Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК.658.6:511.5

Кисимов Б.М., Сторожева Е.Д. Расчет теплового оборудования. Учебное пособие. - Челябинск: Изд.ЮУрГУ, 2004. - ….

В данном учебном пособии представлена методика расчета теплового оборудования предприятий общественного питания, варианты заданий и порядок выполнения курсового проект по дисциплине «Оборудование предприятий общественного питания».

Учебное пособие предназначено для студентов дневного и заочного отделения, обучающихся по специальности 271200 «Технология продуктов общественного питания».

Табл…., рис…., список лит.- …

1. Общие сведения

Данное учебное пособие предназначено для студентов специальности 271200 «Технология продуктов общественного питания», выполняющих курсовой проект по расчету теплового технологического оборудования.

1.1 Цель работы

Курсовой проект имеет цель получения студентами навыков в самостоятельной работе, умении пользоваться справочной литературой, развитие изобретательности, а также закрепление полученных ранее знаний по различным дисциплинам. Выполнение проекта позволит студентам уяснить всю сложность технических решений технологических задач с тем, чтобы в своей производственной деятельности правильно ставить задачи перед инженерами-механиками для создания эффективного технологического оборудования.

1.2 Задание на проектирование

Курсовой проект включает в себя расчетно-пояснительную записку и графическую часть. Графическая часть состоит из 3 листов формата А4 или А3: тепловой оборудование конструирование электронагреватель

общий вид оборудования;

схема расположения электронагревателей;

сборочный чертеж электронагревателя.

Задание на курсовое проектирование выдается преподавателем и предполагает решение следующих основных задач:

разработка конструкции теплового аппарата, его внешнего вида, органов управления;

определение размеров рабочих камер и производительности аппарата;

тепловой расчет аппарата;

расчет и конструирование электронагревателей.

Варианты заданий представлены в табл. 1.1

Таблица 1.1. Варианты заданий

Вариант, наименование оборудования	Габаритные размеры, мм	Ориентировочная мощность, кВт	Дополнительные сведения	Наименование блюда
1. Варочный аппарат	840х700х870	12,00	2 ванны с V ванны = 25 л, фр=15мин	Макароны отварные (гарнир)
2. Варочный аппарат	420х900х880	6,00	1 бак V = 40 л, фр=20 мин	Макароны отварные (гарнир)
Вариант, наименование оборудования	Габаритные размеры, мм	Ориентировочная мощность, кВт	Дополнительные сведения	Наименование блюда
3. Варочный аппарат	840х900х880	12,00	2 ванны с V ванны = 40 л, фр=20 мин	Макароны отварные (для запекания)
4. Варочный аппарат	420х700х880	9,00	1 бак V = 25 л, фр=15мин	Макароны отварные (для запекания)
5. Жарочная поверхность	800х700х900	7,50	фр=20мин	Бифштекс натуральный
6. Жарочная поверхность	400х700х900	3,75	фр=15мин	Эскалоп
Жарочная поверхность	400х900х900	5,70	фр=20 мин	Шницель натурально-рубленный
Жарочная поверхность	800х900х900	11,40	фр=25 мин	Котлеты натуральные
Жарочная поверхность	840х700х870	12,00	фр=25 мин	Котлеты рубленные
Сковорода опрокидывающаяся	800х900х900	9,10	V чаши = 90 л, фр=25 мин	Картофель жареный
Сковорода опрокидывающаяся	800х700х900	9,00	V чаши = 55 л, фр=20 мин	Гуляш
Сковорода опрокидывающаяся	840х900х880	12,00	V чаши = 70 л, фр=25 мин	Рагу овощное
Сковорода опрокидывающаяся	800х700х875	5,40	V чаши = 40 л, фр=20 мин	Печень по-строгановски
Фритюрница настольная	240х430х300	2,00	V чаши = 4л, фр=15 мин	Картофель фри
Фритюрница настольная	420х430х300	4,00	2 чаши с V чаши = 4л, фр=15мин	Пончики
Фритюрница настольная, две корзины	460х510х430	4,00	V чаши = 7л, фр=15мин	Котлеты по-киевски
Фритюрница секционно-модулированная	460х700х900	6,00	V чаши = 10л, загрузка продукта 1,7 кг, фр=20 мин	Картофель фри
Фритюрница секционно-модулированная	800х700х900	12,00	2 чаши с V чаши = 10л, фр=15мин	Пирожки с капустой
Фритюрница секционно-модулированная	400х900х900	9,00	V чаши = 15л, фр=20 мин	Пончики
Мармит паровой	420х700х310	2,50	ГН 1/1-150 1 шт., фр=15мин	Гарнир
Мармит с тепловым шкафом паровой	800х700х850	3,60	ГН 1/1-150 2 шт., фр=15мин	Картофельное пюре
Вариант, наименование оборудования	Габаритные размеры, мм	Ориентировочная мощность, кВт	Дополнительные сведения	Наименование блюда
Мармит с влажным подогревом	400х700х875	1,50	ГН 1/1-200 1 шт., фр=15мин	Котлеты жареные
Мармит с влажным подогревом	800х700х875	3,00	ГН 1/1-200 2 шт., фр=15мин	Макароны отварные
Мармит с влажным подогревом	800х900х900	4,00	ГН 1/1-100 2 шт. + ГН 1/3 - 100 2 шт., фр=15мин	Рыба отварная
Котел пищеварочный, косвенный обогрев	800х900х900	15,00	V вар.ем = 150л, фр= 40 мин	Борщ сибирский
Котел пищеварочный, косвенный обогрев	800х900х900	15,00	V вар.ем = 100л, фр= 40 мин	Рассольник петербургский
Котел пищеварочный, косвенный обогрев	800х700х875	14,1	V вар.ем = 80л, фр= 40 мин	Бульон костный
Шкаф жарочный двухкамерный	800х850х1675	11,80	Под ГН 2/1-20, фр=30 мин,	Курица
Шкаф жарочный трехкамерный	800х850х1675	17,70	Под ГН 2/1-20, фр=40 мин	Рыба запеченная
Шкаф расстойный	595х530х932	1,50	9 листов 433 х333 мм, фр=15мин	Булочка школьная (100)
Шкаф расстойный	860х590х930	1,50	9 противней 600х400 мм, фр=15мин	Булочка домашняя (100)
Печь для пиццы двухкамерная, каменная выкладка	900х885х785	8,80	Внутренние размеры: 610х 610х140, фр=30 мин	Пицца
Варочный аппарат	840х700х870	12,00	2 ванны с V ванны = 25 л, фр=15мин	Пельмени отварные
Варочный аппарат	420х900х880	6,00	1 бак V = 40 л, фр=20 мин	Пельмени отварные
Варочный аппарат	840х900х880	12,00	2 ванны с V ванны = 40 л, фр=20 мин	Пельмени отварные
Варочный аппарат	420х700х880	9,00	1 бак V = 25 л, фр=15мин	Пельмени отварные
Жарочная поверхность	800х700х900	7,50	фр=20мин	Биточки рыбные
Жарочная поверхность	400х700х900	3,75	фр=15мин	Рыба жареная
Жарочная поверхность	400х900х900	5,70	фр=20 мин	Антрекот
Жарочная поверхность	800х900х900	11,40	фр=25 мин	Бифштекс рубленный
Вариант, наименование оборудования	Габаритные размеры, мм	Ориентировочная мощность, кВт	Дополнительные сведения	Наименование блюда
Жарочная поверхность	840х700х870	12,00	фр=25 мин	Сырники
Сковорода опрокидывающаяся	800х900х900	9,10	V чаши = 90 л, фр=25 мин	Говядина тушеная с черносливом
Сковорода опрокидывающаяся	800х700х900	9,00	V чаши = 55 л, фр=20 мин	Бефстроганов
Сковорода опрокидывающаяся	840х900х880	12,00	V чаши = 70 л, фр=25 мин	Поджарка
Сковорода опрокидывающаяся	800х700х875	5,40	V чаши = 40 л, фр=20 мин	Плов
Фритюрница	240х430х300	2,00	V чаши = 4л, фр=15 мин	Рыба, жаренная в тесте
Фритюрница	420х430х300	4,00	2 чаши с V чаши = 4л, фр=15мин	Картофель фри
Фритюрница	460х510х430	4,00	V чаши = 7л, фр=15мин	Крокеты картофельные
Фритюрница секционно-модулированная	460х700х900	6,00	V чаши = 10л, загрузка продукта 1,7 кг, фр=20 мин	Рыба жареная
Фритюрница секционно-модулированная	800х700х900	12,00	2 чаши с V чаши = 10л, фр=15мин	Пельмени фри
Фритюрница секционно-модулированная	400х900х900	9,00	V чаши = 15л, фр=20 мин	Картофель фри
Мармит паровой	420х700х310	2,50	ГН 1/1-150 1 шт., фр=15мин	Рис с овощами
Мармит с тепловым шкафом паровой	800х700х850	3,60	ГН 1/1-150 2 шт., фр=15мин	Биточки паровые
Мармит с влажным подогревом	400х700х875	1,50	ГН 1/1-200 1 шт., фр=15мин	Тефтели рыбные
Мармит с влажным подогревом	800х700х875	3,00	ГН 1/1-200 2 шт., фр=15мин	Голубцы
Мармит с влажным подогревом	800х900х900	4,00	ГН 1/1-100 2 шт. + ГН 1/3 - 100 2 шт., фр=15мин	Гуляш
Котел пищеварочный	800х900х900	15,00	V вар.ем = 150л, фр= 40 мин	Щи со свежей капустой
Котел пищеварочный	800х900х900	15,00	V вар.ем = 100л, фр= 40 мин	Бульон рыбный
Котел пищеварочный	800х700х875	14,1	V вар.ем = 80л, фр= 40 мин	Суп полевой
Шкаф жарочный двухкамерный	800х850х1675	11,80	Под ГН 2/1-20, фр=30 мин,	Запеканка картофельная с мясом
Вариант, наименование оборудования	Габаритные размеры, мм	Ориентировочная мощность, кВт	Дополнительные сведения	Наименование блюда
Шкаф жарочный двухкамерный	800х850х1675	17,70	Под ГН 2/1-20, фр=40 мин	Голубцы с мясом и рисом
Шкаф расстойный	595х530х932	1,50	9 листов 433 х333 мм, фр=15мин	Ватрушка с творогом (80)
Шкаф расстойный	860х590х930	1,50	9 противней 600х400 мм, фр=15мин	Булочка дорожная (100)
Печь для пиццы двухкамерная, каменная выкладка	900х885х785	8,80	Внутренние размеры: 610х 610х140, фр=45 мин	Пицца

2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Для проведения теплового расчета в варианте задания указаны тип аппарата, его габаритные размеры, а также дополнительные сведения, включающие время разогрева, приготавливаемую кулинарную продукцию и т.д.. Задачей теплового расчета является определение максимальной и минимальной мощностей, а также проектирование и расчет электронагревателей.

Некоторые необходимые для расчетов справочные данные представлены в приложениях данного пособия. Недостающие величины при согласовании с преподавателем можно принимать ориентировочно по опыту работы или по другим литературным источникам.

При тепловом расчете оборудования с целью определения необходимого количества энергии и тепловой мощности для обработки того или иного изделия необходимо составить уравнение теплового баланса, представляющее собой сумму различных составляющих энергетических затрат, имеющих место при работе аппарата. К основным составляющим энергетических затрат при работе электрических тепловых аппаратов относятся:

полезная теплота Q_П, затрачиваемая на непосредственную обработку продукта;

потери тепла в окружающую среду Q_ср;

потери тепла на нагрев оборудования Q_об.

Перед началом теплового расчета необходимо разработать чертеж общего вида оборудования (см. прил. 10), на котором показывают особенности конструкции, расположение и тип основных органов управления, а также формы и размеры основных элементов (внешнего ограждения, рабочей камеры и др.), которые необходимы для расчета Q_П, Q_ср, Q_об. Основой для разработки этого чертежа служат заданные габаритные размеры оборудования, внутрь которых необходимо вписать рабочие камеры или поверхности. При этом следует обеспечить выполнение характеристик (условий), указанных в дополнительных сведениях задания (объем варочных камер, площадь жарочных поверхностей, количество противней и др.). Например, объем варочной емкости макароноварки (прил. 10) составляет 25 л (0,500Ч0,295Ч0,170=0,025 м³), что соответствует указанному в задании объему. Формы и размеры рабочих камер должны обеспечить удобство и безопасность работы с оборудованием. Кроме того, между вертикальными поверхностями рабочих камер и внешним ограждением оборудования, как правило, проектируют тепловые зазоры, заполненные теплоизоляционным материалом для снижения тепловых потерь и повышения эффективности работы оборудования. Толщину теплоизоляционного слоя можно определить по методике, указанной на с. 23 (формула 2.41) данного пособия.

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). Исключение составляют СВЧ-печи, индукционные (ТВЧ) плиты, некоторые виды теплового оборудования с ИК-излучателями .

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 и т.д.) 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 (квазистационарное состояние).

В общем виде уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:

для нестационарного режима

, (2.1)

для стационарного режима

, (2.2)

где Q^I и Q^II - 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 (или ).

2.1 Определение полезно используемого тепла

При расчете полезной теплоты Q_П необходимо выявить, на что она затрачивается при нестационарном и стационарном режимах работы оборудования. Прежде всего, это зависит от технологии приготовления той или иной продукции, а также от типа теплового аппарата.

А) Варочное оборудование

При расчете варочного оборудования формула для определения полезно используемого тепла Q_П, кДж, в общем виде выглядит следующим образом:

, (2.3)

где G_СМ - общее количество загруженных в варочную емкость сухих пищевых продуктов, кг

G_СМ = g₁+g₂+g₃+…+g_n; (2.4)

g₁ ,g₂ ,g₃…g_n - количество отдельных продуктов, загружаемых в варочную емкость, кг; определяется по нормам раскладки для приготовления данного блюда,

с_СМ - средняя теплоемкость смеси загружаемых продуктов в интервале температур t_K и t_H, кДж/кг ^оС.

с₁, с₂, с₃…с_n - теплоемкости отдельных продуктов, кДж/кг ^оС.

Теплоемкость отдельных продуктов принимается из таблицы или подсчитывается по формуле:

с_см = , (2.5)

а - влажность продукта в процентах по массе;

b - 100-а - количество сухих веществ, содержащихся в продукте в процентах по массе;

1,68 - средняя теплоемкость сухих веществ, кДж/кг⁰С;

t_K - конечная температура загружаемых продуктов (температура кипения), ^оС;

t_СМ - начальная средняя температура загружаемых продуктов, определяемая из выражения:

t_СМ = , (2.6)

t₁, t₂…t_n - начальная температура отдельных продуктов, ^оС.

Начальные температуры принимаются в зависимости от температуры хранения продуктов до закладки.

W - общее количество жидкости, загружаемой в варочную емкость, кг;

С - теплоемкость жидкой среды, кДж/кг ^оС;

t_Н - начальная температура жидкой среды, ^оС;

t_K - температура кипения жидкой среды, ^оС;

?W - количество влаги, удаляемой в процессе варки содержимого при нестационарном или стационарном режимах, кг;

r - скрытая теплота парообразования, кДж/кг.

Для определения количества отдельных продуктов необходимо определить количество порций приготовляемого блюда.

Количество порций п, шт., определяется по формулам:

п= , (2.7)

или

п= , (2.8)

где - коэффициент заполнения, %;

V_K - общий объем варочной емкости, л;

V_исп - объем испаряющейся жидкости в период разогрева и приготовления блюда, л.

V_п - объем одной порции готового к употреблению блюда, л;

- суммарный объем продуктов и воды, необходимых для приготовления одной порции, л. Рассчитывается как сумма отношений массы каждого компонента блюда к его плотности =.

Количество влаги, удаляемой в процессе варки отдельных блюд, определяется по формуле:

V_исп = W + W, (2.9)

где W и W - количество влаги, удаляемой в процессе кипения содержимого варочной емкости соответственно при нестационарном и стационарном режимах работы, кг. Суммарное значение W можно принимать с учетом потерь при варке определенного блюда, пользуясь Сборником рецептур.

Конкретный вид формулы при расчете Q_П в условиях нестационарного и стационарного режимов зависит от технологии приготовления изделия.

Например, при варке макарон в условиях нестационарного режима работы оборудования полезная теплота Q^I_П будет затрачиваться на доведения определенного количества воды до кипения:

, (2.10)

где G_B - количество нагреваемой воды, кг; G_B = V_K;

V_K - объем варочной емкости, м³;

- коэффициент заполнения;

- плотность воды, кг/м³; при температуре воды 60єС равна 971,8 кг/м³;

с_В - теплоемкость воды, кДж/кг ^оС, в интервале температур t_K и t_H; принять равной 4,195 кДж/кг єС;

t_H - начальная температура заливаемой воды, ^оС, при расчете t_H можно принять 10^оС;

t_K - конечная температура воды, ^оС; t_K 100⁰С;

W - количество испарившейся воды в период разогрева до 100^оС, кг. Для оборудования с герметически закрытой крышкой в период разогрева W=0. Для остальных случаев (например, опрокидывающиеся котлы) по опытным данным количество испарившейся воды принимается равным 0,5% от веса жидкости в котле.

r = 2258,2 кДж/кг - скрытая теплота парообразования воды при атмосферном давлении.

При стационарном режиме полезная теплота затрачивается на нагрев и варку макарон:

, (2.11)

где G_М - масса загружаемых макарон, кг;

с_М - теплоемкость макаронных изделий, кДж/кг ^оС;

t_H - начальная температура макаронных изделий, ^оС;

t_K - конечная температура макарон, ^оС; t_K 100 ^оС;

W - количество влаги, удаляемой в процессе кипения содержимого котла, кг. По опытным данным можно принимать равным 1,5 … 2,0% от веса жидкости в котле.

Б) Жарочное оборудование

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

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 или сковороде в режиме разогрева, пользуются формулой:

, кДж/ч (2.12)

где М_ж - вес пищевого жира, кг;

С_ж - теплоемкость пищевого жира, принять равной 1,676 кДж/ кг ^оС (для растительного масла);

t₁ - температура нагрева жира (равная температуре жарки); принимается равной 160 - 170 ^оС;

t_о - начальная температура пищевого жира, ^оС;

' - время нагрева жира, ч.

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

Количество одновременно загружаемого продукта для жарки во фритюрнице находят из выражения:

, (2.13)

где G_о - количество одновременно загружаемого продукта для жарки,
кг (шт.);

V_ч - объем загрузочной чаши фритюрницы, дм³;

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

_n - истинная плотность загружаемого продукта, кг/дм³;

_ж - плотность жира, кг/дм³;

г - кратность количества фритюрного жира количеству продукта.

Определение количества одновременно загружаемого полуфабриката при жарке в сковороде, кг, производят следующим образом:

- для полуфабрикатов обжариваемых насыпным слоем

G₀ = Sh, (2.14)

для штучных полуфабрикатов

G₀ = SK m, (2.15)

где S и S_изд - соответственно площадь пода сковороды и одного изделия;

К = 0,7…0,95 - коэффициент заполнения пода сковороды;

т - масса одного изделия, кг.

При стационарном режиме полезно используемое тепло состоит из отдельных статей расхода, которые рекомендуется определить по формуле:

Q_П" = М.с.(t₂-t₄)+0,01. _n.М.r+

+0,01. К.М.С_к(t₃-t₂)+0,01.m_ж.М.С_ж.(t₁-t_о), (2.16)

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;

с - теплоемкость продукта, кДж/ (кг ^оС);

t₂ - температура нагрева продукта, принимаемая равной 90 - 100^о С;

t₄ - начальная температура продукта, ^оС;

_n - истинный продукт ужарки, %:

для мяса жареного порционным куском 20 - 38%;

овощей (картофеля) жаренных 17 - 60%;

r - скрытая теплота испарения при атмосферном давлении, кДж/кг (см. прил. 1).

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 ^оС);

t₃ - температура образования корочки, ^оС (135-140^о);

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

t₁ - рабочая температура жира;

t₀ - начальная температура жира, ^оС;

, (2.17)

где G₀ - количество одновременно загружаемого продукта для жарения; кг (шт.);

- продолжительность цикла обработки, мин.

Тепловой расчет жарочных и пекарных шкафов обычно производят на 1 кг продукции. При этом, полезный расход тепла на выпечку или жарку изделий имеет место только при стационарном режиме. Тепло расходуется на нагрев исходного полуфабриката до оптимальной температуры, обеспечивающей готовность и доброкачественность изделий (принимается на основании данных справочной литературы или на основании опытных данных), на испарение влаги из теста и на дальнейший перегрев пара до температуры воздуха камеры или выходе из нее, а также на образование корочки.

Например, при определении теоретического расхода тепла на выпечку 1 кг пшеничных булок развесом 0,5 кг из муки 1 сорта можно принять из табл. 2.1.

Таблица 2.1. Справочные данные на выпечку хлебобулочных изделий

Упек	7 %
Влажность булки в горячем состоянии	42 %
Содержание мякиша	84 %
Содержание корки	16 %
Температуру теста, поступающего в камеру	30 оС
Температуру мякиша горячей булки на выходе из камеры	98 оС
Температуру корки	130 оС

Теоретический расход тепла на выпечку или жарку 1 кг изделия можно определить из уравнения:

(2.18)

где первое слагаемое - расход тепла на испарение влаги из исходного полуфабриката (упек, ужарка) и нагрев получившегося пара до температуры среды пекарной камеры;

второе слагаемое - расход тепла на образование корки;

третье слагаемое - расход тепла на достижение конечной среднеобъемной температуры изделия;

_n - для мучных, кондитерских и хлебобулочных изделий упек кг/кг; определяется по разности весов исходного полуфабриката и готовой продукции; он колеблется для различных изделий от 4 до 25 %; для мясных продуктов ужарка принимается в пределах:

для мяса, жаренного порционным куском 20 - 38%;

овощей (картофеля) жаренных 17 - 60%;

i_n - энтальпия перегретого пара при температуре камерной смеси на выходе из камеры и атмосферном давлении, кДж/кг; определяется по
данным прил. 1;

i_в - теплосодержание воды в полуфабрикате при температуре поступления в пекарную камеру, кДж/кг (см. прил. 1);

q_к - содержание корки в 1 кг изделия, кг/кг. Корка может быть принята за абсолютно сухое вещество, а ее количество от 0,05 до 0,17 кг/кг (5 - 17 %).

с_к - удельная теплоемкость корки, кДж/ (кг.^оС), может быть принята как теплоемкость сухого вещества равной 1,67 кДж/кг (кг.^оС);

t_к - средняя температура корки в ^оС. Можно принять равной средней арифметической между температурами поверхности корки (обычно 160 ^оС) и конечной среднеобъемной температурой изделия в конце обработки (100 ^оС);

t_т - среднеобъемная температура полуфабриката, поступающего в пекарную или жарочную камеру, ^оС,

q_м - содержание сухого вещества в 1 кг горячего изделия, кг/кг. Для определения сухого вещества можно использовать уравнение

q_м = 1 - (_м + q_к), (2.19)

где _м - содержание общей влаги в 1 кг изделий в момент выхода из камеры, кг/кг; средняя влажность, отнесенная ко всему изделию (мякиш, корка) для разных сортов различная и определяется анализом. Для данного расчета влажность булки можно принять равной 0,42 кг/кг;

с_м - удельная теплоемкость сухого вещества изделия, кДж/ (кг .^оС),
принимается равной 1,67 кДж/(кг.^оС);

с_в- удельная теплоемкость влаги в изделиях, кДж/ (кг.^оС); которая может быть принята как теплоемкость воды 4,19 кДж/ (кг.^оС);

t_м - среднеобъемная температура изделия в момент выгрузки изделия из камеры ^оС, может быть принята в пределах 95 - 98 ^оС.

2.2 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 в окружающую среду при нестационарных и стационарных режимах можно воспользоваться следующей формулой:

, (2.20)

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. Теплопотери 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 элементы поверхности оборудования определяются по формуле:

Q_ср = ; (2.21)

где F - площадь поверхности теплообмена (крышка, обечайка и т.д.), м²;

₀ - коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м²час ^оС;

t_п - средняя температура поверхности ограждения, ^оС;

t₀ - температура окружающей среды, ^оС;

- 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:

₀ = _к + _л, (2.22)

где _к - коэффициент теплоотдачи конвекцией, кДж/м²час⁰С;

_л - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, кДж/м²час⁰С.

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 щ - скорость движения конвективной среды, м/с;

v - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с;

l - определяющий геометрический размер, м; Определяющим геометрическим размером при этом выбирается наибольший линейный размер (обычно высота) или диаметр (для поверхностей круглой формы) ограждения.

а - коэффициент температуропроводности воздуха, м²/с;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

- коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м ^оС;

- коэффициент объемного расширения воздуха, 1/^оС;

= , (2.23)

_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м^2оС;

t - перепад температур между ограждением и воздухом

. (2.24)

Физические параметры для сухого воздуха при Р_в = 760мм.рт.ст.=1,0110⁵ Па приведены в прил. 1.

При свободной конвекции в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид:

Nu = c(GrPr)ⁿ, (2.25)

Величины с и n для отдельных областей изменения произведения (GrPr) можно принять из таблицы 2.2.

Таблица 2.2

GrPr	с	п
110-3-5102 5102-2107 2107-11013	1,18 0,54 0,135	1/8 ј 1/3

Определяющей температурой является полусумма температур рабочего тела (воздуха) и стенки.

Например, если средняя температура одностенной крышки пищеварочного котла к концу разогрева составляла 90 ^оС, а начальная температура ее была 20 ^оС, то средняя температура крышки в период разогрева будет равна:

,

а определяющая температура воздуха вблизи крышки:

0,5(55+20)=37,5⁰С.

В условиях стационарного режима работы оборудования за определяющую температуру принимают предельную (конечную) температуру нагрева соответствующей поверхности ограждения.

За температуру отдельных поверхностей оборудования к концу разогрева и при стационарном режиме работы можно принять:

а) для вертикальных поверхностей t_к = 60 - 65⁰С;

б) для крышек варочного оборудования t_к = 85 - 90⁰С;

в) для крышек жарочного оборудования t_к = 160 - 180 ⁰С.

По величине определяющей температуры воздуха по таблице прил. 1 выбирают физические параметры воздуха: коэффициент температуропроводности а, коэффициент теплопроводности , коэффициент кинематической вязкости v, затем находят произведение (GrPr), с и n и численную величину критерия Nu

По значению критерия Нуссельта определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией:

, (2.26)

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием _л определяется по формуле Стефана-Больцмана:

_л = , (2.27)

где Е - степень черноты полного нормального излучения поверхности, для различных материалов определяется по данным прил. 2.

С₀ - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м²К⁴); С₀ = 5,67 Вт/(м²К⁴);

t_п - средняя температура теплоотдающей поверхности, ^оС;

t₀ - температура окружающего поверхность воздуха, ^оС;

Т_п - абсолютная температура поверхности ограждения, К

Т_п = t_п+273;

Т₀ - абсолютная температура окружающей среды, К

Т₀ = t₀+273.

Расчет потерь в окружающую среду при работе жарочных и пекарных шкафов в стационарном режиме имеет некоторые особенности. Это связано с тем, что помимо теплообмена с ограждением происходят дополнительные потери на излучение и нагрев вентиляционного воздуха при открывании дверцы камеры шкафа во время загрузки и выгрузки продукции. Расчеты ведут на 1 кг продукции.

Потери тепла в окружающую среду при стационарном режиме работы рабочей камеры следует определять из выражения:

, (2.28)

В этом выражении:

первое слагаемое - потери тепла в окружающую среду четырьмя вертикальными и одной верхней горизонтальной стенками шкафа.

Второе слагаемое - потери тепла на нагрев вентиляционного воздуха.

Третье слагаемое - потери тепла излучением через дверцу.

При стационарном режиме потери тепла в окружающую среду через ограждения определяется:

, (2.29)

где - коэффициент теплоотдачи при стационарном режиме от поверхности i-того элемента ограждения в окружающую среду, кДж/м²час ^оС;

- температура поверхности ограждения при стационарном режиме, ^оС; const для данной поверхности; принять равной температуре отдельных поверхностей к концу разогрева t_к;

F_i - площадь поверхности элемента ограждения, м²;

Потери тепла на нагрев вентиляционного воздуха имеют место вследствие значительной разности температуры парогазовой среды пекарной камеры (180 - 300 ^оС) и температуры окружающего воздуха (20-25 ^оС) и происходят при открывании дверцы и через вентиляционное отверстие.

Расход тепла на нагрев вентиляционного воздуха можно рассчитать, пользуясь приближенной формулой:

, (2.30)

где _n - количество пара, образующегося при выпечке за счет испарения, влаги из выпекаемого изделия (упек), кг/кг;

Д - количество пара, поступающего в пекарную камеру для увлажнения кг/кг. Так как увлажнение паром в жарочно-кондитерских шкафах не производится, то Д = 0;

d_n - влагосодержание воздуха (т.е. количество кг влаги, содержащейся в 1 кг сухого вентиляционного воздуха) при выходе из пекарной камеры, кг/кг.

d_n определяется для влажного воздуха по заданным температуре среды пекарной камеры и ее относительной влажности;

d_о - влагосодержание воздуха, поступающего в пекарную камеру, кг/кг. Определяется для влажного воздуха и по заданным или принятым температуре воздуха и его относительной влажности.

При температуре воздуха, поступающего в камеру равной 20 ^оС и его относительной влажности 70 % значение влагосодержания

d_о = 0,01 кг/кг

При температуре воздуха, выходящего из камеры, равной 180 ^оС и его относительной влажности 40 % величина влагосодержания будет

d_n = 0,418 кг/кг

с_в - средняя весовая удельная теплоемкость воздуха, равная 1,005 кДж/кг ^оС;

t₂ - температура влажного воздуха на выходе из камеры, ^оС; t₂ = 180-200 ^оС;

t_х - температура воздуха, поступающего в пекарную камеру, t_х = 20-25^о.

Потери тепла излучением имеют место при открывании дверцы шкафа. Потери излучением через открытую дверцу следует определять, используя уравнение

(2.31)

где - степень черноты излучающего отверстия, определяется по данным прил. 2;

Со - коэффициент изучения абсолютно черного тела; Вт/ (м².к⁴);
С₀ = 5,67 Вт/(м²К⁴);

F - площадь излучаемой поверхности, м²;

F = a . в;

а - горизонтальный размер дверцы камеры шкафа, м;

в -высота дверцы камеры, м;

- угловой коэффициент излучения, можно принять = 0,76;

- количество камер, из технических характеристик оборудования;

- время, в течение которого отверстие (дверца шкафа) открыто, ч;

Т₂ - абсолютная температура среды камеры шкафа, К;

Т_о - абсолютная температура окружающего воздуха, К;

М - производительность шкафа, кг/ч.

Часовая производительность шкафа M (кг/ч), зависит от емкости пода и продолжительности подооборота и может быть определена из следующего
выражения:

M=Е•n₁•N, (2.32)

где Е - емкость пода при одновременной его загрузке, кг или шт., с указанием массы одного изделия;

n₁ - число подов или полок; из технической характеристики
оборудования;

N - количество подооборотов в течение одного часа.

За емкость пода принимается то количество килограммов или штук изделий, которое одновременно загружается на под, определяется из выражения:

Е=a•m•n, (2.33)

где a - число изделий, шт./лист;

m - масса изделия, кг;

n - число противней или листов на поду либо полке, шт., принимаются из технических характеристик оборудования.

Количество подооборотов в течение 1 часа определяется из соотношения:

N=60/ф, (2.34)

где ф - время подооборота, равное суммарному времени загрузки, тепловой обработки и выгрузки изделий, мин (см. прил. 5).

Значения числа изделий на листе a и время подооборота ф для выпечки кондитерских и хлебобулочных изделий приведены в приложении Е. Число изделий при запекании или жарке вторых мясных блюд и др. рассчитываются по формуле

а = SK, (2.35)

S - площадь листа, м²;

S_изд - площадь, занимаемая штучным полуфабрикатом, м². Принимается равной в пределах 0,1-0,2м², либо высчитывается с учетом геометрических размеров изделий.

К - коэффициент использования площади пода (К = 0,8).

При известных потерях тепла в окружающую среду Q_ср, кДж/ч, и часовой производительности камеры или шкафа М, кг/ч, потери тепла, отнесенные к 1 кг горячей продукции q, кДж/кг, можно определять по формуле:

, (2.36)

При необходимости, зная q_ср можно решить обратную задачу.

2.3 Определение потерь тепла на нагрев оборудования

Потери 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.).

Например, расчет потерь тепла на нагрев конструкции пищеварочного котла ведется только для нестационарного режима работы аппарата и определяется выражением:

, (2.37)

где - тепло, расходуемое на нагревание металлических конструкций котла, кДж;

- тепло, расходуемое на нагревание изоляции котла, кДж;

- тепло, расходуемое на нагревание воды в парогенераторе и парообразование в пароводяной рубашке, кДж.

, (2.38)

где G_mi - масса i-го элемента металлической конструкции (крышка, постамент, арматура, внутренний котел и т.п.), кг.

Для каждого элемента вес рассчитывается по формуле

, (2.39)

где V_i - объем элемента i-ой конструкции, м³;

_i - плотность материала элемента конструкции, кг/м³; Значение плотностей и удельных теплоемкостей отдельных материалов приведены в прил. 3;

c_mi - удельная теплоемкость материала конструкции, кДж/(кг^оС);

T_mi - средняя конечная температура нагрева металлоконструкции
котла, ^оС;

t₀ - начальная температура металлоконструкции котла, ^оС.

Конечную температуру по элементам конструкции можно принять:

внутренняя поверхность варочной емкости - 100 ^оС;

внешняя поверхность пароводяной рубашки - 110 ^оС;

крышка котла - 85 ^оС;

наружная обечайка (кожух) - 55-60 ^оС;

постамент - 30 ^оС;

арматура - 40 ^оС;

, (2.40)

где G_и - вес изоляционной конструкции котла, кг;

- толщина изоляционного слоя, м, определяется по формуле:

, (2.41)

где _и - коэффициент теплопроводности изоляционного материала в зависимости от средней температуры изоляции (см. прил. 3);

q =б₀(t_кож-t₀), Вт/м², - удельные тепловые потери поверхности изолированного котла;

, Вт/м^{2 о}С - коэффициент теплоотдачи от вертикальной стенки ограждения к окружающему воздуху;

с_и - теплоемкость изоляции, кДж/(кг^оС). Значение плотностей и удельных теплоемкостей теплоизоляционных материалов приведены в прил. 3;

t_и - средняя температура нагрева изоляции, ^оС.

t_и = , (2.42)

где t_вн - температура частей изоляции, касающихся наружного котла, ^оС;

t_кож - температура частей изоляции, касающихся кожуха, ^оС;

t₀ - начальная температура изоляции, равная температуре окружающей среды, ^оС;

t_огр - температура ограждения (обечайки), ^оС.^.

, (2.43)

где W_пг - вес воды, заливаемой в парогенератор котла, кг; 10кг;

с_в - теплоемкость воды, кДж/(кг^оС); С_в = 4,19 кДж/кг^оС;

t_пг - температура кипения воды, ^оС, зависящая от давления в пароводяной рубашке котла (см. прил. 1);

t₀ - начальная температура воды, ^оС;

G_п - вес пароводяной смеси, кг:

G_п = V_прп, (2.44)

V_пр - объем пароводяной рубашки котла, м³:

V_пр = Н/4(D²-d²), (2.45)

где D - диаметр наружного котла, м;

d - диаметр внутреннего котла, м;

Н - высота пароводяной рубашки (от края уровня), м;

_п - плотность пароводяной смеси, кг/м³:

_п = 1/V, (2.46)

V - удельный объем сухого насыщенного пара, м³/кг, приведен в прил. 1.

Потери тепла на разогрев конструкции камеры, происходящие при разогреве пекарных и жарочных шкафов, определяют на 1 кг продукции по выражению

(2.47)

где G_кам - вес металлических конструкций камеры, кг;

с_кам - теплоемкость металлических конструкций камеры, кДж/кг ^оС;

t₁ - средняя температура нагрева металлических частей камеры, ^оС. Можно принять t₁ = 180 ^оС;

t_о - начальная температура элементов конструкций камеры, ^оС;

М - часовая производительность камеры, кг/ч;

- время разогрева шкафа, ч, - принять из технической характеристики аппарата или задания;

G_из - вес теплоизоля...