OTŻ W4 17.03.05

Operacje cieplne

Dostarczanie lub odbieranie energii na sposób ciepła. Efekt - zmiana temperatury lub przemiana fazowa (ciepło utajone) ΔS > 0 - ruch ciepła od ciała cieplejszego do zimniejszego. Rozpiętość temperatury w T.Ż -196˚C do +1200˚C (-30˚C do +121˚C).Za wysoka temperatura i czas(т) - straty składników labilnych.

Zastosowanie w T.Ż.

• wstępna obróbka surowców ( mycie, czyszczenie, składowanie)

• właściwe przetwórstwo (gotowanie, pieczenie, schładzanie, zamrażanie - spowalnianie lub przyspieszanie przemian chemicznych, biochemicznych i mikrobiologicznych

• kleikowanie skrobi, denaturacja białek

• utrwalanie żywności ( pasteryzacja, sterylizacja, chłodzenie, zamrażanie, suszenie, koncentracja)

• operacje pomocnicze w procesie produkcyjnym (mycie maszyn, pomieszczeń)

Źródła ciepła

• stałe (głownie węgiel), ciekłe (olej), gazowe(wygodne BHP), elektryczne(drogie, wygodne, higiena, łatwa kontrola)

Ogrzewanie w T.Ż. - głownie ogrzewanie pośrednie

• ciepło ze źródła (spalanie) dostarczane do produktu za pośrednictwem czynnika pośredniego (powietrze, H2O, pH2O (nasycona, przegrzana), solanka). Medium grzejne oddzielone od materiału ogrzewanego przeponą.

Mechanizm przenoszenia ciepła

• przewodzenie (kondukcja)

• konwekcja

• promieniowanie

Przewodzenie ciepła

Przekazywanie energii kinetycznej molekuł za środowiska o wyższej temperaturze do środowiska o temperaturze niższej aż do momentu wyrównania temperatur. Czyste przewodnictwo - głownie ciała stałe ( brak ruchu w skali makro). Temperatura - zmiana wewnętrznej energii kinetycznej molekuł.

Wzór Fouriera

λ
- współczynnik przewodzenia ciepła

σt/ σl - gradient temperatury

F - powierzchnia do kierunku przepływu ciepła

τ - czas

λ = 0.002 - 0.12 - materiały izolacyjne [W/mK]

λ = 0.70 - szkło

λ = 0.50 - stal

λ = 0.60 (20˚C), 0.68 (100˚C) - woda

λ = 2.3 - lód

aby przyspieszyć transport ciepła przez przewodnictwo -należy zwiększyć ΔT, F, zmniejszyć grubość(l), wydłużyć czas, zmienić materiał.

Konwekcja

• przenoszenie ciepła w materii ( płynach) na zasadzie przemieszczania się

• - wolne - samorzutny ruch płynu (≠T → ≠ρ)

• - wymuszone - mechaniczne mieszanie płynów o różnej temperaturze

• transport ciepła konwekcyjnego - większe od przewodzenia ( sok, brzoskwinie w syropie, konserwa mięsna), sok - najszybsze ogrzewanie

• w praktyce konwekcja nie zachodzi w bezpośrednim styku ze ściana - tam transport ciepła przez przewodzenie ( wnikanie ciepła)

Przewodzenie ciepła

• przenoszenie ciepła za pomocą fal elektromagnetycznych ( promienie IR)

• może zachodzić bez przewodnictwa (np. próżnia) ale w praktyce przechodzi przez gazy

• promienie IR po wyemitowaniu są pochłaniane (ciała doskonale czarne), odbijane(ciała doskonale białe), przepuszczane(ciała doskonale przeźroczyste) w praktyce ciało czarne

• pochłanianie promieni IR - absorbcja na powierzchni, dalej przewodnictwo lub konwekcja

• szybkość ogrzewania - f(temp emitera, temp absorbera + kształt, stan powierzchni obu)

Równanie Stefana - Boltzmana - ilość ciepła emitowana przez ciało doskonale czarne

Q = δ A T⁴ δ - stała Stefana Boltzmana

W praktyce

Q = ε δ A (T₁⁴ - T₂⁴ )

Ε - emisyjność zastępcza (uwzględnia kolor, stan powierzchni emitera i absorbenta)

Źródła podczerwieni - promienniki podczerwieni, grzejniki ceramiczne halogenowe, żarnikowe

Zastosowanie IR - suszenie, dosuszanie (ziarna, makaron), pieczenie, obkurczanie folii termokurczliwej, gastronomia, w połączeniu z mikrofalami.

Przeponowa wymiana ciepła

• ośrodek grzejny z ośrodkiem ogrzewanym styka się przez przeponę (ścianki, puszki, płaszcz kotła, ścianki rury)

• występuje jednocześnie przewodzenie, konwekcja, promieniowanie

• po obu stronach przepony płyny (ruch konwekcyjny), warstwy przyległe ( przewodzenie, wnikanie ciepła)

Układ dynamiczny (zmiana temperatury w czasie) t₁ - t₂ = logarytmiczna średnia napędowa różnica temperatur Δt_śr

Q = k F Δt_śr τ

k - współczynnik przenikania ciepła - zdeterminowany przez „wąskie gardło” (albo opór cieplny, albo wnikanie) np. szklana ścianka butelki, tacka styropianowa - małe λ brak konwekcji w ...... małe α

rodzaj nośnika ciepła para wodna - dużo lepsza niż powietrze, obecność kamienia kotłowego (1mm kamienia - 4,5 m. Cu)

k - duże - szybka wymiana ciepła - intensywność ruchu. Brak ruchu płynów lub słaby ruch - k [ W/m²K] = 200 - 5000, ruch turbulentny - k = 2000 - 3000

Dlatego w T.Ż. przeciwprąd

• Mniejsza wymagana powierzchnia wymiany ciepła

• Temperatura końcowa nośnika gazowego może być mniejsza niż temperatura nośnika zimnego

• Większa siła napędowa ( Δt )

Nośniki ciepła

1) gorąca woda + skropliny pary wodnej

zaleta - łatwy transport na duże odległości bez znacznego spadku temperatury

wada - tylko do temp 100˚C

2) gorące powietrze - kłopotliwe, duże spadki temperatur, małe α, ale nieraz niezastąpione (suszenie, piekarstwo)

3) niskotemperaturowe nośniki ciepła

ciekłe : woda lodowa, solanka, glikol, alkohole

gazowe: amoniak, freony

4) para wodna - główny gazowy nośnik ciepła

zalety: nietoksyczna, niepalna, bezwonna, łatwo dostępna, łatwa do transportu ma duże odległości, przy kondensacji - oddaje dużo ciepła ( 539 - 481 kcal/kg)

kondensacja pary = f (p:1 - 10 atm.) - mało pary do przekazania ciepła, duże α - tańsze wymienniki bo mniejsza powierzchnia wymiany ciepła, kondensująca para wodna w T = const - łatwa kontrola parametrów procesu.

• ogrzewanie parą ostrą (żywą) - bezprzeponowa (barabotery, bełkotki, rura). Wada- rozcieńczenie, zaleta - szybkość.

Ogrzewanie parą głuchą - przeponowa, bez rozcieńczenia.

Przykłady przeponowych wymienników ciepła.

• kocioł z płaszczem grzejnym

• aparaty Frederkinga

Wymiennik ciepła ociekowego

• chłodnica ociekowa

Wymiennik typu rura w rurze

Wymiennik płaszczowo rurowy

Wymiennik skrobakowy

Płytowe wymienniki ciepła - pakiet odpowiednich tłoczonych stalowych płyt składanych podobnie jak prasa filtracyjna.

• wytłoczenie - turbulencja (bardzo dobra wymiana ciepła)

• szczelina 3,5 - 6 mm

• na czterech narożach płyty, cztery otwory, system otworów tak uszczelniony uszczelkami gumowymi aby naprzemiennie po dwie zaopatrywały każda ze stron płyty w medium gorące i zimne.

Zalety - duży współczynnik przenikania ciepła, łatwy demontaż, czyszczenie, konserwacja, łatwość dostosowania do zmiennych warunków pracy ( flexibility)

Wady - duży opór przepływu, konieczność stosowania uszczelek ( duże zużycie) często stosowane jako pasteryzatory

Eksploatacja wymienników ciepła:

• utrzymać właściwą prędkość przepływu czynników

0,15 - 0,6 m/s - płytowe

0,5 - 3 m/s - płaszczowo - rurowe

• wzajemny ruch substancji roboczych ( przeciwprąd preferowany)

• usuwanie powietrza ( 1% wag. powietrza w parze wodnej - α maleje 2 razy)

• zapobieganie zanieczyszczeniu powierzchni wymiennika ciepła, produkty przeczyszczające ( kamień kotłowy)

Grzejnictwo elektroniczne

a) indukcyjne - prąd indukowany 1 kHz - 1 MHz w materiale umieszczonym wewnątrz cewki zasilanej prądem szybkozmiennym, efekt - temperatura rośnie, warunek - przewodność materiału ( sery, śledzie solone) .

b) dielektryczne - prąd umieszczony miedzy okładkami kondensatora podłączonego do generatora wysokich częstotliwości. W dipolowym dielektryku (żywność, woda) wytwarza się ciepło na skutek reorientacji dipoli. Q tym większe im większa częstotliwość, gradient napięcia, powierzchnia, ε ( dla wody = 80.4, dla suchej subst = 2- 10 ) i mniejsza odległość miedzy okładkami.

Ograniczenia - możliwość przebić, koszt, sprawność do 50%.

Zalety - szybkie ogrzewanie (High Temperatute Short Time HTST)

Zastosowanie

• dosuszanie, rozmrażanie, topnienie (tłuszcz , czekolada)

• do ciągłego badania zawartości wody na podstawie efektu termicznego (ε )

Operacje i metody termiczne w T.Ż.

Ogrzewanie ( podgrzewanie, pasteryzacja, blanszowanie)

Podgrzewanie - zwykle lekkie ogrzewanie do temperatury dużo niższej niż temp. wrzenia w celu doprowadzenia temperatury do temperatury optymalnej dla enzymu ( 70 - 75˚C browarnictwo, 30 - 34 ˚C podpuszczka), ułatwienie rozpuszczania.

Blanszowanie

• ważna operacja poprzedzająca puszkowanie, zamrażanie, odwadnianie ( warzywa, owoce)

• szybkie ogrzewanie, przetrzymanie(T, τ), szybkie oziębienie lub bezpośrednio dalszy przerób

• zwykle 0,5 - 5 min woda 85 - 98 ˚C, różne surowce, różne warunki)

• cel - inaktywacja enzymów lub rozkład substrat…ów dla reakcji enzymatycznych.

Dodatkowo - mycie surowca - mniej zakażeń mikrobiologicznych , usuwanie gazów ( w tym O₂ - mniejsza korozja), zmiękczanie i skruszanie surowca - łatwiejsze napełnianie opakowań, częściowe usunięcie NO₃^-, NO₂ ^-, Me⁺ⁿ ( ale i rozpuszczenie w wodzie substancji odżywczych)

Metody blanszowania

• immersyjna w wodzie - zanurzeniowa ( kosz blanszowniczy, blanszownik ślimakowy)

wada - straty substancji rozpuszczonych w wodzie , za twarda woda - twardość skórki

• w parze wodnej - na perforowanej taśmie produkt przechodzi przez komorę parową - mniejsze straty substancji rozpuszczonej

• mikrofalowe( rzadko stosowane) - większy standard higieny ale brak innych zalet.

Urządzenia do blanszowania

• o działaniu okresowym - pojemniki wodne ( z przelewem), ogrzewane ostrą ( bełkotki) lub głucha para wodna. Surowiec w koszach ze stali kwasoodpornej po ogrzaniu przenosi się do zbiorników z zimna wodą

• o działaniu ciągłym:

• - ślimakowe

- tunelowe - perforowana taśma (ewentualnie z kubełkami) wchodzi do tunelu z wodą na końcu natrysk zimnej wody i dalsze chłodzenie

• bębnowe - perforowany bęben obrotowy ze ślimakiem wewnątrz zanurzonym w wannie z wodą. Wada - podgrzewane para ostrą.

Rozparzanie ( parowanie)

• wprowadzanie surowców ( zwykle roślinnych w stan półpłynny, najczęściej za pomocą pary wodnej)

Mechanizm - kleikowanie skrobi, hydroliza protopektyn, denaturacja białek, wysoka Temp, inaktywacja enzymów (Brak EB - oksydazy)

Zastosowanie - przeciery, pulpy, gorzelnictwo - rozparzanie ziemniaków, zbóż)

Urządzenia do rozparzania

Okresowe

• nieruchome - dno stożkowe, załadunek od góry, rozładunek od dołu

• wywracane - np. parowniki do ziemniaków

• ciśnieniowe (autoklawy para wodna 0,7 - 0,5 MPa, 142 - 146˚C) szczególne względy bezpieczeństwa

Ciągłe

• taśmowe np. do rozparzania pomidorów, para wodna ( 0,2 - 0,3 MPa) kierowana bezpośrednio na surowiec z góry i z dołu

• szybowe

• korytowe

• ślimakowe

• tarczowe

Prażenie - zabieg termiczny wywołujący daleko posunięte zmiany właściwości organoleptycznych, składu chemicznego prażonego produktu

Cel - powstawanie substancji smakowo - zapachowych i barwnych w następstwie termolizy głównie cukrowców.

Zmiany niekorzystne - rozkład tłuszczów ( dlatego praży się tylko surowce ubogie w tłuszcze), utrata wartości odżywczych białek (Liz, His, Tre)

Rodzaje prażenia

• łagodne - do 140˚C

• dość silne i silne ( 150 - 220˚C) dekstrynizacja skrobi, prażenie ryżu, zbóż ( często nawilgocone 35 - 40 % wody) produkcja karmelu, cukru, prażenie kawy ( do 200˚C), kawa zbożowa ( jęczmień, cykoria do 250˚C)

---