Каталог готовых работ

Теплопередача – это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное).

Конвекция. При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное явление называется конвекцией.

Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя.

Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой. Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса.

Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен – отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение – это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности температур.

Теплота – непременный участник почти всех производственных процессов. Упомянем такие наиболее важные из них, как выплавка и обработка металлов, работа двигателей, производство пищевых продуктов, химический синтез, переработка нефти, изготовление самых разных предметов – от кирпичей и посуды до автомобилей и электронных устройств.

В данное время наибольшее распространение в пищевой промышленности приобретает третий вид теплопередачи.

Инфракрасный нагрев – это нагрев материалов электромагнитным излучением с длиной волны 2 мм – 760 нм (инфракрасное излучение). Инфракрасный нагрев основан на свойстве материалов поглощать определенную часть спектра этого излучения. При соответствующем подборе спектра испускания инфракрасного излучателя достигается глубинный или поверхностный нагрев облучаемого тела, а также его локальная сушка без нагрева всего объекта. Источником энергии при инфракрасном нагреве служат инфракрасные излучатели, состоящие из собственно источника энергии (нагретого тела) и отражателя.

В качестве источников применяют: трубчатые электрические нагреватели; электрические нагреватели, состоящие из вольфрамовой спирали, помещенной в герметичную кварцевую трубку, наполненную инертным газом и парами йода, и др.

При традиционных способах нагрева и сушки нагрев продукта происходит по поверхности. Если теплопроводность продукта низка, то термообработка объекта происходит медленно, с локальным перегревом поверхности нагрева, отчего возможно подгорание этой поверхности, возникновение внутренних механических напряжений.

И видимый свет, и невидимые нашему глазу инфракрасные лучи прогревают только поверхность тел. Микроволны действуют по-другому: проникая на несколько сантиметров в вещество, они заставляют ориентироваться по направлению электрической составляющей поля те молекулы, которые обладают свойствами электрического диполя. Примеров подобных молекул в природе не счесть: диполями, несущими положительный заряд на одном конце молекулы и отрицательный – на другом, являются, например, жиры. Но самое главное – диполем является молекула воды, самого распространенного из потребляемых веществ. Именно молекулы воды, переворачиваясь на 180° в переменном поле волны частотой 2450 МГц (т.е.  переворот совершается каждой молекулой с частотой 4900 миллионов раз в секунду), приобретают энергию, которая затем распространяется внутрь вещества путем обычной теплопроводности. 

При использовании сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств, где происходит преобразование СВЧ энергии в тепловую, можно получить относительно равномерное выделение тепла по объему тела. Эффективность преобразования энергии электрического поля в тепло возрастает прямо пропорционально частоте колебаний и квадрату напряженности электрического поля.

Сверхвысокочастотная (СВЧ) энергия, используемая для нагрева различных веществ, может быть применена для приготовления пищи, сушки белья, размораживания продуктов и в других бытовых устрой­ствах, где необходима тепловая энергия. Однако широкое распростра­нение СВЧ-энергия получила только в технологии приготовлении пищи, что связано с особенностями физического процесса нагрева СВЧ-полей. Под действием переменного поля в веществе возникает поляризация, т.е. направленное перемещение связанных электрических зарядов.

СВЧ-нагрев по сравнению с традиционными способами нагрева обладает следующими преимуществами.

1.      При СВЧ-нагреве генерация теплоты происходит внутри самого нагревательного продукта. Если при тепловой обработке продуктов традиционными способами расходуется теплота на нагрев посуды и окружающей среды, то в СВЧ-приборах почти вся теплота идет на нагрев продуктов, а посуда нагревается незначительно в результате получения теплоты от горячего продукта. Таким образом, непроизводительные потери теплоты значительно снижаются.

2.      Продолжительность тепловой  обработки  продуктов  СВЧ-энергией значительно сокращается.

3.      За счет сокращения времени тепловой обработки СВЧ-энергией снижаются потери массы продуктов на 10-30% при сохранении витаминов, органических и минеральных веществ, естественного цвета и вкусовых качеств.

4.      При применении СВЧ-приборов в быту снижаются затраты электроэнергии (на 50-70%) по сравнению с применением электроплит.

5.      Простота уборки рабочей камеры после приготовления блюд обусловлена тем, что во время тепловой обработки продукты не под­горают.

6.      После приготовления блюд меньше загрязненной посуды, так как продукты  могут  подвергаться  тепловой  обработке  непосредственно в сервировочной посуде.

Важное преимущество СВЧ нагрева – тепловая безинерционность, т. е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый продукт. Отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева.

Достоинством СВЧ нагрева является также принципиально высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел. Значение этого КПД близко к 100%.

Так же важным преимуществом СВЧ нагрева является возможность осуществления и практического применения новых необычных видов нагрева, например, избирательного, равномерного, сверхчистого, саморегулирующегося.

Однако при перечисленных преимуществах СВЧ-приборы не могут полностью заменить традиционные приборы для приготовления пищи. Как правило, СВЧ-приборы являются хорошим дополнением к обору­дованию кухни. Это объясняется тем, что получаемые при приготов­лении на СВЧ-приборах блюда не имеют традиционного вида, а сохра­няют вид полуфабрикатов, который имеет продукт до тепловой обра­ботки. Например, некоторые блюда привычны после обжаривания с аппетитной румяной корочкой, а получение ее в СВЧ-приборах затруднительно: необходимо применение специальных дополнительных устройств, которые, увеличивая на 50% время и энергозатраты, повы­шают стоимость приготовления.

Одним из перспективных видов быто­вых приборов считаются СВЧ-сублиматоры. Сублимированные продукты сохраняют не только пита­тельные вещества гораздо лучше, чем сушеные или термообработанные, но и присущую им форму, цвет, запах. Упакованные в полиэтиле­новую тару, сублимированные продукты могут храниться несколько лет в обычных условиях. Для восстановления сублимированного про­дукта достаточно его увлажнить, опустив в воду.

Список литературы

1.      Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. – М., 2000.

2.      Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электроника сверхвысоких частот. – М.: Радио и связь, 2001.

3.      Козелкин В.В., Усольцев И.Ф. Основы инфракрасной техники. – М., 1997.