Оборудование непрерывного действия. Разработать аппарат для замораживания гипфелей производительностью G = 200 кг/ч

Разработать аппарат для замораживания гипфелей производительностью G = 200 кг/ч. Начальная температура t_н = 20^оС, конечная среднеобъемная t_к = — 20^оС. Температура воздуха в аппарате t_пм = — 30^оС. Единичный продукт – гипфель имеет массу 0,15 кг и размеры 0,16 х 0,07 х 0,02 м.

Необходимо определить продолжительность замораживания единицы продукции; габариты аппарата, тепловую нагрузку на холодильное оборудование. Подобрать воздухоохладитель и компрессорно-конденсаторный агрегат.

РЕШЕНИЕ. Продолжительность замораживания определим по формуле Планка (15).

Теплофизические параметры теста: r_пр = 630 кг/м³; теплопроводность в замороженном состоянии l_пр = 0,84 Вт/(м×К); удельная теплоемкость охлажденного теста c_о = 2,8 кДж/(кг×К); удельная теплоемкость замороженного теста c_з = 2,3 кДж/(кг×К); доля содержания влаги в тесте w_w = 0,44; доля вымороженной влаги w = 0,75; криоскопическая температура t_кр =

= — 4,5^оС (прил. 1).

Принимаем скорость движения воздуха у продукта w = 2 м/с, коэффициент теплоотдачи соответствующий этой скорости a_пр = 12 Вт/(м²×К) [2], охлаждение продукта происходит с двух сторон.

Удельное количество теплоты, отводимой 1 кг продукции (14)

q = 2,8×(20 — (— 4,5)) + 335×0,43×0,75 + 2,3×(— 4,5 — (—20)) = 215 кДж/кг.

На основании вышеизложенного определим продолжительность процесса (пластины)

t = 215 300×630×0,01×(0,01/0,84 + 1/12)×(— 4,5 — (— 30)) = 5000 с » 1,5 ч.

Вместимость аппарата M = Gt = 200×1,5 = 300 кг.

Предполагается использование ленты шириной b_л = 0,6 м. Гипфели можно расположить длинной стороной перпендикулярно движению ленты с расстоянием между ними 0,03 м. Тогда по ширине ленты разместим 0,6/(0,16 + 0,03) = 3 шт. При общем числе гипфелей, одновременно находящихся в аппарате 300/0,15 = 2000 штук необходима длина ленты конвейера (с учетом расстояния между рядами продукта 0,02 м) L_к = 2000×(0,07 + 0,02)/3 = 75 м.

При такой длине ленты конвейера и при учете вида замораживаемого продукта, целесообразно использовать морозильный аппарат со спиральным конвейером. Стальная сетчатая лента вращается по спирали вокруг барабана диаметром 2 м. Один ряд спирали конвейера при среднем диаметре D_к = 2 + 0,6 = 2,6 м равен l_к = pD_к = p×2,6 = 8,2 м. Всего на барабане должно быть размещено n = 75/8,2 » 10 рядов конвейера. При высоте гипфеля 0,02 м, толщине сетки конвейера 0,01 м и отступа между конвейерами 0,03 м получим минимальную высоту барабана H_б = 10×(0,02 + 0,01 + + 0,03) =

= 0,6 м. Учитываем конструктивные выступы барабана с двух сторон по 0,2 м, тогда высота барабана H_б = 1 м.

Ширину аппарата (рис. 3) определяют диаметр барабана (2 м), две ширины ленты конвейера (2×0,6 м), два зазора между лентой и коробом воздуховода (2×0,1 м), два зазора между воздуховодом и корпусом (2×0,1 м), две толщины корпуса аппарата (2×0,1 м). Итого B = 2 + 2×0,6 + 2×0,1 + 2×0,1 + 2×0,1 = 3,8 м.

Рис. 4. Компоновка спирального морозильного аппарата

1 – корпус, 2 – барабан, 3 – батарея воздухоохладителя, 4 – вентилятор, 5 – спиральный конвейер

Длина аппарата больше ширины на размер воздухоохладителя в направлении движения воздуха. Принимаем L = 3,8 + 1 = 4,8 м. Высоту аппарата определяют высота барабана (1 м), высота воздухоохладителя (1 м), отступ для поворота потока воздуха (0,5 м) и две толщины корпуса (2×0,1 м).). Итого H = 1 + 1 + 0,5 + 2×0,1 = 2,9 м.

Определим тепловую нагрузку на холодильное оборудование. Необходимо учитывать, что в летний период температура воздуха в кондитерском цехе может достигать 30^оС. Предположим, что ограждение толщиной d_ппу = 0,1 м изолировано пенополиуретаном с теплопроводностью l_ппу = = 0,035 Вт/(м×К) [4]. Тогда коэффициент теплопередачи ограждения по упрощенной зависимости

k_н = l_ппу/d_ппу = 0,035/0,1 = 0,35 Вт/(м2×К).

Теплоприток через ограждения согласно формуле (4)

Q₁ = 0,35×(2×3,8×4,8 + 2×3,8×2,9 + 2×2,9×4,8)×(30 — (—30)) » 1800 Вт.

Теплоприток от замораживания гипфелей

Q₂ = Gq = 200×215/3600 = 12 кВт.

Теплоприток от охлаждения ленты конвейера, полагая что она имеет массу 75×7 = 315 кг (при плотности 7 кг/м²) и охлаждается до температуры воздуха в аппарате , можно рассчитать по следующей зависимости

Q_2л = G_кc_к(t_н — t_к)/t = 315×0,42×(30 — 0)/3600 = 1,6 кВт.

Теплоприток от инфильтрации воздуха через окна загрузки и выгрузки примем ориентировочно

Q_4и = 0,3Q₁ = 0,3×1,8 » 0,5 кВт.

Теплоприток от работы электродвигателей вентиляторов примем ориентировочно

Q_4э = 0,2Q₂ = 0,2×12 = 2,4 кВт.

Суммарная тепловая нагрузка на холодильное оборудование

Q_т = 1,8 + 12 + 1,6 + 0,5 + 2,4 = 18,3 кВт.

Воздухоохладитель подбираем по площади теплообменной поверхности (9)

F₀ = 18,3/(10×(— 30 — (— 40)) = 183 м².

Принятое значение коэффициента теплопередачи хладонового воздухоохладителя для условий замораживания k₀ = 10 Вт/(м²×К) [8] требует оттаивания инея с поверхности теплообмена через 4 ¸ 6 часов. Поэтому принимаем с запасом к установке 3 воздухоохладителя ВО 80 [11]. Воздухоохладитель имеет площадь теплообменной поверхности 80 м² и габариты 1,25 х 1,02 х 1,0 м. Дальнейшим расчетом проверим соответствие технологическим условиям вентиляторов воздухоохладителя.

Объемный расход воздуха, циркулирующего в аппарате, определим из условия создания необходимой скорости движения воздуха у поверхности продукта w = 2 м/с

V = wF_ж = 2×2,26 = 4,52 м³/с,

где F_ж = F_вит — F_пр = 5 — 2,24 = 2,26 м² – живое сечение для прохода воздуха около продукта; F_вит = p(D_б + b_л)²/4 — pD_б²/4 = p×(2 + 2×0,6)²/4 —

— p×2²/4 » 5 м² – сечение витка спирали конвейера в направлении прохода воздуха; F_пр = (0,16×0,07)×2000/10 = 2,24 м² – площадь, занятая продуктами на одном витке конвейера.

Общее сопротивление движению воздуха в циркуляционном кольце аппарата включает потери напора в воздухоохладителе Dp_в, потери напора при движении воздуха через спирали конвейера Dp_пр, потери напора на поворотах потока Dp_п, потери напора на входе в вентилятор Dp_вх, , потери напора на выходе из вентилятора Dp_вых

Dp = Dp_в + Dp_пр + Dp_п + Dp_вх + Dp_вых.

Потери напора в оребренной секции воздухоохладителя ВО 80, где сплошное ребро размерами 154 х 80 х 0,4 мм просечено 8 трубами диаметром d = 16 мм при их коридорном расположении с шагом S_тр = 0,04 м. Первые два ряда труб по ходу воздуха имеют шаг оребрения t₁ = 0,015 м, два следующих t₂ = 0,015 м. Фронтальное сечение трех воздухоохладителей, согласно чертежу [11] f = 3×0,8×0,7 = 1,68 м². Расстояние между ребрами в свету при выпадении инея толщиной d_и = 3 мм составляет a = t₁ — d_р — 2d_и = = 0,015 — 0,0004 — 2×0,003 = 0,0084 м. Коэффициент живого сечения k_ж = (S_тр — d)a/( S_тр — t₁) = (0,04 — 0,016)×0,0084/(0,04×0,015) = 0,33. Живое сечение 1-ой секции составляет f_ж1 = fk_ж = 1,68×0,33 = 0,55 м², а скорость движения воздуха в нем w₁ = V/f_ж = 4,52/0,55 = 8,2 м/с.

Потеря напора в секции воздухоохладителя при пластинчатом оребрении определяем по зависимости (10)

Dp_в1 = 0,132×(0,3/0,011)×(8,2×1,5)^1,7 = 257 Па,

где d_эв = 2×0,0084×0,018/(0,0084 + 0,018) = 0,011 м – эквивалентный диаметр суженного сечения между трубами и ребрами, м.

Во второй секции при наличии 1 мм инея получим следующие величины: a = 0,0075 — 0,0004 — 2×0,001 = 0,0051 м; k_ж = (0,04 — 0,016) х х 0,0051/(0,04×0,0075) = 0,4; f_ж2 = 1,68×0,4 = 0,67 м²; w₂ = 4,52/0,67 = = 6,7 м/с; d_эв = 2×0,0051×0,022/(0,0051 + 0,022) = 0,008 м; Dp_в2 = = 0,132×(0,3/0,008) х (6,7×1,5)^1,7 = 250 Па.

Общая потеря напора в воздухоохладителе равна 507 Па.

Потерю напора при движении воздуха через витки конвейера определяем по зависимости (16)

Dp_в = 10×2,9×2²×1,5/2 = 87 Па,

где z_пр = 2,9 – коэффициент местного сопротивления движению воздуха через витки конвейера, принят в зависимости от отношения живого сечения к сечению витка конвейера (прил. 4).

Потери напора на поворотах определяем по зависимости (16)

Dp_в = 4×0,5×3²×1,5/2 = 14 Па,

где w_п = 4,5/(3×0,5) = 3 м/с – скорость воздуха на поворотах.

Потери напора на входе в вентилятор (16)

Dp_в = 0,5×7,7²×1,5/2 = 22 Па,

где z_вх = 0,5 — коэффициент местного сопротивления на входе в канал; w_вх = 4V/(3pd_в²) = 4×4,52/(3p×0,5²) = 7,7 м/с – скорость воздуха на входе в вентилятор.

Потери напора в диффузоре на выходе из вентилятора рассчитываем по зависимости (16)

Dp_вых = 0,1×7,7²×1,5/2 = 4 Па,

где z_вх = 0,1 – коэффициент сопротивления диффузора.

Сумма потерь напора в аэродинамическом кольце

Dp₁ = 507 + 87 + 14 + 22 + 4 = 634 Па.

Напор вентилятора, приведенный к воздуху с температурой 20^оС и плотностью r₂₀ = 1,2 кг/м³

Dp₂₀ = Dpr₂₀/r_в = 634×1,2/1,5 = 517 Па.

Из осевых вентиляторов такой напор развивают многолопастные вентиляторы типа ОСО. Принимаем к установке 3 вентилятора ОСО 63/6,3, имеющие объемную подачу 1,66 м³/с при развиваемом напоре 470 Па и коэффициенте полезного действия 0,51 (прил. 5).

Потребляемая мощность электродвигателя вентилятора (13)

N = 4,52×634/0,51 » 5600 Вт.

Потребляемая мощность больше ранее принятой на 5600 — 2400 = = 3200 Вт. Расчетная теплообменная поверхность должна быть больше на 3200/(10×10) = 32 м². Принятые к установке воздухоохладители имеют необходимый запас теплообменной поверхности.

При расчетных условиях Q₀ = 18,3 + 3,2 = 21,5 м², t₀ = — 40^оС и оборотном водоснабжении с температурой воды t_w = 25^оС возможно использование компрессорно-конденсаторного агрегата АК 100-2-3 (прил. 2).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рогов И. А., Куцакова В. Е., Филиппов В. И., Фролов С. В. Консервирование пищевых продуктов холодом (теплофизические основы). — М.: Колос, 1998. — 158 с.

2. Рекомендации по проектированию холодильных установок пищевых производств малых объемов/ Л. А. Забодалова, В. С. Калюнов, А. Я. Эглит и др. — СПб - Владивосток: МАХ, 1996. — 30 с.

3. Чижов Г. Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов. — М.: Пищ. пром-сть, 1979. — 271 с.

4. Богданов С. Н., Иванов О. П., Куприянова А. В. Холодильная техника. Свойства веществ. — М.: Агропромиздат, 1985. — 208 с.

5. Рекомендации по проектированию холодильных установок мясной и молочной промышленности. Ч. I/ Под ред. Е. М. Агарева. — М.: ВНИКТИ холодпром, 1987. — 115 с.

6. Зеликовский И. Х., Каплан Л. Г. Малые холодильные машины и установки: Справ. — М.: Агропромиздат, 1989. — 672 с.

7. Гинзбург А. С., Громов М. А., Красовская Г. И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. — М.: Агропромиздат,1990. — 287 с.

8. Калюнов В. С., Эглит А. Я. Холодоснабжение предприятий по переработке молока. — СПб: СПбГАХПТ, 1998. — 39 с.

9. Калинушкин М. П. Вентиляторные установки. - М.: Высш. шк., 1979. – 224 с.

10. Холодильные машины/ Под ред. А. В. Быкова. — М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1982. — 224 с.

11. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин./ Под ред. А. В. Быкова. — М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1984. — 248 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1