Теплотехнический расчет пищеварочного оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Тепловое оборудование

1.1 Рынок технологического оборудования

1.2 Область применения и современные конструкции

1.3 Направления развития конструирования пищевого оборудования

2. Теплотехнический расчет пищеварочного оборудования

2.1 Определение основных конструктивных размеров

2.1.1 Определение толщины тепловой изоляции

2.2 Тепловой баланс

2.2.1 Расчет полезного количества тепла

2.2.2 Расчет потерь теплоты на разогрев элементов конструкции

2.2.3 Потери тепла поверхностью в окружающую среду

2.2.4 Результаты расчета теплового баланса

2.3 Расчет ТЭНа

3. Описание теплового оборудования

3.1 Безопасная эксплуатация

Заключение

Список использованной литературы

Приложение А



Введение

На сегодняшний день общественное питание играет все более возрастающую роль в жизни современного общества. По международным документам, термин "общественное питание" характеризуется такими различными определениями, как "методы приготовления большого количества пищи, выполняемые без предварительной договоренности с потребителем", или "виды питания, организованного вне дома".

Развитие общественного питания:

- дает существенную экономию общественного труда вследствие более рационального использования техники, сырья, материалов;

- предоставляет рабочим и служащим в течение рабочего дня горячую пищу, что повышает их работоспособность, сохраняет здоровье;

- дает возможность организации сбалансированного рационального питания в детских и учебных заведениях.

Общественное питание одно из первых отраслей народного хозяйства встало на рельсы преобразования, приняв груз острейших проблем переходного периода на рыночные отношения. Быстрыми темпами прошла приватизация предприятий, изменилась организационно-правовая форма предприятий общественного питания. Появилось большое количество частных малых предприятий. В 1995 г. выходит закон РФ "О государственной поддержке малого предпринимательства в Российской Федерации". Закон этот - один из основополагающих для периода, когда резко меняется курс от стопроцентной государственной монополии в хозяйстве к рыночным отношениям. Он определяет, какие именно предприятия относятся к малым и какие из них могут рассчитывать на поддержку государства. Поэтому специализированные предприятия, которые стали исчезать в первые годы приватизации, сейчас набирают темпы в своем развитии (шашлычные, пельменные, пиццерии, бистро и др.).

1. Тепловое оборудование

1.1 Рынок технологического оборудования

Кипятильник - самый распространенный электрический прибор, используемый на предприятиях общественного питания. Кипятильники являются незаменимой техникой для любого общепитовского предприятия. Как правило, они устанавливаются в залах самообслуживания или на профессиональных кухнях. Существует огромное количество различных моделей кипятильников, отличающихся по объему и мощности. Однако, требования, которые предъявляются к такой технике, везде одинаковы - безопасность, высокое качество материалов и долговечность использования. Горячая или кипяченая вода нужна в ресторанах, столовых, кафе и барах. Специализация таких заведений может быть различной, различным может быть и ассортимент предлагаемых посетителям блюд. Но кофе или чай в меню присутствуют обязательно. Значит, без кипячения воды не обойтись. Кроме того, горячая вода может требоваться обслуживающему персоналу для различных хозяйственных нужд, и далеко не всегда она имеется в водопроводе.

Отечественной промышленностью выпускаются электрические кипятильники непрерывного действия (КНЭ и ЭКГ) следующих типов: КНЭ-25, КНЭ-50, КНЭ-100, КНЭ-100М, КНЭ-100МН, ЭКГ-25, ЭКГ-50 и ЭКГ-100. Кипятильники КНЭ-25, КНЭ-50 и ЭКГ-25, ЭКГ-50,ЭКГ-100-настольного исполнения и отличаются друг от друга размерами, мощностью нагревателей и производительностью. Кипятильники КНЭ-100, КНЭ-100М, КНЭ-100МН напольного исполнения имеют дополнительную подставку для установки их на полу. В отличие от кипятильников КНЭ-25, КНЭ-50, КНЭ-100 и КНЭ-100М, имеющих цилиндрическую форму, кипятильник КНЭ-100МН имеет прямоугольную форму. По устройству и принципу действия кипятильники ЭКГ-25, ЭКГ-50 и ЭКГ-100 аналогичны кипятильникам КНЭ. [1]

Сейчас на рынке представлено большое количество производителей водонагревательных приборов европейского и азиатского производств. В европейской технике вы найдете стиль, дизайн, качество изготовления и высокие цены. В азиатских кипятильниках плюсом является простота, легкое сервисное обслуживание и низкая цена.

Таблица 1 - Основные характеристики кипятильников

Основные характеристики кипятильника	КЭНД - 100	КЭНД - 100-02	КЭНД - 50	КЭНД - 50-02
Производительность кипятильника л/ч, не менее	100	100	50	60
Время нагрева воды до кипения, мин., не более	12	3	6	6
Номинальная мощность кипятильника, кВт	11	9,9	6	6
Номинальное напряжение кипятильника, В	380	380	380	380
Род тока	трехфазный переменный
Частота, Гц	50	50	50	50
Давление воды в сети водопровода, кПа	50-600	50-600	50-600	50-600
Габариты кипятильника, мм, не более
Длина L	500	210	500	210
Высота B	385	315	385	315
Ширина H	800	410	570	410
Масса кипятильника, кг, не более	40	12,5	30	12
КПД кипятильника %, не менее	90	90	90	90

Вывод: По данной таблице можно сказать, что самый оптимальный кипятильник КЭНД-100-02, так как он в габаритных размерах не большой и производительность у него высокая 100 л/ч.

1.2 Область применения и современные конструкции

Горячая вода используются на предприятиях общественного питания для различных технологических и санитарно-технологических нужд, при выполнении технологической операций, таких как ошпаривание, бланширование, тепловая обработка овощей и картофеля, а также для мойки продуктов, посуды, полов и т.д. Применение кипятка в технологических процессах позволяет сократить продолжительность процесса доведения изделий до кулинарной готовности и полнее сократить биологически ценные вещества в продуктах.

Кипятильники независимо от вида обогрева и конструкции изготовления предназначены для приготовления кипятка для нужд предприятия общественного питания. Как правило, они устанавливаются в залах самообслуживания или на профессиональных кухнях. Существует огромное количество различных моделей, отличающихся по объему и мощности. По принципу работы они делятся на аппараты периодического и непрерывного действия. Кипятильники периодического действия являются наливными, в которых процесс приготовления кипятка и разбор его отделены друг от друга по времени. [6]

Изобретение относится к тепловому оборудованию и может найти применение на предприятиях общественного питания и торговли. Целью создания данной конструкции кипятильника являлось повышение эффективности его работы путем повышения эксплуатационной надежности и долговечности, а также осуществление возможности расширения диапазона кипятильников по производительности без изменения их конструкции и общих габаритов. Поставленные задачи решены авторами за счет новой компоновки основных элементов кипятильника внутри его корпуса. В частности, камера кипячения размещена внутри сборника кипятка и имеет стационарное дно с отверстиями для установки и крепления электронагревательных элементов. Отражатель выполнен в виде стакана, размещен внутри камеры кипячения соосно с ней. При этом оси камеры кипячения сборника кипятка смещены относительно друг друга, а также относительно оси питательной коробки в одну сторону, а в их свободном пространстве смонтированы поплавковые устройства. Под дном сборника кипятка внутри корпуса кипятильника размещено автоматическое пусковое устройство, которое соединено с датчиком контроля уровня воды в питательной коробке и сборнике кипятка и выполнено в виде магнитоуправляемого контакта. 2 з.п. ф-лы, 20 ил.

Предлагаемое изобретение относится к тепловому технологическому оборудованию, а именно к электрическим кипятильникам непрерывного действия, и может быть использовано на предприятиях общественного питания и торговли. Предназначено для получения кипяченой воды для технологических целей. Однако эти показатели не дают возможность оценить конструкцию кипятильника и сопоставлять его работу с работой кипятильников других конструкций, так как его часовая производительность при одном и том же расходе электроэнергии зависит от температуры, поступающей в него холодной воды, а также от температуры кипения воды, определяемой барометрическим давлением.

Для оценки работы кипятильника введен термин "нормальный кипяток", которым принято называть воду, нагретую от 10 до 100⁰С.

Кроме того, работу кипятильника характеризуют первоначальная продолжительность разогрева воды до кипения и расход электроэнергии на разогрев аппарата.

К основным показателям работы кипятильника непрерывного действия относятся: часовая производительность, расход электроэнергии на приготовление 1 кг кипятка и КПД.

Конструкция кипятильника включает в себя цилиндрический корпус, в котором размещены: питательная коробка, камера кипячения с электронагревательными элементами, отражатель, сборник кипятка с краном для отбора воды, датчики контроля уровня воды, автоматическое пусковое и сигнальное устройства. Камера кипячения и сборник кипятка расположены в цилиндрическом корпусе последовательно, одна над другой, разделены диафрагмой и связаны между собой переливной трубой, которая является частью камеры кипячения.

Дно камеры кипячения выполнено в виде круглого основания с отверстиями для крепления трех ТЭНов. Для обеспечения герметичности основание через кольцевую уплотняющую прокладку прикреплено к камере кипячения посредством болтовых соединений (12 штук).

Питательная коробка выполнена в форме открытого сверху цилиндра, концентрично охватывающего верхнюю часть сборника кипятка. Питательная коробка и камера кипячения соединены между собой питательной трубкой и, являясь сообщающимися сосудами, имеют одинаковый уровень воды. Снизу к дну питательной коробки подведены две трубки, одна из которых предназначена для подачи воды от водопровода в питательную коробку, а другая является сигнальной и служит для слива воды из питательной коробки в канализацию в случаях переполнения ее водой.

Нижняя часть сборника кипятка через штуцер соединена с пробковым краном, а верхняя часть оснащена отражателем, который выполнен в виде съемной крышки и предназначен для направления пароводяной смеси, образующейся в процессе кипения, через переливную трубу в сборник кипятка. Цилиндрический корпус закрывается крышкой, которая имеет центральное отверстие для фиксации ее на резьбовой шпильке отражателя и последующего закрепления декоративной гайкой.

Поплавковое устройство, расположенное внутри питательной коробки, предназначено для поддержания в ней, а также в камере кипячения, постоянного уровня воды, как в сообщающихся сосудах. Поплавковое устройство включает в себя поплавок специальной конструкции и резиновую пробку, которые укреплены на противоположных концах двуплечего рычага, смонтированного с возможностью качательного движения относительно неподвижной оси. Резиновая пробка установлена над выходным отверстием насадки, укрепленной на трубке, подающей воду в питательную камеру, и выполняет роль клапана. При всплывшем вверх поплавке и наборе воды в питательной коробке до установленного уровня отверстие насадки закрывается пробкой и, наоборот, при понижении уровня воды и, соответственно, опускании поплавка отверстие насадки открывается, и происходит подпитка питательной коробки водой до установленного постоянного уровня.

Датчики контроля уровня воды представляют собой электроды, герметично смонтированные в трубках, установленных в питательной коробке и сборнике кипятка и соединенных проводами с АПУ. Датчик, расположенный в питательной коробке, предназначен для автоматического отключения ТЭНов в случае понижения в ней воды до допустимого нижнего уровня. Датчик, расположенный в верхней части сборника кипятка, предназначен для отключения ТЭНов при достижении в нем допустимого верхнего уровня воды. Датчик, расположенный в нижней части сборника кипятка, наоборот, предназначен для включения ТЭНов при понижении в нем уровня воды до допустимого нижнего уровня.

Электрический блок АПУ расположен сбоку в нижней части корпуса кипятильника, закрыт индивидуальным кожухом и предназначен для включения кипятильника, а также для поддерживания работы кипятильника в автоматическом режиме по мере расходования кипятка.

Сигнальное устройство представляет собой закрепленную на корпусе кипятильника панель, включающую в себя две лампы разного цвета, одна из которых сигнализирует о наличии напряжения на АПУ, а другая - о наличии напряжения на ТЭНах.

Основными недостатками конструкции кипятильников являются большие габаритные размеры, неудобства в обслуживании, а также невысокая эффективность в работе.

Объясняется это следующими обстоятельствами: габаритные размеры определяются как конструкцией самого кипятильника, так и необходимостью изменения его размеров в зависимости от мощности устанавливаемых ТЭНов при изготовлении кипятильников различной производительности.

Кроме того, данная конструкция кипятильника предусматривает размещение сборника кипятка над камерой кипячения в одном цилиндрическом корпусе, что также приводит к увеличению размера кипятильника по высоте.

К увеличению габаритов кипятильников по длине приводит и вариант размещения блока АПУ сбоку и снаружи корпуса. Например, длина известных кипятильников без учета выступающих кранов составляет 395 мм.

Кроме того, не плотно прилегающий к корпусу кожух АПУ не обеспечивает полную защиту АПУ от попадания снаружи прямых брызг воды, что может привести к выходу его из строя.

Говоря о конструкции кипятильников, необходимо также принять во внимание следующее: в большинстве регионов нашей страны в питьевой воде присутствуют соли временной жесткости, которые при нагревании воды до температуры 100° распадаются на углекислый газ и плохо растворимые соли постоянной жесткости, выпадающие в осадок и создающие на поверхностях слои трудноудалимой накипи. Поэтому конструктивные элементы кипятильников должны быть легкодоступны и удобны для проведения периодического технического обслуживания по удалению накипи, а также иметь ограниченное количество элементов, накипь на которых может влиять на работу всего кипятильника.

В конструкции кипятильника камера кипячения, закрытая сверху диафрагмой и переливной трубой небольшого диаметра, а снизу - ограниченная основанием с большим количеством болтовых соединений, является труднодоступной и неудобной для удаления накипи. Поэтому на практике при эксплуатации данных кипятильников на стенках камеры кипячения, трубе переливной и ТЭНах появляется толстый слой накипи. Внутренний диаметр переливной трубы из-за отложения на их стенках накипи существенно уменьшается.

Поверхность электродов датчиков контроля уровня воды также покрывается слоем накипи.

В результате этого, со временем, резко снижается теплоотдача ТЭНов, уменьшается пропускная способность переливной трубы, нарушается чувствительность в работе датчиков уровня воды, повышается расход электроэнергии и снижается установленная производительность.

В конечном итоге все эти факторы приводят к тому, что кипятильники быстро выходят из строя. И, как следствие, вместо упрощенного технического обслуживания требуется частая капитальная разборка всего кипятильника и более трудоемкая очистка стенок сосудов, а также более частая замена вышедших из строя ТЭНов и датчиков контроля уровня воды.

Конструкция поплавкового устройства, установленного в питательной коробке, концентрично расположенной относительно сборника кипятка, и служащего для поддержания в ней постоянного уровня воды, не имеет элементов для более точной настройки этого уровня по высоте. Поэтому, вследствие неточной установки пробки, выполняющей роль упрощенного водяного клапана, рекомендуемая высота уровня воды часто отклоняется в меньшую или в большую сторону, вплоть до уровня сигнальной трубы и слива воды в канализацию. Все это негативно отражается на работе кипятильника, в частности, на процесс парообразования в переливной трубе, и приводит к перерасходу воды.

Примененный в кипятильнике пробковый кран для предотвращения утечки воды требует особой сложной технологии по притирке конусных поверхностей пробки и корпуса крана, к тому же выполненных из дорогостоящего материала - бронзы. Кроме этого, поворотная ручка крана эргономически неудобна в работе, особенно при разливе кипятка в мелкие емкости (стаканы, кружки, чашки и пр.), требующем частых движений руками и внимательности для предотвращения недоливов или переливов.

Поэтому основными задачами, которые поставили перед собой авторы заявляемого технического решения, являются: повышение эффективности работы кипятильника путем повышения его эксплуатационной надежности и долговечности; уменьшение габаритных размеров, расширение диапазона кипятильников по производительности без изменения их конструкции и общих габаритов. кипятильник тепло баланс конструктивный

Попутно решаемыми задачами являются: повышение удобства обслуживания, снижение потребляемой электроэнергии, массы, а также снижение стоимости кипятильника.

Поставленные задачи достигаются за счет того, что в кипятильнике камера кипячения размещена внутри сборника кипятка и имеет стационарное дно с отверстиями для установки и крепления электронагревательных элементов. Отражатель выполнен в виде стакана, который размещен внутри камеры кипячения, соосно с ней, и оснащен Г- образным лабиринтным кольцом, охватывающим верхнюю кромку камеры кипячения. При этом оси камеры кипячения и сборника кипятка смещены относительно друг друга, а также относительно оси питательной коробки в одну сторону, в их свободном пространстве смонтированы поплавковые устройства, а под дном сборника кипятка внутри корпуса кипятильника размещено автоматическое пусковое устройство, соединенное с датчиком контроля уровня воды в питательной коробке и сборнике кипятка. Датчик контроля уровня воды выполнен в виде электрического магнитоуправляемого контакта, также установленного в корпусе под дном питательной коробки.

Кроме того, датчик контроля уровня воды в питательной коробке и сборнике кипятка выполнен в виде совокупности магнитоуправляемого контакта и поплавкового устройства. Последнее состоит из двух поплавков, нижнего, выполненного в форме цилиндра, оснащенного постоянным магнитом и размещенного в направляющей на дне питательной коробки над магнитоуправляемым контактом с возможностью вертикального перемещения, и верхнего поплавка, расположенного в верхней части сборника кипятка и укрепленного на одном из концов двуплечего рычага, на другом конце которого шарнирно укреплен вертикальный шток с пятачком, взаимодействующий с нижним поплавком.

При этом кран кипятильника снабжен ручкой, посредством подпружиненного штока соединенной с клапаном, выполненным из резины. На нижней части ручки с обеих ее сторон выполнены радиусные поверхности, одна из которых, меньшего радиуса, предназначена для подъема клапана на постоянную высоту, а вторая поверхность, большего радиуса, предназначена для быстрого закрытия крана посредством подпружиненного штока.

Кипение воды сопровождается значительным выделением пузырьков пара, которые, будучи намного легче воды, устремляются вверх, не успевая сконденсироваться, поскольку температура воды близка к температуре пара. При этом плотность смеси становится намного меньше и ее уровень повышается, обеспечивая выброс насыщенного паром кипятка из переливной трубы в сборник. Кипяток изменяет направление движения ударяясь о крышку-отражатель. Пар, соприкасаясь с холодными стенками питательной коробки, конденсируется и стекает в сборник кипятка. Кипяток при движении соприкасается со стенками питательной коробки, охлаждается и поэтому его температура на выходе из разборного крана на 10-15⁰С ниже температуры кипения.

После выброса порции кипятка из переливной трубы уровень жидкости понижается как в кипятильном сосуде, так и в питательной коробке. При этом поплавок опускается, и водопроводная вода заполняет питательную коробку до требуемого уровня. Через короткий промежуток времени (несколько секунд) вода, охлажденная при смешении с поступающей холодной водой, вновь закипает и происходит выброс следующей порции кипятка.

Холодная вода из питательной коробки поступает в нижнюю часть кипятильного сосуда. Одновременно в верхней части кипятильного сосуда вода кипит. Образуется направленное движение, при котором холодная вода постепенно перемешивается с горячей, за счет ее поступления в зону восходящего потока, насыщенного пузырьками пара. Теплопроводность, воды очень мала, поэтому температура верхних слоев ее в кипятильном сосуде не понижается при поступлении в его нижнюю часть холодной воды.

Из переливной трубы кипяток выбрасывается в сборник кипятка непрерывно, но в виде пульсирующей струи.

Практически все отечественные проточные электрические кипятильники цилиндрические. Соответственно цилиндрическую форму имеют водогрейный объем, переливная труба, а питательная коробка кольцевая. Слабым местом таких аппаратов является переливная труба. В ней образуется при кипении "гейзер" и активно выделяются соли кальция и магния, которые в виде накипи откладываются на стенке. Труба диаметром 30 мм полностью зарастает накипью за 2-3 месяца, если вода на входе в кипятильник характеризуется повышенной жесткостью. В этом случае возникает опасность взрыва. Кипятильник принципиально отличается от традиционных кипятильников с коробчатой формой корпуса [4]

Рисунок 1. Электрический кипятильник КНЭ: водогрейный резервуар, заполненный водой; 2- соединительная трубка; 3- электрод верхнего уровня; 4- сборник кипятка; 5-электрод верхнего уровня; 6- электрод защиты от "сухого хода"; 7- поплавок; 8- крышка; 9- отражатель; 10- отверстие; 11- питательная коробка; 12- клапан; 13- переливная труба; 14- питающий трубопровод; 15- сливной кран; 16- ТЭН; 17- кожух; 18- сливной патрубок; 19- сигнальная труба; 20- рычаг

1.3 Направления развития конструирования пищевого оборудования

Важнейшими условиями создания прогрессивного оборудования, позволяющего эффективно решать проблему комплексной переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания, являются:

- всемерное снижение стоимости новых конструкций машин на единицу производительности(мощности);

- повышение в оптимальных пределах единичной мощности машин при одновременном уменьшении их габаритов;

- снижение энергопотребления, удельной металлоемкости;

- обеспечение экономичности в эксплуатации, надежности и безопасности конструкций машин.

Реализация этих мероприятий можно осуществить как за счет использования новых конструкторских решений и автоматизированных методов расчета, так и за счет применения перспективных материалов повышенной прочности, новых экономичных профилей проката и т. п.

Применение методов оптимального проектирования технологического оборудования, основанных на использовании математического моделирования на ЭВМ, позволит в значительной степени автоматизировать процесс расчета и конструирования машин и выбрать наиболее оптимальный вариант предлагаемых решений.

Внедрение новой техники и прогрессивной организации производства дает возможность существенно поднять экономическую эффективность работы предприятий общественного питания за счет повышения производительности труда, сокращения расходов сырья и энергии.

Совершенствование технологических процессов в общественном питании будет эффективным только в том случае, если, их внедрение осуществляется на новой технической основе. При этом новая техника должна создаваться по трем направлениям. Основным является разработка и освоение техники, отвечающей современному уровню развития науки. Постоянно должна проводиться работа по созданию принципиально новых видов техники. Наряду с этим следует уделять большое внимание и модернизации действующего технологического оборудования.

Важным средством ускорения научно-технического прогресса в общественном питании является своевременная модернизация оборудования, замена морально устаревшей техники на современную, не уступающую по качеству, надежности, металлоемкости и энергоемкости лучшим достижениям науки. [3]

Сейчас на рынке представлено большое количество производителей водонагревательных приборов европейского и азиатского производств. В европейской технике вы найдете стиль, дизайн, качество изготовления и высокие цены. В азиатских кипятильниках плюсом является простота, легкое сервисное обслуживание и низкая цена. Азиатские кипятильники прослужат от 2-х лет и больше.

Когда-то воду просто грели на плитах. Но даже самые первые модели электрокипятильников убедили, насколько они удобнее и практичнее обычных чайников. И в наши дни чуть ли ни в каждой стране есть предприятия, занимающееся выпуском этого несложного электрического устройства.

Предлагаемых моделей очень много. Различаются они по объему резервуара для воды, мощности, материалу, применяемому для изготовления, дизайну. Одни модели только нагревают воду до нужной температуры, после чего она постепенно она остывает. Другие постоянно поддерживают заданную температуру.

Но, каковы бы ни были конструкции, принцип работы у вех один: источником энергии является электричество, и нагревание воды происходит от встроенных ТЭНов. [4]



2. Теплотехнический расчет пищеварочного оборудования

2.1 Определение основных конструктивных размеров

Существующие кипятильники в основном имеют цилиндрическую форму. Поэтому принимаем форму проектируемого кипятильника цилиндрической. Кипятильника типа КНЭ производительностью 25 и 50 кг/ч - настольного исполнения, а кипятильник КНЭ-100 и КНЭ-100МН производительностью 100 кг/ч - напольного исполнения. Кипятильники типа ЭКГ все настольного исполнения.

Нормальную производительность определяют по формуле:

_, (1)

где, - действительная производительность, кг/ч,

- конечная температура воды, С,

- начальная температура воды, С.

.

Рисунок 2. Конструктивная схема электрического кипятильника непрерывного действия: D_c- диаметр сборника кипятка; D_k- диаметр кожуха (корпуса); d- диаметр переливной трубы; H- общая высота; H_o- высота от дна сборника кипятка до крышки; Н_п- высота питательной коробки; Н_с- высота сборника кипятка; Н_в- высота водогрейного резервуара; h- высота переливной трубы; F- расстояние между осями ТЭНа

По конструктивному исполнению такой кипятильник является настольным.

Основные конструктивные параметры кипятильника представлены на рисунке 2. Принимаем диаметр сборника кипятка D_c равным 0,18 м, а его объем - 7,6 л.

Находим высоту сборника кипятка H_c по следующей формуле:

, (2)

где, V - объем сборника кипятка,

D_c - диаметр сборника кипятка,

D - диаметр переливной трубы (м),

0,8 - коэффициент заполнения сборника кипятка.

.

Высота свободного объема над поверхностью воды в сборнике кипятка составит: 0,2H_c, т.е. 0,2*0,385=0,077 м (3).

С учетом того, что минимальный уровень воды в переливной трубе и соответственно питательной коробке составляет 60 мм от верхней кромки переливной трубы, расстояние между верхней частью сборника кипятки и крышкой принимаемым равным 15 мм. При этом общая высота Н_о от дна сборника кипятка до крышки составит 0,4 м.

Расстояние между верхней кромкой переливной трубы и верхней частью сборника кипятка в существующих кипятильниках находится в пределах 10 … 15 мм. Принимаем это расстояние равным 15 мм. С учетом максимально допустимого уровня воды в переливной трубе от ее верхней кромки (80 мм) минимальный уровень воды в питательной коробке от крышки составит: (15+15+80)=110 мм (4).

При поддержании этого минимального уровня (для надежной работы поплавкого клапана) необходим слой воды толщиной 20 мм. Соответственно высота питательной коробки Н_п составит 130 мм.

Высоту водогрейного резервуара Н_в выбирают из расчетов высоты ТЭНа с учетом образования слоя накипи. Высоту ТЭНа, размещаемого в водогрейном резервуаре, определяют из предварительного расчета. При этом ориентировочная мощность Р проектируемного кипятильника определяют исходя из производительности 25 кг/ч и мощности, равной 3 кВт:

. (5)

Для обеспечения равномерной нагрузки по фазам принимаем три ТЭНа. Тогда мощность одного ТЭНа:

Р ₁=3,12:3=1,04 кВт. (6)

Активная длина трубки ТЭНа:

,(7)

где, D_T - диаметр трубки ТЭНа после опрессовки,

щ_T - удельная поверхностная мощность на трубке ТЭНа, Вт/см².

.

Исходя из диаметра водогрейного резервуара, равного 180 мм, принимаем, что расстояние F между осями U-образного ТЭНа равно 115 мм. Тогда длина изогнутой части (дуги) ТЭНа составит:

3,14115/2=180 мм, (8)

а длина прямолинейных участков ТЭНа:

(290-180)/2=55 мм. (9)

Соответственно общая высота ТЭНа в водогрейном резервуаре с учетом контактных стержней, выходящих в водогрейный резервуар на 10 мм, и половина диаметра ТЭНа (7 мм) составят:

10+55+115/2+7=130 мм (10).

Вместимость водогрейного резервуара:

_в (11)

где, - диаметр сборника кипятка,

_в - высота водогрейного резервуара.

.

Объем воды, находящейся в переливной трубе, V_тр определяют из расчета ее неполного заполнения (примерно на 70 мм). Высота трубы h=H_c-15=385-15=370 мм, а высота в ней столба воды h_c= 370-70=300 мм (0,3 м).

_c (12)

где, - диаметр переливной трубы,

_c - высота переливной трубы.

.

Наружный диаметр D_c кожуха кипятильника принимаем равным 303 мм, массу кипятильника- 17,5 кг. Общая высота Н проектируемого кипятильника складывается из высоты от дна сборника кипятка до крышки- Н_о, высоты водогрейного резервуара Н_в и 85 мм запаса для коммутации электропроводки, т.е.

Н=290+205+85=580 мм (13)

Сборник кипятка, водогрейный резервуар и переливную трубу обычно изготовляют из нержавеющей стали толщиной 0,8 мм, остальные элементы- из нержавеющей сталь толщиной 0,5 мм. [2]

2.1.1 Определение толщины тепловой изоляции

В качестве теплоизоляции в кипятильнике используют воздух, толщина прослойки которого:

. (4)

где - диаметр кожуха,

- диаметр сборника кипятка.

.

Для определения реальной температуры на поверхности облицовки необходимо выполнить поверочный расчет. При этом реальная температура не должна быть выше заданной. Толщину изоляции определяют по формуле:

(15)

По этой формуле после несложных преобразований определяют температуру наружной стенки:

, (16)

где, б - коэффициент теплоотдачи от наружной стенки к воздуху, Вт/(м ^{2 о}С),

л_из - теплопроводность воздуха,

t_окр - температура окружающего воздуха, равная 20 ^оС,

- температура внутренней стенки, равная 100 ^оС.

Коэффициент теплоотдачи с достаточной степенью точности может быть определен по эмпирической формуле:

б= 9,76+0,07(t_нар-t_окр), (17)

б =9,76+0,07(52-20)=12 Вт/(м ²?К).

Подставим приведенные значения, получим:

.

Полученная реальная температура поверхности облицовки (кожуха) кипятильника (45,23 ^оС) ниже заданной (52 ^оС). Соответственно принятая по конструктивным соображениям толщина изоляции соответствует предъявляемым требованиям. [2]

2.2 Тепловой баланс

2.2.1 Расчет полезного количества тепла

Затрачиваемое количество теплоты для периода разогрева и стационарного режимов работы кипятильника определяют по следующим формулам:

(18)

(19)

Мощность нагревательных элементов кипятильника определяют исходя из стационарного режима работы аппарата. По расходу энергии в период разогрева и имеющейся мощности нагревателей определяют продолжительность разогрева аппарата.

1.Полезное количество теплоты Q_пол в период разогрева- это количество теплоты, затраченное на нагревание воды в водогрейном резервуаре и переливной трубе (5,2+0,2=5,4 кг), а в стационарном режиме- на получение кипятка (35 кг):

, (20)

.

, (21)

= 4,19?35(100-10)=13198 кДж.

2. Потери теплоты наружными стенками кипятильника Q_огр в окружающую среду складываются из теплопотерь боковой поверхностью и крышкой. Теплопотерями от дна кипятильника можно пренебречь, так как температура в нижней части кипятильника практически равна температуре окружающей среды. Потери теплоты:

Q_огр=бF(t_нар-t_окр)ф (22)

Площадь теплоотдающей поверхности F:

F_бок=рD_кН, (23)

F_бок =3,14?0,303?0,69=0,656 м ²;

Площадь боковой крышки:

, (24)

F_кр.

Среднее значение температур теплоотдающих поверхностей:

для периода разогрева:

боковой (25)

;

крышки /2, (26)

.

Для стационарного режима:

; Коэффициент теплоотдачи для вертикальной поверхности (боковой) определяют по формуле:

б=9,7+0,07(t_ст-t_в) (27)

для периода разогрева:

,

для стационарного режима:

.

Коэффициент теплоотдачи для горизонтальной поверхности (крышки) определяют по этой же формуле, но полученное значение увеличивается на 30 %:

=1,3 [9,76+0,07(60-20)]=16,33 Вт/(м ²?С);

=1,3 [9,76+0,07(100-20)]=19,97 Вт/(м ²?С).

Продолжительность разогрева проектируемого кипятильника примем 600 секунд. Тогда потери теплоты стенками кипятильника составят:

для периода разогрева:

=10,64?0,656(32,6-20)600+16,33?0,072(60-20)600=80985 Дж=81 кДж;

для стационарного режима (за 3600 минут):

=11,52?0,656(45,16-20)3600+19,97?0,072(100-20)3600=1098591Дж=1098 кДж [2]

2.2.2 Расчет потерь теплоты на разогрев элементов конструкции

Потери теплоты (кДж) на разогрев конструкции кипятильника:

Q_раз=сm(t_к-t_н) (28)

где, t_к,t_н - температура элементов конструкции кипятильника соответственно конечная и начальная, С_,

с - теплоемкость нержавеющей стали, равная 0,468 кДж/кг,

m - нагреваемая масса кипятильника, кг.

Сборник кипятка, крышка, водогрейный резервуар и переливная труба нагреваются до 100 С ⁰, остальные элементы конструкции- до 45,23 С ⁰. Элементы конструкции, нагреваемые до 100 С ⁰, по массе составляет примерно 0,6 нагреваемой общей массы, а элементы конструкции, нагреваемые до 45,23 С ⁰,- примерно 0,4. Потерями теплоты на нагрев блока автоматики управления массой примерно 1,5 кг можно пренебречь. Соответственно нагреваемая масса (общая) составит: 17,5-1,5-16 кг.

Тогда: Q_раз=0,468?0,6?16(100-20)+0,468?0,4?16(45,16-20)=435 кДж. [2]

2.2.3 Потери тепла поверхностью в окружающую среду

Потери теплоты (кДж) на испарение с выходящим из кипятильника паром

(29)

где, - количество пара, выходящего из кипятильника в окружающую среду в течение 1 часа

r - теплота парообразования, равная 2256 кДж/кг.

Тогда потери теплоты на испарение:

Q_исп=37,5?0,01?2256=846 кДж.

2.2.4 Результаты расчета теплового баланса

Расходы теплоты (кДж) составят:

для периода разогрева:

(30)

,

для стационарного режима:

(31)

.

Коэффициент полезного действия з кипятильника определяют в стационарном режиме как отношение полезно используемой теплоты Q_пол ко всей теплоте , затраченной на процесс:

, (32)

.

Мощность нагревательных элементов кипятильника (кВт) определяют:

для периода разогрева:

(33)

P_раз =2552/600=4,253 кВт;

для стационарного режима:

(34)

Р_ст =15142/3600=4,206 кВт.

Мощность нагревательных элементов (ТЭНов) для кипятильника принимают исходя из большей мощности, т.е. для периода разогрева. Для обеспечения равномерной нагрузки по фазам принимают три ТЭНа. Тогда мощность одного ТЭНа:

Р ₁=4,253:3= 1,417 кВт. (35)

Мощность одного ТЭНа округляют до 1,42 кВт, тогда общая мощность нагревателей кипятильника составит 4,26 кВт. [2]

2.3 Расчет ТЭНа

Для расчета ТЭНа принимают следующие исходные данные: Р ₁=1420 Вт; U=220 в; материал трубки ТЭНа - Ст 10 с защитным покрытием; диаметр трубки ТЭНа D_т после опрессовки- 14 мм; материал спирали- нихром (удельное сопротивление с=1,1?10^-6 Ом?м).

Расчет ТЭНа сводится к определению диаметра d и длины l проволоки спирали. Диаметр проволоки спирали определяют по формуле:

(36)

где - удельное сопротивление нихрома, равное 1,1?10^-6 Ом?м,

щ_с - удельная поверхностная мощность на проволоке спирали, Вт/м ².

.

Полученный диаметр округляют до ближайшего стандартного d_ст диаметра нихромовой проволоки - 0,4 мм (0,4?10^-3м) и определяют ее длину l. Для определения l сначала определяют сопротивление проволоки спирали до опрессовки: R₀=1,3R=1,3?34,08=44,3 Ом, где R-сопротивление проволоки спирали после опрессовки, Ом (R=U²/P₁=220²/1420=34,08 Ом).

Длину проволоки спирали определяют по следующей формуле:

(37)

.

Реальная удельная поверхностная мощность на проволоке спирали:

; (38)

.

Полученная реальная удельная поверхностная мощность на проволоке спирали (22,34?10⁴ Вт/м ²) вполне приемлема, так как она меньше допустимого значения (25?10⁴ Вт/м ²) для спирали ТЭНов, работающих в воде.

Активная длина трубки ТЭНа:

(39)

где - диаметр трубки ТЭНа после опрессовки, м,

щ_T - удельная поверхностная мощность на трубке ТЭНа, Вт/м ².

.

Активная длина ТЭНа до опрессовки L_a/1,15=404:1,15=351 мм.

В соответствии с принятым ранее расстоянием между осями ТЭНа 115 мм длина изогнутой части (дуги) ТЭНа составит 180 мм, а длина активной части прямолинейного участка ТЭНа - (404-180)/2=112 мм. Соответственно общая высота ТЭНа в водогрейном резервуаре составит 10+112+115/2+7= 186,5 мм, что практически соответствует первоначально принятому значению (185 мм), поэтому необходимость в корректировке принятой высоты водогрейного резервуара отпадает.

Общая длина трубки ТЭНа составит:

после опрессовки L=L_a+2L_к=404+2?40=484 мм, где L_к- неактивная (пассивная) часть трубки ТЭНа, которая находится в пределах 40 …60 мм. Принимаем ее равной 40 мм;

до опрессовки L₀=L/1,15=484:1,15=421 мм.

Диаметр трубки до опрессовки =1,3D_T=1,3?14=18 мм.

Средний диаметр витка спирали:

(40)

где - сумма толщин стенок трубки, равная 2?1=2 мм,

- сумма толщин слоев изоляции, равная 2?2=4 мм,

- диаметр проволоки спирали, равный 0,4 мм.

.

Длина витка спирали:

(41)

.

Число витков:

(42)

.

Расстояние между витками:

(43)

.

Поскольку a>d_ст, то расчет выполнен верно и конструктивные параметры нагревателя соответствуют предъявляемым требованиям.



3. Описание теплового оборудования

Кипятильник КНЭ-100 - настольного исполнения. Состоит он из корпуса, питательной коробки, кипятильного сосуда и сборника кипятка.

В питательной коробке имеется поплавковое устройство, с помощью которого в ней поддерживается постоянный уровень воды, поступающей по питающему трубопроводу из водопровода.

В кипятильном сосуде установлены трубчатые тэны, переливная труба и сливной патрубок с пробкой.

Сборник кипятка имеет разборный кран, крышку-отбойник и отверстие, через которое кипяток при переполнении сборника кипятка попадает в питательную коробку.

Вода в переливной трубе согласно закону сообщающихся сосудов устанавливается на том же уровне, что и в питательной коробке, так как они соединены между собой питательной трубкой. При нарушении нормальной работы кипятильника кипяток удаляется по сигнальной трубе в трап.

На корпусе кипятильника установлены две лампочки, оповещающие о наличии напряжения кипятильника и работе тэнов.

Блок автоматики установлен в нижней части корпуса и служит для защиты от "сухого хода", т.е. невозможность включения тэнов при отсутствии воды.

Для защиты сборника кипятка от переполнения в нем установлены нижний и верхний электроды, которые в зависимости от уровня воды, включают и выключают нагрев тэнов.

Процесс приготовления кипятка заключается в следующем: холодная вода из водопровода поступает в питательную коробку, из нее по питательной трубе в кипятильный сосуд и переливную трубу. Когда уровень воды в переливной трубе и питательной коробке сравнивается и достигнет требуемого уровня, поплавковое устройство перекроет клапаном подачу воды из водопровода. При включенном кипятильнике тэны нагревают воду и доводят ее до кипения.

Образующиеся при этом пары поднимаются по переливной трубе, увлекают за собой часть кипящей воды, которая выплескиваясь и ударяясь об отражатель, собирается в сборнике кипятка. Уровень воды в кипятильной коробке и переливной трубе понижается. Поэтому поплавок опускается, открывает клапан, и в нижнюю часть кипятильного сосуда поступает вода из водопровода.

Из переливной трубы кипяток выбрасывается в сборник кипятка периодически, разбирать же кипяток через кран можно непрерывно.

Кипятильник устанавливается на типовом металлическом столе или подставке, в которых предусмотрено отверстие для водопроводной трубы, слива воды в трап, а также для электрического кабеля, подключаемого к магнитному пускателю автоматического пускового устройства. Заземляющий провод подводится к заземляющему болту, находящемуся на корпусе кипятильника. [5]

Таблица 2 - Технические характеристики кипятильника КНЭ-100

Производительность, л/час, не менее	100
Объем сборника кипятка, л	25
Время нагрева от 10 °С до 100 °С, мин	15
Объем сборника кипятка, л	2,5
Напряжение, В	380
Номинальная потребляемая мощность, кВт	10,5
Род тока	трехфазный переменный частотой 50 Гц
Давление воды в водопроводной сети, МПа	0,05…0,4
Габаритные размеры, мм длина ширина высота	410 327 670
Масса, кг	26



3.1 Безопасная эксплуатация

Перед началом работы проверяют санитарное и техническое состояние кипятильника, особое внимание нужно обратить на заземление и его исправность. Затем открывают вентиль на водопроводе и включают кипятильник в работу.

Места соединений проводов и шин должны быть плотно затянуты гайками, кроме того, не должно быть наложения одного провода на другой.

В процессе технического обслуживания электрод защиты от "сухого хода" очищают от накипи и контролируют продолжительность разогрева кипятильника. При несоответствии данных кипятильника его технической характеристике проверяют исправность тэнов и контактных соединений.

Неисправности, имеющие место в процессе эксплуатации кипятильников и способы их устранения приведены в таблице 5.

Таблица 3 - Возможные неисправности водонагревателей и способы их устранения [4]

Неисправности	Вероятные причины	Способы устранения
Снижена производительность кипятильника	Неисправны тэны	Заменить тэны
Из сливной трубки вытекает холодная вода	Неправильно работает питательный клапан	Отрегулировать работу питательного клапана
Из сливной трубки вытекает горячая вода	Не работает верхний электрод сборника кипятильника	Заменить электрод
Кипятильник включается после оголения верхнего электрода сборника кипятка	Нижний электрод покрыт накипью	Очистить или заменить электрод



Заключение

В данном курсовом проекте мною был сделан расчет электрического кипятильника производительностью 100 л/ч, была дана характеристика данного аппарата. Также был проведен анализ конструкций электрокипятильников, рассмотрены правила эксплуатации кипятильников.

На основе полученных знаний можно сделать вывод о процессах кипения. Кипение - процесс интенсивного парообразования, который происходит как со свободной поверхности жидкости, так и внутри неё. При этом в объёме жидкости возникают границы разделения фаз, то есть на стенках сосуда образуются пузырьки, которые содержат воздух и насыщенный пар. Кипение, как и испарение, является одним из способов парообразования. В отличии от испарения, кипение может происходить лишь при определённой температуре и давлении. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения. Как правило, температура кипения при нормальном атмосферном давлении приводится как одна из основных характеристик химически чистых веществ. Процессы кипения широко применяются в различных областях человеческой деятельности. Например, кипячение является одним из распространённых способов физической дезинфекции питьевой воды. Кипячение воды представляет собой процесс нагревания её до температуры кипения с целью получения кипятка.



Список использованной литературы

1. Оборудование предприятий общественного питания (тепловое оборудование), В.П. Кирпичников, М.И. Ботов, 2010.

2. http://5ballov.qip.ru/referats/preview/81346/1/?referat-vodogreynoe-oborudovanie.

3. Панфилов А.А. Теоретические основы пищевых технологий. 2009 г том 2.

4. http://ooopht.ru/kipjatilniki.html.

5. http://www.suharevka.ru/news/articles/detail.php?ID=19920.

6. http://www.findpatent.ru/patent/225/2254690.html.



Приложение А

Рис. Спецификация кипятильника КНЭ-100

Размещено на Allbest.ru

...