2. Холодильное технологическое оборудование для замораживания продуктов

2.1. Оборудование периодического действия

Спроектировать аппарат для замораживания тортов производительностью G = 100 кг/ч. Начальная температура t_н = 30^оС, конечная среднеобъемная t_к = — 12^оС. Единичный продукт – бисквитно-кремовый торт имеет массу 1 кг и размеры 0,2 х 0,2 х 0,08 м. Замораживание производить без верхней упаковочной крышки.

Необходимо определить продолжительность замораживания единицы продукции; габариты аппарата, тепловую нагрузку на холодильное оборудование; оценить возможность вентилятора, подобранного воздухоохладителя, создать требуемую скорость движения воздуха у продукта.

РЕШЕНИЕ. Продолжительность замораживания оценим по формуле Планка для параллелепипеда. При отношениях заданных размеров торта ₁ = 0,2/0,08 = 2,5 и ₂ = 0,2/0,08 = 2,5 определим значения коэффициентов P = 0,28 и R = 0,08 (прил. 3). Предположим, что скорость движения воздуха у продукта невелика w = 0,7 м/с, коэффициент теплоотдачи _пр = 8 Вт/(м²К) [2], а охлаждение продукта происходит с двух сторон. Реализации этого допущения можно добиться, расположив торты на полках подвижной тележки, выполненной из металлических прутков малого диаметра с большим шагом между прутками. Разумеется картон нижней упаковки и пергамент являются дополнительным термическим сопротивлением.

Теплофизические характеристики торта могут быть определены лишь весьма приблизительно, так как это неоднородная структура. Бисквитно-кремовый торт с учетом взбитости составляющих может быть оценен следующими параметрами: плотность (рассчитывают исходя из массы и габаритов) _пр = 1/(0,20,20,08) = 300 кг/м³; теплопроводность замороженного торта _з = 0,8 Вт/(мК); удельная теплоемкость свежего торта c_о = 2 кДж/(кгК); удельная теплоемкость замороженного торта c_з = = 1 кДж/(кгК); доля содержания влаги в торте w_w = 0,4; доля вымороженной влаги  = 0,8 [8]; криоскопическая температура t_кр = — 0,5^оС

(прил. 1). Долю вымороженной воды можно приближенно определить по зависимости [3]

 = 1,105/(1 + 0,31/(lg(t_пм + (1 — t_кр)))).

Удельное количество теплоты, отводимой от торта

q = c_о(t_н — t_кр+ rw_ц + c_з(t_кр — t_к) =

= 2(30 — (—0,5)) + 3350,40,8 + 1(— 0,5 — (—12)) = 175 кДж/кг. (14)

Определяющий размер торта принимаем равным половине высоты  = 0,04 м. Термическое сопротивление упаковки R_уп = 0,02 (м²К)/Вт [7]. На основании вышеизложенного определим продолжительность процесса

 = q_пр(R/_пр + P(1/_пр + R_уп))(t_кр — t_пм) =

= 175 3003000,04(0,080,04/0,8 + 0,28(1/8 + 0,02))(— 0,5 — (— 30)) = = 3500 с  1 ч. (15)

Единовременная загрузка аппарата составит M = G = 1001 = 100 кг. При формировании грузового отсека аппарата примем размеры полки тележки 1х 1 м. С учетом необходимости расстояния между тортами в 0,1 м и заданных размеров единичного торта, возможно, расположить на полке 33 = 9 тортов. При расстоянии между полками 0,15 м (высота торта и промежуток для прохода воздуха) и наличии у тележки не менее 4-х полок составит ее вместимость 94 = 36 кг. В грузовом отсеке аппарата расположим три тележки в ряд, которые при этом займут площадь (с учетом необходимых зазоров по 0,2 м и места для размещения системы воздухораспределения 1,5 м) (1 + 20,2)(3 + 1,5) = 6 м² (рис. 2). В этом случае высота аппарата составит около 3 м (тележка высотой 1,5 м, подвесной воздухоохладитель высотой 1 м и технологические отступы).

Определим тепловую нагрузку на холодильное оборудование. Учитываем, что в летний период температура воздуха в кондитерском цехе может достигать 30^оС. Коэффициент теплопередачи ограждений аппарата должен быть не более 0,25 (м²К)/Вт. Тогда согласно формуле (4)

Q₁ = 0,25(234,5 + 231,4 + 21,44,5)(30 — (—30))  800 Вт.

Рис. 2. Компоновка тележечного морозильного аппарата

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

4 – грузовые тележки

Теплоприток от замораживания торта

Q₂ = Gqm = 1001751,5/3600 = 7,3 кВт.

Теплоприток от работы электродвигателей вентиляторов примем ориентировочно

Q_4э = 0,1(Q₁ + Q₂) = 0,1(0,8 + 7,3) = 0,8 кВт.

Следовательно тепловая нагрузка на холодильное оборудование составит Q_т = 0,8 + 7,3 + 0,8 = 8,9 кВт. Температуру кипения хладагента примем в соответствии с рекомендуемым температурным напором ₀ = 7  10 К ниже температуры воздуха в аппарате t₀ = t_пм — ₀ = — 30 — 10 =  — 40 С. Температура конденсации при использовании конденсаторов с водяным охлаждением не должна превышать 35^оC. Расположение аппарата в цехе диктует использование комплексной полностью автоматизированной холодильной машины, работающей на хладоне R22 или R404А. Этим требованиям отвечает компрессорно-конденсаторный агрегат АК100-2-3, работающий на хладоне R 22 (прил. 2).

Воздухоохладитель подбираем по площади теплообменной поверхности (9)

F₀ = 8,9/(10(— 30 — (— 40)) = 89 м².

Принятое значение коэффициента теплопередачи хладонового воздухоохладителя для условий замораживания k₀ = 10 Вт/(м²К) [8] требует оттаивания инея с поверхности теплообмена через 4  6 часов. Принимаем к установке воздухоохладитель ВО 100, имеющий площадь теплообменной поверхности 100 м² и габариты 1,25 х 1,22 х 1,0 м [10]. С учетом большей ширины воздухоохладителя, чем ранее было принято, следует увеличить ширину аппарата до 2 м.

Необходимо оценить возможность вентилятора, принятого воздухоохладителя, создать требуемую скорость движения воздуха у поверхности замораживаемого продукта. Проходное сечение для воздуха в тележке находим, вычитая из сечения подводящего канала S_к = 10,6 = 0,6 м² площадь торцов 12-ти тортов, закрывающих канал, S_т = 120,20,08 = 0,2 м². Тогда S_ж = = 0,6 — 0,2 = 0,4 м². Выбранная скорость воздуха w = 0,7 м/с определяет примерное значение объемной подачи вентилятора V = S_жw = 0,40,7 = = 0,3 м³/с. Воздухоохладитель ВО 100 укомплектован осевым вентилято­ром № 6,3 который имеет диапазон объемной подачи от 0,5 до 3,0 м³/с.

Для построения характеристики сети аэродинамического кольца необходимо найти сумму потерь напора при трех значениях объемной подачи вентилятора 0,3 м³/с, 1 м³/с и 3 м³/с. Общее сопротивление движению воздуха в циркуляционном кольце аппарата включает потери напора в воздухоохладителе p_в, потери напора при движении воздуха у продукта p_пр, потери напора на поворотах потока p_п, потери напора на входе в вентилятор p_вх, потери напора на выходе из вентилятора p_вых

p = p_в + p_пр + p_п + p_вх + p_вых.

Потери напора в оребренной секции воздухоохладителя ВО 100, где сплошное ребро размерами 154 х 80 х 0,4 мм просечено 8 трубами диаметром d = 16 мм при их коридорном расположении с шагом S_тр = 0,04 м. Первые два ряда труб по ходу воздуха имеют шаг оребрения t₁ = 0,015 м, два следующих t₂ = 0,015 м. Фронтальное сечение воздухоохладителя, согласно его чертежу [11] f = 0,90,7 = 0,063 м². Расстояние между ребрами в свету при выпадении инея толщиной _и = 3 мм составляет a = t₁ — _р — 2_и = =0,015 — 0,0004 — 20,003 = 0,0084 м. Коэффициент живого сечения k_ж = =(S_тр — d)a/( S_тр — t₁) = (0,04 — 0,016)0,0084/(0,040,015) = 0,33. Живое сечение 1-ой секции составит f_ж1 = fk_ж = 0,630,33 = 0,21 м², а скорость движения воздуха в нем w₁ = V/f_ж = 1/0,21  5 м/с при объемной подаче 1 м³/с.

Потерю напора в секции воздухоохладителя при пластинчатом оребрении определяем по зависимости (10)

p_в1 = 0,132(0,3/0,011)(51,5)^1,7 = 100 Па,

здесь d_эв = 20,00840,018/(0,0084 + 0,018) = 0,011 м – эквивалентный диаметр суженного сечения между трубами и ребрами, м.

Во второй секции при наличии 1 мм инея получим следующие величины a = 0,0075 — 0,0004 — 20,001 = 0,0051 м; k_ж = (0,04 — 0,016) х х 0,0051/(0,040,0075) = 0,4; f_ж2 = 0,630,4 = 0,25 м²; w₂ = 1/0,25  4 м/с; d_эв = 20,00510,022/(0,0051 + 0,022) = 0,008 м; p_в2 = 0,132(0,3/0,008) х х (41,5)^1,7 = 85 Па.

Общая потеря напора в воздухоохладителе равна 185 Па.

Потерю напора, при движении воздуха у продукта, определяем по формуле при объемной подаче воздуха 1 м³/с, когда скорость движения воздуха составит w = 1/0,4 = 2,5 м/с (11)

p_в = 0,392,5²1,5/2 = 12 Па,

где _пр = (1 — 0,4/0,6) + (1 — 0,4/0,6)²  0,3 – коэффициент местного сопротивления движению воздуха у продукта.

Потери напора на поворотах определяем по зависимости (12)

p_в = 41,51,5²1,5/2 = 4 Па,

где w_п = 1/(10,6) = 1,5 м/с – скорость воздуха на поворотах.

Потери напора на входе в вентилятор

p_в = _вхw_вх²_пм/2 = 0,53,5²1,5/2 = 5 Па, (16)

где _вх = 0,5 – коэффициент местного сопротивления на входе в канал; w_вх = 4V/(d_в²) = 41/(0,6²) = 3,5 м/с – скорость воздуха на входе в вентилятор.

Потери напора в конфузоре на выходе из вентилятора рассчитываем по зависимости (16)

p_вых = 0,13,5²1,5/2 = 1 Па,

где _вх = 0,1 – коэффициент сопротивления конфузора.

Сумма потерь напора в аэродинамическом кольце

p₁ = 185 + 12 + 2 + 5 + 1 = 205 Па.

Результаты расчетов потерь напора при объемных расходах воздуха 0,3 м³/с и 3 м³/с составляют, соответственно, p_0,3 = 40 Па и p₃ = 800 Па. Наносим аэродинамическую характеристику аппарата на напорную характеристику вентилятора (рис. 3). Как видно из рис. 3 рабочая точка системы характеризуется объемным расходом воздуха 1,2 м³/с, напор 220 Па, коэффициент полезного действия 0,33.

Рис. 3. Рабочая точка циркуляционного кольца

1 – характеристика вентилятора, 2 – характеристика циркуляционного кольца

Потребляемая мощность электродвигателя вентилятора (13)

N = 1,5220/0,33 = 800 Вт.

Полученная величина примерно равна ранее принятой при расчете теплопритока.

Скорость движения воздуха у поверхности продукта примерно в 4 раза превышает скорость, принятую при расчете продолжительности замораживания. Возможны два варианта корректировки ситуации: уменьшить проходное сечение воздуху с целью возрастания аэродинамического сопротивления и снижения скорости потока воздуха у продукта; повышение температуры воздуха в аппарате, эквивалентное росту коэффициента теплоотдачи, при сохранении продолжительности замораживания.

Рассмотрим второй вариант. При продолжительности замораживания  = 1 ч и коэффициенте теплоотдачи _пр = 14 Вт/(м²К), соответствующей скорости движения воздуха w = 2,5 м/с [2], потребная температура воздуха в аппарате

t_пм = t_кр — q_пр(P/ + R(1/ + R))/ =

= — 0,5 — 175 0003000,04(0,080,04/0,8 + 0,28(1/14 + 0,02))/3600 =

= — 19^оC.

Поскольку теплообменная площадь воздухоохладителя осталась неизменной, то появилась возможность работать на более высокой температуре кипения

t₀ = t_пм — Q₀/(k₀F₀) = — 19 + 8900/(10100) = — 28^оС.

Такое повышение температуры кипения позволяет резко снизить капитальные затраты на компрессорно-конденсаторный агрегат, так как при температуре кипения t₀ = — 28^оС и температуре воды 25^оС требуемую холодопроизводительность Q₀ = 8,9 кВт может выработать компрессорно-конденсаторный агрегат АК50-2-3 (прил. 2).