Содержание 
 

Введение

     Самой привлекательной областью для вложения капитала всегда являлись предприятия  общественного питания за счет быстрой оборачиваемости вложенных средств. Предприятия питания, обслуживая население по месту работы, учебы и отдыха, являются важным компонентом  в работе по социальной защите  населения страны.

     Общественное  питание предоставляет собой  одну из составляющих туристических и гостиничных комплексов. Причём, организацию питания  можно рассматривать как приоритетный элемент, так как оно  является  частью культуры, отражает традиции, историю и  характеризует социально-экономический уровень региона и в целом страны.

     Питание – одно из основных  условий жизнедеятельности  человека, поэтому оно играет важную роль в жизни общества. В современных  рыночных  условиях развиваются новые отношения между производителями и потребителями. Большую часть рынка занимают конкурирующие между собой  частные предприятия общественного питания.  Это  вызывает необходимость повышения эффективности производства и гарантированного подтверждения качества кулинарной продукции. Внедрение новых технологий даёт возможность существенно снизить потери продуктами питательных веществ, сократить время приготовления пищи, тем самым повысить эффективность производства и качество готовых блюд.

     На  предприятиях общественного питания  наибольший объем работ  по приготовлению пищи  приходится на тепловую обработку продуктов, поэтому оснащение  специализированными тепловыми аппаратами облегчает труд персонала  и  сокращает продолжительность приготовления пищи. Усовершенствование старого и внедрение нового теплового оборудования позволяет более рационально и целенаправленно использовать пищевые ресурсы, снизить потери сырья на всех этапах технологического цикла, вплоть до реализации готовой пищи.

     Одним из видов оборудования, широко используемых в предприятиях общественного питания, являются пищеварочные котлы.

     При созданиях новых, более эффективных пищеварочных котлов стремятся, во-первых, уменьшить удельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемый при работе энергии по сравнению с теми же показателями существующих устройств. Удельными затратами называют затраты, отнесенные к тепловой производительности в заданных условиях, во-вторых, повысить интенсивность и эффективность работы аппарата. Интенсивностью процесса или удельной тепловой производительностью аппарата нназывается количество теплоты, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме.

     Интенсивность процесса теплообмена характеризуется  коэффициентом теплопередачи k. На интенсивность и эффективность влияют также форма поверхности теплообмена; эквивалентный диаметр и компоновка каналов, обеспечивающие оптимальные скорости движения сред; средний температурный напор; наличие турбулизирующих элементов в каналах; оребрение и т. д. Кроме  конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена существует режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и режима течения жидкости у поверхности теплообмена. Режимные методы включают:  подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульсации потоков, вдувание газа в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложении электрических  или магнитных полей на поток, предотвращения загрязнений поверхности теплообмена путем сильно турбулизации потока и т. д.

      Целью настоящей работы является проектирование парового пищеварочного секционно-модулированного котла с косвенным обогревом и прямоугольной формой варочного сосуда объёмом 400 дм³ с сокращенным временем разогрева, с улучшенными показателями металлоемкости и более высоким КПД.

     . 
1 Аналитический обзор

1.1 Технологические требования к конструкции

     Варка пищевых продуктов осуществляется в технологических жидкостях (бульон, молоко, вода), являющихся компонентами кулинарной продукции (в отдельных  процессах технологическая жидкость сливается).

     За  последние годы все более широкое распространение получает как наиболее прогрессивный процесс варка продуктов в атмосфере влажного насыщенного пара при его непосредственном воздействии на продукт (так называемый острый пар). По температурным режимам процесс варки может быть осуществлен при температурах ниже 100⁰С, при 100⁰С и выше 100⁰С. Варьирование температурными режимами в процессе варки пищевых продуктов осуществляется изменением давления в рабочих камерах варочных аппаратов.

     Конструкции варочных аппаратов должны соответствовать технологическим требованиям конкретного процесса варки пищевого продукта или кулинарного изделия в целом. Основные технологические требования, предъявляемые к конструкциям варочных аппаратов, сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением (от исходного сырья) пищевых (белков, жиров, углеводов), минеральных, экстрактивных веществ, витаминов при минимальных затратах теплоты.

     Рассмотрим  технологические цели в процессе варки в пищевых котлах таблица 1.1

     Приведем  график изменения температуры жидкости в рабочей емкости варочного  аппарата на рис. 1.

     Рисунок 1 – Изменение температуры жидкости в варочном сосуде и температуры продукта

     Данный график отражает наиболее характерные изменения  температуры в рабочей емкости  варочного аппарата. На графике  участок 1-2 соответствует нагреву жидкости до кипения; 2-3 – сильное кипение;  3-4 – закладка продукта; 4-5 – нагрев до кипения; 5-6т- сильное кипение; 6-7 – снижение температуры; 7-8 – слабое кипение; 8 -9 – отключение аппарата (аккумулирование температуры).

     Продолжительность нагрева жидкости до кипения зависит от множества факторов: начальной температуры жидкости, величины коэффициента теплопередачи, поверхности нагрева, температурного напора. В свою очередь величина коэффициента теплопередачи зависит от свойств жидкости, режима ее движения, наличия термических сопротивлений и др. продолжительность нагрева жидкости до кипения без учета тепловых потерь может быть определена из выражения

     где G – количество жидкости;

           с  - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг • К);

          t_к, t_н, соответственно температура кипения и начальная температура жидкости;

          k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² • К);

         S – рабочая поверхность варочного аппарата, м²;

         ∆t_ср– температурный напор, К.

     Нагрев  продуктов осуществляется от кипящей жидкости. Внутри продукта теплота переносится от поверхности к центру за счет теплопроводимости. Большинство пищевых продуктов имеют относительно низкий коэффициент теплопроводности, чем объясняется длительный период их варки. Продолжительность прогрева существенно зависит от степени их измельчения.

     1.2 Классификация и обзор технических характеристик серийно-выпускаемых котлов

    Классификация пищеварочных котлов. На предприятиях общественного питания эксплуатируются  котлы различных типов, отличающиеся способом обогрева, вместимостью и формой варочных сосудов, видом энергоносителей. Все эти различия определяют номенклатурный ряд пищеварочных котлов и их классификацию.

    В зависимости от давления в варочном сосуде все котлы классифицируются на -пищеварочные котлы, работающие при атмосферном или незначительном избыточном давлении, и автоклавы, работающие при повышенном давлении (250 кПа).

    В зависимости от источника теплоты  котлы подразделяются на твердотопливные, газовые, электрические и паровые.

    По  способу установки котлы классифицируются на неопрокидывающиеся, опрокидывающиеся и со съемным варочным сосудом. Как правило, неопрокидывающиеся котлы выпускаются вместимостью варочного сосуда более 100 дм3, а опрокидывающиеся — вместимостью менее 100 дм3. Котлы со съемным варочным сосудом имеют вместимость менее 60 дм³.

    В зависимости от способа обогрева различают котлы с непосредственным и косвенным обогревом.

    Котлы с непосредственным обогревом могут  работать на твердом топливе, газе и  электрическом обогреве. По конструкции и эксплуатации они более просты, чем котлы с косвенным обогревом, однако им присущи недостатки: низкий, КПД сложность регулирования теплового режима, возможность пригорания продуктов.

    Котлы с косвенным обогревом работают при повышенном давлении в греющей рубашке (до 150 кПа). В качестве промежуточного теплоносителя используется вода. По соотношению основных геометрических размеров котлы классифицируются на немодулированные, секционные модулированные и котлы под функциональные емкости.

    Немодулированные  пищеварочные котлы имеют цилиндрическую форму варочного сосуда. Секционные модулированные котлы и котлы  под функциональные емкости имеют  варочный сосуд в виде прямоугольного параллелепипеда. Наружные размеры  этих котлов унифицированы, они имеют одинаковую высоту и ширину (глубину), длина их кратна модулю (у секционных модульных котлов — 210 мм, у котлов под функциональные емкости— 100 мм). Варочный сосуд котлов под функциональные емкости имеет размеры, соответствующие размерам функциональных емкостей.

    Согласно  классификации пищеварочных котлов осуществляется их буквенно-цифровая индексация.

    У немодулированных котлов буквы обозначают группу, вид котла и вид энергоносителя. Цифры показывают вместимость варочного  сосуда в дм3. Например, индекс котла КПП-100 расшифровывается следующим образом: К —котел; П — пищеварочный; П — паровой; 100 — вместимость (в дм³).

    У секционных модулированных котлов к  буквенному индексу добавляются  буквы СМ, что обозначает — секционный модулированный. Например, индекс котла КПЭСМ-60 расшифровывается так: котел пищеварочный электрический секционный модулированный вместимостью 60 дм3.

    У котлов под функциональные емкости  индекс включает буквы: К — котел, Э — электрический и число, показывающее вместимость варочного  сосуда в дм3. Например, котел КЭ-100.

    Буквенно-цифровой индекс устройств со съемным варочным сосудом (например, УЭВ-60) расшифровывается — устройство электрическое вместимостью 60 дм3.

    Котлы, работающие при повышенном давлении в варочном сосуде, имеют индекс, в котором первая буква А обозначает, что это автоклав, вторая буква показывает вид энергоносителя (Э — электрический, Г—газовый), а цифра показывает вместимость варочного сосуда в дм (например, АЭ-60).

    Характеристики  серийно-выпускаемых котлов приведены  в Таблице 1. 

     Таблица 1.Технические характеристики пищеварочных котлов

2 Конструкторский  раздел

2.1 Описание проектируемого аппарата

    Котел пищеварочный соответствует базовой  конструкции (КПП-250).

    Котел КПП-250  состоит из варочного сосуда и наружного котла, покрытого изоляцией. Пространство между варочным сосудом и наружным котлом представляет собой паровую рубашку, в которую подается по паропроводу пар. Количество подаваемого пара регулируется с помощью парозапорного вентиля. Варочный сосуд герметично закрывается откидной крышкой с резиновым уплотнителем. На крышке устанавливается клапан-турбинка. Котел снабжен двойным предохранительным клапаном, манометром, воздушным клапаном, конденсатоотводчиком и продувочным краном. Двойной предохранительный клапан и манометр, показывающий давление пара в паровой рубашке, установлены на арматурной стойке. Конденсатоотводчик и продувочный кран расположены в полости между дном паровой рубашки и днищем облицовочного кожуха и предназначены для отвода из паровой рубашки конденсата.

    Нагрев  варочного сосуда парового котла  осуществляется за счет теплоты парообразования. Пар, попадая в рубашку котла, соприкасается с холодными стенками варочного сосуда и наружного котла и конденсируется.  При этом  выделяется  скрытая теплота парообразования, которая идет на нагрев содержимого котла.

2.2 Тепловой расчет  аппарата

2.2.1 Исходные данные

       Вместимость        400дм³

       Форма варочного сосуда   Полуцилиндрическая

       Высота варочного сосуда     463мм

          в т.ч.  высота верхней прямоугольной части  163мм

                      нижней полуцилиндрической части  300мм

       Ширина  варочного сосуда      600мм

       Длина варочного сосуда     1850мм

       Ширина  щели греющей полости рубашки   20мм

       Кожух

       Длина        2100мм

       Ширина       840 мм

       Общая высота кожуха      860 мм

       Высота  постамента      150 мм

       Толщина стенки

       Крышки         2,5мм

       Варочного сосуда      4,0мм

       Наружного котла      4,0мм

       Кожуха       1,0мм

       Максимальное  давление

       В пароводяной рубашке     140 кПа

       В варочном сосуде      100 кПа

       Сухость пара       95%

       Количество  пролетного пара в конденсате   5%

       Нагреваемая среда

       Начальная температура     10⁰С

       Конечная  температура      100⁰С

       Начальная температура     10⁰С

       Конструктивные  размеры котла приведены на рисунке. 

         
Рисунок 2.1 –  Конструктивные размеры проектируемого котла 

       Тепловой  расчет котла

       Полезная  емкость котла 400 л.

       Длина защитного кожуха (от наружных стенок) Dзк=2100 мм.

       Длина наружного котла  (от внутренних стенок) Dнк=2000 мм.

       Длина внутреннего котла (от внутренних стенок) Dвк=1850 мм.

       Высота  расчетная наружного котла, Ннк=1160 мм.

       Высота  кожуха котла, Нзк=860 мм.

       Высота  внутреннего котла, Нвк=463 мм.

       Толщина стенки внутреннего котла, 4,0 мм.

       Толщина стенки наружного котла, 4,0 мм.

       Толщина стенки кожуха котла, 1,0 мм.

       Рабочее давление пара в пароводяной рубашке  котла, 0,5 атм.

       Изоляция  теплоизолирующего кожуха – мятая  алюминиевая фольга.

Размеры рабочей камеры

     Вместимость рабочей камеры котла рассчитаем по формуле:

                                                (2.1) [3]

    где V_п и V_ж – соответственно объём продукта (единовременная загрузка) и бульона, дм³; K – коэффициент заполнения камеры (К=0,8)[3]

    Vп+Vж=400х0,8=320дм³

     Принимаем к расчету суп картофельный по сборнику рецептур № 131. [11]. Время кипения при температуре 90-95 С – 40- 45 минут, потом суп накрывают и оставляют до полной готовности. Рецептура приведена в табл. 2.1:

      Таблица 2.1

     Рецептура супа картофельного

    Для заполнения объема котла (с учётом коэффициента заполнения) необходимо заложить 320дм³/1,2дм³=267 порций супа картофельного (при выходе 1 порции 1000г).

    Для приготовления 186,9 кг бульона требуется:

    Таблица 2.2

Рецептура бульона

2.2.2 Тепловой баланс  проектируемого котла

     Потребное количество теплоты для нестационарного  и стационарного режимов работы аппарата определяют по формулам:

Q = Q₁ + Q₅ + Q₆;                                   (2.1)[11]

Q’ = Q’₁ + Q’₅,                                            (2.2)

     Где Q, Q’ – общее количество затраченной теплоты;

     Q₁,Q’₁ – полезно используемая теплота;

     Q₅, Q’₅ – потери тепла наружными стенками котла в окружающую среду;

     Q₆ – потери теплоты на разогрев конструкции.

Теплота на варку супа определяется по формулам:

     Количество  полезно используемого тепла  Q₁, пошедшего на нагревание продукта в пищеварочном котле при соответствующем режиме работы определяется по формуле:

     Q₁ = cW (t_k – t_H) +  _i, кДж,                 (2.3)

     где  С – удельная теплоёмкость жидкости, кДж/кг_*град

           W – количество нагреваемого бульона, кг

           (t_k-t_н) – начальная и конечная температура воды, ⁰С

      - сумма  полезно используемого тепла,  израсходованного на нагревание  продуктов;

     n – количество продуктов в рабочей камере аппарата;

       для отдельного i- го продукта

     Ci – удельная теплоёмкость i-го продукта, кДж/кг*град

     Mi – масса отдельного i –го продукта

     (t^пр_к-t^пр_н) – разность между конечной и начальной температурами, град

Q_{1бульона}=(261,40*4,11+46,73*2,1+15,47*3,43+1,87*3,43+1,33*3,76+0,8*3,76+0,8*3,76)(100-10)= 1242,98*90= 111868,2 кДж

Q_1супа = 111868,2+(186,9*4,11+120,15*3,52+10,68*3,78+10,67*3,76+2,67*1,68)(100-10)= 226713,8кДж.

           (2.4)

     Где - количество жидкости, испарившейся при стационарном режиме, кг.

     r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг., соответствует давлению пара в котле при нагревании Р = 140 кПа, что соответствует r = 2250 кДж/кг.

     Количество  влаги, удаляемой в процессе варки  отдельных блюд, зависит от продолжительности  процесса и определяется по материальному балансу (по количеству загружаемых продуктов и готовой продукции), имеющему вид

     Gn+W=Gг.в.+∆W,    (2.5)

     где Gг.в. – количество готового продукта, кг

     Для выхода 1000 г супа картофельного масса  сырьевого набора 1240г (в т.ч. 700г. бульона)