3. Твердые охлаждающие среды

В качестве твердых охлаждающих средств применяют различные металлы и сплавы. Металлы имеют очень большую удельную массу. Металлы характеризуются высокими теплопроводящими свойствами. В пищевой промышленности применение находят нержавеющая сталь, чугун, медные и алюминиевые сплавы.

3. Гетерогенные охлаждающие среды

Гетерогенная охлаждающая среда – это среда, при охлаждении которой одни участки поверхности продукта соприкасаются с твердой ее частью, а другие – с жидкой или газообразной. Характерный пример – водный лед.

В холодильной технике часто используется также смесь водного льда с поваренной солью – так называемые льдосоляные смеси.

Водный лед в основном применяется для охлаждения рыбы. Используется искусственный лед. Лед характеризуется скрытой теплотой плавления, так называемая холодопроизводительность льда. Водный лед работает как охлаждающая среда, отнимающая тепло у рыбы, и, одновременно, как источник или генератор холода. Так, при таянии льда из окружающей среды поглощается скрытая теплота плавления льда и, тем самым, осуществляется процесс охлаждения рыбы.

Основные свойства льда: теплоемкость льда около 2,0 кДж/(кг·К); плотность 917,0 кг/м³; коэффициент теплоотдачи – около 115 Вт/(м²·К). последний зависит от способа и характера применения льда, так, наибольшие значения коэффициента теплоотдачи достигаются при плотном соприкосновения рыбы со льдом и достаточном количестве льда.

Для достижения температуры охлаждающей среды ниже 0 °С применяют льдосоляные смеси. В рыбной промышленности часто используют смесь водного льда с поваренной солью. Смесь соли и льда в соотношении 1 к 3 обеспечивает получение температуры около минус 18 °С.

Температура смеси зависит от дозы соли:

1. 5,0 % соли от массы льда обеспечивает температуру льдосоляной смеси минус 1,3 °С;

2. 10,0 % соли от массы льда обеспечивает температуру льдосоляной смеси минус 6,3 °С;

3. 20,0 % соли от массы льда обеспечивает температуру льдосоляной смеси минус 13,7 °С;

4. 30,0 % соли от массы льда обеспечивает температуру льдосоляной смеси минус 21,0 °С.

Сухой лед (твердый СО₂) имеет перед водным льдом ряд преимуществ: при таянии (сублимации) он не образует жидкой части; сухой лед имеет точку сублимации минус 79 °С. Поэтому сухой лед часто используют для транспортировки скоропортящихся грузов.

Единица объема сухого льда дает холода в три раза больше, чем водный лед, так как теплота сублимации сухого льда составляет 575 кДж/кг.

2.5. Основные положения переноса теплоты

По теплофизическим признакам процессы холодильной технологии делятся на три основные группы.

Первая – это процессы, в которых теплота отводится от продуктов, причем их температура понижается (охлаждение, подмораживание, замораживание).

Вторая – это процессы, в которых теплота подводится к продуктам, причем их температура повышается (отепление и размораживание).

Третья группа - процессы, в которых стремятся к постоянству температуры продукта, не исключая, в некоторых случаях, возможности внутреннего теплообмена, или внешнего теплообмена с окружающей средой при поверхностном испарении влаги и при внутренних тепловыделениях продукта, то есть процессы холодильного хранения.

Процессы теплообмена обычно состоят из трех основных видов переноса теплоты: теплопроводности (кондукции), конвективного теплообмена (конвекции) и теплового излучения.

Общий закон распространения энергии без учета работы внешних сил можно сформулировать следующим образом: разность между количеством энергии, входящей в некоторый объем и выходящей из него, равна скорости изменения энергии в этом объеме.

Тепловой баланс для произвольного выделенного конечного объема вещества , ограниченного поверхностью можно представить в виде уравнения:

- + = , (28)

где - проекции векторов кондуктивного, конвективного и лучистого потоков теплоты, проходящих через поверхность , на направление нормали к поверхности, или другими словами кондуктивная, конвективная и лучистая составляющие теплового потока;

- мощность внутренних источников теплоты, Дж/ (м³ · с);

- объемная плотность энергии, Дж/ м³.

Частным случаем этого общего уравнения является перенос теплоты внутри твердого непрозрачного для излучения тела, не имеющего пористой структуры, то есть перенос теплоты в отсутствие лучистой и конвективной составляющей ( ). В таких телах теплота будет распространяться только за счет теплопроводности. Уравнение (28) после соответствующих преобразований при условии постоянства коэффициента теплопроводности примет вид:

, (29)

где - коэффициент температуропроводености, м²/с;

- теплоемкость, Дж/(кг·К);

- плотность, кг/м³;

- дифференциальный оператор Лапласа соответствует сумме вторых производных скалярной величины по координатам.

Уравнение (29) представляет собой параболическое дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка. Существует много методов решения подобных уравнений для получения окончательного результата, пригодного для применения в конкретной практике инженерных расчетов, однако для успешного решения необходимо иметь дополнительную информацию об искомой функции в виде условий однозначности, которые позволяют найти постоянные интегрирования.

Как известно, необходимое количество условий однозначности определяется высшим порядком производных дифференциального уравнения по каждой из независимых переменных.

Для уравнения (29), в котором температура – это функция трех координат времени , число условий однозначности составит семь: два по каждой из координат и одно условие по времени. Условия по координатам означают, что должны быть известны значения искомой функции или каких-либо величин, связанных с искомой функцией, при конкретных значениях координат, то есть должны быть известны граничные условия. Аналогично условия однозначности по времени означают, что известно значение искомой функции в какой-либо конкретный момент времени. Чаще всего значение функции известно в начальный момент времени, тогда временное условие называют начальным.

В зависимости от того, что известно при определенной координате (то есть на границе тела) – искомая функция, ее производная, или комбинация этих величин, - различают четыре рода граничных условий.

Условия первого рода – на определенной границе (координате) должно быть известно значение искомой функции

(30)

Условия второго рода – на определенной границе известно значение производной искомой функции

(31)

Правая часть уравнения (4) представляет собой величину теплового потока , проходящего через границу . Задание теплового потока возможно при электрообогреве от источника с известной мощностью или при нагреве открытой поверхности тела источником лучистого потока, когда возрастающая температура тела все же остается существенно ниже температуры источника излучения (ИК-нагрев).

Условия третьего рода – наиболее распространены в теплообменных процессах, соответствуют линейной комбинации значений искомой функции и ее производной на границе тела

(32)

Физический смысл уравнения (32) заключается в равенстве количества теплоты, проводимого изнутри охлаждаемого тела к его наружной границе (правая часть уравнения), количеству теплоты, отдаваемому поверхностью тела окружающей среде. В этом случае предполагается, что поток теплоты от поверхности теплообмена к среде пропорционален разности температур поверхности и среды.

Условия четвертого рода реализуются в тепловых задачах на границе контакта двух тел, где должны быть одинаковыми температуры тел и а также потоки теплоты

; (33)

(34)

Контакт двух тел для этого случая предполагается идеальным, без какого-либо зазора, а на границе контакта отсутствует источник теплоты.

Граничные условия всегда формулируются на основе физической информации об исследуемом процессе переноса теплоты для конкретных условий, причем эта информация не зависит от дифференциального уравнения, описывающего процесс. Как правило, дифференциальные уравнения общего поведения искомых функций известны. Поэтому главную задачу и, одновременно, наибольшую трудность, представляет формулирование условий однозначности, адекватно отражающих физическую суть процесса теплообмена в конкретных условиях.