Коэффициент теплопроводности влажного материала — экви­валентный коэффициент теплопроводности — является суммирую­щей величиной:

где λ_c — коэффициент теплопроводности сухого твердого скелета материала; λ_конд —коэффициент кондукции (теплопроводности) жидкости и паровоздушной смеси, находящихся в стационарном (неподвижном) состоянии в порах материала; λ_конв — коэффици­ент, характеризующий перенос тепла за счет конвекции воздуха внутри материала; λ_л — коэффициент лучистой теплопроводности; λ_н — коэффициент, характеризующий перенос тепла за счет пере­носа массы (влаги) внутри материала.

Имеются указания на то, что при диаметре пор меньше 0,5 мм величинами λ_конв и λ_лможно пренебречь.

Теплопроводность пищевых продуктов изучена достаточно хо­рошо в виде значений λ_экв и а представлена в форме таблиц и расчетных формул в справочной литературе.

Теплогенерирующие устройства

Общие сведения о тепловом оборудовании

В большинстве случаев при приготовлении пищи продукты варят, жа­рят, тушат, т.е. подвергают тепловой обработке. Под действием опреде­ленного количества тепла продукты изменяют физико-химические свой­ства: жиры плавятся, белки свертываются, меняется вкус, цвет, запах и 1Л Кроме того, под действием высокой температуры уничтожается в продуктах переработки болезнетворная микрофлора.

При тепловой обработке происходит естественный самопроизволь­ный переход тепла от его источника к нагреваемому продукту, посколь­ку источник тепла всегда более нагрет, чем продукт.

Источники тепла в аппаратах могут быть топливо, электроэнергия и теплоносители. На практике применяются в основном такие теплоноси­тели, как водяной пар, вода, масло. Основные способы тепловой обра­ботки пищевых продуктов — варка и жарка. Варка продуктов может осу­ществляться несколькими способами, в жидкой среде, автоклавах и в сосудах с пониженным давлением. Для всех видов варки характерны две стадии, быстрый нагрев жидкой среды и слабый нагрев. В. некоторых случаях используют аккумулированное тепло и варку "острым паром» Варка продуктов "острым паром" осуществляется в результате соприко­сновения насыщенного пара с обрабатываемым продуктом.

Процесс жарки продуктов осуществляется без добавления жидкой среды. Жарку продуктов производят в неглубокой посуде — сковороде и во фритюре, когда продукт полностью загружают в горячий жир.

На предприятиях общественного питания используют и вспомога­тельные способы тепловой обработки продуктов. К ним относятся: ту­шение, ошпаривание, опаливание, а также обработка продуктов сверх-высокочастотным и инфракрасным обогревом.

Новым способом тепловой обработки продуктов является обработка его в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. В таких случаях происходит нагрев продуктов по всему объему. Надо отметить, что СВ-поле нагревает только продукты, а рабочая камера, посуда и воздух не нагревается. СВЧ-нагрев имеет большое преимущество по сравнению с традиционными способами тепловой обработки продуктов. Время при­готовления сокращается в 10 раз, а для большинства продуктов оно со­ставляет не более 5 минут. Значительно улучшаются вкусовые качества и внешний вид приготовляемых продуктов. Надо помнить, что в СВЧ-апларате применяют посуду из диэлектриков, т.е. стекла, фарфора, пла­стмасс и керамики. Использовать металлическую посуду категорически запрещается, т.к. она выводит из строя генератор этого аппарата.

Понятие о теплообмене

Передача тепла от одной среды к другой называется теплообменом. Различают два основных вида теплообмена: соприкосновением и излу­чением. Теплообмен соприкосновением заключается в том, что тепло от одного тела, более нагретого, передается другому, менее нагретому, не­посредственно соприкосновением. Теплообмен излучением связан с двойным превращением энергии. Тепловая энергия более нагретой по­верхности превращается в лучистую, которая проходит через простран­ство, попадая на более холодную поверхность вновь превращается в те­пловую энергию. Такие передачи тепла происходят например, лампами инфракрасного излучения или приготовления шашлыка на мангале. Те­плообмен в жидкостях и газах называется конвекцией. Это когда ниж­ние слои жидкости нагреваются, поднимаясь вверх, переносят тепло, а менее нагретые слои опускаются вниз, т.е. происходит перемешивание нагретых и ненагретых слоев.

Теплообмен внутри тел называется теплопроводностью. Когда нагре­вается дно металлической посуды, быстро нагреваются и ее стенки, По­суда и аппараты, изготовленные из диэлектриков, имеют значительно меньший коэффициент теплопроводности, чем металлические.

Тепло и его состав

Топливом в технике называют сложное органическое соединение, способное при горении выделить значительное количество тепловой энергии. По физическому состоянию топливо подразделяется на твер­дое, жидкое и газообразное. К твердому топливу относятся - дрова, торф, уголь и сланцы. К жидкому топливу относятся — нефть и проду­кты ее переработки — бензин, керосин, мазут и печное топливо. К га­зообразному топливу относятся - природный и искусственный газы. В состав топлива входят горючие и негорючие элементы. К горючим эле­ментам относятся — углерод, водород, сера. К негорючим элементам от­носятся — азот, зола и влага. Кислород - не горючий элемент, но под­держивает процесс.

Твердое топливо. Уголь - является высококалорийным топливом, имеет большое содержание углерода, малое содержание влаги и незна­чительное количество летучих веществ.

Дрова из-за низкой теплоты сгорания, относятся к местному топли­ву. Выход летучих веществ большой, что дает хорошую воспламеняе­мость дров. Зольность древесины незначительная.

Торф — это неполное разложение органических веществ растительно­го происхождения при избытке влаги и очень малом доступе воздуха.

Горючие сланцы — это [низкокалорийное топливо, применять реко­мендуется после переработки и вблизи мест добычи.

Жидкое топливо — основным вкладом жидкого топлива используют печ­ной мазут, получаемый при переработке нефти. Он имеет большое содержа­ние углерода и водорода. При сгорании имеет высокую теплоту сгорания.

Газообразное топливо — как топливо, используются природные горю­чие и искусственные тазы, которые по своим качествам превосходят все остальные виды. Природные газы добывают из газовых месторождений или попутно из нефтяных месторождений. К искусственным газам отно­сятся доменный, коксовый и сжиженный газ. Основным преимущест­вами газообразного топлива являются: высокий КПД газовых аппаратов, возможность использования автоматических устройств, регулирующих те­пловой режим и обеспечивающий технику безопасности при работе газо­вых тепловых аппаратов. Использование газа улучшает культуру произ­водства, санитарно-гигиенические условия работы, исключает загрязнен­ность воздушного бассейна населенных пунктов копотью и дымом.

Газовое топливо обладает и отрицательными свойствами. В определен­ных отношениях с воздухом образует взрывоопасную смесь. Газ ядовит, и поэтому неправильное обращение с газом приводит к несчастным случаям.

Однако, наиболее удобным и гигиеническим является оборудование с электрическим обогревом. В настоящее время на предприятиях общест­венного питания более 90% всего теплового оборудования работает на электроэнергии. К преимуществам электрического оборудования, по сравнению с аппаратами, имеющими другие источники тепла, являют­ся: простота обслуживания, хорошие санитарно-гигиенические условия труда и снижение пожарной опасности Возможность работы аппаратов в автоматическом режиме и более высокий КПД.

Понятие о процессе горения

Процесс горения топлива основан на химической реакции соедине­ния кислорода воздуха с горючими элементами топлива. Горением топ­лива называют процесс быстрого окисления горючей части топлива с выделением значительного количества тепла. Часть тепла затрачивается на поддержание высокой температуры топлива, без которой горение невозможно. Горение топлива возможно при условии достаточного при­тока к нему воздуха и нагрева топлива до температуры воспламенения. Горение топлива может быть полным или неполным. При неполном сгорании образуется угарный газ, и при этом выделяется не более 1/3 общего количества тепла, которое могло бы быть выделено при полном сгорании топлива. При полном сгорании углерод образует углекислоту, водород превращается в воду, при этом выделяется наибольшее количе­ство тепла. Газ нужно сжигать только в состоянии движения. Если смесь газа с воздухом находится в покое, то сгорание происходит мгновенно, в виде взрыва. Важной качественной характеристикой топлива служит его теплота сгорания или теплотворная способность - количество тепла в ккал, которое выделяется одной весовой (1 кг) или объемной (1 куб. м) единицей топлива при полном сгорании. Теплота сгорания различ­ных видов топлива неодинакова, поэтому для сопоставления различных видов топлива и решения вопроса о замене одного вида топлива другим, введено понятие 'условное топливо". Под "условным топливом" понима­ют такое топливо, теплота сгорания которого составляет 7000 к кал/кг.

Мероприятия по экономии топлива

Выбор наиболее экономичного вида топлива и соответствующего теплового аппарата для приготовления пищи является одним из эффек­тивных путей снижения издержек и способствует удешевлению питания.

Организационно-технические мероприятии по экономии топлива, тепловой и электрической энергии разрабатываются на всех предприяти­ях общественного питания. Основными вопросами мероприятии по эко­номии топливно-энергетических ресурсов, являются:

— ведение контроля за рациональным и экономическим использова­нием топливно-энергетических ресурсов и разрезе каждого оборудова­ния предприятия;

— систематический контроль за техническим состоянием оборудования;

— своевременное включение и выключение оборудования, имея в ви­ду недопустимость их работы в нерабочее время,

— проведение систематической очистки парогенераторов, сосудов, тс нов, трубок или змеевиков водонагревателей от накипеобразований;

— увеличение загрузки рабочих объемов оборудования при эксплуатации;

Косвенный обогрев — это передача теша через промежуточную среду (пароводяная рубашка котла). По технологическому назначению тепло­вое оборудование делится на универсальное (эл.плита) и специализиро­ванные (кофеварка, пекарский шкаф).

По источникам тепла тепловое оборудование делится на электриче­ское, газовое, огневое и паровое.

Тепловые аппараты можно еще классифицировать по принципу дей­ствия — непрерывного и периодического действия.

По степени автоматизации тепловые аппараты подразделяются на не­автоматизированные, контроль за которыми осуществляет обслуживаю­щий работник, и автоматизированные, где контроль за безопасной ра­ботой и режимом тепловой обработки обеспечивает сам тепловой аппа­рат при помощи приборов автоматики.

На предприятиях общественного питания тепловое оборудование мо­жет использоваться как несекционное или секционное, модулированное.

Несекционное оборудование, это оборудование, которое различно по габаритам, конструктивному исполнению и архитектурному оформле­нию. Такое оборудование предназначено только для индивидуальной ус­тановки и работы с ним, без учета блокировки с другими видами обо­рудования. Несекционное оборудование для своей установки требует значительных производственных площадей, т.к. обслуживание такого оборудования осуществляется со всех сторон.

В настоящее время промышленность осваивает серийное производст­во секционного модулированного оборудования, применение которого целесообразно на больших предприятиях общественного питания. Пре­имущество секционного модулированного оборудования в том, что вы­пускается оно в виде отдельных секций, из которых можно комплекто­вать различные технологические линии. Секционное модулированное оборудование имеет единые размеры по длине, ширине и высоте. Такое оборудование устанавливается линейно по периметру или по центру по­мещения и установленная секция способствует повышению производи­тельность труда и обшей культуры на производстве.

На все виды тепловых аппаратов разработаны и утверждены ГОСТы, которые являются обязательными для всех заводов и предприятий, свя­занных с выпуском или эксплуатацией оборудования.

ГОСТ указывает сведения аппарата: наименование аппарата и его Индек­сацию, параметры, требования ТБ, БТ и производственной санитарки, ком­плектность, а также требования к транспортировке, упаковке и хранению.

Все тепловые аппараты имеют буквенно-цифровую индексацию, пер­вая буква которой соответствует наименованию группы, к которой от­носится данный тепловой аппарат. Например: котел - К, шкаф - Ш,

плита - П и т.д Вторая буква соответствует наименованию вида обору­дования: пищеварочные - П, непрерывного действия - Н и т.д. Третья буква соответствует наименованию теплоносителя: электрические - Э, газовые - Г и т.д. Цифрами обозначают основные параметры теплового оборудования. Например: КПП-160 - котел пищеварочный, паровой, вместимостью 160 л.

Лекция №10