Оборудование непрерывного действия

Разработать аппарат для интенсивного охлаждения шоколада производительностью G = 20 кг/ч. Начальная температура продукта t _н = 30^оС, конечная в центре продукта t _к = 10^оС. Температура воздуха в аппарате t _пм = 5^оС, относительная влажность воздуха j_пм = 60%.

Необходимо определить продолжительность охлаждения единицы продукции, размеры аппарата, тепловую нагрузку на холодильное оборудование, требуемую площадь теплообменной поверхности воздухоохладителя, производительность и развиваемый напор вентилятора. Подобрать воздухоохладитель, вентилятор, компрессорно-конденсаторный агрегат. Выполнить компоновку аппарата.

РЕШЕНИЕ. Продолжительность охлаждения оцениваем также, как в п. 1.1. Скорость движения воздуха в таких аппаратах рекомендуется принимать в интервале 2 ¸ 4 м/с [7]. Принятому значению w = 4 м/с соответствует коэффициент теплопередачи a = 20 Вт/(м²×К) [2]. Единичный продукт представляет собой плитку массой 100 г и размерами 0,15 х 0,07 х 0,006 м. Охлаждение плитки будет производиться на стальной сплошной ленте при продольном движении воздуха, поэтому охлаждение следует считать односторонним, что позволит компенсировать наличие неучитываемой теплоты кристаллизации шоколада. Теплофизические характеристики шоколада "Золотой якорь" [7]: плотность r_пр = 1270 кг/м³; теплопроводность l_пр = 0,25 Вт/(м×К); удельная теплоемкость c _пр = 1,7 кДж/(кг×К); температуропроводность a _пр = 0,11×10^—6 м²/c. Для этих условий значение числа Био (1) и относительной температуры (2)

Bi = 20×0,006/0,25 = 0,48,

q = 1 — (10 — 5)/(30 — 5) = 0,8.

По графику определяем для центра пластины значение числа Фурье (3) [1]

Fo = 3,5.

Продолжительность охлаждения плитки

t = 3,5×0,006²/(0,11×10^—6) = 1800 с = 0,5 ч.

Вместимость аппарата M = G t = 20×0,5 = 10 кг. Предполагаем к использованию ленту шириной b _к = 0,5 м. Шоколад на ней располагаем длинной стороной вдоль движения ленты. Расстояние между плитками шоколада: вдоль длинной стороны 0,1 м, вдоль короткой 0,05 м. При таких условиях по ширине ленты расположатся 0,5/(0,07 + 0,05)» 4 плитки. Общее количество плиток, одновременно находящихся в аппарате 10/0, = 100 шт. Следовательно, рабочая длина ленты конвейера l _к = = (100/4)×(0,15 + 0,1) = 6,25 м.

Примем предварительно компоновку аппарата (рис. 1). Габариты аппарата ориентировочно можно оценить следующим образом. Длина аппарата L включает рабочую длину ленты конвейера l _к = 6,25 м, отступы для прохода воздуха d = 0,2 м, теплоизоляционную конструкцию d_и = 0,1 м. Отсюда длина аппарата L = 6,25 + 2×0,2 + 2×0,1» 7 м. Ширина аппарата B включает ширину ленты b _к = 0,5 м, боковой зазор d_з = 0,1 м, теплоизоляционную конструкцию d_и = 0,1 м. Итого ширина аппарата B = 0,5 + 2×0,1 + + 2×0,1» 1 м. Высота аппарата H складывается из теплоизоляционной конструкции d_и = 0,1 м, отступа от нижней панели теплоизоляции до ленты конвейера d_о1 = 0,1, отступа от ленты до перегородки, отделяющей грузовой отсек от воздухоохладителя d_о2 = 0,03 м, высоты батареи воздухоохладителя с поддоном для сбора талой воды h = 0,5 м, отступа от батареи до теплоизоляционной конструкции d_о3 = 0,05 м. Ориентировочное значение высоты H = 2×0,1 + 0,1 + 0,03 + 0,5 + 0,05» 1 м.

 

Рис. 1. Компоновка конвейерного аппарата для охлаждения

1 – корпус аппарата, 2 – батарея воздухоохладителя, 3 – вентилятор,

4 – перегородка, 5 – конвейер

 

Тепловая нагрузка на холодильное оборудование оценивается в следующей последовательности. Коэффициент теплопередачи ограждения должен быть равен или близок рекомендованному СНиП 2.11-02-87 "Холодильники". Принятая толщина теплоизоляции (0,1 м) требует использования высокоэффективных теплоизоляционных материалов, таких как пенополиуретан (теплопроводность l_ппу = 0,03 Вт/(м×К)) или пенополистирол ПСБ-С (теплопроводность l_псб = 0,045 Вт/(м×К)) [4]. Применение пенополиуретана гарантирует k _н = l_ппу/d_и = 0,03/0,1 = 0,3 Вт/(м²×К), а пенополистирола — k _н = l_ппу/d_и = 0,045/0,1 = 0,45 Вт/(м²×К). Нормативы СНиП 2.11-02-87 рекомендуют k _н = 0,4 Вт/(м²×К). Предполагаем применение для теплоизоляционной конструкции материала ПСБ-С, а температуру воздуха в технологическом цехе t _пм = 30^оС, тогда согласно формуле (4)

Q ₁ = 0,45×(4×7×1 + 2×1×1)×(30 — 5)» 340 Вт.

Теплоприток от продукта для аппаратов непрерывного действия

Q ₂ = Gc _пр(t _н — t _к) = 20×1,7×(30 — 10)/3600 = 0,2 кВт,

где c _пр – теплоемкость шоколада, кДж/(кг×К).

Теплоприток от охлаждения ленты конвейера, если она имеет толщину d_к = 3 мм и охлаждается до температуры воздуха в аппарате за 0,5 ч, можно рассчитать по следующей зависимости

Q _2л = b _к l _кd_кr_к c _к(t _н — t _пм)/t =

= 0,5×6,25×0,003×7,8×0,42×(30 — 0)/1800 = 0,5 кВт, (8)

где c _пр – теплоемкость стальной ленты конвейера [4], кДж/(кг×К); r_к -- плотность стали [4], кг/м³.

Теплоприток от инфильтрации воздуха через окна загрузки и выгрузки аппарата может составить

Q _4инф =0,3 Q ₁ = 0,3×340 = 100 Вт.

Тепловой эквивалент механической работы вентилятора воздухоохладителя, в первом приближении для аппаратов такой малой производительности при заметной скорости воздуха около продукта, принят равным теплопритоку от продукта

Q _4в = Q ₂ = 0,2 кВт.

Общая тепловая нагрузка на воздухоохладитель аппарата

Q _т = 0,34 + 0,2 + 0,5 + 0,1 + 0,2 = 1,34 кВт.

Требуемую площадь теплообменной поверхности воздухоохладителя определяем по формуле

F ₀ = Q _т/(k ₀(t _пм — t ₀), (9)

где k ₀ – коэффициент теплопередачи воздухоохладителя, Вт/(м²×К); t ₀ – температура кипения хладагента, ^оС.

Учитывая необходимость использования безопасных холодильных агентов, принимаем хладон R 22. Для обеспечения работы воздухоохладителя в так называемом "плачущем режиме", то есть с естественным таянием инея в нерабочий период, принимаем температуру кипения хладагента

t ₀ = -- 2^оС. При работе в подобных условиях коэффициент теплопередачи воздухоохладителя может быть оценен k ₀ = 20 Вт/(м²×К). Тогда

F ₀ = 1340/(20×(5 — (—2))) = 9,6 м².

Компонуем воздухоохладитель из 3 секций ТАИН 304 [8], каждая из которых имеет площадь теплообмена 3,348 м². Итого 10 м². Длина воздухоохладителя составляет l _в = 600 мм, ширина b _в = 300 мм, высота h _в = 300 мм. Шаг оребрения s = 12 мм, трубы медные диаметром d _тр = 15 х 1 мм. Шаг труб S = 45 мм. Толщина ребра d_р = 0,5 мм.

Подбор вентилятора воздухоохладителя производим по объемной подаче воздуха и потери напора на пути движения воздуха в циркуляционном кольце. Объемная подача воздуха

V = w _пр S _ж,

где w _пр – скорость движения воздуха у продукта, м/с; S _ж – живое сечение для прохода воздуха, м².

Живое сечение для прохода воздуха у продукта

S _ж = S _к — S _пр,

где S _к = (b _к + 2d_з)d_о = (0,5 + 2×0,1)×0,03 = 0,021 м² – площадь поперечного сечения канала для движения воздуха у продукта; S _пр = 0,07×0,006×4 = = 0,0047 м² – площадь поперечного сечения канала, занятого продуктом.

 

Тогда объемная подача вентилятора (объёмный расход)

V = 4×(0,021 — 0,0017)» 0,076 м³/с.

Потери напора, при движении воздуха через батарею воздухоохладителя, определяют в предположении отсутствия на поверхности инея.

Площадь живого сечения батареи воздухоохладителя

S _жв = S _ф k _ж = 0,18×0,64 = 0,115 м²,

где S _ф = b _в h _в = 0,6×0,3 = 0,18 м² – фронтальное сечение батареи; k _ж = (S — d _тр)×(s — d_р)/(Ss) = (0,045 — 0,015)×(0,012 — 0,0005)/(0,045×0,012) = = 0,64 – коэффициент площади живого сечения батареи воздухоохлади­теля.

Скорость воздуха в секции воздухоохладителя

w _в = V / S _жв = 0,076/0,115 = 0,66 м/с.

Потеря напора при движении воздуха через воздухоохладитель с пластинчатым оребрением

D p _в = 0,132(l _р/ d _эв)(r_в w _ж)^1,7 = 0,132×(0,3/0,018)×(0,66×1,2)^1,7 = 15 Па, (10)

где l _р – длина ребра в направлении движения воздуха, м; d _эв = 2 as _р/(a + + s _р) = 2×0,0115×0,045/(0,0115 + 0,045) = 0,018 м – эквивалентный диаметр суженного сечения между трубами и ребрами, м.

Потери напора при движении воздуха у продукта

D p _в = z_пр z _пр w _пр²r_пм/2 = 0,1×25×4²×1,2/2 = 25 Па, (11)

где z_пр = (1 — S _ж/ S _к) + (1 — S _ж/ S _к)² = (1 — 0,0017/0,021) + (1 — — 0,0017/0,021)²» 0,1 – коэффициент местного сопротивления движению воздуха у продукта; z _пр – число плиток шоколада по ходу воздуха, шт.

Потери напора при движении воздуха на поворотах

D p _в = n _пz_пр w _п²r_пм/2 = 4×1,5×5²×1,2/2 = 90 Па, (12)

где n _п = 4 – число поворотов; z_пр = 1,5 – коэффициент местного сопротивления поворота; w _п = V / S _п = 0,076/0,015 = 5 м/с – скорость воздуха в наименьшем сечении поворота.

Остальные составляющие потерь напора в циркуляционном кольце имеют значительно меньшую величину, как это видно по результатам расчета в п. 2.1. Требуемый напор вентилятора должен быть не менее

D p = 15 + 25 + 90 = 130 Па.

Данным требованиям по подаче и напору удовлетворяет центробежный вентилятор Ц4-70 № 2,5, который при числе оборотов 24 с^—1 обеспечивает объемную подачу воздуха 300 м³/ч, напор 160 Па и коэффициент полезного действия h = 0,5 [9]. Теплоприток от работы электродвигателя вентилятора

N = V D p /h = 300×130/(3600×0,5) = 22 Вт. (13)

Эта величина значительно меньше принятого ранее теплопритока от электродвигателя вентилятора 200 Вт. Однако снижение общей тепловой нагрузки на холодильное оборудование на 178 Вт не дает возможности изменить компоновку батареи воздухоохладителя в сторону снижения теплообменной поверхности.

Подбор компрессорно-конденсаторного агрегата, имеющего холодопроизводительность Q ₀ > 1,5 кВт при температуре кипения хладагента t ₀ = = —2^оС, производят с учетом следующих соображений. В интересах безопасности используют хладоновую холодильную машину, как указано выше. По экономическим соображениям (дорогая вода) и эксплуатационным удобствам (не требуется наличие системы водяных трубопроводов) выбираем холодильную машину с воздушным охлаждением конденсатора. Этим условиям отвечает компрессорно-конденсаторный агрегат CAJ9513ZMHR фирмы L`Unite Hermetique, который при температуре воздуха 32^оС имеет холодопроизводительность 2,2 кВт (прил. 2).