2.2. Расчет воздушного конвейерного морозильного аппарата

Исходные данные. Воздушный конвейерный морозильный аппарат для замораживания творога в блок-формах имеет производительность G = 200 кг/ч = 0,055 кг/с. Начальная температура продукта t_н = 20 С, конечная t_к = –20 С. Скорость движения воздуха в грузовом отсеке аппарата w = 4 м/с, средняя температура воздуха там же t_ап = –35 С.

Требуется: определить продолжительность замораживания блоков творога, массу замораживаемого продукта, вместимость аппарата, количество блок-форм, габаритные размеры аппарата, скорость движения ленты транспортера, тепловую нагрузку на воздухоохладитель; рассчитать воздухоохладитель; подобрать вентиляторы.

В аппаратах такого типа широкое применение нашли блок-формы, в которых размещаются два блока длиной l_бл = 0,8 м, шириной b_бл = 0,25 м, высотой _бл = 0,06 м каждый, расположенные короткими сторонами друг к другу (длина блок-формы l_бл.ф = 1,62 м). Масса творога в одном блоке m_бл = b_бл l_бл _бл _тв = 0,80,250,061000 = 12 кг.

Продолжительность замораживания блока творога определяем по формуле Планка для случая теплоотвода со всех сторон замораживаемого блока, а также предполагая, что термическое сопротивление металла блок-формы мало [1]

 = q_з_тв_бл(R_бл/_тв.з + P/)/(t_кр – t_ап),

где q_з – удельная теплота замораживания, q_з = (i_н – i_к) = 400 – 0 = 400 кДж/кг (см. прил. 3); _тв – плотность творога (см. прил. 13), кг/м³; _бл – толщина блока, м; t_кр – криоскопическая температура творога, С [2]; R, P – коэффициенты формы, принимаем по прил. 16 при ₁ = l_бл/_бл = 0,8/0,06 = 13 и ₂ = b_бл/_бл = 0,25/0,06 = 4;  – коэффициент теплоотдачи от блок-формы к воздуху, Вт/(м²К); _тв.з – теплопроводность творога замороженного (см. прил. 8).

Коэффициент теплоотдачи от блок-формы к воздуху определяем, принимая теплофизические характеристики воздуха по прил. 1: кинематический коэффициент вязкости _в = 10,410^–6 м²с; теплопроводность _в = 0,021 Вт/(мК). Число Рейнольдса при поперечном движении воздуха в аппарате

Re = wl_бл.ф/_в = 41,62/10,410^–6 = 600 000.

Число Нуссельта для турбулентного движения воздуха определяем по зависимости

Nu = 0,032 Re^0,8 = 0,032600 000^0,8 = 1370.

Коэффициент теплоотдачи от блок-формы к воздуху

 = Nu _в/l_бл.ф = 13700,021/1,62 = 18 Вт/(м²К).

Для условий работы аппарата продолжительность замораживания блока творога

 = 400 00010000,06(0,10370,06/0,7 + 0,3846/18)/(– 0,5 + 35) =

= 16 300 с = 4,5 ч.

Вместимость грузового отсека аппарата

M = G = 0,05516 300 = 890 кг.

Количество блок-форм в грузовом отсеке n_бл = M/(2m_бл) = 890/(212) = = 38 шт.

Ширина грузового отсека B_гр включает в себя длину блок-формы l_бл.ф = 1,62 м и длину двух отступов от конвейера по 0,2 м каждый, т. е. примерно B_гр = 2 м. Длина и высота грузового отсека обусловлены количеством и габаритами блок-форм, а также вентиляторами, т. е. их взаимным расположением и возможностью организации движения воздуха в грузовом отсеке с заданной скоростью. Для поперечного движения воздуха характерно использование осевых вентиляторов с диаметром обечайки 0,6–1,0 м. В аппарате малой производительности целесообразно использовать вентиляторы малого диаметра, что позволяет предположить высоту грузового отсе-ка H_гр = 0,6–1 м. На этой высоте с учетом толщины блок-формы _бл = 0,06 м и такого же расстояния между ними на конвейере, равного 0,06 м, можно расположить 0,6/(0,06 + 0,06) = 5 ветвей. Длина конвейера определяется: числом блок-форм в одной ветви 38/5  8 шт., шириной блок-формы b_бл = 0,25 м, расстоянием между блок-формами 0,15 м, диаметром звездочек конвейера 0,4 м. Длина одной ветви конвейера L_к = 80,25 + 40,15 + 20,4 = 3,4 м, а общая длина цепи конвейера L_ц = 5·3,4  16 м.

Объемный поток воздуха, циркулирующего в аппарате, определяем из уравнения сплошности V = wF_ж = 41,44 = 5,7 м³/с, где F_ж – живое сечение грузового отсека при поперечном движении воздуха

F_ж = L_кH_гр – n_бл.ф(b_бл_бл) = 3,40,6 – 40 (0,250,06) = 1,44 м².

Теплоприток от замораживаемого в аппарате продукта

Q₂ = G (i_н – i_к) = 0,055 (400 – 0) = 22 кВт.

Теплоприток через теплоограждающие конструкции аппарата принимаем в размере

Q₁ = 0,05Q₂ = 0,0522 = 1,1 кВт.

Тепловой эквивалент работы вентиляторов воздухоохладителя для аппаратов малой производительности составит

Q₄  0,2Q₂  0,222  4,4 кВт.

Теплоприток от блок-форм, поступающих в аппарат после удаления замороженных блоков творога, с температурой t_н1 = 5–10 С, зависит от соотношения массы металла блок-форм и продукта, марки металла и кинематической схемы аппарата. Предполагаем, что блок-формы изготовлены из алюминиевого сплава (теплоемкость c_ф = 0,8 кДж/(кгК)) и имеют массу 20 % от массы продукта, а масса стальной конвейерной цепи (теплоемкость c_ц = 0,4 кДж/(кгК)) достигает 50 % от массы блок-форм. Тогда теплоприток от подвижных частей аппарата при их охлаждении в грузовом отсеке аппарата

Q_м = (m_фс_ф + m_цс_ц)w_r(t_н1 – t_к) =

= (14,40,8 + 7,20,4) 0,001 (10 – (–35)) = 0,8 кВт,

где m_ф – масса блок-форм, приходящаяся на 1 м конвейера при размещении трех блок-форм, m_ф = 0,2 (3212) = 14,4 кг/м; m_ц – масса конвейерной цепи, приходящаяся на 1 м конвейера, m_ц = 0,514,4 = 7,2 кг/м; w_r – скорость движения грузового конвейера, w_r = L_ц/ = 16/16300 = 0,001 м/с.

Тепловая нагрузка на воздухоохладитель

Q₀ = Q₁ + Q₂ + Q_м + Q₄ = 1,1 + 22 + 0,8 + 4,4 = 28,3 кВт.

Нагрев воздуха в аппарате при его плотности _в = 1,5 кг/м³ (см. прил. 1)

t_в = Q₀/V_в_вс_в = 28,3/(5,711,5) = 3,3 С.

Принимаем величину температурного напора, равную  = 10 С. Тогда температура кипения хладагента должна быть t₀ = –45 С. Коэффициент теплопередачи воздухоохладителя по прил. 4 с учетом интенсивного инееобразования равен k₀ = 10 Вт/(м²К). Теплообменная площадь воздухоохладителя

F_в = 28 300/(1010) = 283 м².

Воздухоохладитель будет изготовлен из оребренных стальной лентой труб диаметром 38  2,5 мм с ребрами толщиной _р = 0,8 мм и высотой h_р = 30 мм (см. прил. 5). С учетом интенсивного инееобразования выполняем конструктивно воздухоохладитель из двух секций. В первой секции по ходу движения воздуха шаг оребрения t_р1 = 20 мм, площадь теплообменной поверхности погонного метра трубы f_тр1 = 0,76 м²/м; во второй – t_р2 = 13,3 мм, f_тр2 = 1,08 м²/м. В первой секции предполагаем отводить около трети теплопритока, тогда требуемая длина оребренных труб, соответственно, для секций

l_тр1 = 0,33283/0,76 = 128 м;

l_тр2 = 0,67283/1,08 = 176 м.

Длину отрезка трубы воздухоохладителя принимаем равной длине одной ветви конвейера L_к = l_тр = 3,4 м. Высоту воздухоохладителя принимаем равной высоте грузового отсека H_в = H_гр = 0,6 м, для выбранных труб рекомендуемый шаг труб в пучке s_р1 = 0,11 м. Размещаем по высоте n = 6 труб, для чего необходима H_в = (n – 1)s_р1 = (6 – 1) 0,11 = 0,55 м.

Количество труб, которое необходимо разместить по глубине воздухоохладителя, соответственно, по секциям

n_тр1 = l_тр1/(l_трn) = 128/(3,46)  7;

n_тр2 = l_тр2/(l_трn) = 176/(3,46)  9.

Ширина секций воздухоохладителя

B_в1 = (n_тр1 + 1) s_р = (7 – 1) 0,11 = 0,66 м;

B_в2 = (9 – 1) 0,11 = 0,88 м.

Компоновка аппарата приведена на рис. 14.

Рис. 14. Воздушный конвейерный морозильный аппарат:

1 – корпус аппарата; 2 – грузовой конвейер; 3 – секции воздухоохладителя; 4 – вентилятор

Аэродинамическое сопротивление движению воздуха в циркуляционном кольце p складывается из потерь напора в воздухоохладителе p_в; потерь напора у блок-форм p_ф; потерь напора на поворотах p_пов; потерь напора на входе в вентилятор p_вх

p = 1,1(p_в + p_ф + p_пов + p_вх),

где 1,1 – коэффициент, учитывающий трение воздуха в канале.

Потери напора в секциях воздухоохладителя рассчитываем по зависимостям (10). Число Рейнольдса при кинематическом коэффициенте вязкости _в = 1110^–6 м²с (t₀ = –45 С) и скорости движения воздуха в живом сечении батареи воздухоохладителя w_ж = 4 м/с

Re = 4  0,038/11  10^–6 = 13 800.

Расстояние между ребрами труб "в свету" по секциям воздухоохладителя при толщине инея _и1 = 1,5 мм и _и2 = 1 мм составит соответственно

U₁ = 20 – 0,8 – 21,5 = 16,2 мм;

U₂ = 13,3 – 0,8 – 21 = 9,5 мм.

Тогда потери напора по секциям и в аппарате в целом

p_в1 = 1,357 (30/38)^0,45 (16,2/38)^–0,72 (13 800)^–0,24 1,52 = 54 Па;

p_в2 = 1,359 (30/38)^0,45 (9,5/38)^–0,72 (13 800)^–0,24 1,52 = 75 Па;

p_в = p_в1 + p_в2 = 54 + 75 = 129 Па.

Потери напора при движении воздуха у блок-форм находим, считая, что местное сопротивление _ф состоит из сопротивления воздуху при входе в суженное сечение между блок-формами и сопротивления воздуху при выходе из этого сечения в свободное пространство

_ф = _вх + _вых = (1 – S_ф/S) + (1 – S_ф/S)² = (1 – 0,6/2) + (1 – 0,6/2)² = 1,2,

где S_ф – площадь блок-форм, препятствующих движению воздуха, S_ф = = n_ф_фb_ф = 40·0,06·0,25 = 0,6 м²; S – общее сечение грузового отсека в направлении прохода воздуха, S = 3,40,6 = 2 м².

Потери напора при движении воздуха у блок-форм

p_ф = _ф_вw_ж²/2 = 1,21,54²/2  6 Па.

При определении потерь напора на поворотах учитываем число поворотов n_пов = 4, имеющих коэффициент местного сопротивления _пов = 1,5. Для уменьшения скорости воздуха при повороте конструктивно принимаем отступ _пов = 0,3 м от конвейера и воздухоохладителя до теплоограждающих конструкций. Учитывая, что воздух движется как над грузовым отсеком и воздухоохладителем, так и под ними, а ширина поворотов равна длине конвейера, скорость воздуха на повороте

w_пов = V/(2L_к_пов) = 5,7/2 (3,40,3) = 2,8 м/с.

Тогда потери напора на поворотах

p_пов = n_пов_пов_в(w_пов)²/2 = 41,51,52,8²/2 = 35 Па.

Предварительный подбор вентиляторов осуществляем, исходя из объемной подачи V = 5,7 м³/с и суммы уже рассчитанных местных потерь напора p = p_в + p_ф + p_пов = 129 + 16 + 35 = 180 Па. Учитывая длину трубы воздухоохладителя l_тр = 3,4 м, принимаем к установке три вентилятора марки 06–300 № 7 с диаметром всасывающего окна d = 0,7 м (см. прил. 6) и n_вен = 3 шт.

Скорость воздуха во всасывающем окне

w_вх = 4V/(d²n_вен) = 45,7/(0,7²3)  5,0 м/с.

Тогда потери напора на входе в вентилятор

p_вх = _вх_в(w_вх)²/2 = 0,51,55,0²/2 = 14 Па.

Потери напора в циркуляционном кольце аппарата

p = 1,1·(129 + 16 + 35 + 14) = 212,6 Па.

Для принятых к установке вентиляторов при V_вен = 1,9 м³/с и p = 212,6 Па коэффициент полезного действия _вен = 0,6. Потребляемая мощность вентиляторов

N_вен = 31,9212,6/0,6 = 2010 Вт  2,00 кВт.

Эксплуатационный теплоприток был принят вначале расчета равным Q₄ = 4,4 кВт, а тепловой эквивалент работы электродвигателей вентиляторов оказался меньше, поэтому корректировки теплообменной поверхности воздухоохладителя не требуется.

Определим размеры аппарата. Для определения длины аппарата L_а необходимо знать: длину конвейера L_к, длину отступов с двух сторон от конвейера до теплоограждающей конструкции _пов, две толщины теплоограждающей конструкции _т.

Тогда

L_а = L_к + 2_пов + 2_т = 3,4 + 20,3 + 20,1 = 4,2 м.

Высота аппарата определяется высотой секций воздухоохладителя H_в, поддона для сбора талой воды h, отступами для прохода воздуха _пов, толщиной теплоограждающей конструкции _т

H_а = H_в + h + 2_пов + 2_т = 0,6 + 0,5 + 20,3 + 20,1 = 1,9 м.

Ширина аппарата определяется шириной грузового отсека B_гр, шириной двух секций воздухоохладителя B₁, B₂, шириной вентилятора B_вен, отступами для прохода воздуха _пов, толщиной теплоограждающей конструкции _т.

B_а = B_гр + B₁ + B₂ + 2_пов + 2_т = 1,6 + 0,66 + 0,88 + 20,3 + 20,1 = 4,0 м.

Возможна также установка серийных воздухоохладителей, например двух аммиачных воздухоохладителей марки GHP 080 D/216 (см. прил. 11). Воздухоохладитель имеет: теплообменную поверхность f_в = 154,2 м², шаг оребрения t_р = 16 мм, шаг между трубами s_р = 60 мм, диаметр вентилятора d_вен = 0,8 м, мощность электродвигателя вентилятора _вен = 1,5 кВт, два вентилятора, общую объемную подачу вентиляторов V_вен = 33 800 м³/ч. Габариты воздухоохладителя: длина l_в =  3260 мм, ширина b_в = 1236 мм, высота h_в = 1263 мм, масса m_в = 763 кг.

Использование же хладоновых воздухоохладителей марки GHP 051 D/310 позволяет применить два индивидуальных компрессорно-конденсаторных агрегата марки UF-TK6000 CS фирмы DORIN (прил. 14) холодопроизводительностью по 16,7 кВт каждый (при температуре кипения хладагента минус 45 С и температуре конденсации 45 С) и, в конечном итоге, автоматизировать систему хладоснабжения камеры замораживания творога с фактическим коэффициентом рабочего времени в_ф = 29,3/2·16,7 = 0,88. Хладоновые воздухоохладители GHP 051 D/310 (см. прил. 12) имеют теплообменную поверхность f_в = 146,7 м², шаг оребрения t_р = 10 мм, шаг между трубами s_р = 60 мм, диаметр вентилятора 0,8 м, мощность электродвигателя вентилятора 1,0 кВт, два вентилятора, общую объемную подачу вентиляторов V_вен = 17 280 м³/ч. Габариты воздухоохладителя: длина l_в =  3246 мм, ширина b_в = 790 мм, высота h_в = 665 мм, масса m_в = 166 кг.