Расчет теплового технологического оборудования

    Большинство видов теплового оборудования характеризуются  высокой тепловой инерционностью, что  связано с особенностью их конструкции, используемыми конструкционными материалами  и типами электронагревателей. Такое оборудование рассчитывают для двух режимов работы – нестационарного (разогрева) и стационарного (непосредственной обработки). Под нестационарным режимом понимается начальный период работы оборудования, в процессе которого оно выходит на заданный тепловой режим, при котором рабочие камеры,

поверхности или греющие среды (воздух, вода, жир) достигают заданной температуры. В условиях стационарного режима теплообмен происходит без существенных изменений температуры указанных  выше конструктивных элементов. Это объясняется тем, что наступает тепловое насыщение и конструкционные материалы не способны поглощать большое количество тепловой энергии или количество поглощенной ими энергии примерно равно количеству энергии, отдаваемой в окружающую среду.

    В общем виде уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:

    для нестационарного режима

    Q′ = Q′_П+ Q′_ср+Q′_об,

    для стационарного режима

    Q′′ = Q′′_П+ Q′′_ср+Q′′_об,

    Где Q′ и Q′′ - суммарная тепловая энергия, затрачиваемая соответственно при нестационарном и стационарном режимах работы оборудования.

    

    Так как нестационарный и стационарный режимы при тепловой обработке продукта протекают последовательно и  независимо друг от друга, то необходимую  мощность оборудования определяют по тому уравнению теплового баланса, сумма которого окажется больше (Q′ или Q′′). 

    2.1.1 Определение полезно используемого тепла 
 

    Расчет  Q_П, кДж/ч, жарочного оборудования обычно производят путем определения затрат энергии за час работы оборудования или на 1 кг обрабатываемой продукции.

    Режим разогрева (нестационарный)

    При расчете жарочного оборудования в условиях нестационарного режима полезная теплота затрачивается на нагрев масла, например, при жарке основным способом в сковороде или при жарке во фритюре. Количество нагреваемого масла определяют по количеству обрабатываемых продуктов.

    Для расчета полезно используемого  тепла, расходуемого на нагрев пищевого жира во фритюрнице в режиме разогрева, пользуются формулой 
 
 

    

,

    

    

   где     М_ж – вес пищевого жира, кг;

   С_ж – теплоемкость пищевого жира, принять равной 1,676 кДж/(кг∙ºС);

         t₁ – температура нагрева жира (равная температуре жарки); принимается равной 160-170 ºС;

         t₀ – начальная температура пищевого жира, ºС;

         τ′ - время нагрева  жира, ч.

    Количество  одновременно загружаемого продукта для  жарки во фритюрнице находят из выражения

    

    где G₀ – количество одновременно загружаемого продукта для жарки, кг;

    V_ч – объем загрузочной чаши фритюрницы, дм³;

    φ – коэффициент заполнения фритюрницы (φ=0,6-0,7);

    δ_n – истинная плотность загружаемого продукта, кг/ дм³, равная 0,37 кг/ дм³;

    δ_ж – плотность жира, кг/ дм³, принять равной плотности растительного масла 0,903 кг/ дм³;

    γ – кратность количества фритюрного жира количеству продукта (не менее 4).

    

  кг

    Вес пищевого жира при жарке во фритюре  должен превосходить количество одновременно загружаемого продукта минимум в 4 раза.

    

       кг.

    Таким образом, полезно используемое тепло, расходуемое на нагрев пищевого жира во фритюрнице равен

    

    

       кДж/ч.

    Стационарный  режим 

    При стационарном режиме полезно используемое тепло состоит из отдельных статей расхода, которые определяют 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;

    М – часовая производительность по сырью, кг/ч,

          кг/ч

    где G₀ – количество одновременно загружаемого продукта для жарки, кг;

         τ – продолжительность цикла обработки, мин (принять равной 6 минут);

         с – теплоемкость продукта, принять равной 2,982 кДж/(кг∙ºС);

         t₂ – температура нагрева продукта, принимаемая равной 90-100 ºС;

         t₄ – начальная температура продукта равная 20 ºС;

         ω_n – истинный продукт ужарки, принять равным 17%;

         r – скрытая теплота испарения при атмосферном давлении, принять равным 2258,2 кДж/кг;

         К – процентное содержание корки в продукте; рекомендуемая в расчетах принимать в пределах от 15 до 25%;

         С_к – теплоемкость корочки, принять как теплоемкость сухого вещества равную 1,67 кДж/(кг∙ºС);

         t₃ – температура образования корочки, ºС (135-140 ºС);

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

         t₁ – рабочая температура жира равная 170 ºС;

         t₀ – начальная температура жира, ºС.

    

    2.1.2 Определение потерь тепла в окружающую среду

    

      

    Потери  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 тепла варочного  аппарата в окружающую среду при  нестационарных и стационарных режимах  можно воспользоваться следующей  формулой:

    

,

    где   - потери тепла через стенки аппарата в окружающую среду, кДж;

          - потери тепла через крышку  аппарата в окружающую среду, кДж;

          - потери тепла через дно  аппарата в окружающую среду, кДж.

    Теплопотери через дно незначительны, так как тепловые потоки, как правило, направлены снизу вверх, поэтому при расчете не учитываются.

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

    Q_ср =

;

    где F – площадь поверхности теплообмена (крышка, стенки), м²;

        a₀ – коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м^{2 0}С;

         t_п – средняя температура поверхности ограждения, ⁰С;

         t₀ – температура окружающей среды, ⁰С;

        t - продолжительность периода тепловой обработки в часах.

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

    a₀ = a_к + a_л,

    где a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, кДж/м^{2  0}С;

        a_л – коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, кДж/м^{2 0}С.

    При определении коэффициента теплоотдачи  конвекцией прежде всего необходимо выяснить характер теплообмена: происходит ли он при вынужденном или свободном движении воздуха, относительно теплоотдающей поверхности.

    Надо  помнить, что при вынужденном  движении коэффициент теплоотдачи определяется при помощи критерия Рейнольдса Re и Прандтля Pr. Первый из них характеризует динамику потока, второй – физические константы рабочего тела.

    Необходимо  знать, что отдача тепла стенками аппарата в окружающую среду происходит при свободном движении воздуха, поэтому 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 теплоотдачи конвекцией и характеризующий собой тепловое подобие.

    Указанные критерии имеют следующий вид:

    Re =

; Pr = ;  Gr = ;   Nu = ;

    где ω – скорость движения конвективной среды, м/с;

         ν – коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с;

         l – определяющий геометрический размер, м; Определяющим геометрическим размером при этом выбирается наибольший линейный размер или диаметр ограждения;

         а – коэффициент температуропроводности воздуха, м²/с;

         g – ускорение силы тяжести, м/с²;

       

        l - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м⁰С;

        b - коэффициент объемного расширения воздуха, I/⁰С;

    b =

,

        a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией. Вт/м²×⁰С;

        Dt – перепад температур между ограждением и воздухом

    

.

    При свободной конвекции в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид:

    Nu = c(Gr×Pr)ⁿ,

    Величины  с и n для отдельных областей изменения произведения (Gr×Pr) можно принять из таблицы 2.1. 

    Таблица 2.1