Оборудование периодического действия

ХОЛОДИЛЬНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Методические указания к расчетным работам

по курсу «Холодильное технологическое оборудование» для студентов специальности 170600

Санкт-Петербург 1999

УДК 621.565 (076)

Калюнов В. С., Эглит А. Я. Холодильное технологическое оборудование. Методические указания к расчетным работам по курсу «Холодильное технологическое оборудование» для студентов спец. 170600. — СПб.: СПбГАХПТ, 1999. — 31 с.

Изложены методики расчетов различных типов холодильного технологического оборудования малой производительности.

Рецензент

Канд. техн. наук, доц. И. Б. Корнильев

Одобрены к изданию Советом факультета техники пищевых производств

Ó Санкт-Петербургская государственная

академия холода и пищевых технологий,

ХОЛОДИЛЬНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОДУКТОВ

Оборудование периодического действия

Интенсивность производства эклеров 10 кг/ч. Начальная температура продукта t_н = 30^оС, конечная в центре продукта t_к = 5^оС.

Оценить возможность охлаждения пирожных в торговом холодильном шкафу типа ШХ. Необходимо определить продолжительность охлаждения единицы продукции, требуемый грузовой объем, теплоприток к холодильному оборудованию, соответствие параметров холодильного шкафа ШХ требуемым технологическим параметрам.

РЕШЕНИЕ. Продолжительность охлаждения следует рассчитывать по методике, изложенной в учебном пособии [1]. Температуру воздуха в охлаждаемом объеме можно поддерживать в интервале от t_пм = 0^оС до t_пм = = --10^оС, если допустимо подмораживание продукта. Коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к воздуху зависит от способа охлаждения объема (скорости движения воздуха): батареей или воздухоохладителем с организованным или неорганизованным движением воздуха. Для шкафа типа ШХ характерна низкая интенсивность движения воздуха, чему соответствует коэффициент теплоотдачи a_пр = 5 Вт/(м²×К) [2].

Строгое аналитическое решение уравнений нестационарной теплопроводности известно лишь для тел правильной формы. Поэтому для конкретного продукта необходимо выбрать наиболее близкую ему геометрически правильную форму. Эклеру наиболее близка форма цилиндра. Предположим, что единичный продукт имеет массу 100 г при диаметре 0,03 м и длине 0,12 м. Определяющий размер продукта зависит от условий охлаждения. Для цилиндра, омываемого воздухом с одинаковой интенсивностью по всей окружности (полки шкафа имеют прорези), принимаем r = 0,015 м.

Теплофизические характеристики многокомпонентного продукта оценить сложно. Подробное изложение этой проблемы можно найти в специальной литературе [3]. Для решения задач холодильной техники воспользуемся упрощенными представлениями о продукте. Полагаем состав эклера в соотношении 50% сливочного маргарина и 50% заварного теста. Их теплофизические характеристики приведены в приложении 1. Плотность продукта рассчитывается по исходным данным r_пр = 4M/(p(d_пр)²l_пр) = = 4×0,1/(p×0,03²×0,12) = 1000 кг/м³. Теплофизические характеристики продукта оценивают по закону аддитивности. Удельная теплоемкость эклера

c_пр = w_с.мc_с.м + w_з.тc_з.т = 0,5×2 + 0,5×3 = 2,5 кДж/(кг×К),

где w_с.м, w_з.т – доля, соответственно, сливочного маргарина и заварного теста; c_с.м, c_з.т – удельная теплоемкость, соответственно, сливочного маргарина и заварного теста кДж/(кг×К).

Теплопроводность эклера l_пр = 0,3 Вт/(м×К) и температуропроводность a_пр = l_пр/(c_прr_пр) = 0,3/(2500×1000) = 0,12×10^—6 м²/c (см. прил. 1).

Для этих условий значение числа Био (Bi) и относительной температуры q при температуре помещения t_пм = 0^оС

Bi = a_прr/l_пр = 5×0,015/0,3 = 0,25, (1)

q = 1 — (t_к — t_пм)/(t_н — t_пм) = 1 — (5 — 0)/(30 — 0) = 0,83. (2)

По графику [1] определяем для центра цилиндра значение числа Фурье

Fo = a_прt/r² = 3,5. (3)

Продолжительность охлаждения эклера t до температуры в центре t_к = 5^оС

t = For²/a_пр = 3,5×0,015²/(0,12×10^—6) = 6800 с » 2 ч.

Требуемый грузовой объем может быть образован на основе полок холодильного шкафа ШХ. На полках располагаем эклеры с промежутками для свободного движения воздуха между торцами по 15 мм, а между рядами по 20 мм. Самый малый по объему холодильный шкаф ШХ-0,4 имеет 3 полки размерами 0,5 х 0,6 м. На такой полке можно разместить вдоль короткой стороны 3 эклера в ряд (3×0,12 + 4×0,015 = 0,42 м), по ширине шкафа 12 рядов (12×0,03 + 11×0,02 = 0,58 м) – всего 3×12 = 36 эклеров. Общая масса продукции в шкафу составит 36×3×0,1 = 10,8 кг. При заданной производительности общее количество одновременно охлаждаемых эклеров составит

M = Gt = 10×2 = 20 кг.

Следовательно, для охлаждения продукции необходимо наличие двух холодильных шкафов ШХ-0,4. Необходимо отметить два обстоятельства: холодильный шкаф ШХ-0,8 имеет в 2 раза больший охлаждаемый объем, однако холодопроизводительность его агрегата лишь на 25% больше, чем у ШХ-0,4; дно охлаждаемого объема нежелательно использовать для охлаждения продуктов, так как процесс охлаждения для продуктов здесь размещенных станет односторонним и скорость движения воздуха у продуктов будет минимальная. Для хранения уже охлажденных эклеров в лотках объем можно использовать полностью.

Определение тепловой нагрузки на холодильное оборудование начинаем с расчета теплопритока через ограждения

Q₁ = k_нF_н(t_н — t_пм), (4)

где k_н – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К); F_н – площадь ограждений, м².

Коэффициент теплопередачи ограждения оценим по упрощенной формуле, исходя из наличия d_псб = 0,1 м пенополистирола ПСБ-С в качестве теплоизоляционного материала. Расчетное значение теплопроводности ПСБ-С l_псб = 0,045 Вт/(м×К) [4]. Тогда коэффициент теплопередачи ограждения

k_н = l_псб/d_псб = 0,045/0,1 = 0,45 Вт/(м²×К).

Общая площадь поверхности всех ограждений, учитывая высоту теплоизолированного объема 1,4 м, составит

F_н = 4×1,4×0,75 + 2×0,75×0,75 = 6,5 м².

Предполагаем, что температура на участке производства эклеров t_н = = 30^оС, при этом теплоприток через ограждения составит (4)

Q₁ = 0,45×6,5×(30 — 0) » 100 Вт.

Теплоприток при охлаждении продукта принято, в настоящее время, определять по зависимости

Q₂ = kMc_пр(t_н — t_к)/t = 1,5×10×2500×(30 — 5)/6800 = 130 Вт, (5)

где k – коэффициент неравномерности теплопритока за период охлаждения.

Реальный максимальный теплоприток при охлаждении продуктов можно определить по формуле

Q₂ = a_прSF_пр(t_н — t_пм), (6)

здесь SF_пр 100pd_прl_пр = 100×p×0,03×0,12 = 1,2 м² – суммарная площадь поверхности 10 кг (100 штук) эклеров загружаемых в один холодильный шкаф.

Тогда

Q₂ = 5×1,2×(30 — 0) = 180 Вт.

Теплоприток от инфильтрации наружного воздуха при открывании дверей для загрузки

Q_4дв = F_двq_двt_о/t_ц = 0,84×6000×90/6800 = 60 Вт, (7)

где F_дв = 1,4×0,6 = 0,84 м² – площадь дверного проема; q_дв = 6 кВт/м² -- плотность теплового потока через дверной проем при температурном напоре по обе стороны двери 30 К [5]; t_о – продолжительность открытия двери за период цикла t_ц = 6800 с.

Общий теплоприток составляет

Q_т = 100 + 180 + 60 = 340 Вт.

Оценка соответствия холодильного шкафа ШХ-0,4 требуемым технологическим условиям. Для того, чтобы производимые с интенсивностью 10 кг/ч эклеры охлаждать за период в 2 ч необходимо располагать поверхностью теплообмена 3×0,5×0,6×2 = 1,8 м² в объеме с температурой воздуха t_пм = 0^оС и естественной циркуляцией воздуха. Холодильное оборудование должно быть способно отводить 340 Вт теплоты.

Техническая характеристика холодильного шкафа ШХ-0,4:

· температура воздуха в шкафу – 1 ¸ 3^оС;

· площадь полок и дна – 1,2 м²;

· теплообменная площадь батарей – 3,1 м²;

· марка холодильного агрегата – ВС_р 400;

· номинальная холодопроизводительность – 405 Вт.

Площадь полок холодильного шкафа (без учета дна) строго соответствует расчетной. Регламентная температура воздуха 1 ¸ 3^оС выше технологически требуемой, однако номинальная холодопроизводительность (400 Вт) превышает расчетную, что гарантирует возможность понижения температуры воздуха до 0^оC. Поверхность охлаждающей батареи F₀ = = 3,1 м² и не очень высокое значение коэффициента теплопередачи оребренной поверхности труб k₀ = 4 Вт/(м²×К) требуют большего перепада температур у охлаждающей батареи. Тогда температура кипения хладагента t₀ должна быть

t₀ = t_пм — Q_т/(k₀F₀) = 0 — 350/(4×3,1) » — 30^оС.

Столь низкая температура кипения приводит к значительным энергетическим затратам. Необходимо отметить, что 340 Вт — это максимальный теплоприток, имеющий место в течение нескольких минут. В процессе его дальнейшего уменьшения происходит повышение температуры кипения и, соответственно, снижение энергозатрат. Например, при теплопритоке Q_т = 200 Вт достигает температура кипения величины t₀ = — 16^оС.

Очевидно, что торговое холодильное оборудование, предназначенное для хранения продуктов, не приспособлено для работы в качестве аппарата холодильной обработки. Для этих целей желательно приобретение специализированного холодильного оборудования. В данном случае, возможно, использование холодильного шкафа ШХ-И, имеющего следующие технические характеристики [6]:

· температура воздуха в шкафу в период охлаждения – минус 5 ¸ 0^оС;

· температура в шкафу в период хранения – 2 ¸ 6^оС;

· продолжительность охлаждения 140 кг продукции – не более 2 ч;

· температура продукции, поступающей на охлаждение – не выше 75^оС;

· температура продукции после охлаждения в центре – 10^оС;

· температура продукции после охлаждения на поверхности -- 0^оС;

· холодопроизводительность холодильной машины 1МКВ-1-2 – 5,2 кВт;

· габаритные размеры – 1 х 0,4 х 0,8 м.

В качестве охлаждающих приборов использованы воздухоохладители. Продукты располагают на специальном стеллаже, который после заполнения эклерами закатывают в грузовой объем шкафа. Отметим, что холодопроизводительность оборудования на порядок больше, чем у шкафа ШХ-0,4.