Расчет и проектирование теплового технологического оборудования

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 °С, Q_кр - 90 °С.

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;

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:

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 °С, 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 °С и марке 0Х27Ю5А

Таблица 5 - Характеристики электротехнических сплавов

Удельное сопротивление при 20 °С, Ом м²

Температурный коэффициент сопротивления, 1/°С

Допустимая температура, °С

предельная

рабочая

Х15Н60 Х20Н80 Х13Ю4 0Х27Ю5А

(1,06…1,16) 10^-6 (1,0,3…1,13) 10^-6 (1,18…1,34) 10^-6 (1,37…1,47) 10^-6

0,17*10^-3 0,15*10^-3 0,15*10^-3 0,15*10^-3

1000 1100 1000 1300

950 1050 900 1250

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;

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

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

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

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