Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Холодильное технологическое оборудование. Учебное пособие.pdf
91
Основы расчета плиточных аппаратов. При расчете
плиточных морозильных аппаратов периодического действия
должны быть заданы: производительность аппарата, расположение плит, размеры замораживаемого блока, вид и температура
теплоотводящей среды, вид замораживаемого продукта, а также
его начальная и конечная температуры.
При охлаждении морозильных плит горизонтально
–пли-
точного аппарата кипящим холодильным агентом, подаваемым
в аппарат насосом, необходимо определить объем и массу замораживаемого блока; продолжительность замораживания блока и
количество циклов работы аппарата в течение суток; емкость
аппарата и количество блоков, находящихся в нем; количество
морозильных плит; тепловую нагрузку; емкость испарительной
системы аппарата; количество холодильного агента, циркулирующего в морозиль
ных плитах аппарата; гидравлическое сопротивление испарительной системы морозильного аппарата;
диаметр дроссельной шайбы, установленной при входе холодильного агента в морозильную плиту; производительность
циркуляционного насоса; падение давления в испарительной
системе.
Объем замораживаемого блока находят по формуле:
V
= lбл dбл δбл,
бл
где l
бл dбл δбл
– соответственно длина, ширина, толщина блока, м.
Массу замораживаемого блока определяют по формуле:
g
= Vблρ.
1
Продолжительность процесса холодильной обработки находится как сумма продолжительностей замораживания блока
до криоскопической температуры в центре (
ния блока до заданной конечной температуры в центре (
τ
, с) и доморажива-
1
τ
, с):
2
τ = τ
+τ2,
1
(
⎣
(
−
92
2
⎡
()
=
τ
1
λ
2
′
– количество тепла, отводимое от продукта при его замо-
где q
з
раживании от начальной температуры (t
), Дж/кг; λо, λз – теплопроводность соответственно охлажден-
(t
кр
ного и замороженного продукта, Вт/(м
продукта, м;
розильной плиты, ºС.
Продолжительность домораживания блока до конечной
температуры в центре блока (t
где ам = λ/(сρ) – температуропроводность замороженного про-
дукта, м
Величина критерия Fo зависит от безразмерной темпера-
Θ, значение которой определяется по формуле:
туры
Так как между блоком и морозильной плитой могут находиться воздушные прослойки, которые увеличивают продолжительность холодильной обработки продукта в аппарате, действительная продолжительность замораживания составит:
где
τ – продолжительность замораживания блока, ч; ϕ
0,9)
– коэффициент, учитывающий возрастание продолжитель-
ρ – плотность продукта, кг/м
2
/с.
′
ρδ
2
q
з
1
()
⎢
−
tt
нкро
⎢
τ
()
−
λ
−
()
λ
2
), с,
k
F
o
2
δ
= ,
2
а
м
=Θ
tt
−
τд = τ/ϕ
,
0
−
)
ck
tt
⎛
2
tt
снз
l
n
tt
нкро
) до криоскопической
н
⋅К); δ – толщина блока
3
2
ckp
.
λ
⎜
+
1
⎜
⎝
; tc – температура мо-
()
λ
⎞
)
−
tt
нкро
⎟
⎟
−
tt
скрз
⎠
= (0,85–
0
⎤
⎥
⎥
⎦
,
(
93
ности замораживания блока вследствие неплотного контакта
продукта и морозильной плиты.
Количество циклов работы аппарата в течение суток определяют по формуле:
n
= τс / τц ,
с
где
τ
– продолжительность работы аппарата в течение суток, ч
с
τ = 22 ч); τ
(
– продолжительность цикла работы аппарата с уче-
ц
том времени загрузки, выгрузки замороженных блоков, ч.
Продолжительность цикла работы аппарата находят по
формуле (7) (см. с. 23), принимая τ
= 0,25–0,33 ч.
з.в
Емкость аппарата определяют по уравнению:
G
= G′ / nс.
Количество блоков в аппарате рассчитывают по формуле
G
. Тогда количество морозильных плит в аппарате
=Z
бл
g
1
n
= (z
п
/ zп)+1,
бл
где z
– количество блоков, находящихся на одной плите.
п
Тепловую нагрузку Q
, кВт, определяют по уравнению:
0
Q
= Q1 + Q2 + QП,
o
где Q
– тепловая нагрузка от металла морозильных плит при их
п
охлаждении:
)
ttncG
−
сппп
Q
=
п
1
τ
Д
,
где G
териала плит, Дж/(кг·К); t
– масса одной плиты, кг; Сп – удельная теплоемкость ма-
п
– температура морозильных плит, °С.
1
π
(
π
94
Емкость испарительной системы аппарата находится для
того, чтобы можно было рассчитать и подобрать циркуляционный и дренажный ресиверы, обслуживающие аппарат. Емкость
испарительной системы аппарата находят по формуле:
Vис=Vп+Vк+Vш,
где V
морозильных плит, коллекторов, гибких шлангов, м
,Vк ,Vш – емкость испарительной системы аппарата,
ис ,Vп
3
.
Емкость морозильных плит определяют по уравнению:
V
= k·bк ·hк ·lк ·nп,
п
где к – количество каналов в плите, шт.; bк ,hк ,lк – ширина, высота, длина канала плиты, м.
Емкость коллекторов рассчитывают по формуле:
2
2
()
1
клк
4
,
ddlV
+=
2
где lкл – длина коллектора, м; d1,d2 – внутренний диаметр жидкостного и парового коллекторов, м.
Емкость гибких шлангов находят по уравнению:
22
′′
′
=
+
4
шшш
)
,
lnddV
ПП
где d′
кость поступает в морозильную плиту, м; d″
– внутренний диаметр гибкого шланга, по которому жид-
ш
– внутренний диа-
ш
метр гибкого шланга, по которому парожидкостная смесь отводится из морозильной плиты, м; 1
– длина гибкого шланга, м.
ш
Количество жидкого холодильного агента, циркулирующего в морозильных плитах аппарата, определяют по формуле:
95
G'а = Gа n′,
G
= Qо/rа,
а
где G'
, Gа – количество жидкого холодильного агента, цирку-
а
лирующего и испаряющегося в морозильных плитах аппарата,
кг/с; r
– теплота парообразования жидкого холодильного агента
а
при температуре кипения, Дж/кг; n′ – кратность циркуляции.
Методика определения гидравлического сопротивления
испарительной системы морозильного аппарата; диаметра дроссельной шайбы, установленной при входе холодильного агента
в морозильную плиту; производительности циркуляционного
насоса; падения давления в испарительной системе подробно
изложена в литературе [9].
Иммерсионные аппараты. Аппараты, в которых продук-
ты замораживаются, находясь в жидкости (хладоносителе), называются иммерсионными. Замораживание продуктов в хладоносителе характеризуется более интенсивным отводом теплоты,
чем на металлической поверхности. Однако возникающие при
этом трудности, связанные с нежелательным проникновением
охлаждающего вещества (хладоносителя) в продукт, соблюдением санитарно-гигиенических условий, поддержанием концентрации хладоносителя и отсу
тствием доступных нетоксичных и
инертных жидкостей, ограничивают применение такого способа.
С появлением полимерных упаковочных материалов, непроницаемых для хладоносителей, применение контактного замораживания в жидких средах расширилось.
В хладоносителях обычно замораживают продукты значительной толщины и неправильной формы (тушки птицы, крупнокусковое мясо), упакованные в термоусадочную полимерную
пленку, которая плотно прилегает к поверхности проду
кта. В
качестве хладоносителей выбирают вещества, разрешенные к
применению органами здравоохранения и отвечающие следующим требованиям.
Температура замерзания должна быть ниже рабочего интер-
вала температур не менее, чем на 10 °С, так как вблизи температу-
96
ры замерзания резко увеличивается вязкость веществ, влияющая на
теплопередачу и величину работы по их перемещению.
Удельная теплоемкость должна быть по возможности
больше, а вязкость – меньше. Отсюда вид хладоносителя надо
выбирать после технико–экономического анализа вариантов.
В наибольшей степени указанным требованиям отвечают
водные растворы хлорида натрия, пропиленгликоля и хлорида
кальция, нижним пределом применимости которых являют
ся
температуры соответственно –15, –40 и –45 °С.
Аппараты для замораживания продукта в хладоносителе
достаточно интенсивны, например, при температуре –25÷ –30 °С
тушки птицы замораживаются в 7–8 раз быстрее, чем в воздушных аппаратах.
Схема простого по конструкции аппарата такого типа
представлена на рис. 35.
Рис. 35. Иммерсионный аппарат:
1 – теплоизоляционное ограждение; 2 – мешалка; 3 – испаритель; 4 – емкость
с хладоносителем; 5 – нижняя сетчатая перегородка; 6 – верхняя сетчатая
перегородка; 7 – решетчатые пластины конвейера
В нижней части теплоизолированного корпуса находится
емкость, заполненная 50%-м раствором пропиленгликоля, в которой размещен испаритель аммиачной холодильной машины с мешалкой. Над испарителем ниже уровня хладоносителя установлены две сетчатые перегородки, образующие канал, по которому
движется замораживаемый продукт. В верхней части корпуса над
емкостью находится конвейер, тяговые цепи которого оборудова-
97
ны поперечно расположенными вертикальными решетчатыми
пластинами, которые, двигаясь между сетчатыми перегородками,
транспортируют продукт через емкость с хладоносителем.
Куски мяса толщиной 22–46 мм, упакованные в пленку
под вакуумом, подаются из упаковочного автомата к загрузочному окну и сбрасываются в аппарат. Мясо падает в канал, образованный двумя сетчатыми перегородками, захватывается
пластинами конвейера и транспорти
руется под уровнем хладоносителя, так как верхняя перегородка препятствует его всплытию. Не доходя до края емкости, мясо выводится из хладоносителя для того, чтобы удалить с поверхности пропиленгликоль.
Далее продукт поступает на моечный конвейер, где орошается
водой в течение 1 мин.
Техническая характеристика иммерсионного аппарата
представлена в табл. 10.
Таблица 10
Техническая характеристика иммерсионного аппарата
Производительность, кг/ч 300
Емкость, кг 60–80
Температура, ˚С:
теплоотводящей среды
замороженного продукта
Продолжительность замораживания, мин 10–40
Габаритные размеры, мм
длина
ширина
высота
Масса, кг 2000
–30
–20
8200
2100
2800
10. Криогенные морозильные аппараты
Особый интерес представляет замораживание продуктов в
веществах, изменяющих фазовое состояние (кипение, сублимация), так как интенсивность теплоотвода от продукта при этом
резко возрастает. Аппараты такого типа просты по конструкции,
компактны (занимают площадь в 6 раз меньше при равной про-
98
изводительности), потребляют электроэнергии в 10 раз меньше,
просты в обслуживании, быстро выходят на рабочий режим.
Продукт в них замораживается быстро, что обеспечивает его хорошее качество и небольшую величину потерь массы (до 0,5 %).
Но по причине больших эксплуатационных затрат, связанных в
основном с высокой стоимостью охлаждающего вещества, в таких аппаратах целесообразно замораживать пр
одукты, натуральные свойства которых можно сохранить только при очень
быстром замораживании и низких температурах, например: растительные продукты с нежной консистенцией (малина, клубника, цитрусовые), продукты с панированной поверхностью.
В качестве охлаждающих веществ обычно применяются
жидкости – азот и углекислоту.
Азотные аппараты. Жидкий азот, как более дешевый и
доступный, применяется наиболее широко. При атмосферном
давлении он кипит при температуре –195,8 °С и имеет открытую
теплоту парообразования 199,8 кДж/кг. Он инертен по отношению к продуктам и конструкционным материалам.
Аппараты имеют легкий несущий каркас, теплоизоляциионное ограждение, системы транспортирования продукта, подачи и удаления газа, охлаж
дения, автоматического управления и
регулирования. Система охлаждения состоит из емкостей для
хранения жидкого азота, распределительных форсунок, емкости
для сбора неиспарившегося жидкого азота, насоса, контрольноизмерительных и регулирующих приборов.
Продукт в аппарате может замораживаться погружением в
жидкий азот, орошением или в потоке газообразного азота или
при их комбинации.
С термодинамической точки зрения замораж
ивать продукт с положительной температурой в объеме жидкого азота нецелесообразно из-за большой разности температур. Кроме того,
при большом температурном напоре имеет место пленочный
режим кипения азота, при котором коэффициент теплоотдачи
резко уменьшается, так как в зоне контакта образуется газовая
прослойка. Охлаждающая способность азота реализуется приблизительно на 50 %
, поскольку полезно используется только
скрытая теплота фазового перехода, а газ, имеющий температуру, близкую к температуре кипения, отводится в окружающий
99
воздух. Поэтому удельный расход жидкого азота на замораживание значителен (2 кг и более на 1 кг продукта). Кроме того,
велика вероятность растрескивания и деформации продукта
вследствие внутренних напряжений, возникающих из-за неравномерного по объему льдообразования.
Экономичнее замораживать продукт в аппарате с двумя
зонами: 1) предварительного замораживания посредством газообразного азота и 2) домораживания в жид
ком азоте (рис. 36).
Рис. 36. Азотный аппарат с двумя зонами замораживания:
1 – конвейер; 2 – продукт; 3 – вентилятор; 4 – теплоизоляционное ограждение;
5 – емкость с жидким азотом; 6 – направляющие ролики конвейера
Продукт конвейером подается в первую зону, в которой
30–40 % теплоты отводится потоком газообразного азота. Затем
продукт транспортируется через емкость с жидким азотом, домораживается и выводится из аппарата. Газообразный азот удаляется из аппарата с помощью вентилятора и нагнетается в область загрузочного окна аппарата, создавая завесу на пути теплого возду
ха.
Расход жидкого азота в таких аппаратах уменьшается, но
длина аппарата увеличивается приблизительно в 2 раза по сравнению с замораживанием продукта только в жидком азоте.
Аппараты, в которых продукт орошается жидким азотом,
имеют 3–4 зоны, что обеспечивает эффективный теплоотвод и
снижение расхода жидкого азота (до 0,5–1,5 кг/кг) на замораживание. Например, в апп
арате с четырьмя зонами (рис. 37) замораживание продукта осуществляется следующим образом. В
первой зоне продукт охлаждается (начальная температура в
100
центре 25 °С) до 5 °С газообразным азотом, который движется
со скоростью 2–3 м/с и нагревается от –120 ÷–70 до –70÷–25 °С.
Во второй зоне температура продукта снижается до 0 °С в результате охлаждения газообразным азотом, движущимся со скоростью 15 м/с и нагревающимся от –195,8 ÷–150 до –120 ÷–70 °С.
В третьей зоне продукт орошается жидким азотом и замораживает
ся до температуры в центре –5 °С. В последней зоне температура продукта выравнивается по объему в среде газа, нагревающегося при теплообмене до –150 ÷–120 °С. Продукт, который выводится из аппарата, имеет температуру –20 °С, 95 % образовавшегося газообразного азота направляется во вторую и
первую зоны. Основной поток, пройдя через зоны, удаляется из
аппарата с пом
ощью вытяжного вентилятора, а часть – через загрузочное окно. В зону выравнивания поступает 5 % образовавшегося газа, который удаляется через разгрузочное окно.
Рис. 37. Азотный аппарат с четырьмя зонами
для замораживания продукта:
1 – конвейер; 2 – вытяжной центробежный вентилятор; 3 – осевой вентилятор;
4 – центробежные вентиляторы; 5 – форсунки; 6 – насос;
7 – сосуд с жидким азотом; 8 – поддон
Жидкий азот подается в форсунки посредством насоса под
давлением 0,15 МПа и разбрызгивается, орошая движущийся
продукт. Неиспарившаяся часть жидкого азота собирается в
поддоне и по трубопроводу с фильтром поступает в сосуд, откуда насосом подается в форсунки. Уровень жидкого азота в сосу-