Теплотехнический расчет проектируемой сковороды

 

 

 

3.1.2 Определение затрат теплоты

 

Поскольку сковорода СКЭ-0,3 является аппаратом периодического действия, для определения наибольших затрат теплоты расчет производим как для нестационарного, так и стационарного режимов его работы.

 

Количество теплоты, затраченное  соответственно при нестационарном , Дж, и стационарном режиме , Дж, определяем по формулам 

			(3.1)
			(3.2)
где	,	– количество полезно используемой теплоты  при    нестационарном и стационарном режиме, Дж;
	,	– количество теплоты, теряемое наружными поверхностями    сковороды в окружающую среду при нестационарном и    стационарном режимах, Дж;
		– количество теплоты, расходуемое на разогрев конструкции     при нестационарном режиме, Дж.

 

3.1.2.1 Количество полезно используемой теплоты при нестационарном режиме , Дж и стационарном режиме , Дж, работы сковороды определяем по формуле 

			(3.3)
			(3.4)
где	,	– масса продукта (полуфабрикат котлет) и масса нагреваемого    жира для жарки  котлет, кг;
	,	– удельная теплоемкость продукта (котлет) и удельная    теплоемкость нагреваемого  жира для жарки котлет,    Дж /(кг;
	,	– конечная средняя температура продукта (котлет) и конечная    температура жира  для жарки, ;
	,	– начальная температура продукта (котлет) и начальная    температура жира  для жарки, ;
	,	– количество испарившейся жидкости (воды) при     нестационарном и  стационарном режиме, кг;
		– удельная теплота парообразования, Дж /(кг.

 

Массу продукта (полуфабрикат котлет) определяем по формуле

			(3.5)
где		– масса полуфабриката одной котлеты, кг;
		– количество котлет, помещающихся в сковороду в один слой, шт.

 

Количество котлет, помещающихся в сковороду в один слой определяем по формуле

			(3.6)
где		– площадь пода сковороды, м2;
		– площадь полуфабриката одной котлеты, м2.

 

Зная размеры полуфабриката  котлеты «Домашней» (ширина 0,05 м; длина 0,12 м) находим количество котлет одновременно загружаемых в сковороду

 

Тогда

 

 

Удельную теплоемкость продукта определяем по формуле

 

			(3.7)
где		– влажность продукта (котлеты), %;
		– содержание сухих веществ в продукте (котлета), %.

 

Влажность котлет «Домашних» по справочнику «Химический состав пищевых продуктов» равна 59,8%. Следовательно,  содержание сухих веществ равно 40,2%. Тогда

 

 

Так как продукт имеет  неравномерную конечную температуру  определяем конечную среднюю температуру  продукта (котлет) , ^оС, по формуле

			(3.8)
где		– конечная  температура корочки продукта (котлет), оС;
		– конечная  температура центра продукта(котлет), оС

 

 

Массу жира для жарки котлет принимаем из расчета 5% от массы  продукта (котлет) = 0,250 кг.

Так как влажность жира для жарки равна 0%, то удельная теплоемкость в соответствии с формулой (3.7) равна 1680

 

Зная массу полуфабриката  котлет и фактический выход (50 штук по 0,075 кг) определяем количество испарившейся жидкости при нестационарном и стационарном режиме

 

 

 

Принимаем

Принимаем  r = 2257,2 ∙ 10³ Дж/кг.

 

Подставляем значения в формулы (3.3) и (3.4)

 

 

 

 

 

3.1.2.2 Количество теплоты, теряемое наружной поверхностью аппарата в окружающую среду , Дж, и , Дж,  определяем по формулам

 

			(3.9)
			(3.10)
где	,,	– площади соответственно теплоотдающих поверхностей    (корпус, дно и крышка), указанных на рисунке 6, м2;
	,, ,, ,	– коэффициенты теплоотдачи от выше указанных       поверхностей соответственно при нестационарном и    стационарном режиме, Вт /(м2;
	,,	– конечные температуры выше указанных поверхностей, оС;
	,,	– начальные температуры выше указанных поверхностей, оС;
		– температура окружающего среды (воздуха), оС;
	,	– продолжительность нестационарного и стационарного    режима, с.

 

 

Площади теплоотдающих поверхностей определяем по формулам:  

;	(3.11)
	(3.12)
	(3.13)

Следовательно

 

 

;

 

.

 

Коэффициенты теплоотдачи  от наружных теплоотдающих поверхностей определяем по формулам

;	(3.14)
	(3.15)

 

 

 

 

;

 

 

 

Подставим полученные значения в формулы (3.9) и (3.10)

 

 

 

 

 

 

 

    

 

3.1.2.3 Количество теплоты, расходуемое на разогрев конструкции при нестационарном режиме работы сковороды , Дж, определяем по формуле

 

			(3.16)
где	,,	– масса металлических элементов сковороды,    теплоизоляции и  промежуточного теплоносителя     (минеральное масло), кг;
	,,	– удельная теплоемкость выше указанных элементов    сковороды, Дж /(кг;
	;	– средние конечные температуры металлических    элементов сковороды и теплоизоляции, оС;
	;	– средние начальные температуры металлических    элементов сковороды и теплоизоляции, оС.

 

Определяем массу металлических  элементов сковороды по формуле

 

			(3.17)
где		– масса стоек, кг.

 

Принимаем

 

 

= 10 кг;

 

= 39 кг.

Тогда

 

 

 

В конструкции сковороды  использованы чугун ( = 550 Дж /(кг) и сталь ( = 461 Дж /(кг).

Принимаем среднее значение = 505 Дж /(кг.

 

Принимаем = 921 Дж /(кг;

                     = 1670 Дж /(кг.

 

Определяем средние конечные и  средние начальные значения температур металлических элементов сковороды  и теплоизоляции по формулам

 

	(3.18)
	(3.19)
	(3.20)
	(3.21)

 

Следовательно

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляем полученные значения в формулу (3.16)

 

 

 

17185 кДж.

 

 

Подставим полученные значения в формулы (3.1) и (3.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.3 Определение  мощности сковороды

 

 Мощность, затраченную на проведение заданного технологического процесса соответственно при нестационарном , кВт, и стационарном , кВт, режимах определяем по формуле 

 

	(3.18)
	(3.19)

;

 

;

 

 

 

Мощность, полученная расчетным  путем меньше номинальной, что позволяет  производить заданный технологический  процесс при выбранных параметрах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Расчет нагревательного  элемента

 

Трубчатые электронагреватели (ТЭН) предназначены  для нагрева различных сред путем  конвекции, теплопроводности и излучения  посредством преобразования электрической  энергии в тепловую.

Конструкция трубчатого электронагревателя круглого сечения представляет собой  расположенный внутри металлической  оболочки нагревательный элемент (спираль  из сплава с высоким сопротивлением) с контактными стержнями. От оболочки нагревательный элемент изолирован спрессованным электроизоляционным  наполнителем. Для предохранения  от попадания влаги из окружающей среды торцы ТЭН герметизируют. Контактные стержни изолируются  от оболочки диэлектрическими изоляторами.

 

 

а)

б)

 

а) – параметры трубки; б) – параметры спирали

 

Рисунок 3.2 – Схема к расчету ТЭН

 

Масляные ТЭНы могут быть согнутыми в различных плоскостях и оснащаться различными крепежными элементами.                                   

      

 

Рисунок 3.3 – Типовые формы ТЭН

Масляные ТЭН предназначены для нагрева масла, жиров, битума, других жировых соединений и согласно ГОСТ 13268-88 характеризуются следующим образом:

 

Таблица 3.2 – Основные характеристики ТЭН, работающих в масляных средах

Характер нагрева	Нагрев в ваннах и других емкостях
Материал оболочки	Углеродистая сталь
Область применения	Нагрев пищевых и технических  масел, цистерны, фритюрницы, масляные радиаторы
Условное обозначение по   ГОСТ -13268	Z
Максимальная температура нагреваемой  среды, OС	250
Максимально допустимая   поверхностная нагрузка, Вт/см2	3,5
Максимальная мощность (в киловаттах) на 1 метр активной длины ТЭН
Диаметр оболочки, мм	8,5	0,93 кВт
	10	1,09 кВт
	13	1,42 кВт
	16	1,75 кВт

 

Для надежного крепления ТЭН  в комплектуемых изделиях электронагреватели оснащаются необходимыми крепежными элементами (штуцера, втулки, пластины). Наиболее часто ТЭН крепятся к стенкам изделий при помощи штуцеров.

Штуцер (резьбовая втулка с упорным  фланцем) закрепляется на электронагревателе способом прессовки, пайки или сварки в зависимости от условий работы ТЭН в той или иной нагреваемой  среде.

 

 

Таблица 3.3 –  Пример обозначения ТЭН по  ГОСТ 13268-88

ТЭН	125	А	13	1,5	Z	220	Ф2	Шт.	R30
	Развернутая длина ТЭН, см	Обозначение контактного стержня	Диаметр оболоч-ки ТЭН, мм	Мощность, кВт	Нагре-ваемая среда	Напряжение питания, В	Форма ТЭН	Нали-чие шту-церов	Радиус гибки, мм (30мм)