|
|
|
Operatii unitare in industria alimentare
Transferul de caldura la schimbarea de faza (stare fizica) in operatia de fierbere
I. Caldura
Notiuni introductive
In fizica, cantitatea de caldura, simbolizata prin Q, este energia transferata intre un sistem termodinamic si mediul inconjurator, intre doua sisteme termodinamice sau intre diferite parti ale aceluiasi sistem termodinamic, in cursul unei transformari termodinamice in care parametrii externi raman constanti. Transferul de caldura are loc sub influenta unei diferente de temperatura. Principiul al doilea al termodinamicii sugereaza ca acest transfer se face de la sine doar de la temperatura mai inalta la temperatura mai joasa.
Scurt istoric
Istoricul caldurii se pierde in negura vremurilor. O mare realizare a omului preistoric a fost utilizarea focului. Pentru explicarea fenomenelor termice in antichitate s-au dat explicatii mitologice. Conceptia despre natura caldurii a evoluat de la conceptiile mistice din antichitate pana la teoria moleculara de astazi.
In secolul al XVII-lea s-a incercat explicarea arderii. In 1667, Johann Joachim Becher in cartea sa "Physica Subterranea" a facut prima mentiune asupra a ceea ce va deveni teoria flogistonului. Flogistonul era o substanta fara culoare, miros, gust si masa, si care este eliberata in timpul arderii, reziduul fiind "forma adevarata" a substantei.
In 1738, Daniel Bernoulli in lucrarea "Hydrodynamica" propune ideea ca gazele sunt formate dintr-un mare numar de particule in miscare in toate directiile. Aceasta idee va duce la teoria cinetica a gazelor.
In 1761, Joseph Black descopera ca in timpul topirii gheata absoarbe caldura fara a-si schimba temperatura. El considera ca, caldura se combina cu particulele de gheata, devenind caldura latenta.
In 1770, Lavoisier explica arderea ca o combinare cu oxigenul. In lucrarea sa "Réflexions sur le phlogistique" (1783), Lavoisier arata ca teoria flogistonului nu este consistenta cu experientele si propune inlocuirea flogistonului cu un alt fluid, caloricul. Conform acestei teorii, cantitatea de caloric este constanta in univers si el trece de la corpurile mai calde la cele mai reci.
In 1780 se credea ca frigul este dat de frigoric, un fluid similar caloricului. "Pierre Prévost" afirma ca frigul este urmarea lipsei de caloric.
Totusi,
teoria caloricului a continuat sa fie folosita. In 1824 Sadi Carnot in cartea sa "Réflexions
sur
Experientele lui Joule (1842) si, independent, Mayer (1843) au aratat ca din lucrul mecanic se poate produce caldura si invers. Asta duce in 1847 la afirmarea de catre Helmholtz a principiului conservarii energiei in loc de conservarea caldurii.
In 1860, Clausius arata ca teoria cinetica a gazelor poate fi o explicatie a caldurii, energia interna a unei substante fiind asociata cu energia cinetica a moleculelor. Molecule cu energie cinetica mai mare corespund unei energii interne (deci unei temperaturi) mai mari, teorie acceptata si in zilele noastre.
In 1871 James Clerk Maxwell, in cartea sa "Theory of Heat" da definitia moderna a caldurii, ca fiind energie in tranzit.
II. Transferul caldurii
Termocinetica sau transferul de caldura este capitolul care se ocupa de studiul modului in care se propaga caldura printr-un corp, intre partea lui calda si cea rece, sau intre doua corpuri cu temperaturi diferite. Transmiterea caldurii este consecinta a diferentei de potential termic, Cunoasterea fenomenelor de transfer are ca scop principal activarea sau franarea cantitativa a transferului.
Trecerea caldurii de la un corp cu o temperatura inalta la o temperatura joasa se numeste transmiterea caldurii (transfer termic) si se cunosc trei mecanisme de transfer:
1) Transmiterea prin conductie termica, caracterizata prin lipsa miscarilor macroscopice. Este modul curent de transmitere a caldurii in corpurile solide si se bazeaza pe miscarile moleculare.
Conductia reprezinta fenomenul de transfer de caldura efectuat prin contactul direct al particulelor unui corp (la nivel microscopic are loc transferul de energie cinetica intre moleculele vecine). Fenomenul presupune imobilitatea corpului in interiorul caruia exista un gradient de caldura.
Conductia este caracteristica pentru corpurile solide. Se poate vorbi si despre conductie in corpuri fluide aflate in repaus, dar imobilitatea acestora in prezenta unui gradient de temperatura este mai greu de conceput. De aceea, transferul conductiv in fluide este insotit de convectie si radiatie.
2) Transmiterea prin convectie termica, caracterizata prin existenta miscarilor macroscopice de curgere. Este modul curent de transmitere a caldurii in corpurile lichide si gazoase, inclusiv la limitele lor, la contactul cu alte faze.
Convectia este fenomenul de transfer termic realizat prin transfer de masa. Intre zone cu temperaturi diferite. Fenomenul presupune miscarea mediului in interiorul caruia exista un gradient de temperatura, deci convectia este caracteristica mediilor fluide. Fenomenul se manifesta la suprafata de separatie a fazelor (solid-lichid; solid-gaz; lichid-gaz).
In functie de natura miscarilor macroscopice convectia poate fi:
3) Radiatia termica, caracterizata prin transferul termic prin radiatie electromagnetica din gama infra-rosu. Acest transfer se poate face in vid sau in medii optice transparente la radiatia infra-rosie.
Radiatia reprezinta transferul de caldura de la un corp la altul prin unde electromagnetice, cu conditia ca mediul care le separa sa fie transparent pentru radiatiile termice. Mecanismul radiatiei consta in transformarea unei parti a energiei interne a corpului in energie radianta, care se propaga sub forma de unde electromagnetice in spatiu si care, intalnind celalalt corp, se retransforma in energie termica la zona de contact.
III. Schimbatoare de caldura
Notiuni introductive
Un schimbator de caldura este un echipament de transfer termic, care transmite caldura de la un mediu la altul. Transmiterea caldurii intre cele doua medii se poate face printr-un perete solid, care le separa, sau se poate face prin amestecarea mediilor. Daca mediile sunt in contact cu peretele despartitor pe fete diferite, caldura trecand prin perete, schimbatorul este de tip recuperativ, iar daca mediile sunt in contact succesiv cu aceeasi fata a peretelui, caldura acumulandu-se in perete si fiind cedata celuilalt mediu ulterior, schimbatorul este de tip regenerativ. Transferul de caldura are loc intotdeauna, conform principiului al doilea al termodinamicii, de la mediul mai cald la cel mai rece.
Schimbatoarele de caldura se folosesc in procese de incalzire, topire, sublimare, fierbere, vaporizare, condensare, racire si solidificare. Ele isi gasesc o larga aplicabilitate in instalatiile de incalzire, refrigerare, climatizare, distilare (in industria chimica si petrochimica), in centralele termice, termoficare si ca anexe ale masinilor termice. Un exemplu foarte cunoscut este radiatorul autovehiculelor, unde fluidul cald (apa de racire a motorului) transfera o parte din caldura evacuata din motor unui fluid rece (aerul din mediul ambiant).
Tipuri constructive si clasificari
Dupa modul de transfer termic schimbatoarele se impart in schimbatoare de suprafata, la care transmiterea caldurii se face printr-un perete despartitor, considerata suprafata de separatie, cu o conductivitate termica cat mai mare si schimbatoare prin amestec, la care transmiterea caldurii se face prin amestecul mediilor. Deoarece sunt mai simple si mai eficiente, schimbatoarele prin amestec sunt preferate in toate cazurile in care fluidele se pot amesteca.
Transferul termic poate fi stationar in timp (continuu), sau nestationar (periodic). Cele cu transfer continuu sunt realizate de obicei cu suprafata de separatie si sunt numite recuperatoare, iar cele cu transfer nestationar acumuleaza caldura intr-o perioada de timp si o restituie in alta, fiind numite regeneratoare. Un alt tip de schimbatoare de caldura nestationare sunt acumulatoarele, in care caldura este acumulata si livrata apoi la cerere.
Suprafata de schimb de caldura poate fi realizata din tevi in fascicul tubular, de tip "teava in teava", din tevi in forma de serpentina, sau din placi profilate. Suprafata poate sa fie neteda sau cu nervuri, aripioare (suprafete extinse). De-a lungul suprafetei, fluidele pot curge in acelasi sens, caz in care se spune ca curg in echicurent, sau in sensuri contrare, caz in care se spune ca curg in contracurent. Exista si scheme de curgere complexe, cum sunt curgerile in curent incrucisat, in care cele doua fluide curg perpendicular unul pe altul, cu amestecarea suvitelor de fluid pe partea respectiva a suprafetei (curgere amestecata), sau fara amestecarea lor (curgere neamestecata), sau scheme mixte, cu una sau mai multe treceri.
Schimbatoare de caldura de tip recuperativ
Schimbatoare de caldura fara schimbare de faza
Majoritatea schimbatoarelor lucreaza fara schimbarea starii de agregare a mediilor, iar transferul termic are loc intre fluide: lichid-lichid (racitoare, incalzitoare, preincalzitoare), lichid-vapori (condensatoare), lichid-gaz (radiatoare, boilere, butelii de incalzire, in instalatii frigorifice), vapori-lichid (vaporizatoare, preincalzitoare, fierbatoare), vapori-gaz si gaz-gaz. Exista insa si schimbatoare la care unul dintre medii este solid, de exemplu cele care mentin apa inghetata intr-un patinoar.
Schimbatoare de caldura cu fascicul tub
Aceste schimbatoare sunt formate dintr-o manta (engleza shell), in care se afla o serie de tevi, montate sub forma unui fascicul. Capetele tevilor sunt fixate in una sau doua placi tubulare.
Cel mai simplu si mai ieftin tip de schimbator este cel cu doua placi tubulare fixe, intre care este montat un fascicul de tevi drepte. Deoarece curgerea fluidelor se poate organiza in contracurent, acest tip de schimbator are performante termice foarte bune. Daca proprietatile fizice ale unuia din fluide cer ca acesta sa parcurga un drum mai lung, curgerea in interiorul fasciculului se poate organiza in 2, 3 sau 4 treceri, insa in acest caz pentru a realiza acelasi transfer termic, deoarece eficienta schimbatoarelor de acest tip este mai mica este nevoie de suprafete mai mari ale fasciculului, deci ele devin mai mari si mai scumpe.
Schimbatoare de caldura cu serpentine
Aceste schimbatoare sunt formate dintr-o serie de tevi in forma de serpentina, in forma elicoidala, sau serpuite. Serpentinele elicoidale sunt folosite de obicei la incalzirea apei din rezervoare cu acumulare.
Schimbatoarele cu serpentine serpuite sunt formate din mai multe serpentine in paralel, cu capetele legate la colectoare. Sunt schimbatoarele obisnuite pentru recuperarea caldurii din gazele de ardere la generatoarele de abur, caz in care aceste serpentine, prin care circula apa sau aburul sunt plasate in canalele de gaze de ardere. Trecerile succesive ale tevilor prin canalul de gaze determina un model al amplasarii tevilor, care poate fi in linie (in paralel, in coloana) sau alternat (in zig-zag, in esichier). Modelul amplasarii in sah este, la aceleasi viteze de circulatie ale fluidelor, mai eficient din punctul de vedere al transmiterii caldurii.
Schimbatoare de caldura cu placi
Sunt folosite in industria alimentara, de exemplu la incalzirea si racirea laptelui, berii si vinului si la prepararea apei calde de consum, in instalatii individuale si in puncte termice de cartier.
Aceste
schimbatoare sunt alcatuite dintr-un set de placi individuale
montate intr-un cadru metalic de sustinere si stranse cu buloane.
Fiecare pereche de placi alaturate formeaza un canal de curgere,
astfel incat in doua canale adiacente sensul de curgere al celor doua
fluide este intotdeauna in contracurent. Placile sunt executate din foi
metalice subtiri, din oteluri inoxidabile, si sunt
prevazute cu ondulatii realizate prin presare, atat pentru
marirea rigiditatii, cat si pentru imbunatatirea
transferului termic prin marirea turbulentei fluidelor. Etansarea intre
placi impiedica amestecul agentilor termici si scurgerea
acestora spre exterior si se realizeaza cu garnituri. Garniturile din
cauciuc, rasini sau neopren rezista la presiuni pana la 25
[bar] (suficiente pentru instalatii de incalzire) si temperaturi
de
Schimbatoare de caldura spirale
La aceste schimbatoare suprafata de schimb de caldura este formata dintr-o banda rulata in forma de spirala, realizandu-se astfel intre spire doua canale, in care se poate organiza ca cele doua fluide sa circule in contracurent sau in curent incrucisat. Datorita suprafetelor relativ plane, de obicei presiunea de lucru este limitata la 20 bar, dar exista si constructii care se pot folosi la presiuni de sute de bar, respectiv temperaturi de sute de °C. Sunt schimbatoare compacte, ca caderi de presiune relativ mici si pot fi folosite pentru fluide care pot colmata usor canalele, tipul de curgere prin schimbator favorizand autocuratirea.
Calorifere
Caloriferele sunt schimbatoare de caldura folosite la incalzirea centrala cu apa calda si, mai rar, cu abur. Caracteristic acestora este faptul ca de la suprafata de incalzire spre aerul din spatiul incalzit caldura se transmite prin convectie libera (engleza natural convection). Caloriferele pot fi din fonta, otel sau aluminiu.
Schimbatoare de caldura cu schimbare de faza
Condensatoare
Condensatoarele folosite in industria alimentara si cea chimica sunt formate de obicei din serpentine prin care circula vaporii care trebuie condensati, scufundate intr-un vas cu apa de racire, sau, de exemplu la masinile frigorifice, din serpentine cu suprafete extinse in exteriorul carora circula aerul de racire. Unele dintre cele mai mari condensatoare sunt folosite in termocentrale, la condensarea aburului evacuat de turbinele de abur, in vederea realizarii unei presiuni cat mai scazute la iesirea din turbina.
Vaporizatoare
Se folosesc in cazurile in care lichidul trebuie transformat in vaporii sai, prin fierbere, cum ar fi in industria chimica, la distilare. In acest caz schimbatorul este cu fascicul tubular, iar vaporii formati se aduna in spatiul de abur de sus. Alt tip de fierbator este cel din sistemele fierbatoare ale generatoarelor de abur. Aceste vaporizatoare sunt formate actual exclusiv din tevi verticale cu suprafete netede, asamblate prin sudare la colectoare.
Schimbatoare de caldura cu suprafete extinse
Se folosesc in cazurile cand coeficientul de convectie pe partea unuia din fluide este mult mai mic decat cel de pe partea celuilalt fluid, caz in care imbunatatirea coeficientului global de transfer termic se poate obtine prin marirea (extinderea) suprafetei de contact cu fluidul care are coeficientul de convectie mai mic.
Suprafetele extinse sunt recomandate pentru racitoarele de ulei (pe partea uleiului), radiatoare pentru autovehicule, alte tipuri de racitoare, condensatoare pentru instalatii de climatizare (la toate pe partea aerului).
Partile care extind suprafetele, numite curent nervuri, se obtin prin extrudare, sau se lipesc pe suprafata de baza prin bazare (lipire la cald cu material de adaos metalic) in cuptoare cu vid. In aceleasi cuptoare se executa si tratamentele termice complementare: de durificare, calire, recoacere etc.
Exemple de schimbatoare de caldura cu suprafete extinse
Radiator de masina
Vaporizator de instalatie de climatizare
Registru de incalzire
IV. Fierberea
Notiuni introductive
Fierberea (denumita si ebulitie sau ebulitiune) este procesul de trecere a unui lichid in stare de vapori, prin formarea, sub actiunea caldurii, in intreaga masa a lichidului, a unor bule de vapori care se ridica la suprafata. Temperatura de fierbere este cea la care presiunea vaporilor sai este egala cu presiunea la care este supus lichidul. Aceasta temperatura, numita si punct de fierbere, creste odata cu cresterea presiunii. Temperatura de fierbere la presiune normala se numeste temperatura normala de fierbere. In tabelele termodinamice, presiunea si temperatura corespunzatoare fierberii sunt denumite presiune de saturatie, respectiv temperatura de saturatie.
Termodinamica fenomenului de fierbere
Descriere
Fierberea unui lichid cu ridicarea bulelor de vapori sub forma de spuma.
La incalzirea unui lichid acesta isi pastreaza starea lichida pana la atingerea temperaturii de fierbere. Marind in continuare temperatura, se formeaza prima bula de vapori, iar apoi din ce in ce mai multe. Deoarece densitatea vaporilor este mai mica decat a lichidului, intr-un camp de forte, de exemplu campul gravitational, sub actiunea fortelor arhimedice bulele se ridica la suprafata, aparand o suprafata de separatie intre fazele de lichid si vapori. Aceasta suprafata de separatie a fazelor este definitorie pentru fenomenul de fierbere. Daca in timpul procesului de fierbere presiunea la care este supus amestecul (separat sau nu) de lichid si vapori ramane constanta, atunci si temperatura la care se produce fierberea ramane constanta. Continuand cresterea temperaturii lichidului, la un moment dat toata cantitatea de lichid s-a transformat in vapori, care insa sunt inca la temperatura de saturatie, vaporii fiind numiti vapori saturati uscati. Ca urmare, in timpul procesului de fierbere, se considera ca exista un amestec de lichid la temperatura de saturatie si vapori saturati uscati.
Moduri de vaporizare
In timpul fierberii vaporizarea se poate face in doua moduri de baza, cu un regim de tranzitie intre ele:
1) Vaporizare cu bule, in care pe suprafata care cedeaza caldura lichidului apar mici bule care la un moment dat se desprind si cresc, ridicandu-se la suprafata. Numarul de puncte in care apar bule (centre de nucleatie) depinde de temperatura suprafetei si de rugozitatea ei - o suprafata rugoasa ofera mai multe centre decat una neteda. Pentru suprafete extrem de netede lichidul poate fi adus la o temperatura ceva mai mare decat temperatura de saturatie (lichid supraincalzit), insa in momentul in care bulele incep sa se formeze urmeaza o degajare de bule foarte violenta.
2) Vaporizare peliculara (in film), in care, cand suprafata de incalzire atinge o anumita temperatura (relativ mare), formarea vaporilor este continua pe toata suprafata, intre suprafata si lichid aparand un film de vapori continuu. Deoarece vaporii au o conductivitate termica mica, ei izoleaza lichidul si reduc fluxul termic. Pentru un flux termic dat, temperatura suprafetei de incalzire poate creste mult, putand aparea avarii daca n-a fost conceputa sa lucreze in acest regim.
3) Vaporizarea de tranzitie este un regim instabil intre vaporizarea cu bule si vaporizarea peliculara.
Formarea bulelor de lichid este un fenomen complex, care adesea includ fenomene acustice si de cavitatie.
