Обоснование выбора основного и вспомогательного оборудования

3.2 Обоснование выбора основного и вспомогательного оборудования

В качестве вспомогательного оборудования в пароконвектомате используется калорифер.

Калориферы предназначены для нагрева воздуха в системах вентиляции, воздушного отопления, кондиционирования воздуха, а также в сушильных установках с помощью горячей, перегретой воды или пара, поступающих от внешних источников воздуха и теплоснабжения. Температура воды - до 180°C; температура пара - до 190°C; рабочее давление -до 1,2 мПа (12 кгс/см2). Воздух должен быть с предельно-допустимым содержанием химически агрессивных веществ с запыленностью не более 0,5 мг/м3и не содержать липких веществ и волокнистых материалов.[5]

Калорифер имеет теплоотдающие элементы, который выполнен из стальной трубки и алюминиевого накатного оребрения с диаметром 39мм. Шаг между ребрами 3мм. Среди используемых в настоящее время встречаются калориферы КСК, КВС/КВБ, КПсК.[5]

Условия эксплуатации для КСк и КПСк. Не должны устанавливаться на объекты, создающие внешнюю вибрацию со среднеквадратическим значением более 2 мм/с. В зимнее время пуск в работу должен осуществляться со скоростью подъема температуры не более 30 °C в час. Для КПСк: не допускается работа калорифера на пролётном паре. Уровень конденсата не должен быть выше нижнего ряда теплоотдающих трубок. Для того, чтобы не было сквозного (пролетного) прорыва пара и при этом не было больших скоростей, вызывающих эрозию стенок теплоотдающих труб, на сливе конденсата необходимо устанавливать конденсатоотводчики соответствующего номера (на расстоянии не менее 300 мм от нижнего патрубка калорифера). Отвод конденсата должен исключать возможность размораживания воздухонагревателя и возникновения гидроударов при изменении нагрузки.

4. Технологический и тепловой расчеты аппарата

В работе представлены следующие основные параметры теплоносителя и продукта:

1) φ₀ – начальная относительная влажность воздуха = 87 %;

2) φ₂ – конечная относительная влажность воздуха = 25 %;

3) t₀ – температура окружающей среды = 20°С;

4) t₁ – температура нагревания продукта = 180°С;

5) t₂ – температура охлаждения продукта = 63°С;

6) X_н – начальная влажность продукта = 75 %;

7) X_к – конечная влажность продукта = 40 %;

8) G_н – производительность оборудования = 6,5 кг/ч;

9) габаритные размеры оборудования:

Н – высота = 0,75 м;

d_нар – наружный диаметр калорифера = 0,5 м ;

l – длина = 0,86 м;

 Н_ш – ширина = 0,76 м.

4.1 Технологический расчет.

Исходя из начальных параметров продукта и теплоносителя, составляем материальный баланс теплового процесса.

Определим массу влаги W, удаляемой при тепловом воздействии.

W = G_н – G_к, кг/ч = кг/с (1)

По всему материалу, подвергаемому тепловой обработке, начальное количество продукта:

G_н = G_к + W (2)

По абсолютно сухому веществу в обрабатываемом материале:

G_н = G_к   (3)

Определим производительность по готовому продукту:

G_к = G_н , кг/ч = кг/с (4)

 2,7083 кг/ч = 0,000752 кг/с

Подставляя в уравнение (1) значение G_к, получим:

W=G_н =6,5∙=3,7916 кг/ч=0,00105 кг/с (5)

W=G_к =2,7083∙=3,7916 кг/ч=0,00105 кг/с (6)

Уравнения (5) и (6) являются основными уравнениями материального баланса теплового процесса.

Пусть на тепловую обработку поступает воздух с влагосодержанием Х₀ (%) сухого воздуха, а L – расход абсолютно сухого воздуха (кг/ч). Из теплообменного аппарата (при отсутствии потерь воздуха) выходит такое же количество абсолютно сухого воздуха, а влагосодержание меняется до Х₂ (%) сухого воздуха. Масса влаги, испаряющейся из материала в теплообменном аппарате, составляет W (кг/ч).

Далее по диаграмме Рамзина (см. приложение А) и по формулам находим следующие параметры:

А) парциальное давление воздуха р₁ = р_о, кПа, исходя из значений φ₀=87% и t₀ =20°С;

, где

- давление пара;

φ– относительная влажность воздуха;

 - давление насыщения (см. Приложение Г).

Б) парциальное давление воздуха р₂, кПа, исходя из значений φ₂=25% и t₂=63°С;

 = 0,25 ∙ 22,974 = 5,7435 кПа

В) влагосодержание сухого воздуха Х₀, кг/кг_с.в.;

где р_атм – атмосферное давление

Г) энтальпию сухого воздуха I₀, кДж/кг

,

Где -теплоемкость воздуха;

энтальпия (см. Приложение Г).

Д) влагосодержание влажного воздуха Х₂, кг/кг_с.в.

Е) энтальпию влажного воздуха I₂, кДж/кг

Ж) по найденным значениям р₁= и t₁=200°С определяем I₁, кДж/кг

Исходя из этих параметров, определяем удельный расход воздуха на испарение из материала 1 кг влаги по формуле:

е = , кг/кг

е = 1 / (0,0383-0,01304) = 39,59 кг/кг (7)

Далее определяем расход абсолютно сухого воздуха при приготовлении продукта:

L = W e = 3,7916 39,59 = 150,1094 кг/ч = 0,0417 кг/с (8)

4.2 Тепловой расчет

Производим составление теплового баланса:

1. Приход тепла:

а) с наружным воздухом:

Q₁ = L · I₀, Дж/ч = Дж/с (9)

Q₁=150,1094 ∙ 53165,1 = 7980581,2619 Дж/ч /3600 = 2216,8281 Дж/с

б) с влажным материалом:

Q₂ = G_н · t_н · c_п, Дж/ч = Дж/с, (10)

где t_н = t₀ = 20 град;

c_п – теплоемкость продукта, с_п=с_м, Дж/(кг·град)

Q₂ = 6,5 ∙ 20 ∙ 1059,311 = 137710,43 Дж/ч = 38,2529 Дж/с

в) в основном калорифере:

Q₃ = Q_к = L (I₁ – I₀), Дж/ч = Дж/с (11)

Q₃ = Q_к = 150,1094 (216923-53165,1) = 24581600,1143 Дж/ч/3600 = 6828,2223 Дж/с

2. Расход тепла:

а) с отработанным воздухом:

Q₄ = L · I₂, Дж/ч = Дж/с; (12)

Q₄ = 150,1094 ∙163,3759 = 24524,2583 Дж/ч /3600 = 6,8123 Дж/с

б) с готовым материалом (продуктом):

Q₅ = G_к c₂ t₂, Дж/ч = Дж/с, (13)

где с₂ – теплоемкость продукта после тепловой обработки,

с₂ = с^//м = 635,9866 Дж/(кг·град);

Q₅ = 2,7083 ∙ 635,9866 ∙ 63 = 108513,8781 Дж/ч /3600 = 30,1427 Дж/с

в) при загрузке и выгрузке продукта (при транспортировке продукта):

Q₆ = W c_в·θ, Дж/ч = Дж/с, где (14)

θ= t₂; c_в – теплоемкость воды, Дж/(кг·град), определяется по номограмме (см. приложение Б);

с_в = 1,005 ккал/кг∙С^о = 4,21 ∙ 10³ Дж/кг∙С^о

Q₆ = 3,7916 4,21 10³ 63 = 1005646,068 Дж/ч /3600 = 279,3461 Дж/с

г) теплота потерь (Q₇) определяется из теплового баланса

Тепловой баланс:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆ + Q₇ (15)

Q₁ + Q₂ + Q₃ - Q₄ - Q₅ - Q₆ = Q₇

Q₇ = 7980581,2619 + 137710,43 + 24581600,1143 – 24524,2583 - 108513,8781 - 1005646,068 = 31561207,6018 Дж/ч /3600 = 8767,0021 Дж/с

Далее рассчитываем теплопотери при тепловой обработке на 1 кг испаренной влаги.

Рассмотрим последовательно все этапы расчета теплопотерь.

1. Теплопотери в окружающую среду:

а) средняя разность температур сред (в камере аппарата и в окружающей среде)

по длине аппарата:

tср = , °С (16)

tср =

б) разность температур сред у торцов аппарата:

t´ср = t₁ – t₀, °С  (17)

t´ср = 180 – 20 = 160°С

t´´ср = t₂ – t₀, °С (18)

t´´ср = 63-20 = 43°С

в) интенсивность теплопотерь:

- по длине аппарата:

q_дл = K · t_ср , где (19)

К – коэффициент теплопередачи (для всех стен аппарата), К ≈ 0,7

q_дл = 0,7 · 89 = 62,3 ккал/(м²·ч) ∙ 4,19 ∙ 10³ = 72,5103 Дж/(м²∙с)

с торцов аппарата:

q´т = K t´ср (20)

q´т = 0,7 · 160 = 112 ккал/(м²·ч)∙4,19∙10³/3600 = 130,3556 Дж/(м²·с)

q´´т = K t´´ср (21)

q´´т = 0,7 · 43 = 30,1 ккал/(м²·ч) ∙4,19∙10³/3600= 35,0331 Дж/(м²·с)

г) теплопотери в окружающую среду:

q_ос = (q_в · f_в + q_пот · f_пот + q_пол · f_пол) · , Дж/кг, (22)

q_ос =(72,5103·0,57+130,3556·0,6536+35,0331·0,6536) = 142313,2622 Дж/кг

где q_в, q_пот, q_пол – это интенсивности теплопотерь в окружающую среду, рассчитываемые отдельно для вертикальных стен аппарата, потолка и пола;

f_в, f_пот, f_пол – поверхности вертикальных стен, потолка и пола, определяемые, исходя из геометрических размеров аппарата;

f_в = Н · Н_ш – для теплообменных процессов с плоской поверхностью нагрева, м², где:

Н – высота, м; Н_ш – ширина, м;

f_в = 0,75 0,76 = 0,57 м²;

f_пот = l · Н_ш – для теплообменных процессов с плоской поверхностью нагрева, м²,

гдеl –длина, Н_ш – ширина

f_пот = 0,86 ∙ 0,76 = 0,6536 м²;

В данном расчете соблюдается следующее равенство f_пол = f_пот , м², причем интенсивность теплопотерь в окружающую среду определяется также в определенных единицах измерения последовательно:

q_в = q_дл = 72,5103 Дж/(м²·с);

q_пот = q´т = 130,3556 Дж/(м²·с);

q_пол = q´´т = 35,0331 Дж/(м²·с);

W – масса влаги = 3,7916 кг/ч = 0,00105 кг/с

2. Теплопотери на нагрев материала:

 , Дж/кг, (23)

где с´_м – теплоемкость сырого материала, определяется следующим образом:

с´_м = с_м + (1 – с_м), Дж/(кг·град), (24)

с´_м = 1059,311+(1–1059,311)= 265,5778 Дж/(кг·град)

где с_м = с_п – теплоемкость продукта, определяется по формуле:

с_п = 41,87 · [0,3 + (100 – а)], Дж/(кг·град), (25)

где а – начальная влажность продукта Х_н , %;

с_п=41,87·[0,3+(100–75)]= 1059,311 Дж/(кг·град)

с´´_м = с_м + (1 – с_м), (26)

с´´_м =1059,311+(1–1059,311)= 635,9866 Дж/(кг·град)

где с^//_м – теплоемкость продукта после тепловой обработки , Дж/(кг·град)

ν – средняя температура материала, подвергаемого температурной обработке, определяется следующим образом:

ν  , °С; (27)

ν °С

Х_к – конечная влажность продукта, 40%;

G₂ = G_к= 2,7083 - масса продукта после тепловой обработки, кг/ч;

G₁ = G_н = 6,5 – первоначальная закладка продукта, кг/ч.

 Дж/кг

3. Сумма теплопотерь на 1 кг испаренной влаги:

Σq =  + q_ос, Дж/кг

Σq =  + 142313,2622 = 188402,42 Дж/кг

Расчет калорифера

На первом этапе определяем плотность воздуха, проходящего через калорифер:

ρ = ρ₀, кг/м3, (28)

где ρ₀ – стандартное значение плотности воздуха при нормальных условиях, кг/м3:

ρ₀ =  , (29)

ρ₀

где М_возд – молекулярная масса воздуха, г/моль

Т₀ – температура воздуха при нормальных условиях, 273 К

Т – температура окружающего воздуха, К: Т = t₀ + 273 = 20 + 273 = 293 К

р₀ – парциальное давление воздуха при нормальных условиях; 760 мм рт. ст.

р – парциальное давление окружающего воздуха, 735 мм рт. ст.

Далее рассчитываем потери тепла в окружающую среду через калорифер:

Q_п = F_бок · (t_ст – t₀) · α, Дж/с, (30)

где F_бок– боковая поверхность барабана калорифера;

t_ст – температура стенки барабана калорифера с внешней стороны t_ст = t₄ =35,°С;

t₀ – температура окружающей среды = 20°С;

α – коэффициент теплоотдачи от стенки барабана калорифера в окружающую среду,

Поэтапно потери тепла определяются следующим образом:

1) Определить и охарактеризовать режим движения окружающего воздуха относительно наружной поверхности барабана калорифера (по критерию Рейнольдса):

Re = , (31)

где l – высота аппарата, l = H = 0,75 м;

ρ_в – плотность воздуха при температуре 20 град, ρ_в = ρ₀ , кг/м3;

ρ_вкг/м³

где ρ₀ – стандартное значение плотности воздуха при нормальных условиях, кг/м³, определяется по формуле (32) , Т₀ – температура воздуха при нормальных условиях, 273 К; Т – температура окружающего воздуха, К: Т = t₀ + 273 = 293 К;

μ – вязкость воздуха при температуре t₀ , ,

µ = 0,018·10^-3 =0,000018 ;

ω_в – относительная скорость движения воздуха:

ω_в =  , м/с, (32)

ω_в = 0,0262 м/с

где d_нар – наружный диаметр калорифера, м;

n – число барабанов калорифера, n = 1.

Re =

2) Коэффициент теплоотдачи от стенки барабана калорифера в окружающую среду за счет вынужденной конвекции:

α_к, , (33)

где Nu – коэффициент Нуссельта, Nu = 0,018 · Re^0,8 · ε_i ,

Nu = 0,018 · ^0,8 · 1,5 = 8,4522

где ε_i – коэффициент геометрических размеров, ε_i = ;

ε_i =

λ – теплопроводность воздуха, λ = 0,0261;

l = H =0,75 м – высота аппарата

α_к 

3) Коэффициент теплоотдачи излучением:

α_л, , (34)

где ε – степень черноты для поверхности барабана калорифера, ε = 0,95;

с₀ – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, с₀ = 5,7;

Т_ст – температура стенки аппарата, Т_ст = t₂ + 273, К;

Т_ст = 63 + 273=333, К

Т₀ – температура окружающего воздуха, Т₀ = t₀ + 273, К;

Т₀ = 20 + 273=293, К

t_ст = t₂ = 65 °С,

α_л

4) Коэффициент теплоотдачи от стенки барабана калорифера в окружающую среду:

α = α_к + α_л, (35)

α =  +  = 6,2221

5) Необходимая толщина слоя изоляции с теплопроводностью изолирующего материала:

λ₂ = λ_м = 0,076

Поверх изоляции толщиной δ₂ имеется кожух из листового железа. Толщина этого кожуха δ₃ = 1 мм = 1 ·10^-3 = 0,001 м.

δ₁ – стандартная толщина изоляции вместе с кожухом, δ₁ = 12 мм = 0,012 м.

Температура внутренней и наружной сторон стенок барабана имеет значение t₁ и t₂:

t₁ = t₂ ≈ 60 град;

t₃ = t₄ ≈ 35 град – температура стенок защитного кожуха.

а) Определяем удельный тепловой поток:

q_e = π · d_нар · q_нар = π · d_нар · α · (t₄ – t₀), (36)

q_e = 3,14 ∙ 0,5 ∙ 6,2221 ∙ (35-20) = 146,5305 Вт/м

b) Далее определяем толщину изоляции δ₂:

δ₂ = δ₁ - δ₃ = 0,012 - 0,001 = 0,011 м

6) Необходимо уточнить величину наружного диаметра барабана калорифера:

d_н = d_нар+ 2·δ₁ + 2·δ₂ + 2·δ₃, м (37)

d_н= 0,5+ 2·0,012 + 2·0,011+ 2·0,001= 0,548 м

Затем определяется наружная поверхность барабана:

F_бок = π · d_н · l, м², (38)

где l – высота аппарата = 0,75 м

F_бок = 3,14· 0,548· 0,75= 1,2905 м²

Теплопотери в окружающую среду за счет калорифера определяются по формуле (33):

Q_п = α · F_бок · (t₄ – t₀) (39)

Q_п = 6,2221·1,2905∙(35 – 20)= 120,4443 Дж/с.

После произведенных расчетов по значениям наружной поверхности барабана калорифера, подбираем модель калорифера (см. Приложение В): КФБ –14.

Заключение

В данной курсовой работе были проведены расчеты, где мы составили материальный баланс теплового процесса, исходя из начальных параметров продукта и теплоносителя. Целью составления материального баланса теплового процесса являлось определение массы влаги W, удоляемой при тепловом воэдействии. Также в расчетной часте определили тепловую нагрузку аппарата, расчет поверхности теплопередачи по заданному расходу нагреваемого продукта и его температурам, расхода пара на нагрев и тепловую обработку продукта, расчеты калорифера.

В расчете калорифера мы определили критерий Рейнольдса врезультате чего мы охарактеризовали режим движения окружающего воздуха относительно наружной поверхности барабана калорифера как ламинарный.

Пароконвектомат является одним из лучшим оборудованием в области пищевой индустрии. Пароконвектоматы позволяют повару готовить пищу с использованием разнообразных режимов приготовления, осбеностью которых является пар. Пароконвектомат – надежен в работе, удобен в эксплуатации, прост в проведении санитарно- гигиенической обработки и техобслуживания и имеет эргономичный дизайн.

Это аппарат будущего, возможно и не только в промышленном маштабе.

Список литературы

1. Плаксин, Малахин «Процессы и аппараты пищевых производств» - М.:Высшая школа, 1997.

2. www.parokonvektomat.ru

3. www.atesy.ru

4. www.ACF.ru

5. www.SvarVent.ru

6. www.Easy combi.ru

7 .www.equipnet.ru

8. Будасова С.А. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Физико-технические основы холодильной обработки пищевых продуктов". Ч. 1. – Новосибирск: НГТУ, 2002. – 31с.

9. Рогов И.А., Куцакова В.Е. и др. Консервирование пищевых продуктов холодом (теплофизические основы). – М.: "Колос", 1999. - 176с

10. Г.Г. Дубцов «Технология приготовления пищи». М.: «Академа». 2002г.

11. Н.И. Ковалев, М.Н. Куткина, В.А. Кравцова «Технология приготовления пищи». М.: «Деловая литература, Омега

Приложения

Приложение А

«Диаграмма Рамзина»

Приложение Б

«Номограмма для определения теплоемкости жидкостей».

Приложение В

Таблица калориферов стальных модели

Модель и номер калорифера	Поверхность нагрева, м2	Модель и номер калорифера	Поверхность нагрева, м2
КФС – 1	0,0725	КФБ – 1	0,093
КФС – 2	0,099	КФБ – 2	0,127
КФС – 3	0,132	КФБ – 3	0,169
КФС – 4	0,167	КФБ – 4	0,214
КФС – 5	0,209	КФБ – 5	0,268
КФС – 6	0,253	КФБ – 6	0,324
КФС – 7	0,304	КФБ – 7	0,389
КФС – 8	0,357	КФБ – 8	0,457
КФС – 9	0,416	КФБ – 9	0,533
КФС – 10	0,478	КФБ – 10	0,612
КФС – 11	0,546	КФБ – 11	0,699
КФС – 12	0,616	КФБ – 12	0,790
КФС – 13	0,693	КФБ – 13	0,888
КФС – 14	0,773	КФБ – 14	0,990

Приложение Г

Таблица сухого насыщенного пара и воды по температурам