Расчет теплового оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Южно-Уральский государственный университет

(национальный исследовательский университет)

Высшая медико-биологическая школа

Кафедра «Пищевые и биотехнологии»

Расчет теплового оборудования

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине «Технологическое оборудование пищевых производств»

Автор работы

Студент группы МБ-432

К.О. Березина

Челябинск 2018



АНОТАЦИЯ

Основными целями данной работы являются: разработка конструкций жарочной поверхности, ее внешнего вида, органов управления; тепловой расчет аппарата; расчет и конструирование электронагревателей.

В курсовой работе определенно полезно используемое тепло, потери тепла в окружающую среду и потери тепла на нагрев оборудования при нестационарном и стационарном режимах работы жарочной поверхности. Также найдена мощность оборудования и произведен расчет и конструирование электронагревателей.



ВВЕДЕНИЕ

Жарочные поверхности, аппараты контактной обработки предназначены для приготовления таких блюд, как стейк, рыба, блины или омлет, путем непосредственного контакта греющей поверхности с пищей на предприятиях общественного питания. Без этого устройства сейчас не обходится ни один ресторан. Жарочная поверхность может быть, как рифленая, так и гладкая. Рифленая незаменима для приготовления стейков различного вида, гладкая - для приготовления рыбы.

Наиболее востребованы ресторанами жарочные аппараты с комбинированными поверхностями, где одна половина жарочной поверхности рифленая, а другая - гладкая. Это наиболее оптимальный вариант, который позволяет и максимально расширить ассортимент приготовленных блюд, и сэкономить на покупке двух отдельных агрегатов.

Поверхности жарочные бывают как электрические, так и газовые и устанавливаются на кухнях предприятий общественного питания и ресторанов как самостоятельно, так и в составе технологических линий.

Наиболее предпочтительным вариантом будет наличие нескольких нагревательных элементов. Благодаря им в каждой части оборудования можно выставить подходящую для конкретных задач температуру. Это позволит на одной стороне жарочной поверхности готовить, например, мясо, а на вторую складывать уже готовые куски для готовки. Выбрав модель с несколькими зонами нагрева, можно одновременно готовить несколько блюд (например, рыбу и омлет).



1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ЖАРОЧНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

1.1 Определение полезно используемого тепла

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

, (1)

где Q?' - полезно используемое тепло при нестационарном режиме;

Q?' - полезно используемое тепло при стационарном режиме.

1.1.1 Нестационарный режим

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

, кДж(2)

где Мж - вес пищевого жира, кг,Мж=0,5 кг;

Сж - 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;

tо - начальная температура пищевого жира, оС;

ф' - время нагрева жира, ч, ф'=1/3ч.

(кДж)



1.1.2 Стационарный режим

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

,кДж(3)

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;

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

t4 - начальная температура продукта, оС;

?n - истинный продукт ужарки, %: для бифштекса натурального 30%;

r - скрытая теплота испарения при атмосферном давлении, кДж/кг 

К - процентное содержание корки в продукте; рекомендуем в расчетах принимать в пределах от 15 до 25 %;

Ск - теплоемкость корочки, принять как теплоемкость сухого вещества равную 1,67 кДж/ (кг оС);

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

Мж - расход пищевого масла на обжаривание сырья в %; 

t1 - рабочая температура жира;

t0 - начальная температура жира, оС;

Часовая производительность находится по формуле:

(4)

где M? - количество одновременно загружаемого полуфабриката, шт;

ф - продолжительность цикла обработки, мин;

m - масса одного бифштекса, кг.

(5)

где S - площадь жарочной поверхности, м2;

k - коэффициент использования площади поверхности (k=0,8);

Sизд - площадь, занимаемая бифштексом.

(м2)

(м2)

Получаем, (кг/ч)

Значение скрытой теплоты испарения (r) берется в справочнике данных при атмосферном давлении 1 атм., r=2258,2 кДж.

кДж

1.2 Определение потерь тепла в окружающую среду

1.2.1 Нестационарный режим

Потери тепла в окружающую среду при нестационарном режиме складываются из потерь тепла с жарочной поверхности и потерь тепла через боковую поверхность.

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

(6)

где ?? - коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м2• час • °С;

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

tn - средняя температура поверхности ограждения, °С;

t0 - температура окружающей среды, оС;

1.2.1.1 Потери тепла с жарочной поверхности

Средняя температура поверхности ограждения определяется по формуле:

(7)

где tk - средняя температура среды.

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

для боковых поверхностей tk=70?;

б) для жарочной поверхности tk=160?.

Получаем, ?

Определяющая температура воздуха находится по формуле:

(8)

Получаем, ?

По определяющей температуре воздуха вблизи жарочной поверхности находим из справочных данных: Pr=0,697; л=0,0288; н=18,45·10-4 м2/с.



(9)

где Gr - критерий Грасгофа;

н - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с;

l - определяющий геометрический размер ,м.

Определяющий геометрический размер для вертикали равен высоте жарочной поверхности (0,9 м), а для горизонтали - длине жарочной поверхности (0,8 м).

g - ускорение силы тяжести, м/с2;

л - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м?;

в - коэффициент объемного расширения воздуха, 1/?;

?t - перепад температур между ограждением и воздухом, °С.

(10)

(11)

По формуле (9) находим:

Критерий Нуссельта Nu определяется по формуле:

(12)

Величины cи n для отдельных областей изменения произведения (Gr·Pr)можно принять из таблицы 1.



Таблица 1 - величины cи n

Gr•Pr	c	n
1·10-3 - 5·102 5·102 - 2·107 2•107-1•1013	1,18 0,54 0,135	1/8 1/4 1/3

Gr·Pr=299200·0,697=208500

По формуле (12) находим:

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

(13)

где ?к - коэффициент теплоотдачи конвекцией, кДж/м2час?;

?л - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, кДж/м2час?.

(14)

(15)

где E - степень черноты полного нормального излучения поверхности, для различных материалов определяется по данным: E=0,52;

С0 - коэффициент лучеиспускание абсолютно черного тела, Вт/(м2·К4): С0=5,67Вт/(м2·К4);

tп - средняя температура теплоотдающей поверхности, оС;

t0 - температура окружающего поверхность воздуха, оС;

Тп - абсолютная температура поверхности ограждения, К: Тп = tп+273;

Т0 - абсолютная температура окружающей среды, К: Т0 = t0+273.

По формулам (13),(14),(15):

Площадь жарочной поверхности: м2

кДж

1.2.1.2 Потери тепла через боковую поверхность

По определяющей температуре воздуха вблизи жарочной поверхности находим из справочных данных: Pr = 0,7; л = 0,027; н = 16,24·10-4 м2/с. По формулам 9 - 15:

Площадь боковой поверхности: м2

кДж

1.2.2 Стационарный режим

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

1.2.2.1 Потери тепла с жарочной поверхности

?

По определяющей температуре воздух вблизи жарочной поверхности находим из справочных данных: Pr = 0,69; л =0,0314; н = 22,1·10-4 м2/с. По формулам 9 - 15:

кДж

1.2.2.2 Потери тепла через боковую поверхность

По определяющей температуре воздуха вблизи жарочной поверхности находим из справочных данных: Pr = 0,699; л =0,028; н = 17,46·10-4 м2/с. По формулам 9 - 15:

кДж



2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ТЕПЛА НА НАГРЕВ ОБОРУДОВАНИЯ

Расход тепла на разогрев конструкции определяется из выражения:

(16)

где - тепло, расходуемое на нагрев металлических конструкций жарочной поверхности, кДж.

(17)

гдеGmi - масса i-го элемента металлической конструкции (жарочная поверхность, корпус), кг;

cmi - удельная теплоемкость материала конструкции, кДж/(кг·?);

tmi - средняя конечная температура нагрева металлоконструкции котла,?;

t0 - начальная температура металлоконструкции котла,?.

Для каждого элемента вес рассчитывается по формуле:

(18)

где - объем элемента i-ой конструкции, м3;

сi- плотность материала элемента конструкции, кг/м3.

(19)

где Fi - площадь боковой или жарочной поверхности, м2;

h - толщина металла, м.

по формулам (),() находим:



кг



3. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ

Ранее полученные потери тепла при стационарном и нестационарном режимах представлены в таблице 2:

Таблица 2 - Потери тепла при стационарном и нестационарном режимах:

Режим	Q1,кДж	Q2,кДж	Q3,кДж	Сумма, кДж
Нестационарный	351,96	375,16	1220,54	1947,66
Стационарный	5502,9	936,76	-	6439,66

Мощность оборудования определяется на основании теплового расчета:

Нестационарный режим:

Стационарный режим:



4. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Считая, что мощность одного ТЭНа в тепловом оборудовании общественного питания обычно не превышает 3…4 кВт, можно сделать вывод, что в жарочной поверхности один ТЭН.

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 3 выбираем допустимую удельную мощность W на поверхности трубки тэна в зависимости от рабочей среды.

Таблица 3 - 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

Рассчитаем полную длину электронагревателя Lполн:

(20)

Для рассматриваемого ТЭНа: ,

Таким образом:

Активная длина опрессовки La:

(21)

где Ln - длина пассивных концов трубки ТЭНа; принимается в пределах 0,04 - 0,05 м.

длина активной части до опрессовки Lal составляет:

(22)

где г - коэффициент удлинения трубки после опрессовки; принимается равным 1,15.

По формулам (21) и(22) получаем, что ;

По известному значению Lal определяем диаметр трубки корпуса ТЭНа D:

(23)

Диаметр трубки ТЭНа для теплового оборудования обычно имеет значения в пределах 8…20мм. Для данного ТЭНа получаем:

Электрическое сопротивление проволоки ТЭНа после опрессовки составляет:

(24)

где U - напряжение сети, U=380 В

Получаем

Сопротивление проволоки ТЭНа до опрессовки составляет

(25)

где ar - коэффициент изменения электрического сопротивления проволоки в результате опрессовки; принимается равным 1,3.

Получаем

Зная , можно вычислить диаметр и длину проволоки спирали, пользуясь известными зависимостями:

(26)

где d - диаметр проволоки, м; принимается в пределах от 0,0004 до 0,001м;

S - сечение проволоки, м2;

L - длина проволоки спирали (активная), м.

Длина проволоки ТЭНа согласно формуле (26) будет равна:

(27)

где d - принятый диаметр проволоки, м;

с - удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре, определяется по формуле, Ом·м2:

(28)



где с20 - удельное сопротивление проволоки при 20?; по справочным данным 1,47·103;

t - максимальная (предельная) температура нагрева проволоки спирали.

По формуле (28) получаем

Длина одного витка спирали в среднем составит:

(29)

где 1,07 - коэффициент, учитывающий пружинностью спирали при навивке;

dст - диаметр контактного стержня для навивки спирали; 0,003 м.

Число витков спирали составит:

(30)

Расстояние между витками равняется:

(31)

Для нормального отвода тепла от спирали необходимо, чтобы расстояние между витками превышало диаметр проволоки спирали в два-три раза. Однако чем больше расстояние между витками, тем лучше условия работы спирали и тем она долговечнее.

Коэффициент шага спирали:

(32)



При d=0,001м, по формуле (27) получаем:

Потребное количество проволоки ля одного элемента с учетом навивки на концы контактных стержней по 20 витков составит:

(33)

По формуле (33):

тепловой жарочный электронагреватель



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проектирования, пользуясь данными варианта, был составлен тепловой баланс жарочной поверхности в период разогрева и в режиме работы. Тепловой баланс состоит из полезно используемого тепла, потерь тепла в окружающую среду, тепла, расходуемого на нагрев конструкции (в нестационарном режиме).

На основе полученных результатов был произведен расчет трубчатых электронагревателей.



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Касимов Б. М., Сторожева Е. Д. Расчет теплового оборудования: Учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006. - 48 с.

СТО ЮУрГУ 04-2008 Стандарт организации. Курсовое и дипломное проектирование. Общие требования к содержанию и оформлению / составители: Т.И. Парубочая, Н.В. Сырейщикова, В.И. Гузеев, Л.В. Винокурова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. - 56 с.

Размещено на Allbest.ru

...