Operații Unitare în Industria Alimentară

1.1 Bazele teoretice ale procesului

Procesele termice sunt guvernate de legile termodinamicii. În procesele termice are loc schimbul de energie termică între corpurile fizice, care au diferită temperatură (indice potenţialului de energie termică) şi se numesc respectiv: agentul termic fierbinte (degajă energie) şi agentul termic rece (absoarbe energie degajată).

Energia termică se transportă prin conducţie (mecanism molecular), convecţie (mecanism convectiv) şi radiaţie (mecanism radiant). În condiţii reale transferul energiei termice se realizează cel puţin prin două mecanisme, deoarece mecanismul molecular, fiind bază a tuturor variaţiilor a materiei, asistă neapărat.

Bilanţul termic. Pe baza bilanţului termic se poate de obţinut formulele de calcul a cheltuielilor energetice. Se compune bilanţul în conformitate cu legea conservării a energiei prin egalarea valorilor energiei degajate şi acelei absorbite. De la bun început se admitem notaţiile şi explicaţiile parametrilor termofizice ale bilanţului:

- debitul energiei termice (cantitatea energiei, transportată într-o unitate de timp de la agent termic fierbinte spre acel rece) se numeşte fluxul termic sau sarcina termică a aparatului, se notează prin Q , avînd unitatea puterii, ,

- debitul (fluxul) agentului termic fierbinte - şi acelui rece - ;

- entalpia agentului termic fierbinte - , şi acelui

rece -

- - capacitatea termică specifică a agentului - cantitate de căldură, necesară pentru încălzirea unităţii cantitative a substanţei cu , sau degajate de către aceasta la răcirea cu , reprezentîndu-se respectiv, ( , ;

- - temperatura agentului termic fierbinte şi - a acelui rece ( ). Deci, ecuaţia bilanţului termic în lipsa pierderilor energiei termice (caz ideal) va fi

sau

sau

adică, dacă agentul termic în procesul de schimb de energie nu-şi schimbă starea agregatică, poate fi întrebuinţată prima expresie a sarcinii

şi dacă e vorba despre variaţia stării agregatice a agentului termic, care în condiţiile izobare se desfăşoară la temperatura invariabilă (condensarea, evaporarea, topirea, cristalizarea) se aplică următoare expresie a sarcinii termice

Dacă în calitate de agent fierbinte se întrebuinţează abur supraîncălzit, energia, degajată de către acesta, poate fi prezentată prin suma:

în care: - căldura, consumată pentru supraîncălzire acestuia de la temperatura de saturaţie pînă la temperatura ;

- căldura, degajată în procesul de condensare a aburului saturat.

Aici r - căldura latentă de evaporare (condensare) - căldura, necesară pentru obţinerea unităţii de masă a aburului de potenţialul dat,

-căldura, degajată suplimentar de către condensat la răcirea acestuia de la temperatura de saturaţie pînă la temperatura finală (astfel proces este numit condensarea cu suprarăcirea condensatului).

Ecuaţiile de transfer a energiei termice pot fi explicate pe baza schemei simplificate a profilului de temperatură în zona de transfer: fie doi agenţi termici în mişcare, aflaţi în procesul de schimb de căldură prin suprafaţă termică.

Fluxul de energie este îndreptat de la agent fierbinte spre acel rece datorită diferenţei de potenţial (diferenţei de temperatură a agenţilor termici la fiecare treaptă de transfer). Urmărind itinerarul transferului, se poate uşor de observat, că în mediul agentului fierbinte energia se transportă spre suprafaţă termică prin mecanism convectiv din cauza deplasărilor transversali ale macroformaţiunilor curentului, traversînd suprafaţă termică prin mecanism molecular si apoi trecînd în mediul agentului rece iarăşi prin mecanism convectiv, însă de la suprafaţă termică spre agent rece.

Deci, fluxul de energie, degajat de către agentul fierbinte şi absorbit de către agentul rece, poate fi exprimat prin ecuaţia de transfer convectiv : degajat -

, sau fluxul unitar ;

şi-absorbit

sau

Coeficientul care caracterizează intensitatea transferului în limitele agentului termic, se numeşte coeficientul parţial de transfer, şi depinde de proprietăţile fizice a mediului şi situaţia hidrodinamică în sistem, A - aria suprafeţii termice,

Fluxul, cauzat de către mecanism molecular şi trecut prin suprafaţă termică, se exprimă prin ecuaţia de conductivitate ( legea lui Fourier)

sau prin fluxul unitar ,

în care: coeficientul de conductivitate termică, ; - grosimea suprafeţei termice (distanţă între izotermele şi ), ; şi - temperatura suprafeţei din partea agentului fierbinte şi acelui rece.