Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Холодильное технологическое оборудование. Учебное пособие.pdf
τττ
τ
++=
=++
=
τ
181
Аппарат с распылением жидкого азота
в грузовом отсеке
При расчете криогенного аппарата с распылением жидкого азота в грузовом отсеке, если заданы производительность аппарата G = 800 кг/ч = 0,22 кг/с, вид и размеры замораживаемого
продукта – пельмени, начальная и конечная температура продукта t1 и t2 соответственно равны 30 °С и –18 °С, то необходимо определить: продолжительность пребывания продукта в грузовом отсеке аппарата; емкость аппарата; площадь поверхности
ленты грузового конвейера; длину грузового конвейера; габаритные размеры изолированного контура; тепловую нагрузку;
общий расход жидкого азота и избыточное количество жидкого
азота, орошающего продукт; количество форсунок; удельный
расход жидкого азота; производительность отсасывающего вентилятора; количество газообразного азота, движущегося в зоне
предварительного охлаждения; количество газообразного азота,
движущегося в зоне выравнивания температур.
Продолжительность пребывания продукта в грузовом отсеке аппарата находят из зависимости:
, (69)
a
где τ1 – продолжительность пребывания продукта в грузовом отсеке аппарата, с; τ2 – продолжительность пребывания продукта в
зоне выравнивания температуры, с.
a
Продолжительность замораживания продукта до криоскопической температуры (с) в зоне предварительного охлаждения
τ1 можно определить по формуле Планка:
321
.
9,12319,1211
⎛
()
q
⎜
τ
=
1
⎜
()
⎝
⎞
ρ
⋅
3
⎟
⎟
tt
−
скр
⎠
⎡
δ
⎛
δ
⋅⋅⋅
⎜
⎢
бл
⎝
⎢
⎣
⎛
⎞
⎟
⎠
1
⎞
⎛
⎜
PR
⋅+
+
⎟
⎜
⎜
⎝
⎝
∑
αλ
⎠
⎤
⎞
⎞
⎛
δ
iбл
, (70)
⎟
⎟
⎜
⎥
⎟
⎜
⎟
λ
⎥
i
⎠
⎝
⎠
⎦
(
+
−+−
182
1030297141
=
τ
1
⋅
15774,2
+−
()
⎛
059,0017,0
⎜
⎝
017,0
123,1
1
⎞
215,0
⋅+⋅⋅⋅
⎟
79
⎠
.
9,121
=
Величины коэффициентов R и Р находят по справочным
данным [9] в зависимости от отношения длины и ширины единичного продукта к его толщине.
Количество тепла, отводимое от продукта при его холодильной обработке в зоне предварительного охлаждения q
, за-
1
висит от его вида, а также от начальной и криоскопической температур.
Температуру теплоотводящей среды (газообразного азота) в
зоне предварительного охлаждения рассчитывают по уравнению:
)
tt
0
t
г
=
с
1
, (71)
2
где tс1 – температура теплоотводящей среды в зоне предварительного охлаждения, °С; tг – температура отработанного газообразного азота, удаляемого из зоны предварительного охлаждения,
величину которого необходимо задать, °С (–20 ÷– 30 °С).
=сt
1
)128(30
2
.
79
−=
Чтобы определить τ1, находят коэффициент теплоотдачи
от продукта к газообразному азоту.
Критерий Нуссельта для условий теплообмена продукта и
газообразного азота в зоне предварительного охлаждения рассчитывают по формуле:
43.08.0
. (72)
PrRe0296.0 ⋅⋅=Nu
При определении значения критерия Рейнольдса, входящего в уравнение (72), охлаждения следует задать (w' = 20–35
м/с), а за определяющий размер принять эквивалентный диаметр
единичного продукта, замораживаемого в криогенном аппарате.
⋅
⋅
(
α
()(
Re
183
'
l ⋅⋅
ρω
2
nп
=
;
μ
Re
695,1035,0867,7
=
−
1028,1
⋅
=
5
36461
;
43,08,0
=⋅⋅=Nu
3,113)78,0()36461(0296.0
.
Продолжительность домораживания продукта в зоне орошения τ2 также находится по формуле Планка. Количество тепла, отводимое от продукта при его домораживании в зоне орошения, зависит от конечной температуры замороженного продукта. Температура теплоотводящей среды в зоне орошения
равна температуре кипения жидкого азота в зоне орошения t
.
0
Коэффициент теплоотдачи от продукта к жидкому азоту,
который орошает продукт, находится по формуле:
"
⎛
"
⋅⋅=
06,25
2
λα
Δ⋅
⎜
⎜
r
⎝
6.0
()
−
a
⎜
⎟
−
⎟
⎜
⎠
⎝
⎛
⎞
tс
)
ρρ
σ
1
где
– коэффициент теплоотдачи от продукта к жидкому азо-
2
ту, который орошает продукт, Вт/(м2·К); λ" – теплопроводность
газообразного азота, Вт/(м·К); с" – удельная теплоемкость газообразного азота, Дж/(кг·К); ∆tа – разность температур между
продуктом, поступающим в зону орошения, и кипящим азотом,
°С; ρ1 – плотность жидкого азота, кг/м"; ρ2 – плотность насыщенного пара азота при температуре кипения кг/м3; σ1 – поверхностное натяжение жидкого азота, Н/м.
6,0
5,2251041
⋅⋅=
⎛
⎜
⎝
⋅
197600
α
2
02396,006,25
⎛
⎞
−
⎜
⎟
⎠
⎝
5.0
⎞
21
⎟
, (73)
⎟
⎠
54,4252,1
−
433,1
5,0
)
⎞
⎟
⎠
.
14,3
=
τ
⋅
=
=⋅=
184
Формула (73) справедлива для условий:
0,2<(с"∆tа)/r<2,4.
Продолжительность пребывания продукта в зоне выравнивания температур τ3 равна продолжительности замораживания продукта до криоскопической температуры в зоне предварительного охлаждения, т. е. τ1 = τ3.
Если по условиям проектирования необходимо уменьшить
длину аппарата, то принимают τ3 = (0,5÷0,75)τ1 или вообще отказываются от зоны выравнивания температур в аппарате, полагая τ3 = 0.
Емкость аппарата или массу продукта (кг), находящегося
на ленте грузового конвейера, определяют по формуле:
, (74)
GG
1
.
G
6,279,12322,0
Площадь поверхности ленты грузового конвейера рассчитывают по уравнению:
F =
G
кн
, (75)
q
f
F
кн
6,27
7
,
==
9,3
где Fкн – площадь ленты грузового конвейера, м2; q
– масса про-
f
дукта, размещаемого на 1 м2 площади поверхности ленты грузового конвейера, кг/м.
Длину грузового конвейера находят по формуле:
F
L =
кн
кн
, (76)
B
кн
σ
σ
⋅+⋅++
=
=⋅+⋅++=
σ
σ
+⋅+
=
=⋅+⋅+
=
185
где Lкн, Вкн – длина и ширина грузового конвейера, м.
L
9,3
кн
6,0
.
==
5,6
По габаритным размерам находят наружную теплопередающую поверхность изолированного контура. В зависимости
от величины наружной теплопередающей поверхности изолированного контура находят теплоприток Q1.
Длину изолированного контура рассчитывают как
DLL
ибкнa
, (77)
22
3
где L
– длина изолированного контура аппарата, м; Dб – диа-
a
метр барабана грузового конвейера, м; σ
ционного материала, м; σ
– зазор между барабаном и торцевой
3
– толщина слоя изоля-
и
стенкой изолированного контура, м.
.
L
a
7,73,021,024,05,6
Ширину изолированного контура определяют по формуле:
BB
, (78)
⋅
22
зиka
где Ва – ширина изолированного контура, м; σ3 – зазор между
грузовым конвейером и боковой стенкой изолированного контура, м.
.
B
a
4,13,021,026,0
Высоту изолированного контура рассчитывают как
hDH
''
3
3
3
, (79)
σσσσ
⋅+++++= 2
иBбa
''''
'''
где На – высота изолированного контура, м; hB – размер циркуляционного вентилятора по высоте изолированного контура, м;
=⋅+++
=
+++
=
α
=+++=
⋅
=
''
'''
σ
,
σ
3
''''
,
σ
– зазоры между циркуляционным вентилятором и
3
3
186
лентой грузового конвейера, между циркуляционным вентилятором и верхней крышкой изолированного контура, между обратной ветвью грузового конвейера и нижней крышкой изолированного контура, м.
H
a
26,13,022,006,04,0
Тепловую нагрузку (Вт) находят по формуле:
дп
QQQQ
, (80)
4210
где α
,= 1,4–1,5.
дп
Q
0
1489204,13514743013545,1
Для криогенных аппаратов Q4 ориентировочно принимают
(0,1–0,15)Q1.
Общий расход жидкого азота находят по формуле:
a'3
, (81)
r
Q
a
=
G
где Gаз – общий расход жидкого азота, кг/с; Q'а – тепловая нагрузка, отводимая жидким азотом при домораживании продукта
в зоне орошения, Вт:
, (82)
qGQ ⋅=
2''зa
где q
– количество тепла, отводимое от замораживаемого про-
з2
дукта в зоне орошения, Дж/кг.
'
Q ,
a
=
4268219401022,0
+
=
=−+−⋅⋅=
=
187
42682
G
3==a
197600
216,0
.
Тепловую нагрузку, которую можно отвести газообразным азотом, определяют по уравнению:
''
'
, (83)
QQQ +=
0
aa
где Q’а – тепловая нагрузка, которую можно отвести газообразным азотом, Вт,
''
Q
a
19160242682148920
=
.
Действительную тепловую нагрузку, отводимую газообразным азотом, находят из выражения:
''
,
()
ttCGQ +⋅⋅=
, (84)
orазда
где
образным азотом, Вт; t
''
Q – действительная тепловая нагрузка, отводимая газо-
,, да
– температура газообразного азота, ухо-
r
дящего из грузового отсека аппарата, °С.
''
Q
да
,
.
35527))128(30(1041216,0
Если
'''
(расхождение не должно превышать ±10
QQ
,, aда
%), значит, предварительно принятые условия работы криоген-
ного аппарата (температура отработанного газообразного азота,
удаленного из аппарата, а также возможность замораживания
продукта в зоне предварительного охлаждения до криоскопической температуры) при найденном по формуле (81) (см. с. 186)
общем расходе азота баз были выбраны правильно.
Если
'''
QQ ≠ , то, изменяя общий расход жидкого азота
,, aда
(методом последовательного приближения), добиваются равен-
=
=⋅=
188
ства между
''
Q и
'
Q
при новом значении Gаз (действительный
,, да
а
расход жидкого азота в аппарате, кг/с).
В аппарате можно предусмотреть подачу на орошение
продукта избыточного количества жидкого азота с последующей рециркуляцией неиспарившейся жидкости с помощью насоса. В этом случае избыточное количество жидкого азота, орошающего продукт (подаваемого к коллектору с форсунками),
, (85)
nGG
⋅
дазиаз
,,,
где G
– избыточное количество жидкого азота, орошающего
аз.д.
продукт, кг/с (n = 1,15–1,2);
G
,,
иаз
2148,02,1179,0
.
Количество форсунок составит для аппарата с избыточным количеством жидкого азота, орошающего продукт,
G
иаз
.,
n
=
ф
, (86)
q
ф
где n
– количество форсунок, шт.; qф – производительность од-
ф
ной форсунки, кг/с;
n
2148,0
ф
0221,0
.
10
≈=
Для аппаратов без рециркуляции жидкого азота
G
.,
=
n
ф
даз
, (87)
q
ф
2148,0
10
≈=фn .
0221,0
G
=
⋅
=
=⋅=
189
Удельный расход жидкого азота определяют по формуле:
G
даз
q
=
a
.,
, (88)
''
где qа – удельный расход жидкого азота, кг/кг;
2148,0
==aq
.
976,0
22,0
Производительность отсасывающего вентилятора
где V
– производительность отсасывающего вентилятора, м
O.B
Vr – удельный объем газообразного азота, удаляемого отсасывающим вентилятором (находится при температуре t
V
.
BO
VGV ⋅
, (89)
rдазBO
,.
16,0747,02148,0
=
.
), м
0
3
/кг;
3
/с;
Количество газообразного азота, движущегося в зоне
предварительного охлаждения,
где
э
V
– количество газообразного азота, движущегося в зоне
..
пз
э
FV
пз
предварительного охлаждения, м3/с;
'
ω
⋅=
, (90)
,,..
пз
F – живое сечение зоны
,, пз
предварительного охлаждения для прохода газообразного азота,
'
м;
ω
– скорость движения газообразного азота в зоне предвари-
тельного охлаждения, м/с;
э
V
..
пз
.
1,23506,0
Количество газообразного азота, движущегося в зоне выравнивания температуры, определяют по формуле:
⋅
=
⋅
⋅
190
'
FV
где
'
– количество газообразного азота, движущегося в зоне
V
ав
выравнивания температуры, м3/с;
''
ω
⋅=
, (91)
взав
,,
F – живое сечение зоны
,,вз
выравнивания температуры для прохода газообразного азота, м2;
''
ω
– скорость движения газообразного азота в зоне выравнива-
ния температуры, м/с;
'
V
ав
2,43512,0
=
.
Рассчитав аэродинамическое сопротивление в циркуляционном канале зоны предварительного охлаждения и зная коли-
чество движущегося газообразного азота
э
, можно подобрать
V
пз
..
циркуляционные вентиляторы, обслуживающие эту зону.
Аналогично подбирают циркуляционные вентиляторы, обслуживающие зону выравнивания температуры.
Для подбора отсасывающего вентилятора необходимо
рассчитать аэродинамическое сопротивление системы отвода газообразного азота. Зная аэродинамическое сопротивление этой
системы и производительность отсасывающего вентилятора,
можно произвести их подбор.
PV
В
Ne
0
=
, (92)
η
где Ne – мощность электродвигателей, кВт; P – аэродинамическое сопротивление при движении воздуха в циркуляционном
кольце, Па; η – КПД вентилятора;
=Ne
2,1016,0
3,0
По формуле (92) производится расчет мощности электродвигателей для всех вентиляторов.
.
=
44,5