8.8. Показатели работы пищеварочных котлов. Особенности уравнения теплового баланса

Технико-эксплуатационные показатели. Работа пищеварочных котлов характеризуется следующими технико-эксплуатационными показателями: коэффици­ентом полезного действия, удельным расходам теплоты, удельной мощностью, удельной поверхностью, временем разогрева.

Коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле

ŋ = (Q_пол - Q_затр) ×100, (8.5)

где Q_пол — полезно используемая теплота, Дж; Q_затр — количество затраченной теплоты за период, одной варки, Дж.

На величину коэффициента полезного действия варочного аппарата оказывают влияние рад факторов. Кпд варочных аппаратов резко уменьшается с умень­шением коэффициента заполнения котла, при заливке в парогенератор излишней воды, при наличии воздуха в паровой рубашке, при работе котла с открытой крышкой. Существенное влияние на кпд оказывает также начальное тепловое состояние аппарата (нагрев от горячего или холодного состояния). В процессе дли­тельной эксплуатации кпд может снижаться по причине отложения накипи на тэнах или стенках парогенератора (у газовых и твердотопливных котлов) . Поэтому в парогенераторы варочных аппаратов рекомендуется заливать только кипяченую воду (или дистиллированную).

Удельный расход теплоты для технологических процессов определяют по уравнению

q = Q_затр / G_пр (8.6)

где G_пр — масса готового блюда, приготовленного аппарате за период одной варки, кг.

Удельная мощность электрического варочного аппарата находится из выражения

P_уд = P/V, (8.7)

где Р — мощность котла, Вт; V — объем котла, дм³.

Удельная металлоемкость варочного аппарата рас­считывается по формуле

m_уд = M/V, (8.8)

где М — масса аппарата, кг.

Время разогрева τ_раз характеризует продолжитель­ность выхода аппарата на стационарный режим (заки­пание жидкости в варочном котле либо парогенера­торе).

Газовые и твердотопливные пищеварочные котлы характеризуются дополнительно следующими показа­телями:

тепловым напряжением поверхности нагрева

T_n = Q_затр /F = B /F, (8.9)

где Q_затр = B — часовой расход теплоты аппарата­ми, Дж; F — площадь поверхности нагрева парогене­ратора, м²;

тепловым напряжением объема топочной камеры

T_об = Q_затр /V_об = B / V_об, (8.10)

где V_об — объем топочной камеры, м³.

Приведенные технико-эксплуатационные показа­тели варочных аппаратов позволяют произвести их сравнение независимо от мощности и вместимости ап­паратов и выявить преимущества и недостатки.

Уравнения теплового баланса. Уравнение теплового баланса для пищеварочных котлов имеет вид:

для твердотопливных:

режим разогрева Q_затр = B = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ ; (8.11)

режим варки = B’ = + + + + ; (8.12)

для газовых:

режим разогрева = B = Q₁ + Q₂ + Q₅ + Q₆ ; (8.13)

режим варки = B’ = + + ; (8.14)

для паровых:

режим разогрева = D (i_x — i_K) = Q₁ + Q₅ + Q₆ ; (8.15)

режим варки = D’ (i_x — i_K) = + ;

для электрических:

режим разогрева = Pτ = Q₁ + Q₅ + Q₆ ; (8.16)

режим варки = P’τ’ = + ,

где В, В' — соответственно расход топлива в режиме разогрева и варки, кг (м³) ; — низшая теплота сгора­ния топлива, Дж/кг (Дж/м³); D, D' — соответственно расход пара в режиме разогрева и варки, кг; i_x, i_к — со­ответственно теплосодержание (энтальпия) пара и кон­денсата, Дж/кг; Q₁, — соответственно полезно ис­пользуемая теплота в режиме разогрева и варки, Дж; Q₂, — соответственно потери теплоты с уходящими продуктами сгорания в режиме разогрева и варки, Дж; Q₃, — соответственно потери теплоты от химического недожога топлива в режиме разогрева и варки, Дж; Q₄, — соответственно потери теплоты от механи­ческого недожога топлива в режиме разогрева и варки, Дж; Q₅, — соответственно потери теплоты в окружающую среду наружными ограждениями в ре­жиме разогрева и варки, Дж; Q₆ — потери теплоты на нагрев конструкции, Дж.

Методика расчета отдельных составляющих эле­ментов теплового баланса приведена в табл. 8.5.

Важнейшим энергетическим показателем пищева­рочных аппаратов является нормативная величина пот­ребления электроэнергии.

Нормирование потребления электрической энергии проводится на основании приказа МТ СССР № 140 от 18 мая 1984 г. «Об утверждении положения о норми­ровании потребления топливно-энергетических ресур­сов на предприятиях общественного питания (тепло-••я и электрическая энергия)». Нормативы потреб­ления электроэнергии пищеварочным оборудованием (котлами) приведены в приложении 12.

Направления совершенствования пищеварочных котлов, На технологические, теплотехнические и техни­ко-экономические показатели работы котлов с косвен­ным обогревом оказывает влияние ряд факторов.

Для существующих пищеварочных котлов средний коэффициент теплопередачи при режиме разогрева не превышает 400 Вт/ (м • К) . Такое низкое значение коэф­фициента объясняется сравнительно малой интенсив­ностью теплоотдачи от поверхности варочного сосуда

Методика расчета составляющих теплового баланса ТАБЛИЦА 8.5

Наименование и обозначение составляющих теплового баланса	Формулы для определения составляющих теплового баланса	Формулы для определения основных и вспомогательных величин	Обозначения, используемые в формулах для определения основных и вспомогательных величин
Полезно затраченная теплота, Дж			W – общее количество воды, заливаемой в рабочий объем аппарата, кг; с – теплоемкость воды, Дж /(кг∙К) tk – температура кипения воды, °С; tн – начальная температура воды, °С; Gпр – суммарное количество отдельных продуктов, загруженных в аппараты, кг; находится из выражения Gi – количество i-го продукта, загруженного в аппарат, кг; спр – средняя теплоемкость продуктов, Дж /(кг∙К); ∆W, ∆W’ – соответственно количество воды, испаряющейся при нестационарном и стационарном режимах работы аппаратов, кг; r – теплота парообразования при давлении в рабочем объеме аппарата; ci – теплоемкость i-го продукта, Дж /(кг∙К) - средняя начальная температура продуктов, °С; 1,67 – теплоемкость сухого вещества: ссв = 12561675 Дж /(кг∙К); tнi – начальная температура i-го продукта, °С; а – влажность продукта
Q1	Wc(tk-tн)+Gпрспр(tk- )+∆Wr	cпр = сi =
Потери теплоты с уходящими продуктами сгорания, Дж
Q1	(I2 - Iвоз)∙В	=	I2, - теплосодержание уходящих продуктов сгорания соответственно при нестационарном и стационарном режимах работы, Дж/кг (Дж/м2); Iвоз – теплосодержание воздуха, Дж/кг (Дж/м3); Vi, Vвоз – соответственно объем i-го продукта сгорания и воздуха, м3/кг (м3/м3); В и В’ – расход топлива соответственно при нестационарном и стационарном режимах работы, кг (для газа – м3); cpi, - соответственно теплоемкость i-го продукта сгорания и воздуха, Дж/(м3∙К)
	( - Iвоз)∙В’	=
Потери теплоты от химического недожога, Дж		КР = сР + 0,375	СО, СО, RO2, - содержание СО и (СО2+SO2) в уходящих продуктах сгорания соответственно для нестационарного и стационарного режимов работы, % по объему
Q3
Потери теплоты от механического недожога, Дж			z – содержание горючих элементов в золе, %;
Q4			Мз и - количество золы соответственно при нестационарном и стационарном режимах работы, кг;
			- теплота сгорания топлива, Дж/кг (Дж/м3) В и В’ – расход топлива соответственно при нестационарном и стационарном режимах работы, кг (м3)
Потери теплоты в окружающую среду, Дж			– коэффициент теплоотдачи от i-го элемента поверхности аппарата в окружающую среду соответственно при нестационарном и стационарном режимах работы, Вт/(м2∙К) Fi – площадь i-го элемента поверхности аппарата, м2;
Q5
		или	– температура i-го элемента поверхности аппарата соответственно при нестационарном и стационарном режимах работы, °С: ; – температура воздуха в помещении, °С; – время разогрева аппарата до стационарного режима, с; – время работы при стационарном режиме, с;
		Gr∙Pr<5∙102 c = 1,18 n = 0,125 Gr∙Pr = 5∙102 - 2∙107 c = 1,135 n = 0,33	– коэффициент теплоотдачи лучеиспускателем от i-го элемента поверхности, Вт/м2∙К; – коэффициент теплоотдачи конвекцией от i-го элемента конструкции, Вт/м2∙К; – степень черноты наружных ограждений; с0 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/м2∙К; Gr – критерий Грасгофа; Pr – критерий Прандтля; l – определяющий размер (диаметр или эквивалентный диаметр кожуха котла), м: где А – длина аппарата, м, В – ширина аппарата,м; – коэффициент теплопроводности воздуха при определяющей температуре, Вт/(м∙К): – коэффициент кинематической вязкости при определяющей температуре, м2/с; – температурный перепад, ºС; g – ускорение свободного падения, м/с2 – коэффициент объемного расширения; а – коэффициент температуропроводности воздуха при определяющей температуре, м2/с;
Потери теплоты на разогрев конструкции, Дж			Gэi – масса i-го элемента аппарата, кг; сэi – теплоемкость i-го элемента аппарата, Дж/(кг∙К); – соответственно начальная и конечная температуры i-го элемента, ºС
Q6

к нагреваемой жидкости. Если коэффициент тепло­отдачи α от пара к наружной поверхности варочного сосуда и отношение δ/λ составляют величины порядка 10⁴ Вт/(м²∙К), то средний коэффициент теплоотдачи α при естественной конвекции жидкости в варочном со­суде не превышает 440 Вт/(м²∙К). Следовательно, только путем увеличения α можно существенно интенсифицировать теплообмен в режиме разогрева и улуч­шить технико-экономические показатели пищеварочных котлов.

Из всего довольно многочисленного перечня методов интенсификации процессов теплообмена для пищеварочных котлов заслуживают внимания два: осуществление вибрации поверхности теплообмена и сочетание свободной и вынужденной конвекции при одинаковом или противоположном направлениях течения среди у поверхности.

У серийно выпускаемых пищеварочных котлов теплопередающей поверхностью является сам варочный сосуд, поэтому вибрация поверхности нагрева, как и организация вынужденного движения обогревае­мой среды, малоприемлемы. Таким образом, в существующих пищеварочных котлах возможности интенсификации теплообмена практически сведены на нет.

Традиционной формой варочных сосудов являемся вертикальный цилиндр со сферическим днищем. Однако в теплотехническом отношении цилиндрическая форма варочного сосуда не является оптимальной. Проведение работы по выбору оптимальной формы варочного сосуда котлов показали, что прямоугольные котлы, днище которых представляют собой горизонтальный полуцилиндр, имеют более оптимальную фор­му, так как прямоугольная форма варочного сосуда соответствует принципу модулирования и позволяет разработать унифицированный типоразмерный ряд пищеварочных котлов.

Применение функциональной тара вызвало необходимость разработки варочных сосудов котлов в виде параллелепипеда. При этом возникла трудность изготовления паровой рубашки варочного сосуда. Для создания необходимой прочности такой конструкции требуется увеличение толщины стенок варочной емкости и греющей рубашки, поэтому рубашку заменяют на греющие каналы, которые выштамповываются на тонком стальном листе и припариваются к варочному сосуду, что обеспечивает достаточную жесткость кон­струкции.

Были проведены работы, направленные на интенси­фикацию теплообменных процессов в пищеварочных котлах. Так, В. А. Дорохин предложил уменьшить объем парогенератора за счет оптимизации уровня воды над поверхностью тэнов. Коэффициент теплоотдачи от тэнов к воде в парогенераторе зависит от уровня воды над поверхностью блока тэнов. При уровнях воды h<10 мм коэффициент теплоотдачи резко увеличива­ется и достигает максимальной величины при неко­тором оголении горизонтальной трубки тэна (рис. 8.29).

Существенным резервом повышения коэффициента теплоотдачи от пара к поверхности варочного сосуда является удаление воздуха из рубашки котлов. Наличие воздуха или неконденсированных газов в паровой смеси резко снижает коэффициент теплоотдачи при конденса­ции. Так, наличие в паре 1 % воздуха приводит к сни­жению коэффициента теплоотдачи на 40 %, 6...8 % воздуха снижают коэффициент теплоотдачи на 80 %.

На величину коэффициента теплоотдачи от грею­щей поверхности к нагреваемой жидкости при варке пищевых продуктов оказывают влияние меняющиеся теплофизические свойства жидкости. Влияние тепло-физических свойств жидкости особенно заметно при варке костных бульонов; так коэффициент теплоотдачи

Рис. 8.29. Зависимость коэффициента теплоотдачи от тэна к воде от уровня воды над тэном (по В. А. Дорохину)

меняется по продолжительности работы котла (рис. 8.30). Например, за 5 ч варки бульона коэффи­циент теплоотдачи уменьшается на 40% из-за сниже­ния коэффициента теплопроводности бульона на 22 % и увеличения числа Прандтля в 2,8 раза (см. рис. 8.30).

В диапазоне плотностей теплового потока q = (1,1... 2,8) ∙10⁴ Вт/м² справедлива зависимость коэффициента теплоотдачи от тэнов к бульону от продолжительности варки бульонов:

(8.17)

Зависимость α от плотности теплового потока при­ведена ни рис. 8.31 и описывается выражением

(8.18)

где для τ = 0, n = 0,56; для τ = 5, n = 0,60;

для τ = 1,2,3,4,5, А = 18,8, 14,2, 13,3, 12,5, 11,7, 10,7.

Рис. 8.30. Зависимость α = f (ν,λ,Pr) при варке костного бульона:

1 – g = 2,8∙10⁴ Вт/м²; 2 – g = 2,2∙10⁴ Вт/м²; 3 – g = 1,7∙10⁴ Вт/м²; 4 – g = 1.1∙10⁴ Вт/м²

Рис. 8.30. Зависимость α = f (q) при варке костных бульонов

Существенным направлением интенсификации теп­лового процесса варки является рационализация разме­ров и формы обрабатываемых продуктов. Известно, что уменьшение размеров продуктов, подвергаемых варке, приводит к увеличению поверхности теплообмена и ско­рости их прогрева.