Расчет и проектирование теплового технологического оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Потребляемая мощность (не более), кВт	9
Объем загрузочной чаши фритюрницы, л	15
Максимальная температура, ограниченная термостатом, °С	170
Время разогрева до максимальной температуры, мин	20
Размеры рабочей поверхности, мм	400х900х900
Корпус, материал	Оцинкованное блестящее листовое железо

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;

- 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

	c	n
1*10-3 - 5*102 5*102 - 2*107 2*107 - 1*1013	1,18 0,54 0,135	1/8 ј 1/3

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

Расход тепла, кДж/ч	Нестационарный режим	Стационарный режим
Полезно используемое тепло Потери тепла в окружающую среду Потери тепла на разогрев конструкции	2358,132 373, 26 2685	4643,6 214,5 -
Итого:	5416,4	4858,1

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.

Рабочая среда	Рекомендуемый материал оболочки тэна	Удельная мощность W, Вт/м2
Вода Жиры пищевые Воздух	Нержавеющая сталь марки Х18Н10Т Ст. 10, Ст. 20 с защитным покрытием Ст. 10, Ст. 20 с защитным покрытием	11*104 3*104 2,2*104

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

Марка сплава	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;

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.

Размещено на Allbest.ru