Терехова О.Н. Холодильная техника и технология
Подождите немного. Документ загружается.
56
Q
2
.
G
1
.
c
0
t
1
t
кр
..
LW
ω
.
c
з
t
кр
t
2
где с
0
, с
з
— удельная теплоемкость продукта соответственно охлажденного (для вишни
с=3345 Дж/(кг
⋅К)) и замороженного (для вишни с
з
= 2520 Дж/(кг⋅К)); t
кр
— температура на-
чала замерзания соков в продукте, (для вишни t
кр
=- 3,51°С); W — относительное содержание
воды в продукте, доли единицы (для вишни W=0,731) (см. табл. 49 приложения).; ω — отно-
сительное количество вымороженной воды, доли единицы (для вишни ω=0,673)
Тогда
Q
2
.
0.278 ( )
.
3345 ( )
10 3.51
..
1335000 0.731 0.673
.
2520 ( )3.51 18
.
68537 Вт
Площадь поверхности решетки
F
P
Q
2
...
w
опт
ρ
в
c
в
∆
t
в
68537
,,,3
.
28 1
..
484 1012 2 8
.
5 м
2
где ∆t
в
— температура нагрева воздуха во флюидизированном слое (в грузовом отсеке аппа-
рата); ориентировочно составляет ∆t
в
=-30
0
С (принимаем ∆t
в
= 2,8° С).
Проектируем флюидизационный аппарат универсальным, т. е. для замораживания
продуктов как в «кипящем» (флюидизированном), так и в плотном слоях. С этой целью под-
держивающая решетка выполняется в виде непрерывной конвейерной ленты, изготовленной
из плетеной сетки с ячейками размером 3
×3 мм, выполненной из нержавеющей стали.
Ширину конвейерной ленты В
р
принимаем 0,8 м, тогда длина ленты
L
p
F
p
B
p
5
0.8
.
6.25 м
Высоту неподвижного слоя продукта на решетке ориентировочно принимаем
H
0
=0,04м Тогда масса продукта на решетке
G
пр
..
H
0
F
p
ρ
н
..
0.04 5 645
.
129 кг
где ρ
н
- насыпная плотность продукта, кг/м
3
(для вишни ρ
н
=645 кг/м
3
) (см. табл. 51 прило-
жения).
Объем циркулирующего воздуха
,,V
в
.
F
p
w
опт
.
53
28 16
.
4
м
3
с
Масса циркулирующего воздуха
G
в
.
V
в
ρ
в
.
16.4 1.484
.
24.33
кг
с
При расчете флюидизационного аппарата должно быть выполнено равенство
Q
2
Q
пр
Q
в
гдe Q
пр
, Q
в
- теплоприток соответственно от площади поверхности находящегося на решет-
ке продукта и от замораживаемого воздухом продукта, Вт.
Теплоприток от площади поверхности находящегося на решетке продукта
Q
пр
..
α
F
пр
∆
t
m
где F
пр
- площадь поверхности сферических частиц продукта, находящегося на решетке, м
2
;
∆t
m
- средняя логарифмическая разность между температурами продукта и воздуха, °С.
57
Площадь поверхности сферических частиц продукта, находящегося на решетке
F
пр
.
6G
пр
.
ρ
пр
d
э
.
6 129
.
1020 0.019
.
40 м
2
Теплоприток от замораживаемого воздухом продукта
Q
в
..
G
в
c
в
∆
t
в
..
24.33 1012 2.8
.
68940 Вт
Продукт непрерывно вводится в аппарат с температурой t
1
= 10°C и непрерывно отво-
дится из него с температурой t
2
=-18°С . Интенсивное перемешивание частиц продукта в за-
мораживаемом слоем приводит к выравниванию температур отдельных частиц. С достаточ-
ной для инженерных расчетов точностью можно принять, что температура продукта посто-
янна по всему объему и равна температуре выходящего из аппарата продукта.
Средняя логарифмическая разность между температурами продукта и воздуха
∆
t
m
∆
t
в
ln
t
2
t
в1
t
2
t
в2
2.8
ln
18 30
18 27.2
13.84
здесь
t
в2
t
в1
t
в
30 2.8 27.2
тогда
,,Q
пр
53
..
74013 84
.
29728 Вт
Следовательно, равенство Q
2
< Q
пр
< Q
в
не соблюдается и необходимо увеличить Q
пр
.
Q
пр
можно увеличить при возрастании F
пр
до величины F
1
пр
< F
пр
.
Значение F
пр
находим из зависимости
F
1
пр
Q
2
.
α∆
t
m
68500
.
53.7 13.84
.
92.17 м
2
Тогда действительная масса находящегося на решетке продукта
G
1
пр
..
F
1
пр
ρ
пр
d
э
6
..
92.17 1020 0.019
6
.
297.71 к
г
Действительная высота насыпного слоя продукта на решетке
H
1
0
G
1
пр
.
ρ
н
F
p
297.71
.
645 5
.
0.092
м
Действительная температура воздуха на выходе из грузового отсека аппарата
t
1
в2
Q
пр
.
G
в
c
в
t
в1
68500
.
24.33 1012
30
27.22
что близко к принятой ранее температуре t
в2
=-27,2°C.
Прочность флюидизированного слоя продукта находят по зависимости
ε
.
18 Re
.
0.36 Re
2
Ar
0.21
.
18 5770
.
0.36 5770
2
.
4.04 10
8
0.21
0.48
здесь
58
Re
.
w
опт
d
э
ν
в
.
3.28 0.019
.
10.8 10
6
5770
Высота флюидизированного слоя продукта
H
ф
.
H
1
0
1
ε
0
1
ε
.
0.091
1 0.36
1 0.48
.
0.113
м
где
ε
0
- порозность насыпного слоя (для вишни ε
0
=0,36).
Продолжительность замораживания продуктов сферической формы в аппарате
τ оп-
ределяют по формуле
τ
..
.
q
з
ρ
пр
t
кр
t
с
d
э
6
d
э
.
4
λ
з
1
α
Находим численные значения
q
з
.
c
0
t
1
t
кр
..
LW
ω
.
c
з
t
кр
t
2
=
=
.
3345 ( )
10 3.51
..
335000 731 0.673
.
2520 ( )3.51 18
=
=246,500 Дж/кг
t
с
t
в1
t
в2
2
30 ( )27.2
2
28.6
Тогда
τ
..
.
246500 1020
3.51 28.6
0.019
6
0.019
.
4 1.34
1
53.7
.
696 c
.
11.6 мин
В связи с тем, что масса находящегося на решетке продукта составляет С
пр
=297 кг, то
она, очевидно, и будет определять вместимость флюидизационного аппарата.
Длина аппарата
La L
p
D
б
.
2
δ
з
.
2
δ
и
6.25 0.3
.
2 0.2
.
2 0.2
.
7.35
м
где D
б
- диаметр барабана транспортера, м (D
б
=0,3 м); δ
з
- зазор между барабаном и торцевы-
ми стенками туннеля (со стороны загрузки и разгрузки ) (
δ
з
=0,2 м ); δ
и
- толщина стенки
аппарата с теплоизоляцией (
δ
и
=0,2 м).
Ширина аппарата
Ba Bp Bв
.
2
δ
з
.
2
δ
и
0.8 0.8
.
2 0.2
.
2 0.2
.
2.4
м
где Bp, Bв- ширина соответственно ленты трансформатора и центробежного вентилятора
(ориентировочно принимаем Bв=0,8 м)
Высота аппарата
Ha H
ф
D
б
H
в0
.
2
δ
з1
.
2
δ
и
0.113 0.3 2.8
.
2 0.5
.
2 0.2
.
4.6
м
где Н
в0
— высота секции воздухоохладителя, (ориентировочно принимаем Н
в0
= 2,8 м); δ
з1
—
зазоры по высоте аппарата, (принимаем δ
з1
= 0,5 м).
Тепловую нагрузку на воздухоохладитель определяют по уравнению
Q
0
Q
1
Q
2
Q
4
Q
1
4
где Q
1
, Q
2
, Q
4
- теплоприток соответственно через ограждения камеры и от охлаждаемого в
камере продукта, а также эксплуатационный теплоприток от электродвигателей вентилято-
59
ров Вт; (Q
1
)
4
- дополнительный теплоприток, возникающий при загрузке и выгрузке продук-
тов.
Теплоприток через ограждения аппарата определяется по зависимости
Q
1
..
k
нi
F
нi
∆
t
нi
..
0.3 ( )
..
2 7.35 2.4
..
2 7.35 4.6
..
2 2.4 4.6 ( )
15 28.6
.
1634 Вт
где k
нi
- коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м
2
⋅ К); F
нi
- площадь поверхности огра-
ждения, м
2
; ∆t
нi
- разность между температурами вне камеры и внутри охлаждаемого поме-
щения, ˚С.
Тепловой эквивалент работы вентиляторов воздухоохладителей ориентировочно
принимают в размере 30
% от Q
2
.
Тогда
Q
4
.
0.3 68500
.
20550 Вт
Теплоприток от поступающего в аппарат через окна загрузки и выгрузки воздуха
принимают в размере 40
% от Q
1
Q
1
4
.
0.4 1640
.
656 Вт
Тогда
Q
0
1634 68500 20550 656
.
91340 Вт
Площадь поверхности воздухоотделителя находят по формуле
F
во
Q
во
.
R
во
∆
t
0
где k
во
- коэффициент теплопередачи воздухоотделителя, k
во
=13 Вт/(м
2
⋅К)
Разность между температурами воздуха и холодильного агента из-за сравнительно
небольшого изменения температуры воздуха в грузовом отсеке аппарата (∆t
в
=2,8°С) можно
принять как среднюю арифметическую, и она составит при температуре кипения холодиль-
ного агента t
0
=-40˚С
∆
t t
c
t
0
28.6 40 11.4
Тогда
F
во
91340
.
13 11.4
.
613 м
2
Для непрерывной работы морозильного аппарата воздухоохладитель изготовляют из
шести самостоятельных секций, изолированных друг от друга специальными перегородками.
Так как одна из них периодически отключается для оттаивания, в морозильном аппарате не-
прерывно работают только пять секций. Поэтому расчетная теплопередающая площадь по-
верхности каждой секции
F
1
во
F
во
5
613
5
.
122.6 м
2
Полагаем, что воздухоохладитель будет изготовлен из труб размерами 38×2,5 мм,
оребренных лентой толщиной
δ
р
=0,8 мм и высотой ребра h
р
=30 мм с шагом оребрения
t
р
=20,0 мм . Площадь поверхности охлаждения 1м такой трубы f
1
составляет 0,76 м
2
/м. То-
гда длину труб одной секции воздухоохладителя можно найти из зависимости
60
L
тр
F
1
во
f
1
122.6
0.76
.
161.18
м
Секции воздухоохладителя расположены под решеткой. Каждая секция размещается
на 1/6 длины решетки. Тогда длина секции составит
l
тр
6.25
6
.
1.04
м
Количество труб, которое можно разместить на этой длине при расстоянии между ни-
ми S
1
=0,104 м,
n
1
l
тр
s
1
1
1.04
0.104
1
.
9 шт
Ширину секции воздухоохладителя принимаем равной ширине поддерживающей
решетки.
Тогда длина труб в одном горизонтальном ряду
L
1
тр
.
B
p
n
1
.
0.8 9
.
7.2 м
Количество горизонтальных рядов труб в секции воздухоохладителя
n
2
L
тр
L
1
тр
161.18
7.2
22
Высота секции воздухоохладителя
H
во
.
n
2
1s
2
.
()
22 1 0.115
.
2.64 м
Аэродинамическое сопротивление движению воздуха в циркуляционном кольце ∆Р
можно найти из уравнения
∆
P
.
∆
P
ф
∆
P
p
∆
P
во
∆
P
пов
∆
P
вх
∆
P
диф
α
где ∆Р
ф
, ∆Р
р
, ∆Р
во
, ∆Р
пов
, ∆Р
вх
, ∆Р
диф
— аэродинамическое сопротивление соответственно
флюидизированного слоя продукта, поддерживающей решетки, оребренной секции воздухо-
охладителя, поворотов, воздуха при входе в вентилятор, диффузора, Па; α — коэффициент,
учитывающий сопротивление трения в канале (α =1,1).
Аэродинамическое сопротивление флюидизированного слоя продукта
∆
P
ф
..
1.67
.
Re
H
ф
d
э
0.2
G
1
пр
F
p
..
1.67
.
5770
0.148
0.019
0.2
297.71
5
.
844 Па
Аэродинамическое сопротивление поддерживающей решетки с ячейками размером
3×3 мм и живым сечением для прохода воздуха Е=0,308
∆
P
p
.
13.72
w
опт
2
.
43.12 w
опт
119.36
.
13.72 3.28
2
.
43.12 3.28 119.36
.
125.5 Па
Аэродинамическое сопротивление оребренной секции воздухоохладителя находят из
зависимости
∆
P
во
......
1.35 n
2
h
d
н
0.45
U
d
н
0.72
Re
0.24
ρ
в
w
2
где d
н
- диаметр трубы, мм; h- высота ребра, мм; U- расстояние между ребрами с учетом сне-
говой шубы определяется по формуле
U t
δ
p
.
2
δ
и
20 0.8
.
22
.
15.2 м
м
61
где t- шаг оребрения; δ
и
- толщина выпавшего на оребренных секциях инея.
Число Рейнольдса, входящее в зависимость для нахождения аэродинамического со-
противления оребренной секции воздухоохладителя, при кинематической вязкости воздуха
ν
в
=10,8⋅10
-6
м
2
/с (при t
0
=-40˚С) составит
Re
.
3.28 0.038
.
10.8 10
6
11540
Тогда аэродинамическое сопротивление оребренной секции воздухоохладителя
∆
P
во
......
1.35 23
30
38
0.45
15.2
38
0.72
11540
0.24
3.28
2
1.484
.
91.3 Па
Аэродинамическое сопротивление поворотов определяют по формуле
∆
P
пов
...
n
пов
ξ
пов
w
пов
2
2
ρ
в
...
4 1.5
2
2
2
1.484
.
17.8 Па
где n
пов
- количество поворотов, которые делает воздух в циркуляционном канале камеры
считаем, что n
пов
=4, а скорость движения воздуха в сечении поворота w
пов
=2 м/с. Коэффи-
циент местного сопротивления поворотов
ξ
пов
=1,5.
Аэродинамическое сопротивление воздуха при входе в вентилятор рассчитывают по
уравнению
∆
P
вх
..
ξ
вх
w
в
2
2
ρ
Количество циркулирующего через одну секцию воздуха
V
1
в
16.4
5
.
3.28
м
3
с
Для подачи такого количества воздуха выбираем центробежный вентилятор типа
ЦЧ-70 №63. Диаметр всасывающего окна d
в
=0,7 м. Скорость движения воздуха во входном
окне вентилятора находят из зависимости
w
вх
.
4
V
1
в
..
π
d
в
2
n
в
.
4 3.28
..
3.14 0.7
2
1
.
8.52
м
с
где n
в
- количество вентиляторов
Тогда
∆
P
вх
..
0.5
8.52
2
2
1.484
.
26.93 Па
Аэродинамическое сопротивление диффузора определяют по формуле
∆
P
диф
..
ξ
диф
w
вых
2
2
ρ
в
где
ξ
диф
— коэффициент местного сопротивления диффузора, величина которого для диффу-
зора с углом раскрытия 90° составляет 0,15; w
вых
— скорость движения воздуха в выходном
окне вентилятора ЦЧ-70 №6,3 (в суженном сечении диффузора), при расходе воздуха 3,28
м
3
/с w
вых
=16 м/с
Тогда
62
∆
P
диф
..
0.15
16
2
2
1.484
.
28.5 Па
Находим численное значение
,,
∆
P
.
(),,,,,844 125 59131782693 28 5 1 1 1247
.
4 Па
Напор вентилятора, приведенный к воздуху температурой 20˚С и плотностью ρ
в
=1,2
кг/м
3
, составит
∆
P
20
.
∆
P
ρ
20
ρ
в
.
1247.4 1.2
1.484
.
1010 Па
По характеристике вентилятора ЦЧ-70 №6,3 при подаче воздуха в количестве 3,28
м
3
/с и напоре ∆P
20
=1010 Па коэффициент полезного действия вентилятора η
в
= 0,7.
Мощность электродвигателей вентиляторов, определяется по формуле
Ne
.
V
0
∆
P
η
в
.
16.4 1247.4
0.7
.
29224 Вт
В предварительном расчете тепловой эквивалент работы электродвигателей вентиля-
торов ориентировочно был принят 20500 Вт. Действительный тепловой эквивалент выше
предварительно принятого. Так как эта ошибка не превышает 10%, то пересчет производить
не нужно.
Производительность аппарата в случае замораживания в нем сливы можно найти по
формуле
G
1
сл
350
1510
.
0.232
кг
с
где G
сл
- вместимость аппарата при замораживании в нем сливы, кг; τсл- продолжительность
замораживания сливы, с.
Вместимость аппарата при замораживании в нем сливы
G
сл
..
H
0
F
p
ρ
н
..
0.12 5 584
.
350 к
г
здесь Н
0
— высота насыпного слоя сливы на поддерживающей решетке, м (Н
0
=0,12 м); ρ
н
—
насыпная плотность продукта, кг/м
3
(для сливы ρ
н
= 584 кг/м
3
).
Продолжительность замораживания сливы определяют по формуле
τ
..
.
q
1
з
ρ
пр
t
кр
t
с
d
э
6
d
э
.
4
λ
з
1
α
1
Удельное количество теплоты, отводимой от 1кг продукта при замораживании, для
сливы
Составит
q
1
з
.
3680 ( )
10 1.7
..
335000 0.857 0.673
.
2380 ( )1.7 18
.
262553
Дж
кг
Коэффициент теплоотдачи от площади поверхности продукта к воздуху
α
1
(формулу
расчета см. выше) определяют полагая что эквивалентный диаметр сливы d
1
э
равен 0,031м.
Полагаем, что скорость движения воздуха в грузовом отсеке аппарата при заморажи-
вании в нем сливы не изменяется ( w
опт
=3,28 м/с).
Тогда
63
α
1
..
0.62
0.0217
0.031
0.5
3.28
0.5
.
10.8 10
6
0.5
.
42.2
Вт
.
м
2
K
Продолжительность замораживания сливы
τ
сл
..
.
262553 1040
1.7 28.6
0.031
6
0.031
.
4 1.718
1
42.2
.
1510 c
Производительность аппарата при замораживании в нем сливы
G
1
сл
350
1510
.
0.232
кг
с
Скорость движения конвейера определяют по формуле
,w
к
L
p
τ
сл
6.25
1510
.
0.0041
м
с
0
.
25
м
мин
Варианты заданий
Флюидизационный аппарат для замораживания продукта имеет производительность
G
1
. Температура воздуха на входе в грузовой отсек аппарата t
в
, начальная температура про-
дукта t
1
, а конечная t
2
. Принципиальная схема флюидизационного морозильного аппарата
представлена на рис.1.
G
1
, кг/ч t
в
, ˚С t
1
, ˚С t
2
, ˚С
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
1100
1200
1300
1400
1500
-30
-40
-36
-20
-24
-41
-25
-34
-38
-26
-22
-35
-28
-37
-39
-35
10
8
15
18
16
15
20
11
13
20
17
14
12
22
19
10
-18
-15
-10
-17
-12
-16
-14
-13
-20
-15
-17
-18
-14
-13
-21
-18
64
ЧАСТЬ 2 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В ВИДЕ ПЛАСТИНЫ
Большинство охлаждаемых твердых пищевых продуктов имеют форму, близкую к
простейшим стереометрическим формам: пластина – готовые блюда в плоских упаковках,
филе; прямоугольный параллелепипед – масло, маргарин; шар – плоды, овощи, ягода, карто-
фель, яйца; цилиндр – колбасы, рыба, огурцы и т.д.
Цель работы: Определить длительность охлаждения пищевых продуктов, установить
какие факторы влияют на скорость данного процесса.
Оборудование, приборы и материалы
Для работы используется малая холодильная установка. Схема данной установки
представлена на рис. 2.1.
В нее входит следующее оборудование: холодильно-компрессорный агрегат типа
ХКВ – 5, холодильная камера типа “Морозко”, пульт управления “DANFOSS” модель
“ELIWELL 974” – терморегулятор, термопара типа К (М837), цифровой 3 ½ – разрядный ми-
нимультиметр, манометр на всасывание и манометр на нагнетание.
Описание установки
1 – компрессор; 2–- конденсатор; 3 – фильтр; 4 – капиллярная трубка ;
5 – испаритель; 6 – охладительная камера
Рис. 2.1 – Схема экспериментальной холодильной установки
Схема экспериментальной установки изображена на рис. 10.1. В нее входит следую-
щее оборудование: холодильно-компрессорный агрегат типа ХКВ-5; холодильная камера ти-
па “Морозко”; пульт управления “DANFOSS” модель “ELIWELL 974”, термопара типа К
(М837), цифровой 3 ½ –разрядный минимультиметр.
Герметичный компрессор типа ХКВ-5 имеет кривошипно-кулисный механизм с вер-
тикальной осью вращения (холодопроизводительность 0,85 м
3
/с). Компрессор оснащены
встроенным двухполюсным однофазным асинхронным электродвигателем и пускозащитным
TE
03
PJ
01
PJ
02
TJ
03
1
2
3
4
5
6
t
1
t
2
t
3
t
4
65
реле и предназначен для холодильных агрегатов с капиллярной трубкой, применяемых в бы-
товых холодильниках и морозильниках, работающих на хладоне-12.
Холодильной камерой служит морозильный шкаф типа “Морозко” с подвешенным в
верхней части испарителем.
Дросселирующее устройство предназначено для процесса дросселирования, сопрово-
ждающегося снижением давления холодильного агента от давления конденсации Рк до дав-
ления кипения Ро с одновременным снижением температуры. В качестве дросселирующего
устройства используются капиллярная трубка для неавтоматизированных малых холодиль-
ных машин.
На пульте управления размещены приборы и устройства для измерения параметров
холодильного агента в различных точках экспериментальной установки. Температура холо-
дильного агента на входе в компрессор t
1
, на выходе из компрессора t
2
, на выходе из ресиве-
ра t
3
и на входе в испаритель t
4
фиксируется и показывается термопарами, присоединенные к
мультиметру (прибор, показывающий температуру, с цифровым индикатором). Давление хо-
лодильного агента на линии всасывания. Ро (давление кипения), а также температура кипе-
ния фреона-12 определяется по манометру, поз. 05. Давление холодильного агента на линии
нагнетания Рк (давление конденсат) и температура конденсации tк измеряются манометром
поз. 06. Контроль температуры воздуха в охладительной камере осуществляется электриче-
ским терморегулятором типа “DANFOSS” модель “ELIWELL 974” или визуально по термо-
метру закрепленному на прозрачной дверке.
Порядок выполнения работы
1. Изучить инструкцию по обслуживанию экспериментальной установки.
2. Разобраться с конструкцией и устройством всех элементов данной холодильной ус-
тановки. Изучить инструкции на все приборы.
3. Снять показания термометра, определить t
В
воздуха в помещении. Принять началь-
ную температуру продукта t
Н
= t
В
. В качестве испытуемых продуктов взять пачку маргарина.
4. Включить установку и установить температуру воздуха в камере равную 0 °С.
5. Поместить щуп термопары в центр испытуемой пачки, пачку поместить в камеру.
Засечь время начала опыта.
6. Каждую 1 минуту проводить запись значений температуры в центре продукта и на
поверхности. Измерения проводить до того момента, пока температура в центре продукта не
понизится до +4 °С.
7. Записать полное время охлаждения продукта от t
Н
до t. τ
Э
.
8. После окончания эксперимента отключить установку.
Обработка опытных данных
1. Определить длительность охлаждения продукта, пользуясь зависимостью, исполь-
зуя приведенную выше методику расчета.
α
δ⋅
=τ
2
O
F
(48)
2. Сравнить значение продолжительности охлаждения τ
Э
, полученные эксперимен-
тальным путем и расчетами τ. Посчитать погрешность.
3. Построить температурные кривые процесса охлаждения пищевых продуктов, как
функцию
)(
τ
tf =
.
4. Изучить влияние на процесс охлаждения одного из параметров: размер продукта,
начальной температуры, условие теплоотдачи.
5. Рассчитать количество теплоты, необходимое для процесса охлаждения.