Расчет элементов конструкции тепловых аппаратов

 

Толщину тонкой стенки стального цилиндрического корпуса, при действии на него внутреннего давления, определим по формуле:

 

S = , м (4.4)

 

где D - внутренний диаметр аппарата, м;

p - избыточное давление;

j - коэффициент прочности сварного шва, принимается равным 0.85;

s_д - допустимое напряжение материала на растяжение, для стали принимаем 120 МПа;

с - запас на коррозию и дополнительные нагрузки (1...3 мм).

При действии на стенку цилиндрического корпуса аппарата наружного давления ее толщина определяется по формуле

 

S =0,02 D₁ , (4.5)

 

где D₁ - наружный диаметр, м;

P₁ - наружное давление, МПа.

Для аппаратов работающих под разрежением (независимо от его величины) толщина стенки определяется по формуле

 

S = 0,009D + c, (4.6)

 

Толщина стенок для обечаек, работающих под наливом и атмосферным давлением определяется по рекомендациям

 

D, м до 0,4 0,4... 1,0 1,0... 2,0 2,0... 4,0

S, мм 2 3 4 5

 

Толщину сферического днища (крышки) определим по формуле

 

S₁ = + с, м (4.7)

 

где r - радиус сферы, м.

Окончательно принимаемая толщина днища (крышки) должна быть не менее толщины обечайки. Диаметр трубы для подвода и отвода жидких сред, в т.ч. пара, определяется по формуле:

 

d = 1,13 , м (4.8)

 

где П - расход вещества, кг/с;

r - плотность перемещаемой среды, кг/м³ ;

u - скорость движения среды, м/с.

Задание 7

 

7.1. Корпус сепарационной части вакуум-выпарного аппарата, работающего под разрежением до 720 мм. рт. ст., предложено изготовить из листовой легированной стали толщиной 8 мм. Диаметр корпуса 2 м. Достаточна ли при этом выбранная толщина стального листа? Не завышена ли она?

7.2. Бак водонапорной башни консервного завода имеет вертикальную цилиндрическую обечайку диаметром 4 м, для изготовления которой предполагается использовать листовую сталь толщиной 6 мм. Определите, насколько правильно такое решение.

7.3. По данным предыдущей задачи определите толщину стенки эллиптического днища.

7.4. Проверьте, достаточна ли толщина сферического стального днища аппарата 6 мм для использования аппарата при давлении пара 0.6 МПа, если радиус закругления днища составляет 2 м, а допускаемое напряжение в металле днища 126 МПа.

7.5. К обжарочной печи должно подводиться 1300 кг/ч пара давлением 1,13 МПа. Скорость движения пара примите в соответствии с рекомендациями и определите диаметр паропровода.

7.6. К автоклавному отделению приложен трубопровод диаметром 57/50 мм. Сколько воды может быть подано по нему за час?

 

Практическое занятие № 5

Расчет процесса дефростации и оборудования для его осуществления

 

Известны следующие способы размораживания рыбы: на воздухе при различной температуре, влажности и скорости движения; в воде методом погружений и орошений; в растворе поваренной соли; во льду; с помощью теплопередающих контактных устройств; паром под вакуумом; электротоком промышленной частоты; током высокой частоты; ультразвуком. Наибольшее распространение получило размораживание на воздухе, в воде, в солевых растворах.

Размораживание на воздухе характеризуется медленным протеканием процесса, усушкой рыбы, ограниченными возможностями механизации, потребностью в больших площадях, трудностью поддержания хороших санитарных условий в помещениях для размораживания. Существенным недостатком размораживания рыбы в потоке воздуха является значительная окислительная порча жира.

В жидкой среде размораживают в основном среднюю и мелкую рыбу. В качестве жидкой среды используют пресную или морскую (в судовых условиях) воду температурой не выше 15...20°С или растворы повареной соли плотностью 1,02...1,20 г/см³ и температурой 15...24 °С.

Допускается подогрев жидкой среды перед загрузкой сырья до 40 °С при условии, что температура ее после загрузки понизится до 20°С. Размораживание осуществляют в дефростерах или ваннах с ложным дном при соотношении рыбы и воды 1:2. Высота слоя рыбы в ванне не должна превышать 0,8 м. При размораживании путем погружения рыбы в жидкость целесообразно использовать проточную воду (скорость потока 0,5...1,5 м/ч) или перемешивать периодически сменяемую воду путем подачи в ванну сжатого воздуха. Продолжительность размораживания в воде не должна превышать 2 ч для мелкой рыбы и 6 ч. - для средней. Чтобы избежать излишнего набухания, по окончании размораживания рыбу следует немедленно извлечь из воды.

Практикой доказано, что для размораживания мелкой рыбы лучше использовать дефростеры оросительного типа. Блок мороженой рыбы, поставленный на ребро и орошаемый струйками воды, подвергается не только тепловому, но и гидромеханическому воздействию. Поток тепла в струйках расплавляет кристаллы льда в рыбе и ледяные спайки между ее кожными покровами в блоке, в результате чего создаются благоприятные условия для теплообмена в следующих слоях - процесс размораживания ускоряется. Размороженная рыба сохраняет плотную консистенцию, в то время как при размораживании погруженном в воду мелкая рыба набухает, консистенция ее ослабляется. Увеличиваются технологические потери и снижается качество готовой продукции.

Размораживание в воде в результате интенсивного теплообмена между рыбой и водой протекает быстрее, чем на воздухе, нет усушки, сохраняются вкусовые качества рыбы, возможна механизация процесса, одновременно с размораживанием происходит мойка рыбы, однако наблюдается потеря небольшого количества сухих веществ (органических и минеральных) и набухание рыбы.

Растворы поваренной соли применяют в основном при совмещении размораживания с посолом. При этом сокращается весь цикл производства, что позволяет выпускать больше готовой продукции за смену, экономить пресную воду, емкости и рабочую силу. Совмещенный процесс размораживания и посола мелкой рыбы используют при приготовлении полуфабриката для копчения и пряного посола, при производстве консервов продолжительность его зависит от размера рыбы и составляет 1- 6 ч.

При производстве продуктов горячего и холодного копчения из крупной мороженой рыбы, в связи с низкой теплопроводностью ее тканей и со слабой диффузией соли в продукте процесс размораживания рыбы совмещается с посолом и длится 8-10 ч.

Как всякий тепловой процесс, размораживание с помощью внешнего теплоносителя описывается формулой

 

a(t₁ - t₂ )Ft = -c(t₀ - t_н)М – rM (5.1)

 

где a - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к размораживаемому продукту, Вт/(м^2.К);

t₁ - температура теплоносителя, К;

t₂ - температура поверхности размораживаемого продукта, К;

F - поверхность размораживаемого продукта, м² ;

t - время размораживания, с;

с – теплоемкость продукта, кДж/(кг^. К);

t₀ и t_н – температура теплоносителя на входе в аппарат и на выходе из него, К;

r - удельная теплота размораживания, Дж/кг;

М - масса размораживаемого продукта, кг.

В зависимости от условий теплообмена продолжительность размораживания рыбы в воде при существующих конструкциях дефростеров колеблется от 50 до 95 мин. Продолжительность процесса определяется теплофизическими свойствами замороженной рыбы, и при конвективном теплообмене существенного ускорения процесса добиться невозможно. Следовательно, производительность дефростера будет зависеть только от количества рыбы, одновременно находящейся в аппарате.

 

Производительность дефростера (в кг/ч) рассчитывается по формуле

 

G = m ^. n /t, (5.2)

 

где m - масса одного блока, кг;

n - количество блоков, находящихся одновременно в дефростере;

t - продолжительность размораживания, ч.

Из приведенной зависимости видно, что единственная возможность увеличить производительность дефростера - увеличить массу рыбы в дефростере. Однако при существующих конструкциях такое увеличение ограничивается габаритами блоков мороженой рыбы (больше семи блоков на погонном метре транспортирующего устройства разместить невозможно). При этом условии, если скорость движения транспортирующего устройства 0,07 м/с и продолжительность процесса 60 мин, максимальная производительность дефростера составит 1800 кг/ч.

Общая тенденция развития современной техники-сокращение производственного процесса, что повышает производительность труда и увеличивает выпуск продукции. Продолжительность процесса дефростации в общем виде есть функциякритерия Био, геометрии (конфигурации) нагреваемого материала и разности температур. Разность температур ограничивается разностью между температурой таяния льда и температурой греющей среды.

Технологической инструкцией температура среды при размораживании конвективным теплопереносом ограничивается - при повышенных температурах обнаруживаются денатурационные изменения белка. Таким образом, единственным способом увеличения производительности дефростеров является увеличение количества одновременно обрабатываемого материала. Это требует принципиально иных конструктивных решений по сравнению с существующими.

Количество дефростеров, необходимое для выполнения сменной программы цеха, рассчитывается по формуле

 

N = M / G ^. 8 (5.3)

где М - количество рыбы, поступившей на обработку, кг/смену;

G - производительность дефростера, кг/ч.

В общем виде передача тепла брикету описывается общеизвестным уравнением (7.20)

Q = aFc(t₁ - t₂) (5.4)

 

Расход тепла (в кДж/ч) конкретно на дефростацию рыбы определяется по формуле (4.4)

 

Q = G c_м (t₁ - t₂) + GWw r + Gc(t - t₁ ), (5.5)

 

где G - производительность дефростера, кг/ч

с_м - удельная теплоемкость замороженной рыбы, кДж/ч;

t₁ - температура плавления льда, К;

t₂ - температура рыбы перед дефростацией, К;

W - содержание влаги в рыбе, кг/кг;

w - доля вымороженной влаги;

r - теплота таяния льда кДж/кг);

с - удельная теплоемкость дефростированной рыбы кДж/кг;

t - температура рыбы в конце дефростации, К.

Расход тепла (в кДж/ч) при нагревании сухих веществ рыбы, льда и незамерзающей части воды до температуры плавления льда составит из формулы (7.2)

Q₁ = G c_м (t₁ - t₂)

Массовый расход воды необходимой для размораживания рыбы

 

G_в = Q_т /с_в Dt_в , (5.6)

 

где с_в - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг^.К);

Dt_в - разность между температурами воды при входе в аппарат и выходе из него (D t_в = 10°С).

Объемный расход воды на размораживание рыбы

 

V_в = G_в /r_в , м³/сек (5.7)

 

Скорость движения воды в живом сечении аппарата определяют по формуле

w_в = V_в /F_ж , м/сек (5.8)

Площадь живого сечения для прохода воды в аппарате находят по уравнению

F_ж= ( _бл +2d_з) (H_кт + 2d_з) - n_бл l_бл d_бл , м² (5.9)

 

где _бл - длина замороженного блока рыбы, м;

d_з -зазоры между контейнером и стенками аппарата,м (d₁ = d₂ = d₃ =0,03 м);

H_кт - высота контейнера с блоками, м (рис.1);

n_бл. - количество блоков в контейнере;

d_бл - толщина замороженого блока, м.

 

Рис.2.Контейнер с блоками

Так как скорость движения воды в аппарате очень мала, примем схему аппарата с рециркуляцией воды в нем. Зная скорость движения воды в живом сечении аппарата определим ее действительный массовый расход

 

G_в.д. = G_в +G_рец = F_ж w_в.д. r, кг/сек (5.10)

 

где v_в.д. – скорость движения воды, м/сек.

Отсюда массовый расход рециркуляционного потока воды

 

G_рец = G_в.д. - G_в, кг/сек, (5.11)

 

а его объем V_рец = G_рец /r, м³/сек.

Для создания циркуляции воды в аппарате принимаем насос.

Действительная температура воды на входе в аппарат

 

t_в.д. = (5.12)

 

Продолжительность размораживания блока до криоскопической температуры найдем, используя формулу Планка.

 

t = (5.13)

 

где q₃ - удельное количество затрачиваемой теплоты, Дж/кг;

r - плотность продукта, кг/м³;

s - толщина продукта, м;

t_кр и t₀ – криоскопическая температура продукта и температура окружающей среды, К;

l₃ – коэффициент теплопроводности размороженного продукта, Вт/(м К);

a - приведенный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К).

 

Удельное количество теплоты, подводимой к продукту при его размораживании, температуру начала оттаивания соков в рыбе и теплопроводность размороженной рыбы находим в справочниках. Коэффициенты R и P находим в зависимости от вспомогательных коэффициентов b₁и b₂ R=0,1037; P = 0,3846.

Ширину замороженного блока b_бл принимают равной 0,25м.

Коэффициент теплоотдачи от воды к площади поверхности размораживаемого блока зависит от режима движения скорости. При определении числа Рейнольдса в качестве определяющего размера принимаем высоту канала (зазор между блоками h_к = d_э = 0,015 м. Кинематическую вязкость воды находят при температуре рециркулирующего потока t_{вl д} = 11,32°С.

Вместимость аппарата определяют из зависимости

 

G¢ = G t_ц, кг (5.14)

 

где t_ц – время цикла размораживания, ч;

G – производительность аппарата, кг/ч.

Количество контейнеров, одновременно находящихся в аппарате, находят по зависимости

 

Z = G / G_кт (5.15)

 

Масса рыбы в одном контейнере,

 

G_кт = u_бл r_пр n_бл , кг (5.16)

 

где r_пр - плотность продукта, кг/м³ (r_пр =1000 кг/м³);

n_бл - число блоков, сдвоенных в одном контейнере (n_бл =12).

 

Длина погружной ванны аппарата

 

L_в = Z(b_бл +d_з ), м (5.17)

 

где d₃ – толщина блока рыбы, м.

 

Задание № 8

 

8.1. Определить массовый расход воды и продолжительность размораживания блока рыбы в аппарате погружного действия при его производительности 1200 кг/ч, если температура воды +18°С, начальная температура рыбы - 20°С, а конечная - 0°С.

8.2. То же, при производительности аппарата 800 кг/ч, температура воды + 15°С, начальная температура рыбы -18°С, а конечная +1°С.

Практическое занятие № 6

Расчет энергетических показателей для процесса бланширования

 

При бланшировании пар и нагретый воздух входят в непосредственный контакт с продуктом. Бланширователи предназначены для частичного обезвоживания тканей рыбы в результате тепловой денатурации белков.

Производительность бланширователей зависит от продолжительности процесса и вместимости аппарата, время бланширования, необходимое для достижения требуемого технологического результата, зависит от способа укладки в банки, размеров кусков рыбы, а также от номера банки. Однако интенсивность теплообмена в аппарате и не очень больше различия в массе прогреваемой рыбы, сложенной в банку, позволяют принять среднюю продолжительность бланширования равной 45 мин.

Вместимость аппарата связана с его конструктивными данными: количество кассет и их размерами. Если в кассету бланширователя помещается десяток банок № 3,2,8 с внешним диаметром 102 мм, то банок с меньшим диаметром (№5,6) в кассете будет 12 шт., № 17 - 13 шт., № 19-15 шт. При одинаковом количестве кассет и одинаковой продолжительности бланширования в единицу времени в бланширователь будет поступать (и соответственно покидать его) банок № 6 - на 20%, № 17 - на 30 %, № 19 - на 50% больше, чем соответственно банок № 2,3 и 8.

Основные типы бланширователей, устанавливаемые в настоящее время на консервных заводах, рассчитаны на следующую производительность: ИБ1П - 288 банок/мин (№ 6); ИБ2П- 180 банок/мин; ИСС-6 - 70 банок/мин и Н2-ИТА-206 - от 84 до 144 банок/мин. Однако использовать эту производительность не всегда возможно. Дело в том, что для обеспечения производи

 

тельности 280 банок в минуту необходима соответствующая производительность участка наполнения банок рыбой. Имеющиеся для этой цели механизмы рассчитаны максимально на 120 банок в минуту (Ф-1 и ИНА-505). Для ИБ2П и ИТА-206 производительность бланширователя будет зависеть от производительности аппарата предыдущей операции.

При термической денатурации белков мышечной ткани рыбы греющей средой могут служить вода, растительное масло, водяной пар, горячий воздух, ИК-излучение. С точки зрения качества продукта лучшим теплоносителем считается растительное масло, однако нагрев в масле увеличивает расходы на производство продукции и усложняет технологический процесс. Так как нагрев производится при атмосферном давлении, температура рыбы не может быть выше 100°С. Практически температура рыбы в центре банки не превышает 75...80 °С.

В настоящее время самым распространенным методом бланширования является комбинация нагрева водяным паром при давлении 98,1 кПа и воздухом температурой 120...130°С. Высокий коэффициент теплоотдачи от пара к материалу обеспечивает быстрый его прогрев, а горячий воздух удаляет остатки конденсата и частично подсушивает ткани. В случае недостаточного обезвоживаня во время бланширования при последующей стерилизации может возникнуть разрушение тканей (перевар), снижающее качество консервов. Таким образом, тепловой процесс бланширования состоит из двух этапов: проварки и подсушки. В первом периоде расход тепла связан с нагревом продукта, во втором - с испарением влаги.

Расход тепла Q₁ в первом периоде рассчитывается по формуле (7.2)

 

Q₁ = G₁ c₁ Dt₁ + G₂ c₂ Dt₂ , кДж

 

где G₁ - масса рыбы, проходящей через аппарат в течение часа, кг;

G₂ - масса тары (банок), проходящей через аппарат в течение часа, кг;

с₁ - удельная теплоемкость рыбы,кДж/(кг^.К);

с₂ - удельная теплоемкость тары, кДж/(кг^.К);

D t₁ - разность температур между паром и продуктом, К;

D t₂ – разность температур между паром и тарой, К.

 

Масса рыбы, проходящей через бланширователь в течение часа, зависит от вместимости банок и их количества и рассчитывается по формуле

 

G₁ = Пg, кг (6.1)

 

где П- производительность бланширователя, б/мин;

g - вместимость банок, кг.

Масса тары зависит от ее размера и материала. Эта зависимость приведена в табл. 3

 

Зависимость массы тары от ее размера

Таблица 3

№ банки	Масса, г	№ банки	Масса, г
	жести	алюминия		жести	алюминия
		17,2		43,3	14,9
	40,8	14,0		38,8	13,4

 

В I периоде за счет тепловой денатурации белков теряется 15...18 % влаги от массы продукта, что приводит к изменению его теплоемкости. Для расчетов принимается среднее значение из величин, получаемых при расчете теплоемкости по химическому составу рыбы до и после бланширования.

По требованиям технологического процесса разделки температура рыбы, поступающей на бланширование, не должна превышать 25°С, а в конце первого периода - 70...75 °С. Температура металла банки должна быть на 10...15 °С выше.

Количество тепла Q₂ , затрачиваемого во II периоде, рассчитывается по формуле

 

Q₂ = G₁¢c₁ Dt¢₁ + G₂ c₂ Dt¢₂ + G¢₁() r / (100 - ), кДж (6.2)

 

где G₁¢ - масса рыбы с учетом ее уменьшения за счет потери влаги при проварке;

с₁ и с₂ - удельная теплоемкость соответственно рыбы и тары, кДж/кг^.К;

G₂ - масса тары, проходящей через бланширователь в течение часа, кг;

Dt₁ - разность температур между воздухом и рыбой;

Dt¢₂ - разность температур между воздухом и тарой (t_т = 80°С);

- влажность материала перед вторым периодом (w₂ »62%);

- влажность материала по окончании бланширования (w₁»54%);

r - теплота испарения, кДж/кг.

Средняя температура рыбы по окончании бланширования должна быть не меньше 85 °С. Во втором периоде из рыбы испаряется 5...8 % воды в расчете на массу поступающей в бланширователь рыбы.

Все это тепло поступает с нагретым воздухом, количество которого рассчитывается на основании теплового баланса:

 

L(I₂ - I₁) = Q₂ , кг/ч (6.3)

 

где L - расход нагретого воздуха, кг/ч;

I₁ - теплосодержание воздуха до его нагрева, Дж/кг;

I₂ - теплосодержание нагретого воздуха при выходе его из бланширователя, Дж/кг;

 

Q₂ - количество теплоты во II периоде, Дж.

Исходя из того, что в процессе подсушки температура воздуха не меняется (изотермическая сушка), а влагосодержание воздуха возрастает до относительной влажности 30%, расход воздуха рассчитывают по уравнению

L = Q₂ / [t_в(d₂ - d₁) c w], кг/ч (6.4)

 

где t_в - температура воздуха в бланширователе;

d₁ - влагосодержание воздуха до входа в бланширователь, г/кг;

с_в - удельная теплоемкость влаги кДж/кг^. К.

Начальную характеристику воздуха принимаем следующей:

t_в = 120°С, относительная влажность j₁ = 10%, тогда находим все необходимые параметры.

Кроме перечисленного некоторое количество тепла расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду. Эти потери складываются из теплообмена конвекцией и излучением. По требованиям охраны труда температура поверхности аппарат не может превышать 40°С, температура в помещении, где установлен бланширователь, не должна быть ниже 20 °С, следовательно, разность должна быть не более 20°С. При такой небольшой разности температур потерями на излучение можно пренебречь. Тогда потери составят из формулы (7.20)

Q_п = aF(t_ст - t_в)3,6,кДж

 

где a - суммарный коэффициент теплоотдачи от

стенки аппарата к воздуху;

F - поверхность аппарата;

t_ст - температура стенки (t_ст = 40°С);

t_в - температура воздуха (t_в = 20°С).

Расход пара на участке проварки рыбы

 

D₁ = (Q₁+Q¢_п ) / (i_п - i_к1 ), кг (6.5)

 

где Q_п ¢ - потери тепла в окружающую среду на участке проварки

i_п - теплосодержание греющего пара при абсолютном давлении 0,5МПа;

i_к1 - теплосодержание конденсата (пар конденсируется при атмосферном давлении).

Расход пара на участке подсушки рыбы

D₂ = (Q₂ + Q²_п )/(i_п - i_к1), кг (6.6)

 

где Q²_п - потери тепла в окружающую среду на участке подсушки;

i_к - теплосодержание конденсата.

Общий расход пара на процесс бланширования

D = D₁ + D₂ (6.7)

 

Задание 9

9.1. Выполните тепловой расчет ленточного бланширователя производительностью 90 б/мин (банка № 8) при бланшировании консервов “Скумбрия бланшированная, в масле”. Остальные данные взять из справочников.

9.2. Выполняйте тепловой расчет ленточного бланширователя производительностью 120 б/мин (банка № 3) при бланшировании консервов «Сардина бланшированная, в масле». Остальные данные взять из справочников.

Практическое занятие № 7

Тепловой расчет обжарочных печей

 

Цель расчета - уточнение расходов энергии и продолжительности процесса в соответствии с выбранным для обжаривания сырьем.

Исходные данные для расчета:

Производительность по сырью m₁ , кг/ч (кг/с);

удельная поверхность рыбы f, м² / кг;

температура масла в печи, t_м , °С;

температура в центре продукта t_ц , °С;

потери влаги при обжаривании X, %

начальная влажность рыбы w, %.

Тепловой расчет печи ведем, исходя из двух периодов ее работы: подготовки к пуску и непосредственной обжарки рыбы.

В первый период тепло расходуется на нагрев масла, воды, ванны и теплообменников, сеток, а также на покрытие потерь в окружающую среду.

Во второй период тепло расходуется на нагрев рыбы до 100°С, испарение влаги из рыбы, нагрев верхнего слоя рыбы 150 °С, нагрев добавляемого масла, воды под маслом, нагрев сеток и противней и покрытие потерь в окружающую среду.

Определим расход тепла на нагрев масла в ванне. Масло можно рассматривать как жидкость, состоящую из трех слоев: верхнего, лежащего под поверхностью теплообменника (в нем находится обжариваемое сырье); среднего, расположенного на уровне высоты теплообменника, нижнего (пассивного), расположенного под днищем теплообменника.

Высота верхнего слоя масла должна быть на 50 мм больше высоты уровня рыбы. Средний слой по высоте соответствует коллекторам теплообменников. Высоту пассивного слоя следует принимать h_п = 30 мм.

По опытным данным, при обжарке рыбы оптимальная температура верхнего и среднего слоев масла должна поддерживаться в пределах 140-160°С, а пассивного в пределах 110°С.

Масса масла в зоне активного и среднего слоев ванны

 

G₁ = (V₁ - V_т ) r, (7.1)

 

где V₁ - объем ванны в зоне активного и среднего слоев масла, дм³ ;

V_т - объем теплообменников, дм³ ;

r - плотность масла, кг/дм³;

V₁ = d₁ (h_в + h_c) (7.2)

где l – длина ванны, м,

d₁ – ширина ванны, м.

h_в и h_c – высота верхнего и среднего слоев масла, м.

 

Объем теплообменника определяем по данным из рис.

 

V_т = 6d_{2 3} c + К₂ ^. 3(p ^.R² + ba) ^. , дм³ (7.3)

где К₂ – количество трубок в ванне, шт.

Рис.3. Обжарочная ванна

 

Для установившегося режима тепловой расчет обжарочной печи, основывается на уравнении теплового баланса:

 

Q₀ = Q₁ + Q₂ + Q₃ +Q₄ +Q₅ +Q₆,

 

где Q₀ - суммарный расход тепла, кВт;

Q₁ - расход тепла на нагревание продукта, кВт;

Q₂ - расход тепла на испарение влаги из продукта^* (* Влага из продукта удаляется как в виде пара, так и в виде жидкости. Однако жидкость, соприкасаясь на поверхности рыбы с горячим маслом, испаряется.

Q₃ - расход тепла на нагревание транспортирующего полотна, кВт;

Q₄ - расход тепла на нагрев доливаемого масла, кВт;

Q₅ - расход тепла на нагревание воды в «водяной подушке», кВт;

Q₆ - потери тепла в окружающую среду, кВт.

Первоначально определяем расход тепла на нагревание продукта, транспортирующего полотна, масла и воды, которые находятся из следующего выражения:

 

Q_1,2,3,4,5 = m c (t₂ - t₁), кДж/с.

 

где m - масса продукта, нагреваемая за 1 с., кг;

с - удельная теплоемкость нагреваемого продукта, кДж/(кг^. К);

 

t₁ и t₂ - начальная и конечная температура продукта, °С.

 

Расход тепла на нагрев активного и среднего слоев масла находим по формуле (7.2):

Q = G c(t_к - t_н ), кДж

 

Масса пассивного слоя масла

G₂ = V₂ r, кг (7.4)

 

где V₂ - объем пассивного слоя масла.

 

G₂ = d₁ h_п r, кг (7.5)

 

Расход тепла на нагрев пассивного слоя масла находим по формуле (3.2). Общий расход тепла на нагрев масла

 

Q₁ = Q^¢₁ +Q^²₁, кДж

 

По опытным данным, оптимальная масса воды в ванне должна составлять 75-80 % массы масла активного и среднего слоев, т.е.

 

G_в = G₁ ^. 0.75, кг

 

Проверим объем ванны в зоне наполнения ее водой по рис.

 

V₃ = d₁ h₁ + h₂ (d₁ +d₂ /2), м³ (7.6)

 

Приняв начальную температуру воды 15°С, а конечную 60°С, определим по формуле (3.2) расход тепла на нагрев воды-Q₂

Масса теплообменника

 

G_т = F_п s r, кг (7.7)

где F_п - площадь греющей поверхности, м²

s - средняя толщина стенок теплообменника (s = 0,005 м);

r - плотность стали кг/м³

По формуле (3.2) определим расход тепла на нагрев обжарочной печи, состоящей из: расхода тепла на нагрев части ванны, соприкасающейся с маслом и из расхода тепла на нагрев части ванны, соприкасающейся с водой. Расход тепла на нагрев сеток по этой же формуле (7.2)

 

Q₅ = G_c c_c (t_c - t_в), кДж

 

Расход тепла в окружающую среду определим по формуле (7.4)

Q = Fat (t_ст - t_в), кДж

 

а) расход тепла от поверхности ванны, соприкасающейся с маслом и водой

Q^¢₆ = 3,6 F (t_ст - t_в),

 

где F - поверхность ванны;

a - суммарный коэффициент теплоотдачи от поверхности ванны к воздуху, Вт/(м² К)

t_ст - температура наружной поверхности изолированной стенки ванны;

t_в - температура воздуха,

б) расход тепла от зеркала масла (7.4)

 

Q^²₆ =3,6 Fa (t_ср - t_в ), кДж

 

где F - площадь зеркала масла,

t_ср - средняя температура масла в период подготовки печи к работе,

a - суммарный коэффициент теплоотдачи от поверхности масла к воздуху.

Тогда Q₆ = Q^¢₆ + Q^²₆ ,

Суммарный расход тепла без учета потерь в окружающую среду

 

Q_сум = Q₁ + Q₂ + Q₃ +Q₄ +Q₅ , кДж

 

Далее определяется время, потребное для подготовки печи к работе (в ч.)

 

t = , (7.8)

где F_п - общая поверхность нагрева,

k - коэффициент теплоотдачи от пара к маслу через стенки греющих труб, Вт/(м^2. град),

Dt_ср - средняя разность температур за время нагрева печи находим по формуле (3.6) и (3.7), К.

Окончательно определяются истинные потери тепла в окружающую среду

Q_пот = , кДж и полный расход тепла за период пуска.

Расход пара в период подготовки печи к работе

 

D = , (7.9)

 

где i - теплосодержание сухого насыщенного при абсолютном давлении 1,0 МПа;

i_к - теплосодержание конденсата;

0,03 - потери тепла от прохождения через конденсатоотводчик (с учетом продувки). Находим часовой расход пара за период подготовки печи к работе.

Расход тепла за период обжарки рыбы. Сначала находим расход тепла на нагрев до 100°С, затем расход тепла на испарение влаги из рыбы определяем по формуле (7.8)

 

Q = Wr

 

Учитывая, что при обжарке испаряется примерно 20 % влаги от массы рыбы, находим расход тепла на нагрев верхнего слоя рыбы. По опытным данным, с рыбой уносится примерно 6 % масла. Тогда находим часовой расход масла. Окончательно находим расход тепла на нагрев добавляемого масла. Количество воды, добавляемой для охлаждения пассивного слоя масла

 

W = , (7.10)

где G₁ - масса пассивного слоя масла, кг;

с₁ - удельная теплоемкость масла, кДж/кг К

t_н - начальная температура пассивного слоя масла, °С;

t_к - конечная температура пассивного слоя масла, °С;

t^¢_к - конечная температура воды, °С;

t^¢ _н - начальная температура воды (t^¢_н = 15°С);

с - удельная теплоемкость воды, кДж/кг^.К.

Находим расход тепла на нагрев добавляемой воды. Теперь определяем массу сеток, проходящих за 1 час. После чего находим расход тепла на нагрев сеток.

 

Суммарный расход тепла

 

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ +Q₄ +Q₅+Q₆ , кДж

 

Учитываем потери тепла в окружающую среду, составляющие примерно 8 % от общего расхода и находим Q_общ ,

Часовой расход пара за второй период (7.25)

 

D_ч = Q_общ /(i - i_к )

 

Если часовой расход пара принять за 100%, то тепловой баланс печи выразится величинами, показанными в табл.4.

 

Тепловой баланс печи

Таблица 4

Статьи расхода	Количество тепла
	кДж/ч	%
На испарение влаги
На нагрев
рыбы
верхнего слоя рыбы
добавляемого масла
добавляемой воды
сеток
Потери
в окружающую среду
с конденсатом
Итого:

 

Приход тепла равен его расходу и определяется он по формуле:

 

Q = D_ч i, кДж (7.11)

 

 

Задача № 10

 

10.1. Определить время необходимое для подготовки к работе механизированной паромаслянной печи без охладителя если ее производительность 900 кг/час, время обжарки кильки 4 мин., масса рыбы в одной сетке 10 кг, температура обжаривания 140 °С.

10.2. То же, если ее производительность 600 кг/час, время обжарки бычка, масса рыбы в одной сетке 8 кг, температура обжаривания 160°С.

Практическое занятие № 8

Сушка пищевых продуктов

 

Влага из материалов может быть удалена различными способами: механическим, физико-химическим, тепловым (сушка). Сушка как способ удаления влаги из материалов получила наибольшее распространение. Процесс сушки связан с подводом к высушиваемому продукту тепла, за счет которого происходит испарение влаги. Для отвода испаряемой влаги применяют сушильные агенты - воздух, перегретый пар, топочные газы, которые насыщаются влагой, диффундирующие с поверхности материала.

Сушка является, с одной стороны, диффузионным процессом, с другой - тепловым. Это сложный технологический процесс, в результате которого изменяются свойства материала.

В процессах сушки влажный материал принято рассматривать как смесь абсолютно сухого вещества и воды:

 

М = М_с +W, (8.1)

 

где М и М_с - масса влажного и абсолютно сухого вещества, кг;

W- масса воды в продукте, кг.

Влажность материала W⁰ (в %) характеризует влажный материал в стационарных условиях и определяется отношением массы воды к массе влажного материала:

W⁰ = 100W/М (8.2)

 

Влажность материала изменяется от 0 (абсолютно сухой материал) до 100% (чистая вода при М_с = 0).

Количество испаренной влаги

 

W_и = М₁ – М₂ (8.3)

 

где М₁ и М₂ - масса материала до и после сушки.

Количество испаренной влаги в процессе сушки:

 

W = М₁ (8.4)

где и - влажность материала до и после сушки,

В процессе сушки величиной влажности материала W⁰ нельзя пользоваться, так как масса влажного материала непрерывно ум