Расчет теплообменной установки

Введение 

       Созданный около 20 лет назад, аэрогриль планировался как идеологическая замена микроволновым  печам, плюс ко всему слово «гриль»  в его названии отражает традиционную приверженность жителей Северной Америки  к мясу, приготовленному одноименным  способом. Таким образом, появилась  возможность делать гриль в домашних условиях, в любое время года.

       В современных аэрогрилях присутствует широкий набор функций, что позволит приготовить множество блюд, причем все эти блюда будут не только вкусны, но и полезны. Кулинария аэрогриля отличается тем, что в ней нет ограничений, можно приготовить практически любой рецепт из любой кухни мира.

       Одной из важнейших задач в пищевой  промышленности является модернизация существующих с целью интенсификации процессов и создание новых, высокопроизводительных машин и аппаратов, обеспечивающих поточность производства и максимально  адаптированных к новым условиям производства. Новые конструктивные разработки должны быть приспособлены  к комплексной автоматизации  и контролю процессов производства.

       Будущий инженер должен не только в совершенстве знать технологии процессов, но и  овладеть основами конструирования  высокопроизводительных машин при  оптимальных условиях их работы и  наименьшей стоимости эксплуатации.

       Курсовой  проект по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств» имеет цель закрепить и углубить теоретические  знания в области технологии и  конструирования аппаратов. Выполнение курсового проекта является подготовкой  к изучению оборудования по специальности. 

1. Состояние вопроса

 

       Аэрогриль состоит из круглой, как правило, стеклянной колбы (кастрюли) и крышки, в которую монтируется мощный нагревательный элемент и вентиляторы. ТЭН нагревает воздух до заданной температуры, а вентилятор обеспечивает циркуляцию воздуха и равномерный  обдув продуктов, расположенных  на решетках. В результате этого  продукты приготовляются равномерно, независимо от способа (запекание, варка, обжаривание). В современных аэрогрилях можно устанавливать как температуру воздушных потоков от 60 до 260 градусов, так и их скорость, поэтому можно не бояться пересушить продукты, как это могло случиться со старыми моделями, не имевшими таких функций

       .

1. Устройство и назначение составляющих аэрогриля.

 

       Устройство  аэрогриля (рис.1) можно изучить подетально: 

       

       Рис.1 Аэрогриль 

       

1. крышка (рис.1 поз.1).

       Крышка  может быть съемной или на кронштейне.

       Съемными  крышками чаще оснащены недорогие модели с механическим управлением. Их рекомендуют  для кухонь с низкими полками, где не остается места для моделей  с кронштейном. Также аэрогрили со съемными крышками кажутся более компактными и легче по весу. Кроме того, в таких моделях можно использовать одновременно несколько расширительных колец.

       У более дорогих моделей крышка крепится к специальному кронштейну. Достоинства этого способа очевидны: крышка открывается и закрывается  легким нажатием, не надо придумывать, куда ее положить, а руки остаются свободными. В случае использования расширительного  кольца кронштейн некоторых моделей  можно выдвинуть на нужную высоту. В целях безопасности при поднятии крышки любого типа автоматически происходит прекращение работы аэрогриля. По возвращении  крышки на место приготовление возобновляется с момента, когда оно было приостановлено;

2. панель устройства управления аэрогрилем (рис.1 поз.2).

       Блок  двигателя и панель управления вмонтированы в крышку прибора. Управление может  быть механическим или электронным.

       Модели  с механическим управлением недорогие, проще в эксплуатации. В этом случае панель, как правило, состоит из двух поворотных регуляторов, с помощью  которых устанавливается температура  и время приготовления.

       Электронный блок имеет более сложное устройство с сенсорной панелью управления и дисплеем. Для приготовления  блюда достаточно выбрать одну из нескольких программ (размораживание, тушение, гриль и т. д.) и нажать соответствующую кнопку - прибор автоматически  установит оптимальный режим работы. Все введенные пользователем команды отображаются на ЖК-дисплее;

3. кольцо-увеличитель (рис.1 поз.4).

       Наличие стального кольца с высоким бортиком в комплекте аэрогриля.

       Кольцо  необходимо для увеличения полезного  объема прибора при приготовлении  крупных продуктов (например, индюшки  или свиной ноги) или одновременно нескольких блюд, а также при стерилизации банок. Кольцо устанавливается поверх колбы и сверху закрывается крышкой. В некоторых моделях возможно использование двух колец одновременно. Обычно одно расширительное кольцо позволяет  увеличить объем на 5 литров (соответственно, увеличивается и время приготовления, приблизительно на 15 минут);

4. объем колбы - от 7 до 17 л. (рис.1 поз.6).

       В любой модели можно готовить одновременно на нескольких уровнях благодаря  различным решеткам, входящим в комплект. Стандартный объем колбы - 12 л. Но бывают более компактные модели и приборы с большим объемом. В комплект большинства моделей дополнительно входит расширительное кольцо, увеличивающее рабочий объем аэрогриля;

5. нижняя решетка (рис.1 поз.7).

       Такая решетка используется в основном для тушения мяса, приготовления  блюд в горшочках. Очень удобна при  размещении в колбе крупных продуктов. Особенно полезна нижняя решетка  при одновременном приготовлении  нескольких блюд на разных уровнях;

6. верхняя решетка (рис.1 поз.8).

       Такая решетка используется для приготовления  горячих бутербродов, пиццы, гренок и т. д. Особенно полезна она при  одновременном приготовлении нескольких блюд;

7. сетчатый противень.

       Он  используется для сушки зелени, сухариков, грибов, а также для приготовления  блюд на пару и т. д.;

8. средняя решетка.

       Средняя решетка используется в основном для выпечки, а также для приготовления мяса и рыбы;

9. съемный сетевой шнур.

       Съемная конструкция сетевого шнура в комплекте аэрогриля повышает безопасность и удобство при хранении и чистке прибора;

10. шампуры.

       Обычно  к аэрогрилю прилагаются 4-6 таких  шампуров, с помощью которых можно  в домашних условиях приготовить  ароматный шашлык из птицы, мяса, рыбы и овощей;

11. щипцы-ухват.

       С помощью такого ухвата удобно доставать  из колбы горячие продукты и решетки. 

       

2. Достоинства и недостатки аэрогриля

 

       Говоря  о данном аппрате, нельзя не упомянуть  о многочисленных достоинстах аэрогриля. Основным достоинством аэрогриля является то, что он может заменить множество разнообразной и разнокалиберной техники на кухне:

1. в число несомненных достоинств аэрогриля входит то, что готовить в нем можно без масла и прочих жиров, т.е. приготовления диетической пищи, что важно для людей, соблюдающих определенную диету или придерживающихся здорового образа жизни;
2. аэрогриль позволяет делать все то, что умеет делать СВЧ-печь: разогревать и размораживать, тушить овощи; в нем можно печь пироги и варить кашу; его можно использовать для сушки зелени, ягод, грибов; для стерилизации банок и не только. Таким образом, к изначальной идее готовить гриль добавилось еще множество полезных функций;
3. аэрогриль позволяет существенно экономить время, например, используя несколько различных горшочков или небольших кастрюль, можно приготовить обед из трех блюд (первое, второе и десерт) за 30-40 минут, в один прием. При этом запахи не перемешиваются между собой, а участие человека в процессе сводится исключительно к чистке, нарезке и закладке продуктов. при приготовлении отдельного блюда, не чувствуются пищевые запахи;
4. аэрогриль умеет коптить и томить, т.е. выдерживать продукт при относительно высокой температуре;

       Единственный  недостаток – сильный нагрев колбы, это может быть небезопасно для  маленьких детей. Поэтому есть строгая необходимость в соблюдении правил пользования аэрогрилем, которые указаны в инструкции.

       Производитель гарантирует стабильную работу при  перепадах напряжения, что делает аэрогриль очень привлекательным  для сельской местности, на даче и пр. 

       

3. Продукт для приготовления  в аэрогриле

 

       В данном курсовом проекте нужно рассчитать приготовление жареной свинины  в аэрогриле. Я взял рецепт «Мясо  по-адмиральски» (табл.1). 

       Таблица 1. Ингредиенты для приготовления 4-х порций

       блюда «Мясо по-адмиральски»

 

       Технология  приготовления блюда «Мясо по-адмиральски» не сложная. Нужно филе свинины нарезать небольшими кусочками, выложить на предварительно смазанный растительным маслом противень, посолить, добавить специи. Лук нарезать кольцами, положить сверху на мясо и полить майонезом. Натереть сыр на крупной терке и посыпать им мясо. Запекать в течение 35 минут на средней решетке аэрогриля при температуре 260 градусов. Скорость high. 
 

       

2. Технологическая схема установки

 

       Технические характеристики аэрогриля просты в  использовании (табл.2).

       Таблица 2. Технические характеристики аэрогриля

 

 

       

3. Основное  и вспомогательное оборудование

 

       Калорифер – это устройство, которое построено  на принципе теплообмена. Активным веществом, отвечающим за движение тепла, является води или перегретый пар, температура  теплоносителя составляет 100-150 . Изначально, калориферы создавались для обогрева большой площади. Но эффективность принципа обогрева превратила это устройство в универсальное, создав тем самым большой ассортимент для широкого спектра применения, в том числе и в пищевом производстве.

       Калориферы  бывают разных схем, например самым  распространенным является трубчатый. Пар, проходя по трубам, отдает им свое тепло, которые в свою очередь  нагревают внешнюю атмосферу. Для  увеличения эффективности обогрева, туба может быть дополнена ребрами. Общая площадь теплообмена возрастает, соответственно возрастает и уровень  выделяемого тепла. Трубы может  вообще не быть. Ее может заменить секция специальных пластин. Такая схема  обеспечивает наилучшую эффективность, хоть и имеет более сложную  конструкцию. Зачастую, схемы очень  разнообразны. Они могут иметь  разное число заходов теплоносителя, состоять из одного или нескольких рядов движения. Габариты также сущестуют  всевозможные, начиная от бытовых (малые  размеры и потребляемая мощность) и заканчивая промышленными (огромные многоуровневые с потреблением большой  мощности или собственной печью  или котельной). Схемы калориферов  могут быть построены на принципе дополнительного забора воздуха  извне, так и иметь замкнутую  циркуляцию.

       Теплообменники  обозначают как спирально-катанный, пластинчатый, из гладких труб или любой другой, предназначенный для нагрева воздуха в системах воздушного отопления, вентиляции и в сушилках. обозначение калориферов КСК и КП-СК есть аббревиатура, расшифровка которой звучит следующим образом: КСК – «Калорифер Спирально-Катанный» и КП-СК – «Калорифер Паровой Спирально-Катанный». При изготовлении спирально-катанного калорифера КСК или КП-СК на стальную трубу накатным методом наносят ленточное алюминиевое ребрение, что значительно увеличивает поверхность теплообмена и повышает теплоотдачу калорифера.

       В аэрогрили воздух нагревается за счет ТЭНа. ТЭН – трубчатые электронагреватели предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую и применяются в качестве комплектующих изделий в промышленных установках и бытовых нагревательных приборах (рис. 2). Нагрев различных сред осуществляется путем конвекции, теплопроводности излучения.

       

       Рис. 2 Виды ТЭНов

       Трубчатые электронагреватели по сравнению с  другими типами нагревателей отличаются:

1. возможностью эксплуатировать их при непосредственном контакте с нагреваемыми средами, которые могут быть газообразными и жидкими при давлении до 4,5 атм, а также твердыми;
2. надежностью при вибрациях и значительных ударных нагрузках;

       Развернутая длина ТЭН – трубчатых электронагревателей 280-3200 мм. Диаметр трубки ТЭН –  трубчатых электронагревателей 11-100 мм. Материал трубки – сталь конструкционная  или нержавеющая.

       ТЭН – трубчатые электронагреватели могут оснащаться штуцерами с  резьбой М14х1, М22х1,5, М16х1,5, G1/2. Контактная часть ТЭН оснащается крепежом под гайку М4, М5 или контактными вилками, флажками. 

4. Технические и тепловой расчеты аппарата. Расчет и подбор вспомогательного оборудования

 

       В работе представлены следующие основные параметры теплоносителя и продукта:

1. φ₀ – начальная относительная влажность воздуха, %;

       φ₀ = 69%;

2. φ₂ – конечная относительная влажность воздуха, %;

       φ₂ = 30%;

3. t₀ – температура окружающей среды, °С;

       t₀ = 20°С;

4. t₁ – температура нагревания продукта, °С;

       t₁ = 170°С;

5. t₂ – температура охлаждения продукта, °С;

       t₂ = 65°С;

6. X_н – начальная влажность продукта, %;

       X_н = 71 %;

7. X_к – конечная влажность продукта, %;

       X_к = 31 %;

8. G_н – производительность оборудования (начальная закладка продукта), кг/ч;

       G_н = 4,5 кг/ч;

9. габаритные размеры оборудования: Н – высота, м; Н = 0,33 м; D - диаметр оборудования, м; D = 0,3 м; d_нар – наружный диаметр калорифера

       d_нар. = 0,08 м.

       Исходя  из начальных параметров продукта, составляем материальный баланс теплового  процесса.

       Целью составления материального баланса  теплового процесса является определение  массы влаги W, удаляемой при тепловом воздействии.

                                                                            (1)

       По  всему материалу, подвергаемому  тепловой обработке, начальное количество продукта (производительность по поступающему на тепловую обработку продукту):

                                                                                                     (2)

       По абсолютно сухому веществу в обрабатываемом материале:

                                                                                                   (3)

       Производительность  по готовому продукту определяется следующим  образом:

                                                                   (4)

        

       Подставляя  в уравнение (1) значение , получим:

                                                                   (5)

        

                                                                    (6)

        

        

       Уравнения (5) И (6) являются основными уравнениями материального баланса теплового процесса.

       Пусть на тепловую обработку поступает  воздух с влагосодержанием (%) сухого воздуха, а L – расход абсолютно сухого воздуха (кг/ч). Из теплообменного аппарата (при отсутствии потерь воздуха) выходит такое же количество абсолютно сухого воздуха, а влагосодержание меняется до (%) сухого воздуха. Масса влаги, испаряющейся из материала в теплообменном аппарате, составляет W .

       Далее по диаграмме Рамзина необходимо найти следующие параметры:

1. парциальное давление воздуха , исходя из значений и ;

 
       

2. парциальное давление воздуха , исходя из значений

  и ; 

       

3. влагосодержание сухого воздуха , исходя из значений и ;

 
       

4. энтальпию сухого воздуха , исходя из значений

 и  ; 

       

5. влагосодержание влажного воздуха , исходя из значений

 и  ; 

       

6. энтальпию влажного воздуха , исходя из значений

  и ; 

       

7. по найденным  значениям  и определяем

 

       Исходя  из этих параметров, определяем удельный расход воздуха на испарение из материала 1 кг влаги по формуле:

                                                                                             (7)

        

       Далее определяем расход абсолютно сухого воздуха при приготовлении продукта:

                                                                             (8)

        

       Производим  составление теплового  баланса:

1. Приход тепла:

1. с наружным воздухом:

                                                                       (9)

        

2. с влажным материалом:

                                                          (10)

       где – теплоемкость продукта,  

       

3. в основном калорифере:

                                                      (11)

        

2. Расход тепла:

1. с отобранным воздухом:

                                                                     (12)

        

2. с готовым материалом (продуктом):

                                                           (13)

       где C₂ – теплоемкость продукта после тепловой обработки,

       с₂=с^//_м  Дж/(кг·град);

         

3. при загрузке и выгрузке продукта (при транспортировке продукта):

       ,                                                   (14)

       где: Ө = t₂; c_в – теплоемкость воды, [Дж/(кг·град)], определяется по номограмме (см приложение 4);

       c_в=1,0 ккал/кг°С = 4,19 [Дж/(кг·К)],

       Q₆ = 4,19 65= 710479,445 ,

4. теплота потерь (Q₇) определяется из теплового баланса

       Тепловой  баланс:

       Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆ + Q₇                   (15)

       Q₇= Q₁ + Q₂ + Q₃ - Q₄ - Q₅ - Q_6;

       Q₇=

       Далее рассчитываем теплопотери  при тепловой обработке  на 1 кг испаренной влаги.

       Рассмотрим  последовательно все этапы расчета  теплопотерь.

1. Теплопотери в окружающую среду:

1. средняя разность температур сред (в камере аппарата и в окружающей среде) по длине аппарата:

                                                                           (16)

       

2. разность температур сред у торцов аппарата:

       t´_ср = t₁ – t₀, °С                                                                                          (17)

       t´_ср = 170 – 20 = 150 °С

       t´´_ср = t₂ – t₀, °С                              (18)

       t´´_ср = 65 – 20 = 45 °С 

3. интенсивность теплопотерь: