Расчет обжарочной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Практическое занятие: Расчет обжарочной печи

Цель работы: знакомство с классификацией обжарочных печей, изучение их устройства и принципа действия; приобретение практических навыков по расчету обжарочных печей.

1. Теоретические сведения

Овощи обжаривают в специальных аппаратах, в которых промежуточным теплоносителем, контактирующим с продуктом, является растительный или животный жир.

В свою очередь жир разогревается паром. Обработка ведется при сравнительно высокой температуре 120 ... 160 °С.

В продукте под действием теплоты протекает ряд связанных между собой физических и физико-химических процессов, в результате чего происходят выделение и удаление части влаги, впитывание масла, объемная усадка продукта, выделение газов, повышение давления внутри образцов, увеличение пористости, а также изменение плотности и теплоемкости продукта.

Скорость протекающих в продукте процессов зависит от формы и размера кусочков продукта, температуры масла, условий теплообмена между маслом и продуктом и других факторов.

Процесс обжаривания можно разделить на два периода тепло- и массообмена.

В первый период температура в продукте постепенно повышается от поверхностных слоев к центральным до 96 ... 99 °С. В этот период влага движется как наружу в виде пара и жидкости, так и к центру в виде жидкости. Скорость удаления влаги в первый период постоянна, но величина ее зависит от условий теплообмена.

Во второй период температура в каждом слое образца остается некоторое время постоянной и равной 96 ... 99°С; затем при достижении влагосодержания в продукте 200 ... 300 % к абсолютно сухому веществу (начиная с наружного слоя) температура постепенно повышается, приближаясь к температуре масла. В этот период происходят химические процессы, в результате которых образуются вещества, характеризующие вкус и запах обжаренного продукта.

При обжаривании овощей удаляется главным образом свободная влага, выделившаяся из клеток после их плазмолиза под действием высокой температуры.

Максимальное количество влаги (примерно 30 ... 35 % общей массы влаги) удаляется в первый период, т. е. в период нагревания кусочков продукта.

Удаление из продукта влаги наружу происходит в основном под действием градиента общего давления. При этом в первый период обжаривания движение влаги наружу несколько тормозится из-за движения части жидкости к центру образца под действием градиента температуры. С повышением температуры масла скорость удаления влаги из овощей увеличивается.

Паромасляная эмульсия, образующаяся в результате испарения влаги из продукта, имеет тенденцию перемещаться со значительной скоростью к поверхности зеркала масла. Благодаря разности плотностей эмульсии в сетке и масла в межсеточных пространствах эта тенденция усиливается.

По достижении пузырьками пара верхнего уровня масла они прорываются в атмосферу. Масло, температура которого меньше, чем в нижних слоях, движется между сетками вниз к нагревательной камере.

Таким образом, за счет конвективных токов и движения паромасляной эмульсии в печи создаются высокие скорости движения масла. Благодаря этому вблизи поверхности нагрева возникает турбулентный гидродинамический режим.

В первый период обжаривания интенсивность теплообмена определяется коэффициентом теплоотдачи от масла к продукту путем конвекции.

Во второй период из-за образовавшейся корочки, имеющей на поверхности температуру, близкую к температуре масла, интенсивность теплообмена определяется уже коэффициентом теплопроводности корочки и ее толщиной, т. к. теплота передается в толщу продукта главным образом путем теплопроводности.

При установившемся режиме работы обжарочного аппарата количество теплоты, воспринятое маслом от греющего пара, равно количеству теплоты, затраченному на весь процесс обжаривания и потери.

В начале печи, где происходит загрузка холодного свежего продукта, теплота воспринимается продуктом интенсивнее, чем в конце печи. Равновесная температура масла по длине печи неодинакова. Теплопоток от масла к продукту зависит от физического состояния последнего.

В первый период коэффициент теплоотдачи определяется конвекцией, во второй период в связи с образованием поджаренной корочки на поверхности продукта интенсивность теплообмена - коэффициентом теплопроводности корочки и ее толщиной.

При равновесии процесса, когда теплота, поступившая от пара к маслу, равна теплоте, отданной маслом продукту, интенсивность теплообмена можно описать следующими зависимостями:

для первого периода

; (1.1)

для второго периода

, (1.2)

где коэффициент теплопередачи, Вт/(м²•°С);

площадь поверхности нагрева, м²;

продолжительность теплообмена, с;

и соответственно температуры пара и масла, °С;

доля теплоты, воспринятая продуктом ( = 0,6 ...0,7);

коэффициент теплоотдачи от масла к продукту, Вт/(м²•°С);

F_np - площадь поверхности продукта, соприкасающаяся с маслом, м²;

температура поверхности продукта, °С;

коэффициент теплопроводности корочки продукта, Вт/(м²•°С);

толщина корочки продукта, м;

температура испарения влаги в продукте, °С ( 100 °С).

Анализ уравнений (1.1) и (1.2) показывает, что скорость движения масла вдоль поверхности продукта интенсифицирует теплообмен только в первый период обжаривания, когда еще нет корочки и передача теплоты осуществляется главным образом конвекцией, а испарение влаги происходит в поверхностных слоях продукта.

Во второй период, когда образуется корочка, представляющая собой значительное термическое сопротивление, скорость масла вдоль поверхности продукта очень мало влияет на интенсивность теплообмена.

Продолжительность обжаривания овощей зависит от многих факторов и прежде всего от вида овощей, степени измельчения (размеров кусочков), температуры масла, способа обжаривания, начального и конечного влагосодержания продукта, скорости удаления влаги, толщины корочки и др.

Обжарочные печи могут работать при атмосферном давлении, когда температура испарения влаги из продукта близка к 100 °С, и под вакуумом, когда температура испарения соответствует разрежению в аппарате и равна примерно 55 ... 60 °С.

В обоих случаях температура масла достигает 120 ... 140 °С. Как видно, при обжаривании под вакуумом разность между температурами масла и продукта будет более высокой и, следовательно, влага будет испаряться более интенсивно.

В зависимости от вида теплоносителя различают печи с обжариванием в масле, в потоке горячего газа (воздуха), под воздействием инфракрасных лучей. Широко распространены печи, в которых обжаривание осуществляется в горячем масле.

При паровым обогреве используют водяной пар давлением 0,8 ... 1,2 МПа, который подводят в нагревательные камеры трубчатые теплообменники. Нагревательная камера расположена в ванне печи и погружена в масло, пар конденсируется внутри трубок. Трубки располагают в один или два ряда по высоте, чаще всего их сплющивают (овальный вид) и устанавливают по длине ванны или по ее ширине (реже).

Нагревательная камера в некоторых случаях выносится за пределы ванны; такую печь называют печью с выносной нагревательной камерой: внутри трубок движется масло, а снаружи находится пар.

Различают обжарочные печи немеханизированные и механизированные; в последних поток продукта непрерывно перемещается через обжарочную печь при помощи транспортера со съемными или несъемными сетками, с поперечными планками либо ленточного транспортера (сетчатая металлическая лента).

В механизированных печах сетки во время обжаривания продукта находятся в горизонтальном положении, во время выгрузки - в наклонном. К цепям транспортного устройства сетки прикреплены шарнирно или на захватах таким образом, чтобы центр их тяжести был расположен ниже места прикрепления сетки к цепям.

Все транспортные устройства механизированных печей движутся со скоростью примерно 0,4 ... 0,8 м/мин. Такая низкая скорость обусловлена продолжительностью обжаривания и длиной ванны.

Механизированные обжарочные печи бывают также и с охладителями продукта. Охлаждение продукта достигается при обдувании его холодным воздухом (воздушное охлаждение), погружении в холодное масло (масляное охлаждение) и при самоиспарении в вакуум-камерах (вакуумное охлаждение).

Механизированная паромасляная печь АПМП-1 (рисунок 1) предназначена для обжаривания в растительном масле овощей в непрерывном режиме, основные узлы: ванна 3, транспортер 1, вытяжное устройство 4, привод 2 и элеватор 5.

Рисунок 1 - Паромасляная печь АПМП-1

1 - транспортер; 2 - привод; 3 - ванна; 4 - вытяжное устройство; 5 - элеватор

Ванна представляет собой сварную конструкцию и разделена перегородкой на два отсека: в первом (по ходу продукта) размещены две нагревательные камеры, каждая из которых имеет три ряда трубок по высоте ванны, во втором - две двухрядные нагревательные камеры, поднятые относительно нагревательных камер первого отсека на 50 мм.

Разделение ванны на два отсека со ступенчатым размещением нагревательных камер обеспечивает сокращение количества масла, а распределение поверхности нагрева по длине (65 % в первом отсеке и 35 % во втором) - равномерную температуру его, что способствует более качественному обжариванию продукта.

Масло отделено от днища ванны водяной подушкой. Во избежание перегрева воды при работе в условиях постоянной водяной подушки под нагревательными камерами установлены трубчатые охладители. Транспортер представляет собой бесконечное полотно, собранное из ковшей.

Со стороны загрузки сырья размещена натяжная станция. Над ванной печи устанавливается вытяжное устройство. Транспортирующая лента печи вносит продукт в ванну, где происходит его обжаривание в масле при температуре 120 ... 160 °С. Обжаренный продукт выносится лентой из ванны и выгружается в месте огибания ею приводной звездочки.

2. Методика расчета

обжарочный паромасляный печь нагрев

Исходные данные:

Сырье - картофель;

Производительность печи: G=0,56 кг/с;

Температура слоя масла: t₂=148;

Масса продукта в одной сетке: G_пр=0,5 кг;

Удельная теплоемкость картофеля: с=3,515 кДж/кг К;

Истинный процент ужарки: Х_и=31,5 %;

Расход масла на обжаривание: М=31,5%

Расчет теплоты в обжарочных печах складывается из отдельных статей. Расход теплоты на нагрев продукта, Дж/с,

,

где производительность печи по сырью, кг/с;

удельная теплоемкость продукта, кДж/(кг•К) (таблица 9.1);

и начальная и конечная температура продукта, °С ( 18 ... 23 °С; °С).

Q₁=0,56 Дж/с

Расход теплоты на испарение влаги при обжаривании, Дж/с,

,

где х_и - истинный процент ужарки, %;

теплота испарения, Дж/кг ( 2130 кДж/кг).

Q₂=0,01=375,73 Дж/с

Расход теплоты на нагрев сеток, Дж/с,

,

где масса продукта в одной сетке, кг;

масса одной сетки ( 3 ... 6 кг);

удельная теплоемкость стали, 0,482 кДж/(кг•К);

средняя температура активного слоя масла, °С;

начальная температура сеток, °С ( 20 ... 23 °С).

Q₃==2,5195 кДж/с

Расход теплоты на нагрев доливаемого масла, Дж/с,

,

где расход масла на обжаривание сырья, % к массе сырья;

удельная теплоемкость масла, кДж/(кг•К);

начальная температура масла, °С ().

Q₄=0,01=47,2 Дж/с

Расход теплоты на нагрев охлаждающей воды, Дж/с,

,

где удельная теплоемкость воды, Дж/(кг•К);

удельный расход охлаждающей воды, кг на 1 кг сырья;

и начальная и конечная температура охлаждающей воды, С°

( 16 ... 18 °С; 50 ... 60 °С).

Q₅=420091,7 Дж/с

Потери теплоты в окружающую среду путем конвекции и лучеиспускания , Дж/с, составляют 8 % от общего расхода теплоты.

Общий расход теплоты, Дж/с,

.

Q_общ=236,2+375,73+2517,5+47,2+91,7+8%

Q₆=318,86 Дж/с

Q_общ=3587,19 Дж/с

Площадь поверхности нагрева печи, м², по которому устанавливают размеры нагревательной камеры^

,

где коэффициент теплопередачи, 1900 Вт/(м²•К);

температура греющего пара ( 145 °С).

F=3587,19/1900(145-148)=0,63 м²

Нагревание масла в обжарочной печи может осуществляться либо за счет электроподогрева, либо за счет парового подогрева.

При паровом подогреве расход пара, кг/с,

,

где и энтальпия пара и конденсата, Дж/кг.

D_n=3587,19/(2532-2448,2)=42,8 кг/с

Размещено на Allbest.ru