Расчет и проектирование теплового технологического оборудования

Расчет и проектирование теплового технологического оборудования

1. Особенности конструкции разработанной фритюрницы

Особенности фритюрницы для картофеля:

Основную часть фритюрницы занимает фритюрная ванна, в которую заливается масло для жарки.

Подогрев масла во фритюрнице осуществляется при помощи специального электронагревателя, который поддерживает температуру масла на заданном уровне в процессе работы аппарата.

Таблица 1 — Технические характеристики проектируемой фритюрницы

2. Тепловой расчет аппарата

2.1 Расчет полезно используемого тепла

Количество одновременно загружаемого продукта для жарки во фритюре рассчитывается по формуле:

Расчет Q_п, кДж/ч, жарочного оборудования обычно производят делением затрат энергии на час работы оборудования.

При расчете жарочного оборудования в условиях нестационарного режима полезная теплота затрачивается на нагрев масла. Количество нагреваемого масла определяют по количеству обрабатываемых продуктов. Для расчета полезно используемого тепла, расходуемого на нагрев жира в режиме разогрева, пользуются формулой:

где М_ж — вес пищевого жира, кг; должен превосходить массу закладываемого продукта минимум в 4 раза;

С_ж — теплоемкость пищевого жира, принять равной 1,676 кДж/(кг*°С)

t₁ — температура нагрева жира (равная температуре жарки), принимается равной 160−170 °С;

t₀ — начальная температура пищевого жира, °С;

— время нагрева жира, ч.

При стационарном режиме полезно используемое тепло состоит из отдельных статей расхода, которые рекомендуется определить по формуле:

где первое слагаемое — расход тепла на нагрев продукта;

второе — расход тепла на испарение влаги из продукта;

третье — расход тепла на образование корочки на продукте;

четвертое — расход тепла на нагрев доливаемого в процессе работы пищевого жира (если это необходимо);

М — часовая производительность по сырью, кг/ч.

где G₀ — количество одновременно загружаемого продукта для жарения, кг;

— продолжительность цикла обработки, мин;

с — теплоемкость продукта, кДж/(кг°С);

t₂ — температура нагрева продукта, принимаемая равной 90−100 °С;

t₄ — начальная температура продукта, °С;

— истинный продукт ужарки, %; для картофеля, овощей 17−60%;

r — скрытая теплота испарения при атмосферном давлении, кДж/кг, (2258,2)

К — процентное содержание корки в продукте; рекомендуем в расчетах принимать в пределах от 15 до 25%;

С_к — теплоемкость корочки, принять как теплоемкость сухого вещества равную 1,67 кДж/(кг°С);

t₃ — температура образования корочки, °С (135−140 °С);

m_ж — расход пищевого масла на обжаривание сырья в%; рекомендуем принимать в пределах от 15 до 20%;

t₁ — рабочая температура жира, °С;

t₀ — начальная температура жира, °С.

2.2 Определение потерь тепла в окружающую среду

Потери тепла в окружающую среду при работе теплового оборудования в основном связаны с теплообменными процессами, происходящими между окружающей средой и внешним ограждением (корпусом) оборудования.

Для определения потерь в окружающую среду при нестационарных и стационарных режимах можно воспользоваться следующей формулой:

где — потери тепла через вертикальное ограждение (вертикальные поверхности корпуса) в окружающую среду, кДж;

— потери тепла через крышку оборудования в окружающую среду, кДж;

— потери тепла через дно оборудования в окружающую среду, кДж.

При расчете принимаем Q_{бок.пов.} — 60 °C, Q_кр — 90 °C.

Теплопередачи через дно незначительны, так как тепловые потоки, как правило, направлены снизу вверх. Поэтому при расчетах ими часто пренебрегают.

Потери тепла в окружающую среду через отдельные поверхности оборудования определяются по формуле:

где — коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м²*час*°С;

F — площадь поверхности теплообмена (крышка, обечайка и т. д.), м²;

— средняя температура поверхности ограждения, °С;

— температура окружающей среды, °С;

— продолжительность периода тепловой обработки в часах.

В процессе отдачи тепла ограждением в окружающую среду имеет место теплопередача конвекцией и лучеиспусканием, поэтому коэффициент теплоотдачи в данном случае определяется по формуле:

где — коэффициент теплоотдачи конвекцией, кДж/м²*час*°С;

— коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, кДж/м²*час*°С.

При определении коэффициента теплоотдачи конвекцией прежде всего необходимо выяснить характер теплообмена: происходит ли он при вынужденном или свободном движении воздуха относительно теплоотдающей поверхности. В данном случае — при свободном движении воздуха, потому определяющими являются критерии Грасгофа Gr и Прандтля Pr.

Первый характеризует интенсивность конвективных потоков, возникающих вследствие разностей плотностей рабочего тела (воздуха) и перепада температур между ними и стенкой аппарата с учетом геометрической характеристики теплоотдающей поверхности.

На основе определяющих критериев находится критерий Нуссельта Nu, включающий значение коэффициента теплоотдача конвекцией и характеризующий собой тепловое подобие.

Указанные критерии имеют следующий вид:

где — коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с;

l — определяющий геометрический размер, м; выбирается наибольший линейный размер (обычно высота) или диаметр (для поверхностей круглой формы) ограждения;

— коэффициент температуропроводности воздуха, м²/с;

— коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м°С;

— коэффициент объемного расширения воздуха, 1/°С.

где — коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²°С;

— перепад температур между ограждением и воздухом.

Физические параметры для сухого воздуха при P_в =760 мм рт. ст.=1,01*10⁵ Па согласно справочным данным.

При свободной конвекции в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид:

Величины c и n для отдельных областей изменения произведения можно принять из таблицы 2.

Таблица 2 — Коэффициенты для определения критерия Нуссельта

Определяющей температурой является полусумма температур рабочего тела (воздуха) и стенки.

В условиях стационарного режима работы оборудования за определяющую температуру принимают предельную (конечную) температуру нагрева соответствующей поверхности ограждения.

По величине определяющей температуры воздуха по справочным данным выбирают физические параметры воздуха: коэффициент температуропроводности, коэффициент теплопроводности, коэффициент кинематической вязкости, затем находят произведение (Gr*Pr), c, n и численную величину критерия Nu.

По значению критерия Нуссельта определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формуле Стефана-Больцмана:

где Е — степень черноты полного нормального излучения поверхности, для различных материалов определяется по справочным данным С₀ — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м²*К⁴), С₀=5,67 Вт/(м²*К⁴);

t_n — средняя температура теплоотдающей поверхности, °С;

t₀ — температура окружающего поверхность воздуха, °С;

T_n — абсолютная температура окружающей среды, К, T₀ = t₀+273;

T₀ — абсолютная температура окружающей среды, К, Т₀ =t₀+273.

Следует учесть, что при вычислении Q_ср по формуле полученное значение необходимо умножить на 3600, т. к. единицы измерения — кДж/м²час.

Нестационарный режим:

Для крышки:

А определяющая температура воздуха вблизи крышки:

Тогда =0,0274 Вт/м*К, =16,72*10^-4м²/с, Pr=0,69,

Для боковых поверхностей:

А определяющая температура воздуха вблизи крышки:

Тогда =0,0268 Вт/м*К, =16,00*10^-4м²/с, Pr=0,69,

Стационарный режим:

Для крышки:

Определяющая температура воздуха вблизи фритюрницы:

Тогда =0,0287 Вт/м*К, =18,48*10^-4 м²/с, Pr=0,7

Для боковых поверхностей:

Тогда =0,0276 Вт/м*К, =16,96*10^-4 м²/с, Pr=0,69

Расчет потерь тепла на нагрев оборудования связаны с поглощением теплоты конструкционными материалами и, прежде всего, металлическими сплавами, из которых изготовлено оборудование. Наибольшему нагреву подвергаются рабочие камеры, в которых происходит тепловая обработка, а также устройства, генерирующие тепло (корпус парогенератора, пароводяной рубашки и др.)

Для выполнения расчета расхода тепла на разогрев конструкции последней ведется только для нестационарного режима работы аппарата. Надо помнить, что расход тепла на разогрев конструкции сковороды определяется выражением:

где — тепло, расходуемое на нагревание металлических конструкций сковороды, кДж;

— тепло, расходуемое на нагревание изоляции сковороды, кДж;

где — масса i-того элемента металлической конструкции (рабочая поверхность, тэнная коробка), кг Для каждого элемента вес рассчитывается по формуле:

где — объем элемента i-той конструкции, м³;

_I — плотность материала элемента конструкции, кг/м³;

— удельная теплоемкость материала конструкции, кДж/(кг*°С);

— средняя конечная температура нагрева металлоконструкции сковороды, °С;

— начальная температура металлоконструкции сковороды, °С;

Конечную температуру по элементам конструкции можно принять исходя из режимов тепловой обработки продукта и вида изделия.

где — вес изоляционной конструкции сковороды, кг;

где — толщина изоляционного слоя, м;

— теплоемкость изоляции, кДж/(кг*°С);

где — коэффициент теплопроводности изоляционного материала в зависимости от средней температуры изоляции;

_вн — температура частей изоляции, касающихся наружного котла, °С;

— температура частей изоляции, касающихся кожуха, °С;

Вт/м², — удельные тепловые потери поверхности;

где — коэффициент теплоотдачи от вертикальной стенки ограждения к окружающему воздуху, Вт/м²*°С;

— средняя температура нагрева изоляции, °С;

— температура ограждения (обечайки), °С;

— начальная температура изоляции, равная температуре окружающей среды, °С;

— теплоемкость изоляции, кДж/(кг*°С); принять равной 0,9−1,2 кДж/(кг*°С);

— средняя температура нагрева изоляции, °С.

где t_ж — температура частей изоляции, касающихся жарочной емкости,

— температура частей изоляции, касающихся наружных стен, °С;

— начальная температура изоляции, равная температуре окружающей среды, °С.

Для изоляции:

Для конструкции:

Полученные результаты расчетов жарочного оборудования занесены в таблицу 3

Таблица 3 — Результаты теплового расчета

3. Конструирование и расчет электронагревателей

3.1 Конструирование электронагревателей

Конструирование электронагревателей производится с учетом геометрических характеристик рабочей камеры или других узлов, где они устанавливаются. При конструировании необходимо выбрать конфигурацию и месторасположение электронагревателей так, чтобы эффективность теплообмена была максимальной. Для фритюрницы секционно-модулированной используются электронагреватели изогнутых тэнов. Их главным достоинством является достаточно высокий ресурс работы. Так как фритюрница одна, то и ТЭН один, как показано на чертеже «Схема расположения ТЭНов».

3.2 Расчет электронагревателей

Для выполнения расчета электронагревателя надо знать его мощность, допустимую удельную мощность на поверхности трубки тэна (не более 4 кВт), номинальное напряжение, рабочую температуру и среду, в которой будет работать нагреватель.

Мощность оборудования Р, кВт, определяется на основании теплового расчета где Q — максимальное тепло, подводимое к аппарату за время разогрева Q' или стационарного режима Q" (определяется из теплового баланса), кДж (кДж/ч)

— время разогрева или стационарного режима, с. Если Q' или Q" имеет размерность кДж/ч, то = 3600 с.

Мощность одного ТЭНа З, кВт, определяется по формуле:

где n — количество тэнов в аппарате, обусловленное назначением аппарата и схемой регулирования нагрева. Мощность одного ТЭНа в тепловом оборудовании общественного питания обычно не превышает 3−4 кВт.

При расчете важно правильно выбрать диаметр проволоки. При завышении его потребуется большая длина проволоки, что вызовет перерасход дорогостоящего материала и увеличение габаритов нагревателя, при занижении диаметра — спираль быстрее перегорит.

Для выполнения расчета по таблице 4 выбираем допустимую удельную мощность W на поверхности трубки тэна в зависимости от рабочей среды.

Таблица 4 — Рекомендуемые значения удельной мощности ТЭНов.

По чертежу «Схема расположения ТЭНов» определяют полную длину электронагревателя L_полн, м, а затем активную длину после опрессовки L_a, м, где — длина пассивных концов трубки ТЭНа, м, принимается в пределах 0,04−005 м.

Длина активной части тэна до опрессовки, м, составляет:

где — коэффициент удлинения трубки после опрессовки; принимается равным 1,15.

По известному значению определяют диаметр трубки корпуса тэна D, м, Диаметр трубки тэна для теплового оборудования обычно имеет значения в пределах 8−20 мм. Если по расчету значение D оказалось меньше 8 мм, то его необходимо увеличить до указанных значений. Если D оказался больше 20 мм, то необходимо изменить форму ТЭНа с целью увеличения его длины. Удельная мощность выбирается равной 3*10⁴Вт/м², так как рабочей средой является жир пищевой.

Примем D=12 мм Электрическое сопротивление проволоки ТЭНа после опрессовки, R, Ом, составляет:

где U — напряжение сети, U=220 В.

Сопротивление проволоки ТЭНа до опрессовки R, Ом, составляет:

где — коэффициент изменения электрического сопротивления проволоки в результате опрессовки, принимается равным 1,3.

Зная, можно вычислить диаметр и длину проволоки спирали, пользуясь известными зависимостями:

где d — диаметр проволоки, м; принимается в пределах 0,0004 до 0,001 м;

S — сечение проволоки, м²;

l — длина проволоки спирали (активная), м.

Длина проволоки ТЭНа будет равна:

где d — принятый диаметр проволоки, м;

— удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре, Ом*м², определяемое по формуле:

где — удельное сопротивление проволоки при 20 °C, принимается по табл. 4;

а — температурный коэффициент сопротивления, принимается по табл. 3;

t — максимальная (рабочая) температура нагрева проволоки спирали.

Так как рабочей средой является воздух, т. е. самая агрессивная среда, то по таблице 5 при рабочей допустимой температуре 1250 °C и марке 0Х27Ю5А Таблица 5 — Характеристики электротехнических сплавов

Диаметр проволоки спирали принимается равным 0,001 м.

Длина одного витка спирали l_в, м, составит где 1,07 — коэффициент, учитывающий пружинность спирали при навивке;

— диаметр контактного стержня для навивки спирали, м.

Диаметр контактного стержня должен быть не менее 3 мм. Конкретное значение определяют исходя из обеспечения условий электроизоляции токоведущих частей ТЭНа с его корпусом. Толщина электроизоляционного слоя между поверхностью проволоки спирали, намотанной на контактный стержень и внутренней стенкой корпуса ТЭНа должна быть не менее 3 мм.

Число витков спирали составит фритюрница тепло электронагреватель оборудование Для нормального отвода тепла от спирали необходимо, чтобы расстояние между витками превышало диаметр проволоки спирали в 2−3 раза. Однако чем больше расстояние между витками, тем лучше условия работы спирали и тем она долговечнее.

Коэффициент шага спирали:

Полученный результат входит в необходимый интервал. Потребное количество проволоки для одного элемента с учетом навивки на концы контактных стержней по 20 витков составит:

.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта были изучены основные принципы проектирования фритюрницы, а также методика инженерных расчетов, необходимых при подборе фритюрницы.

Путем проведения необходимых расчетов подобрана фритюрница.

Выполнена графическая часть проекта, которая представляет собой план и разрезы холодильных камер и машинного отделения, а также схемы холодильных камер.

Спроектированная фритюрница, рассчитываемая для приготовления картофеля фри, затрачивает 9 кВт мощности. Расход тепла на нестационарный режим больше, чем на стационарный, причем более 50% составляет расход на полезно используемое тепло, что является качественным показателем хорошей работы оборудования.

А также в результате проектирования удалось добиться того, что электронагреватели изогнутых ТЭНов имеют развитую поверхность теплообмена, обеспечивают максимальную эффективность работы электронагревателей и равномерный нагрев.

Библиографический список

1. Кисимов Б. М., Сторожева Е. Д. Расчет теплового оборудования. Учебное пособие. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006;

2. Кисимов Б. М., Сторожева Е. Д. Тепловое оборудование предприятий питания. Учебное пособие. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006;

3. Сборник рецептур блюд и кулинарных изделий для предприятий общественного питания. — Киев: Экономика, 2003;

4. Гинзбург А. С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. — М.: Экономика, 1983;

5. Литвина Л. С., Фролова З. С. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. — М.: Экономика, 1987;

6. Кузменко Ю. Г., Щербаков Е. И., Сторожева Е. Д. Правила оформления документов. Учебное пособие. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005.