Всего на сайте:
236 тыс. 713 статей

Главная | Кулинария, Пищевое производство

Тепловой баланс аппарата и характеристика элементов, его составляющих  Просмотрен 256

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

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6; (4.3)

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5; (4.4)

Здесь теплота (Q), вносимая в аппарат энергоносителем

Q1 - полезная теплота, необходимая для осуществления конкретного технологического процесса;

Q2 - потери теплоты с уходящими продуктами сгорания топлива. Данные 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, выпадением в шлак и уносом с продуктами сгорания отдельных несгоревших частиц твердого топли­ва.

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

Q6 - потери теплоты на разогрев конструкции аппарата. Потери обусловлены необходимостью повышения температуры отдельных элементов конст­рукции аппарата.

В зависимости от вида энергоносителя отдельные составляющие элементы теплового баланса могут отсутствовать. 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. 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 течении всего технологического цикла

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 подразделить на 3 основных составляющих:

- нагрев продукта от его начальной температуры до рациональной темпе­ратуры конкретного процесса и выдерживание продукта при этой температуре;

- нагрев технологической среды от начальной температуры до требуемой в данном технологическом процессе и поддержание этой температуры в тече­нии всего процесса:

- расход теплоты на испарения жидкости из продукта и технологической среды (ΔWr)

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

Q1 = Gпр (tк – tн) + Gжсж(tк – tн) + DW; (4.6)

для процессов жарки основным способом:

Q1 = Gпрспр(tк – tн) + Gжсж(tк – tн) + DW; (4.7)

для процессов жарки,во фритюре:

Q1 = Gпр (tк – tн) + Gжсж(tк – tн) + Gжсж(tк – tн) + DW; (4.8)

Определение потерь теплоты при работе аппаратов.

Потери теплоты с уходящими продуктами сгорания как Q2 для режима разогрева аппарата, так и для стационарного режима можно определить по сле­дующей зависимости:

Q2 = (Iу – Iв)B; (4.9)

где: В - массовый или объемный расход топлива, кг/с или м3/с;

Iуэнтальпия уходящих продуктов сгорания, Дж/кт или Дж/ м3;

Iв – энтальпия воздуха, поступающего в топочную катеру.

Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива рассчитывают по уравнению

Q3 = 12,8*103VсоB; (4.10)

где: Vсо - объем СО и продуктах сгорания, приходящихся на 1 кг или м3 топлива, м3/кг или м33;

В - массовый или объемный расход топлива, кг/с или м /с;

12,8 * 103 – теплота сгорания СО, кДж/м3.

Следует отметить, что потери теплоты Q3 зависят от сорта топлива и условий протекания процесса горения.

Потери теплоты от механическою недожога топлива Q4 (провал, унос, шлаки) имеют место только при сжигании твердого топлива. Эти теплопотери зависят от вида и сорта твердого топлива и ориентировочно принимаются от 2 до 6 % теплоты Q1.

Потери теплоты наружными ограждениями аппарата в окружающую сре­ду Q5 как для режима разогрева, так и для стационарного режима определяются по формуле:

Q5 = Fi(tni – to); (4.11)

где: Fi - наружная поверхность i-гo элемента ограждения (крышка, дверца и т.п.), м2;

- коэффициент теплоотдачи в окружающую среду данным элементом наружного ограждения аппарата, Вт/(м2 К);

tni - средняя температура i-гo элемента ограждения аппарата, °С или К;

to - температура окружающей среды, °С или К.

Расчет потерь теплоты на разогрев конструкции теплового аппарата ведется в основном для нестационарного режима работы. Однако в некоторых случаях эти теплопотери следует учитывать и при стационарном режиме На­пример, при работе тепловых шкафов в стационарном режиме имеют место по­тери теплоты на нагрев кондитерских листов, противней и функциональных емкостей.

Потери теплоты на разогрев конструкции определяются из выражения:

Q6 = Mi(tni – to)/ τ; (4.12)

где: Mi - масса i-гo элемента конструкции, кг,

сi - удельная массовая теплоемкость материала i-гo элемента, Дж/(кг∙К);

τ - продолжительность периода разогрева конструкции, с.

Коэффициент полезного действия аппарата может быть определен для периода разогрева, стационарного режима и всего процесса приготовления пи­щи соответственно по формулам:

η = (Q1/Q) * 100; (4.13)

η = (Q1/Q) * 100; (4.14)

η = (Q1 + Q1)/(Q +Q); (4.15)

Коэффициенты теплоотдачи при лучистом и конвективном теплообмене. Критериальные уравнения для определения коэффициентов теплоотдачи.

При определении потери теплоты наружными ограждениями аппарата в окружающую среду Q5 возникает проблема выбора коэффициента теплоотдачи a. При этом отметим, что в процессе отдачи теплоты ограждениями аппарата имеет место теплоотдача конвекцией и излучением, поэтому коэффициент теп­лоотдачи в данном случае определяется как суммарная величина.

ai = aкi + aлi; (4.16)

где: aкi - коэффициент теплоотдачи конвекции, Вт/(м2 К);

aлi - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2 К).

При определении коэффициента теплоотдачи конвекции прежде всего необходимо выяснить характер теплообмена: происходит он при вынужденном или свободном движении воздуха относительно теплоотдающей поверхности.

При вынужденном движении коэффициент теплоотдачи определяется при помощи критериев Рейнольдса и Прандтля. Первый критерий характеризу­ет динамику потока, второй критерии - физические константы рабочего тела (воздуха).

Отдача теплоты стенками аппарата в окружающую среду, как правило, проходит при свободном движении воздуха, по поэтому определяющими являются критерии Грасгофа и Прандтля.

Критерий Грасгофа характеризует интенсивность конвективных потоков, возникающих вследствие разности плотностей рабочего тела (воздуха) и пере­пада температур между ним и стенкой аппарата с учетом геометрической ха­рактеристики теплоотдающей поверхности.

На основе определяющих критериев находится критерии Нуссельта, включающий значение коэффициента теплоотдачи конвекцией и характеризующий собой тепловое подобие.

Указанные критерии имеют следующий вид:

Rc = vl/n; (4.17)

Pr = n/a; (4.18)

Gr = b(gl3Dt/n2) ; (4.19)

Nu = aкl/l; (4.20)

где: a - коэффициент температуропроводности воздуха, м2/с;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;

l - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м К);

b - коэффициент объемного расширения воздуха, I/К;

aк - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2 К);

l - определяющий геометрический размер, м;

n - кинематический коэффициент вязкости воздуха, м2/с;

Dt - перепад температур между воздухом и ограждением,

t - определяющая температура, °С.

При свободной конвекции в неограниченном пространство критериальное уравнение приобретает вид:

Nun = c(Gr*pr)n; (4.21)

Значение коэффициента пропорциональности С и показателя степени n для отдельных областей произведения (Gr*pr) могут быть приняты из справоч­ной литературы.

Но значению критерия Нуссельта определяется искомый коэффициент теплоотдачи конвекцией:

aк = Null; (4.22)

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формуле Стефана-Больцмана:

aл = eСо/(tn – to)[(Tn/100)4 – (To/100)4] ; (4.23)

где: e - степень черноты полного нормального излучения поверхности для различных материалов;

С0 - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела

С0 = 5,67 Вт/(м2К4);

Тп - абсолютная температура поверхности ограждения, К;

Т0 - абсолютная температура окружающей среды, К.

При решении частных задач для определения коэффициентов теплоотдачи конвекцией от стенок аппарата к окружающему воздуху можно воспользо­ваться следующими формулами.

Формула Коха применяется для определения aк в случае естественной конвекции от вертикального цилиндра к воздуху:

aк = 5,88c[(tn – to)0.25/d]; (4.24)

где: С - коэффициент, зависящий от высоты цилиндра;

d - диаметр цилиндра, м;

to - средняя температура окружающего воздуха, 9С;

tn - температура поверхности, С.

Формула Жуковского применяется для определения aк в случае естественной конвекции от горизонтальной поверхности вверх при условии 15 < ( tn – to ) < 900

aк = 3,42(tn – to)0.25; (4.25)

Формула для определения aк от вертикальной плиты имеет вид:

aк = A(tn – to)0,33; (4.26)

где: А - коэффициент; зависящий от средней температуры пограничного слоя воздуха tm, около поверхности ограждения:

tm = (tn – to)/2; (4.27)

Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием можно приближенно определить но следующей формуле (в случае теплоотдачи в закрытых помещениях при температуре ограждений до 150°С)

a = 9,74 = 0,07(tn – to); (4.28)

Предыдущая статья:Задачи конструкторском и проверочном расчета аппарата. Следующая статья:Определение площади поверхности теплообмена в тепловом аппарате.
page speed (0.1798 sec, direct)