ОСНОВИ ТЕОРІЇ ПРОЦЕСУ ВИПІКАННЯ

Основи теплообміну в печах

Головними процесами, що відбуваються в промислових печах, є процеси теплообміну. При цьому мають місце всі три види теплообміну:

- теплопровідність (кондукція);

- теплове випромінювання (радіація);

- конвекція (вільна та примусова).

Для розрахунків і проектування печей велике значення має вивчення процесів теплопередачі [4].

Теплопровідність при тепловому контакті – основний вид передачі теплоти в товщі тістової заготовки в процесі випікання. Крім того, шляхом теплопровідності має місце передача теплоти від подів та інших елементів конструкцій печей. Розрахунки теплопровідності базуються на гіпотезі Фур'є.

Питома щільність теплового потоку у твердому ізотропному тілі, тобто кількість теплоти, що проходить в одиницю часу через одиницю площі ізотермічної поверхні, є лінійною функцією градієнта температури, а напрям теплового потоку протилежний напряму зростання температури:

q = - λ  t,

де q – питома щільність теплового потоку , Вт/м² ;

λ – коефіцієнт теплопровідності матеріалу, ;

 t – градієнт температури, град/м,  – набла.

Тепловому випромінюванню належить найважливіша роль в умовах високотемпературного теплообміну, що має місце в нагрівних каналах печі, в пекарній камері, при тепловіддачі огорожами печі в навколишнє середовище тощо.

Розрахункова формула теплообміну випромінюванням, складена на основі закону Стефана-Больцмана, визначає, що інтенсивність променистого теплообміну різко зростає із збільшенням температури тіла, що випромінює [4].

Кількість теплоти, що передається випромінюванням від одного тіла до другого:

Q = a_пр*С_о*φ*ƒ(( )⁴-( )⁴),

де Q – кількість теплоти, Вт;

 а_пр  - приведена ступінь чорноти системи

а_пр =

а₁, а₂ – ступінь чорноти тіл 1 і 2 відповідно,

С_о – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/(м²*град⁴);

φ – середній кутовий коефіцієнт, що враховує форму, розміри та взаємне

розташування поверхонь;

ƒ – розрахункова поверхня теплообміну, м²;

Т₁ ,Т₂ – абсолютні температури тіл 1 і 2 відповідно, К.

Процеси конвективного теплообміну мають важливе значення при випіканні в печах. Так в пекарній камері печі спостерігається вільна конвекція (теплова гравітаційна), в гріючих каналах печей з рециркуляцією димових газів – примусова конвекція, втрати теплоти в навколишнє середовище через огородження печі відбуваються за рахунок конвективної тепловіддачі при вільному русі повітря біля печі[4].

Розрахувати кількість теплоти при тепловіддачі конвекцією можна по формулі Ньютона:

Q = α_k*f*(t₁-t₂),

де α_k – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, Вт/(м²*К);

f – поверхня теплообміну, м²;

t_1, t₂ – температури поверхні і середовища відповідно, наприклад, при

        тепловіддачі огородженнями печі в навколишнє середовище, град.

Конвективний теплообмін передбачає конвективне перенесення теплоти частинками газу або рідини, що рухаються, (молярний теплообмін) та теплопровідність через граничний шар газу або рідини, що лежить на поверхні твердого тіла (молекулярний теплообмін через граничний шар) [4].

Тепловіддача конвекцією залежить від характеру руху газу, що можна описати критеріальними рівняннями. Так при вільному (природному) стаціонарному русі газів число Нусельта є функцією критеріїв Грасгофа і Прандтля:

Nu = f(Gr , Pr) ,

а при примусовому стаціонарному русі – Рейнольдса і Прандтля:

Nu = f(Re, Pr).

В пекарній камері печі теплота виробам, що випікаються, передається як випромінюванням , так і конвекцією при температурі поверхонь 300-400°С, які віддають теплоту, і середовища пекарної камери 220-250°С. Частина теплоти сприймається тістом теплопровідністю від нагрітого подика чи форми, яким вона також передається випромінюванням та конвекцією.

Істотне значення для передачі теплоти виробам в начальний момент випікання має теплота конденсації пари на поверхні тістової заготовки при зволоженні пекарної камери печі [4].