Аппараты для заморозки мелкоштучных изделий

(1)

где А - постоянная, зависящая от плотности теплового потока и вида холодильного агента;

- разность температур, °C;

(2)

где - средняя температура поверхности клубники за период охлаждения,

- температура кипения R134а в аппарате, °C;

Средняя температура поверхности клубники за период:

(3)

=

где t1 - начальная температура продукта, °C;

tкр - температура начала замерзания соков продукта, °C ; tкр= - 0,85°C /10 с.157/

Принимая температуру кипения R134a в аппарате = -26°С, получим:

t = 5,575-(-26) = 31,575°C (4)

Тогда при А= 0,75 (для R134a) /10 с.157/:

(5)

Число Био:

(6)

где - коэффициент теплопроводности охлажденной клубники, Вт/(м .К); = 0,48 Вт/(м .К) /10 с.161/

Rv - радиус сферической части продукта, м; Rv =0,0095 м /10 с.161/

Безразмерная разность температур при охлаждении клубники в хладоне:

(7)

При = 0,66 и Bi = 236,5 число Fo<<0,01, а поэтому продолжительностью охлаждения клубники в первом периоде можно пренебречь ввиду ее чрезвычайной малости.

Таким образом, продолжительность холодильной обработки замораживаемой в жидком кипящем хладоне клубники определяется длительностью процесса замораживания, и ее можно найти из зависимости (11). Величина коэффициента теплоотдачи от площади поверхности замораживаемой клубники к кипящему хладону, зависит от величины среднего удельного теплового потока от продукта к кипящему холодильному агенту. В свою очередь значение среднего удельного теплового потока зависит от продолжительности замораживания: qср=f(). Такие задачи решаются методом последовательного приближения.

Средняя температура поверхности продукта при замораживании клубники , °C:

(8)

где t2 - конечная температура продукта, °C;

(9)

Коэффициент теплоотдачи от площади поверхности клубники к кипящему жидкому R134a находят из зависимости (1):

(10)

Продолжительность замораживания клубники:

(11)

где - теплопроводность продукта, ; /14,с.161/

- плотность продукта, ; /1,с.155/

Удельное количество теплоты, отводимой от 1 кг продукта при его замораживании, составит /9, с.61/:

q3 =C0 . (t1 - tkp) + L•W• +C3(tkp - t2) (12)

где С0 - теплоемкость охлаждаемого продукта, ; С0=3850 ; /10,с.157/

W - относительное содержание воды в продукте, W=0,899; /10,с.157/

С3 - теплоемкость замороженного продукта, ; С3=1750 ; /10, с.157/

- доля вымороженной воды.

, (13)

где t2 - конечная температура продукта, °C;

q3 = 3850•(12+0,85)+335000.0,899.0,886+1750•(-0,85-(-18))=346317

Объем одной клубники , см3:

 (14)

Поверхность , м2, одной клубники:

(15)

Масса одной клубники , кг:

(16)

где - объём одной клубники, см3.

- плотность продукта.

Площадь поверхности 1 кг клубники , :

(17)

Средний удельный тепловой поток , :

 (18)

где q3 - удельный тепловой поток замороженного продукта, ;

Тогда уточненное значение коэффициента теплоотдачи от площади поверхности клубники к кипящему R134a находят из зависимости (1):

(19)

Уточненная продолжительность замораживания клубники ,с :

(20)

Вместимость морозильного аппарата G, рассчитывают по формуле /10, с.31/:

(21)

где - производительность морозильного аппарата, кг/с.

6 Расчёт конструктивных и габаритных размеров

Расчёт будем проводить согласно /10, с.98-105/

При определении габаритных размеров морозильного аппарата примем высоту насыпного слоя клубники на ленте конвейера Н0 = 100мм, а порозность слоя = 0,5 /10,с.98/. Тогда объем активной зоны аппарата , м3:

(22)

где - насыпная плотность клубники, /10, с.100/

Площадь поверхности активной зоны аппарата в плане , м2:

(23)

Ширину лент конвейера Вл принимаем равной 0,9м, тогда ее длина , м:

(24)

=

С учетом угла наклона конвейера , м:

(25)

Длина аппарата , м:

(26)

где DБ - диаметр барабана конвейера, м (Dб= 0,19м);

- зазор между барабаном и торцевой стенкой аппарата, м ( = 0,12 м);

- толщина стенки аппарата с изоляцией, м ( = 0,15м).

Ширина аппарата , м:

(27)

здесь - зазор между лентой и боковой стенкой аппарата, м ( =0,02м).

В связи с тем, что расчет конденсатора-испарителя пока не произведен, высоту аппарата НА ориентировочно примем равной 2 м.

7 Тепловой расчёт аппарата

Расчёт будем проводить согласно /10, с.98-105/

Теплопритоки в аппарат , Вт:

(28)

где - теплопритоки через наружное ограждение аппарата, Вт;

- теплоприток от замораживаемого продукта, Вт;

- теплопритоки в аппарат, Вт;

Теплопритоки в аппарат находят, полагая, что в аппаратах для замораживания продуктов в жидком хладоне Q4=0. Теплопритоки через наружное ограждение аппарата:

(29)

где - коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м2·К);

- площадь поверхности ограждения, м2;

- разность между температурами вне камеры и внутри охлаждаемого помещения,;

Теплоприток через ограждения аппарата рассчитывают при коэффициенте теплопередачи Кн =0,4Вт/(м2.К) /10, с.18/ и температуре наружного воздуха tн = 20°С :

(30)

Теплоприток от замораживаемого продукта , Вт находят из зависимости:

(31)

Тогда теплопритоки в аппарат:

Скорость движения конвейера , м/с определяют по формуле:

 (32)

В состав морозильного аппарата для замораживания пищевых продуктов в жидком хладоне входит конденсатор-испаритель, расчет которого нужно провести. Полагаем, что конструкция конденсатора-испарителя змеевикового типа. Конденсатор-испаритель обслуживается одноступенчатой холодильной установкой, работающей на R22. Изображение регенеративного цикла холодильной машины в диаграмме h - lg P показано на рисунке 8. Температура кипения жидкого R22 в трубках конденсатора-испарителя t0 = - 43°C, а температура конденсации tК =30°C. Параметры узловых точек цикла приведены в таблице 1 согласно приложению 16 /10/.

Рисунок 8 - Изображение регенеративного цикла холодильной машины в диаграмме lg-P для R22

Таблица 1 - Параметры узловых точек цикла

Параметры	Номера точек
	1	2	3	4	5	6
t,°C	-10	115	28	28	-43	-40
Р, кПа	88,2	1176	1176	1176	88,2	88,2
h, Дж/кг	706000	785000	534000	516000	516000	688000
, м /кг	0,28	-	-	-	-	0,24

Массовое количество R22, проходящего через конденсатор-испаритель ,кг/с:

(33)

где h5, h6 - энтальпии соответственно в точке 5 и 6 цикла, Дж/кг.

Число секций в конденсаторе-испарителе ZC примем равным 6, а диаметр трубок, из которых изготовлены секции, dH = 22 x 2 мм.

Тогда массовое количество R22 в одной секции , кг/с:

(34)

Скорость движения пара хладона на выходе из секции , м/с:

(35)

где dВН - внутренний диаметр трубки конденсатора-испарителя, мм (dВН=18мм).

При расчете площади теплопередающей поверхности конденсатора-испарителя используют графо-аналитический метод. Площадь теплопередающей поверхности конденсатора-испарителя находят из зависимости:

(36)

здесь qF - удельный теплосъем с 1 м2 площади поверхности конденсатора-испарителя, Вт/м2.

Численная величина удельного теплосъема зависит от значений коэффициентов теплоотдачи кипящего R22 и конденсирующегося R134a, а также от разности температур между ними.

Коэффициент теплоотдачи при кипении R22 определяют из уравнения:

(37)

где f(Р) - коэффициент, численное значение которого при t0 = минус 43°C составляет /10, с. 102/.

Находим численное значение:

(38)

Для определения коэффициента теплоотдачи при конденсации R134a на горизонтальных трубках конденсатора-испарителя воспользуемся формулой Нуссельта /10, с. 102/ вида:

(39)

Численные значения теплофизических констант R134a приведены для температуры t0 = минус 43°C:

где - плотность жидкого R134a, кг/м3 ( =1426,3 кг/м ) /3/;

- динамическая вязкость R134a, Па·с ( = 0,000211 Па.с) /3/;

- теплопроводность парообразного R134a, Вт/(м.К)(=0,142 Вт/(м.К))/3/;

rа- удельная теплота парообразования R134a, Дж/кг (га = 227900Дж/кг) /3/.

- разность температур между температурой кипения R134a и температурой стенки трубы на которой происходит конденсация, °C;

здесь tСТ - температура стенки трубки, на которой происходит конденсация R134a, °C.

Находим численное значение:

(40)

Пренебрегая термическим сопротивлением стальной трубки и относя коэффициент теплоотдачи к ее наружному диаметру, можно записать:



Тогда значение удельного теплового потока при кипении определяется уравнением:

(41)

а значение удельного теплового потока при конденсации:

(42)

Значения удельных тепловых потоков, вычисленные по уравнениям (41) и (41) при различных значениях t', приведены ниже.

Таблица 2 - Расчет удельных тепловых потоков qF

tст, 0C	-28	-28,5	-29	-29,5	-30	-30,5	-31	-31,5	-32	-32,5	-33
	15	14,5	14	13,5	13	12,5	12	11,5	11	10,5	10
Qкип,Вт/м2	81073,58	74485,41	68229,36	62299,65	56690,41	51395,63	46409,22	41724,95	37336,44	33237,2	29420,58
	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5	6
Qкон,Вт/м2	5298,2	7181,196	8910,475	10533,76	12077,28	13557,49	14985,57	16369,59	17715,6	19028,32	20311,49
tст, 0C	-33,5	-34	-34,5	-35	-35,5	-36	-36,5	-37	-37,5	-38	-38,5
	9,5	9	8,5	8	7,5	7	6,5	6	5,5	5	4,5
Qкип,Вт/м2	25879,76	22607,76	19597,4	16841,32	14331,92	12061,36	10021,54	8204,069	6600,212	5200,872	3996,524
	6,5	7	7,5	8	8,5	9	9,5	10	10,5	11	11,5
Qкон,Вт/м2	21568,17	22800,89	24011,78	25202,63	26375	27530,25	28669,56	29793,97	30904,4	32001,69	33086,57

tст, 0C	-39	-39,5	-40	-40,5	-41	-41,5	-42
	4	3,5	3	2,5	2	1,5	1
Qкип,Вт/м2	2977,153	2132,167	1450,288	919,393	526,2913	256,3772	93,03603
	12	12,5	13	13,5	14	14,5	15
Qкон,Вт/м2	34159,72	35221,74	36273,2	37314,59	38346,38	39369	40382,83

На рисунке 9 показано графическое определение величины удельного теплосъема с 1м2 теплопередающей площади поверхности конденсатора-испарителя и температуры стенки трубки построением уравнений (40) и (41) в системе координат tст - qF по данным вычислений.



Рисунок 9 - Графическое определение величины удельного теплосъема с 1м2 теплопередающей площади поверхности конденсатора-испарителя qf и температуры стенки трубки tcт

Согласно графику qF = 22700 Вт/м2, тогда теплопередающая площадь поверхности конденсатора-испарителя по формуле 35:

(43)

8 Определение рабочих характеристик аппарата

Расчёт будем проводить согласно /10, с.98-105/

Длина труб конденсатора-испарителя , м:

 (44)

Длина труб в одной секции , м:

(45)

Принимая шаг труб в секции по вертикали S1 = 50 мм, а по горизонтали S2=80 мм, а также полагая длину отрезка трубы 1ТР=3000 мм (несколько меньше длины ленты конвейера), найдем число труб в конденсаторе-испарителе по горизонтали , шт:

(46)

Габаритные размеры конденсатора-испарителя следующие:

Высота: (47)

Ширина: (48)

= (4-1) 0,08 = 0,24 м.

Уточненная высота аппарата:

(49)

где -- толщина стенки аппарата; - зазор между испарителем и стенкой аппарата (=265 мм); - высота испарителя (=465мм); - расстояние от испарителя до оси барабана(=780мм); - расстояние от оси барабана до нижней стенки аппарата(=1515мм);

При определении массового количества R134a, необходимого для заполнения морозильного аппарата, полагаем, что аппарат заполняется жидким R134a так, чтобы его уровень не превышал оси барабана конвейера. Объем части аппарата, заполняемой хладоном (пока без учета его конструктивных элементов), рассчитывают по формуле:

(50)

Находим численные значения внутренних размеров аппарата, определяющих объем его заполнения:

(51)

(52)

 (53)

Тогда:

Объем аппарата, занимаемый замораживаемым продуктом:

(54)

где -- насыпная плотность клубники, кг/м3 (=620 кг/м3) (см. приложение 1)/10/;

- вместимость морозильного аппарата, кг (формула 21).

Примем объем конструктивных элементов аппарата Vкон, находящихся под уровнем жидкого хладона, в размере 5% от ,тогда:

Vкон=0,05 . 0,222=0,0111 м3. (55)

Количество жидкого хладона на поверхности конденсатора-испарителя также примем в размере 5% от , т. е.:

Vпов=0,05 . 0,222=0,0111 м3 (56)

Тогда объем жидкого холодильного агента в аппарате Vх, м3:

Vх = - - Vкон + Vпов (57)

Vх =1,4- 0,222 - 0,111 + 0,0111 = 0,978 м3

Массовое количество необходимого для заполнения морозильного аппарата R134a , кг:

(58)

здесь - удельный объем жидкого R134a, м3/кг (при t0 = -26°С =0,7264•10-3 м3/кг) /11/.

Объем, описываемый поршнем компрессора морозильного аппарата , :

(59)

где V1 - удельный объем пара холодильного агента, всасываемого компрессором, м3/кг (для R22 V1 = 0,28 м3/кг);

- коэффициент подачи (при отношении ) /11/.

Заключение

В ходе курсовой работы были рассмотрены различные типы аппаратов для заморозки мелкоштучных изделий. Проведен литературный обзор типовых аппаратов для заморозки, обоснован выбор конструкции, режим и принцип действия аппарата. Проведен расчет основных параметров аппарата, по которым в дальнейшем начерчена принципиальная схема хладонового скороморозильного аппарата.

Технические характеристики аппарата:

Продолжительность замораживания вишни: =597,97 с.

Вместимость морозильного аппарата: G=165,64 кг.

Площадь поверхности активной зоны аппарата в плане: Fa=3,68м2.

Длина аппарата: La=5,4 м.

Ширина аппарата: Ва=1,25 м.

Высота аппарата: На =1,4 м

Теплопритоки в аппарат: Q0=96600 Вт.

Теплопередающая площадь поверхности конденсатора-испарителя:

Fk=4,26 м2.

Массовый расход R22, проходящего через конденсатор-испаритель: Gа=0,562 кг/c.

Длина труб конденсатора-испарителя: Lmp=61,6м.

Высота конденсатора-испарителя: hк=0,25м.

Ширина конденсатора-испарителя: bк=0,24м.

Объём аппарата: Van=1,3м3.

Объем аппарата, занимаемый замораживаемым продуктом: Vnp=0,222 м3.

Объем жидкого холодильного агента в аппарате: Vx=0,978 м3.

Массовое количество необходимого для заполнения морозильного аппарата R134a: Gх=1346 кг,

Объем, описываемый поршнем компрессора морозильного аппарата:

Vк=0,44 м3/с.

Данный аппарат полностью обеспечит производственную мощность равную 0,75 т/ч для заморозки клубники.

Список использованной литературы:

1 Цветков О.Б. Холодильные агенты. Монография: Учебник для ВУЗов / Е.П. Широков. - СПб; 2004. - 203 с.

2 Быков А.В. Применение холода в пищевой промышленности: справочник. -М: Пищевая промышленность, 1979. -175 с.

3 Скрипников Ю.Г. Прогрессивная технология хранения и переработки овощей: учебное пособие для повышения квалификации. -М: Пищевая промышленность, 1989. -- 159с.

4 Алис - Холодильное оборудование [Электронный ресурс] / Холодильное оборудование. - Киев, 2009. - Режим доступа: http://www.alis.org.ua/ - Дата доступа: 02.12.2012.

5 Руцкий А.В. Холодильная технология обработки и хранения продовольственных продуктов. -- Минск: Вышэйшая школа, 1991. - 194с.

6 Требушенко Е.И. Хранение фруктов в промышленных холодильниках: учебное пособие. -М: Пищевая промышленность, 1968. - 95с.

7 Постольски Я.В. Замораживание пищевых продуктов. Монография: учебное пособие для повышения квалификации. -- М: Пищевая промышленность, 1978 - 607с.

8 Носикова В.В. Основы холодильной технологии пищевых продуктов: конспект лекций для студентов специальности «Низкотемпературная техника», ч.1 / под ред. Т.Л.Бажанова. - Могилёв: Могилевский государственный университет продовольствия, 2007. - 112 с.

9 Голянд М.М. Холодильное технологическое оборудование / Б.Н. Малеванный. - М: Пищевая промышленность, 1977. -- 289 с.

10 Голянд М.М. Сборник примеров расчётов и лабораторных работ по курсу " Холодильное оборудование": учебное пособие / Б.Н. Малеванный. - М: Лёгкая промышленность, 1981. -- 164 с.

Размещено на Allbest.ru