Belyaev_M_I_Teplovoe_oborudovanie_OP

http://mppnik.ru

3.4. ТЕПЛООБМЕННИКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ТЕПЛОВЫХ АППАРАТАХ

Теплообменники предназначены для переноса теплоты от источников тепловой энергии к обрабатываемым продуктам.

Теплообменники подразделяют на два основных типа: поверхностные теплообменники и теплообменники смешения. В поверхностных теплообменниках теплоперенос осуществляется через разделяющую перегородку. Их принципиальные схемы приведены на рис. 3.1.

Поверхностные теплообменники. Данные теплообменники подразделяются на следующие группы: с открытой греющей поверхностью; с рубашками; с внутрилежащей поверхностью нагрева; с поверхностными нагревателями без теплоносителей; трубчатые; панельные.

Втеплообменнике с открытой греющей поверхностью (рис. 3.1, а) нагреваемый объект устанавливается на плиту, выполняющую роль греющей поверхности. Теплота воспринимается греющей поверхностью от нагревательного элемента.

Ваппаратах с рубашкой (рис. 3.1, б) греющий агент поступает в пространство, заключенное между рубашкой и корпусом аппарата.

Аппараты с внутрилежащей греющей поверхностью (рис. 3.1, в) могут быть различных типов, но во всех случаях она расположена внутри нагреваемой жидкости. В аппаратах с поверхностными нагревателями (рис. 3.1, г, д) нет теплоносителя. В них теплота передается непосредственно от нагревателя к стенкам аппарата. Условно к аппаратам этого типа можно отнести, также теплообменники, в которых стенки обогреваются открытым пламенем.

Рис. 3.1. Принципиальные схемы поверхностных теплообменников: а — с открытой греющей поверхностью: 1 — нагревательный, элемент; 2 — греющий элемент; 3 — нагреваемый объект; б

—с рубашкой: 1— патрубок для входа греющего агента; 2 — рубашка; 3 — нагреваемый объем; в

—с внутрилежащей поверхностью нагрева: 1 — рабочий объем; 2— электронагреватель; г — с поверхностными нагревателями: 1 — гибкие нагреватели; 2 — нагреваемый объем; д — с огневым нагревом; е — трубчатый одноходовой: 1 — корпус; 2 — трубы; 3 — патрубок для входа греющего агента; 4 — патрубок для выхода нагреваемой жидкости; 5 — верхняя крышка; 6, 8 — трубные решетки; 7 — патрубок для выхода греющего агента; 9 — верхняя крышка; 10 — патрубок для входа нагреваемой жидкости; ж — трубчатый многоходовой: 1 — корпус; 2—перегородки между труб; 3 — трубы, 4 — патрубок для выхода греющего агента; 5 — патрубок для входа нагреваемой жидкости; 6, 13 — вертикальные перегородки; 7 — патрубок для выхода нагреваемой жидкости; 8, 12 — крышки; 9, 11 — трубные решетки; 10 — патрубок для выхода греющего агента; з — аппарат «труба в трубе»: 1 — труба для нагреваемой жидкости; 2 — патрубок для входа греющего агента; 3 — труба для греющего агента; 4— патрубок для входа греющего, агента; и — панельные: 1 — вход нагреваемой жидкости; 2 — панель; 3 — вход греющего агента; 4 — выход нагреваемой жидкости; 5 — выход греющего агента

http://mppnik.ru

Впрактике пищевых производств наибольшее распространение получили трубчатые теплообменники самых различных конструкций. На рис. 3.1, е, ж, з представлены три широко применяемых вида трубчатых теплообменников. В первом из них, (рис. З.1, е) нагреваемая жидкость поступает в трубы, а в межтрубное пространство подается греющий агент. В многоходовых трубчатых аппаратах (рис. 3.1, ж) нагреваемая жидкость за счет установки перегородок движется в одной части аппарата вверх, в другой вниз. В этих аппаратах для создания организованного потока греющего агента в межтрубном. пространстве также установлены перегородки.

Ваппарате типа труба в трубе (рис. 3.1, з) нагреваемая жидкость движется по внутренней трубе, а греющий агент находится в кольцевом зазоре между внутренней и наружной трубами.

Впанельных теплообменниках (рис. 3.1, и), которые имеют широкое разнообразие конструктивных форм, нагреваемая жидкость поступает в панели, которые обогреваются снаружи. При этом обогрев можно осуществлять теплоносителем или открытым пламенем.

Теплообменные аппараты предприятий общественного питания можно подразделить на следующие основные группы: с открытой греющей поверхностью; с рубашкой; с внутрилежащей поверхностью нагрева; с поверхностными нагревателями без теплоносителей; с лучистым нагревом; с лучисто-конвективным нагревом; с непосредственным контактом теплообменных сред.

Аппараты с открытой греющей поверхностью называют аппаратами с промежуточной поверхностью или плитами. Большинство плит действительно выполняют роль промежуточных поверхностей, потому что от обогреваемой поверхности (плиты) теплота передается не продукту,

астенке какой-то емкости, в которой находится продукт. Именно эта стенка выполняет роль теплопередающей перегородки, непосредственно контактирующей с продуктом. В качестве источника теплоты в плитах могут быть электроэнергия и огневой обогрев.

Существуют, например, плиты, на поверхности которых осуществляют жарку продуктов. В этом случае греющая поверхность остается открытой, но она не выполняет роль промежуточной.

Самыми распространёнными в общественном питании теплообменниками являются аппараты с рубашками (рис. 3.2, а — л). Подразделить их можно по виду теплоносителя, по способу получения и подвода этого теплоносителя, по способу нагрева теплоносителя.

По виду теплоносителя выделяют аппараты с рубашкой с водяным, пароводяным и паровым обогревом. Известны аппараты с рубашками, в которых используются высокотемпературные теплоносители.

По способу получения теплоносителя их подразделяют на аппараты с подводом теплоносителя из централизованных источников и с автономным получением теплоносителя.

По способу нагрева теплоносителя, получаемого автономно, можно выделить аппараты с нагревом от электронагревателей, от пара и аппараты с рубашками с огневым обогревом.

Аппараты с рубашками можно подразделить также по форме самого аппарата и форме рубашки. По этому признаку выделяют аппараты прямоугольные, цилиндрические с плоским; коническим, цилиндрическим, полусферическим днищем. Днища могут быть вогнутыми и выпуклыми. Рубашка может быть гладкостенной и с выдавками, позволяющими создать организованный поток теплоносителя. За последние годы широкое распространение получили аппараты с рубашками, которые снабжены панелями, существенно увеличивающими поверхность контакта с источником тепловой энергии.

Теплообменники с рубашками подразделяют по давлению, под которым находится нагреваемый продукт. Наиболее известны аппараты, работающие при атмосферном давлении. Менее широко применяют аппараты, работающие под избыточным давлением, называемые автоклавами.

Многие теплообменные аппараты, применяемые в общественном питании, имеют внутрилежащую поверхность нагрева (рис. 3.3). Некоторые из аппаратов с рубашками для автономного получения пара или нагрева теплоносителя имеют внутрилежащую поверхность нагрева в виде поверхностей тэнов, змеевиков и т. п.

Вкачестве греющих элементов в этих теплообменниках могут быть использованы также трубчатые теплообменники, дымоходы и огневоды. Аппараты, схемы которых представлены на рис. 3.3, а, б, в, служат в качестве водоподогревателей, или кипятильников. Теплообменники (рис. 3.3, д) предназначены для нагрева высокотемпературных теплоносителей.

http://mppnik.ru

Рис. 3.2. Схемы теплообменник аппаратов с рубашкой:

а — с водяных обогревом: 1 — патрубок для входа греющей воды; 2 — рубашка; 3 — корпус аппарата; 4—патрубок для выхода греющей воды; б — с паровым обогревом (рубашка имеет выдавки): 1— патрубок для входа пара; 2 — рубашка с выдавками; 3 — корпус аппарата; 4— выдавки; 5 — патрубок для выхода конденсата; в — с пароводяным обогревом: 1— рубашка; 2 — корпус аппарата; горелка (для огневого обогрева); г — с обогревом от высокотемпературного теплоносителя (фритюрница, сковорода): 1 — рубашка; 2 — корпус аппарата; 3 — электронагреватель для нагрева теплоносителя; д — с централизованным паровым нагревом: 1 — патрубок для входа пара; 2—отражатель; 3—корпус аппарата; 4— рубашка; 5 — патрубок для выхода конденсата; е — с паровым обогревом в автономным получением пара (электронагревателем): 1 — рубашка; 2 — корпус аппарата; 3 — парогенератор; 4 — электронагреватель (тэн); ж — с паровым нагревом: 1 — рубашка; 2 — корпус аппарата; 3 — парогенератор; 4 — змеевиковый нагреватель; 5 — патрубок для выхода конденсата; 6 — патрубок для входа пара; з — с огневым нагревом (аппарат с панелями): 1 — рубашка; 2 — корпус аппарата; 3 — панели; 4 —горелки; и — с электродным нагревом: 1 — рубашка; 2 — корпус аппарата; 3 — парогенератор; 4 — электроды; к — с паровым обогревом при повышенном давлении (автоклав): 1 — патрубок для входа пара; 2 — рубашка; 3 — корпус аппарата; 4 — предохранительный клапан; 5 — герметичная крышка; 6 — патрубок для выхода конденсата; л — с паровым обогревом с пониженным давлением (вакуум-аппарат): 1 — патрубок для входа пара; 2 — рубашка; 3 — герметичная крышка; 4 — конденсатор; 5— корпус аппарата; 6 — патрубок для отвода конденсата

http://mppnik.ru

Рис. 3.3. Схемы теплообменных аппаратов с внутри лежащей поверхностью нагрева:

а —с тэном: 1 — тэн; 2—корпус аппарата; б — с змеевиком: 1 — патрубок для выхода конденсата; 2 — патрубок для входа пара; в — теплообменник: 3 — корпус аппарата; 4 — трубчатый теплообменник: г — с дымоили огневодом: 1 — дымоили огневод; 2 — корпус аппарата; д — с тэном для высокотемпературного нагрева (фритюрница): 1 — тэн; 2 — корпус аппарата, заполненный маслом; 4 — корзина с продуктом

В общественном питании широко используют теплообменные аппараты, в которых электронагреватели вмонтированы непосредственно в стенки корпуса. Это — варочные котлы, сковороды, различные непрерывно действующие жарочные аппараты и др.

Все большее распространение в общественном питании получают теплообменные аппараты с ИК-нагревом. В этих аппаратах используются специальные ИК-излучатели или высокотемпературные электронагревательные элементы. Прогрев продукта осуществляется за счет лучистого нагрева поверхности продукта и передачи теплоты внутрь его теплопроводностью. Некоторую роль в нагреве продукта играет естественная конвекция воздуха.

К аппаратам с использованием лучистой энергии относят различного рода жарочные и пекарные шкафы. На лучистой энергии работают непрерывно действующие жарочные аппараты, в которых продукт, перемещаемый конвейером, несущий орган которого выполнен в виде сетки, сверху и снизу воспринимает лучистую энергию от инфракрасных излучателей (ИК-лампы).

Кроме всех перечисленных теплообменников, на предприятиях общественного питания применяются аппараты с нагревом продуктов путем непосредственного контакта теплообменных сред. На рис. 3.4 представлены схемы пароварочных аппаратов. Суть работы всех этих теплообменников заключается в том, что пар подается во внутреннее пространство корпуса аппарата и вступает в контакт с продуктом (так называемый «острый пар»). Пар конденсируется и на продукте, и на посуде (функциональных емкостях) и отдает им свою теплоту.

http://mppnik.ru

Рас. 3.4. Схемы теплообменников с непосредственным контактом теплообменных сред:

а — с централизованной подачей пара: 1 — сборник конденсата; 2 — патрубок для подвода пара; 3— функциональная емкость без отверстий; 4 — корпус аппарата; 5 — функциональная емкость с отверстиями; 6 — патрубок для отвода конденсата; б — с автономным парогенератором: 1 — парогенератор; 2

— корпус аппарата; 3 — функциональная емкость без отверстий; 4 — функциональная емкость с отверстиями; в — непрерывно действующий: 1 — корпус аппарата; 2 — емкость для продуктов; 3 — загрузочный бункер с затвором; 4 — патрубок для отвода конденсата; 5 — разгрузочный буккер с затвором для отвода готового продукта; 6 — цепной транспортер; 7 — патрубок для ввода пара

.

3.5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ АППАРАТОВ

Работа тепловых аппаратов характеризуется рядом технико-экономических и эксплуатационных показателей, по которым можно проводить сравнение совершенства их конструкций. В большинстве своем эти показатели являются относительными.

К основным показателям относятся: коэффициент использования; производительность; коэффициент полезного действия (кпд); удельный расход теплоты; удельная металлоемкость; тепловое напряжение поверхности нагрева.

Коэффициент использования теплового аппарата определяется из выражения: для непрерывного действия

где φ — коэффициент использования; τраб — продолжительность работы аппарата в смену, ч; τi — продолжительность работы аппарата для одной загрузки, ч; ni — количество загрузок аппарата в смену, раз; τ — продолжительность одной смены, ч.

При этом продолжительность работы аппарата для одной загрузки включает время, необходимое на загрузку, тепловую обработку, выгрузку и мойку аппарата.

Чем выше коэффициент использования аппарата, тем эффективнее он используется на предприятии.

Важнейшим показателем работы тепловых аппаратов является их производительность. Под производительностью понимается количество продукции, вырабатываемой аппаратом в единицу времени.

Для аппаратов периодического действия производительность рассчитывается по формуле

http://mppnik.ru

где Qт — производительность аппарата, кг/ч; G — масса единовременно загруженных продуктов, кг; τ3 — продолжительность загрузки, с; τобр — продолжительность тепловой обработки, с; τв — продолжительность выгрузки аппарата, с.

Тепловые аппараты периодического действия часто характеризуют не по производительности, а по их основному параметру — объему рабочей камеры, площади жарочной поверхности и др.

Для тепловых аппаратов непрерывного действия, в которых вырабатывается штучная или порционная продукция, расчет производительности проводят по формуле

где F — поперечное сечение продуктов потока, м2; v — скорость движения потока, м/ч; L — длина рабочей камеры, м; Vp — вместимость рабочей камеры, м3; τ — продолжительность технологического цикла аппаратов, ч.

Коэффициент полезного действия теплового аппарата — это отношение полезно используемой теплоты Q1 ко всей затраченной Qзaтp:

Полезно используемая теплота — это теплота, которая расходуется непосредственно на приготовление пищи. Чем выше кпд аппарата, тем он более совершенен. Основной путь увеличения кпд — уменьшить потери теплоты за счет лучшего сжигания топлива, сокращения потерь теплоты в окружающую среду и на разогрев конструкции самого аппарата.

Удельным расходом теплоты называется количество теплоты, расходуемой на единицу готовой продукции:

где q - удельный расход теплоты, Дж/кг; GГ.np — масса (количество) готовой продукции, кг (шт.).

Чем меньше удельные расходы теплоты, тем совершеннее конструкция аппарата. Удельная металлоемкость аппарата характеризуется расходом металла на единицу

характерного параметра аппарата (объема или площади):

где m — удельная металлоемкость; М — масса металлоконструкции аппарата, кг; Vo

— объем рабочей камеры, м3; F0 — площадь рабочей (жарочной) поверхности, м2.

Для аппаратов непрерывного действия металлоемкость может характеризоваться удельной производительностью, т. е. производительностью, отнесенной к массе металлоконструкций:

Энергетическим показателем, характеризующим тепловой аппарат, является тепловое напряжение поверхности нагрева:

http://mppnik.ru

где Т — тепловое напряжение поверхности нагрева, Вт/м2; Fн — площадь поверхности нагрева, м2; τ — продолжительность работы аппарата, с.

-

______________________________________________________________________________

ГЛАВА 4.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ АППАРАТА

__________________________________________________________________________

4.1. ЗАДАЧИ КОНСТРУКТОРСКОГО И ПОВЕРОЧНОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО АППАРАТА

Тепловая обработка продуктов осуществляется в различающихся по виду, устройству, принципу действия и греющим средам теплообменных аппаратах. Поскольку назначение у всех тепловых аппаратов одно и то же — передача теплоты от потока одной рабочей среды (теплоносителя) к потоку другой (термически обрабатываемой) — основные положения теплового расчета для них являются общими. При этом различают два вида расчетов аппаратов — конструкторский (проектный) и поверочный.

Цель конструкторского расчета — определение поверхности теплообмена и конструктивных размеров аппарата. В этом случае предварительно выбирают конструкцию аппарата, а затем тепловым расчетом определяют площадь поверхности теплообмена, конструктивные размеры этой поверхности и основных элементов аппарата. Конструкторский расчет включает также гидравлический и механический (прочностной) расчеты аппарата.

Конструкторский расчет осуществляют при проектировании теплообменного аппарата, когда известны расходы теплоносителей и их параметры или производительность и расход теплоты (теплопроизводительность аппарата).

Целью поверочного расчета является выбор условий, обеспечивающих рациональный режим работы аппарата.

Поверочный расчет выполняется для выявления возможности использования имеющихся или стандартных теплообменных аппаратов для заданного технологического процесса. При поверочном расчете задаются размеры аппарата и условия его работы, а неизвестной величиной является фактическая производительность теплообменного аппарата. Поверочный расчет необходим также для оценки работы аппарата при режимах, отличных от номинальных (при модернизации, автоматизации или других технических мероприятиях).

Для конструкторского и поверочного расчетов аппаратов основными расчетными уравнениями являются уравнения теплопередачи и теплового баланса. Основное уравнение теплопередачи:

где Q — тепловая нагрузка аппарата, Вт; К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); F—поверхность теплопередачи, м ; Δtcp — средняя разность температур (движущая сила теплообмена), °С.

Общий вид уравнения теплового баланса:

http://mppnik.ru

;где Q — количество подведенной теплоты в аппарате, Вт; ΣQпoл — сумма составляющих полезно используемой теплоты, Вт; ΣQпoт — суммарные потери теплоты в аппарате, Вт.

Уравнение теплопередачи (4.1) отражает тепловой процесс односторонне, показывая лишь теплоту, прошедшую через поверхность нагрева аппарата. Уравнение теплового баланса (4.2) показывает равенство прихода и расхода теплоты в аппарате, выражая известный закон сохранения энергии. Анализ уравнения теплового баланса дает возможность выявить непроизводительные потери теплоты и предложить наиболее рациональные режимы эксплуатации теплового оборудования.

Работа любого теплового аппарата как периодического, так и непрерывного действия состоит из периода разогрева и стационарного периода. Период разогрева (неустановившийся, нестационарный режим) характеризуется ростом температур отдельных элементов аппарата до какого-то определенного постоянного значения. Стационарный период отражает работу аппарата при постоянной температуре всех элементов. В связи с этим тепловой баланс аппарата составляют на нестационарный режим работы (период его разогрева) и на стационарный режим (собственно процесс тепловой обработки).

4.2. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС АППАРАТА И ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ, ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИХ

Тепловые балансы для нестационарного и стационарного режимов работы аппарата выражаются соответственно уравнениями:

В уравнениях (4.3) и (4.4) индекс «'» относится к режиму разогрева, а индекс «"» — к стационарному режиму. Здесь Q — теплота, вносимая в аппарат энергоносителем; Q1— полезная теплота, необходимая для осуществления конкретного технологического процесса; Q2 — потери теплоты с уходящими продуктами сгорания топлива.

Указанные потери имеют место в аппаратах, использующих нагрев за счет сгорания твердого, жидкого или газообразного топлива. Потери обусловлены тем, что продукты сгорания топлива выходят из аппарата с температурой, значительно превышающей температуру окружающего воздуха.

Q3 — потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива. Эти потери могут быть обусловлены недостатком воздуха в камере сгорания, недостаточным перемешиванием топлива с воздухом, нарушениями температурных режимов горения.

Q4 — потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, что обусловлено провалом через колосниковую решетку, выпаданием в шлак и уносом с продуктами сгорания отдельных несгоревших частиц твердого топлива.

Q5— потери теплоты наружными ограждениями аппарата в окружающую среду. Потери являются следствием превышения температуры наружных ограждений аппарата над температурой окружающей среды. При этом от ограждений имеет место теплоотдача конвекцией и излучением.

Q6 - потери теплоты на разогрев конструкции аппарата. Потери обусловлены необходимостью повышения температуры отдельных элементов конструкции аппарата по отношению к их начальной температуре. В зависимости от вида энергоносителя отдельные уставляющие элементы теплового баланса могут отсутствовать (табл. 4.1).

ТАБЛИЦА 4.1

Составляющие теплового баланса в зависимости от вида энергоносителя (режим разогрева)

http://mppnik.ru

Итак, при расчетах аппаратов с газовым обогревом будут отсутствовать потери теплоты от механической и химической неполноты сгорания топлива Q3, Q4, а для аппаратов на паровом и электрическом обогреве — потери теплоты Q2, Q3 и Q4.

Все составляющие баланса (его левая и правая части) нуждаются в рассмотрении их физического смысла.

Теплота, вносимая в аппарат, в зависимости от вида теплоносителя определяется по уравнениям, приведенным в табл. 4.2.

ТАБЛИЦА 4.2

Определение количества теплоты, вносимой в аппарат, в зависимости от вида энергоносителя

Определение полезно используемой теплоты

Количество полезно используемой теплоты является основной характеристикой совершенства теплового аппарата и определяет величину его коэффициента полезного действия:

η=(Q1/Q)·100. (4.5)

В зависимости от цели тепловой обработки продуктов основное количество теплоты затрачивается на нагрев продукта и доведение его до определенной степени готовности. Как правило, пищевые продукты подвергают тепловой обработке (варке, жарке, пассерованию и др.) в технологических средах: жидкости (молоко, бульон, вода), жире, соусе и воздухе. Поэтому определенное количество теплоты затрачивается на нагрев технологических сред до требуемой температуры и поддержание ее в течение всего технологического цикла.

http://mppnik.ru

При этом в процессе тепловой обработки пищевых продуктов в связи со сложными биохимическими процессами, протекающими в них, кипением жидкостей, происходит испарение влаги.

Отсюда расход полезно используемой теплоты при расчете теплового аппарата можно с некоторыми допущениями подразделить на три основных составляющих:

нагрев продукта от его начальной температуры до рациональной температуры конкретного процесса и выдерживание продукта при этой температуре (доведение до различной степени готовности);

нагрев технологической жидкости от начальной температуры до рациональной (требуемой) в данном технологической процессе и поддержание этой температуры в течение всего процесса;

расход теплоты на испарение жидкости из продукта и технологической среды.

В табл. 4.3 приведены составляющие расчетных уравнений для определения Q1 при осуществлении основных технологических процессов: варки и жарки основным способом и во фритюре.

ТАБЛИЦА 4.3

Основные составляющие элементы полезно используемой теплоты

Таким образом, независимо от вида процесса (варка, жарка) расход теплоты на нагрев

холодной зоне фритюрниц имеет различную температуру, поэтому расход теплоты на

Расход теплоты на испарение влаги из продукта и технологических сред будет равен

ΔWr.

Тогда основные уравнения для определения Q1 в процессах варки продуктов будут иметь вид

Основные модификации уравнения теплового баланса для процесса варки.

Основное количество теплоты расходуется на нагрев массы продукта (Gn). Продукт может быть однокомпонентным (мясо, овощи, кость) или многокомпонентным ( овощи + крупы