Расчеты коэффициентов теплоотдачи конвекцией

для стационарного режима работы аппарата

№ поверхности	Определяющий размер, м	Температура поверхности, С	Расчетная температура воздуха, С	Критерий Грасгофа	Произведение критериев	Показатель степени	Коэфф. пропорциональности, с	Критерий Нуссельта	Коэфф. теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2К)
1 2 3 4	0,87 0,16 0,11 0,27	60 60 50 40	40 40 35 30	2,87109 1,78107 4,68106 4,98107	2109 1,24107 3,28106 3,49107	1/3 1/4 1/4 1/3	0,135 0,54 0,54 0,135	170 32 23 44	5,40 5,52 5,67 4,35

Для нестационарного режима

Вт/(м²К);

Вт/(м² К);

Вт/(м²К);

Вт/(м²К);

для стационарного режима

Вт/(м²К);

Вт/(м²К);

Вт/(м²К);

Вт/(м²К);

Суммарные коэффициенты теплоотдачи от наруж­ных поверхностей аппарата в окружающую среду бу­дут равны:

для нестационарного режима

^’₁=4,36+5,95=10,31 Вт/(м²К); ^’₂=4,67+2,73=7,40 Вт/(м²К);

^’₃=4,82+2,70=7,52 Вт/(м²К);

^’₄=3,50+5,43=8,93 Вт/(м²К);

для стационарного режима

^’’₁=5,40+6,58=11,98 Вт/(м²К);

^’’₂=5,52+3,04=8,56 Вт/(м²К);

^’’₃=5,67+3,0=8,67 Вт/(м²К);

^’’₄=4,35+5,71=10,06 Вт/(м²К);

Потери теплоты наружными поверхностями аппа­рата в окружающую среду определяют по формулам:

для нестационарного режима

Q'₅ = 10,310,76 (40-20) +7,40,56(40-20) +7,52

 0,38 (35-20) +8,930,94(30-20) =366 Вт;

для стационарного режима

Q''₅ = 11,980,76 (60-20)+8,560,56 (60-20) + 8,67

 0,38 (50-20) +10,060,94 (40-20) =844 Вт.

При стационарном режиме работы аппарата с помощью вентилятора осуществляется отсос паров фритюра, влаги и воздуха из рабочей камеры в вытяж­ную систему помещения. В рабочую камеру поступает через вентиляционные отверстия аппарата воздух из окружающей среды помещения. Расход теплоты на на­грев вентиляционного воздуха можно определить по формуле

Q''_5В=[W/(d_n-d_B)]Cpt,

где С_р — средняя весовая удельная теплоемкость воз­духа, равная 1,01 кДж/(кгК); t — разность тем­ператур влажного воздуха на выходе из рабочей ка­меры и поступающего воздуха (t = 180-20=160 °С); W — количество пара, образующегося при обжари­вании пончиков за счет испарения из них влаги. В на­шем примере истинный процент ужарки составляет 21%, т. е. W=0,218,310^-3 =1,7410^-3 кг/с; d_n, ,d_в —влагосодержание воздуха, выходящего из рабочей камеры, и воздуха помещения на 1 кг сухого воздуха. При температуре поступающего воздуха 20 °С и его относительной влажности 70% d_B=0,01 кг/кг, при температуре выходящего воздуха 180 °С и относитель­ной влажности 40% d_n=0,418 кг/кг.

Q''_5В = [1,7410^-3 /(0,418-0,01)]  1,01  160=0,69 кВт.

Таким образом, суммарные потери теплоты аппа­ратом в окружающую среду при стационарном режиме составят

Q''₅ = 0,844 + 0,69 =1,534 кВт.

При эксплуатации аппарата возможны также тепло­вые потери за счет открывания крышек с целью его регулировки и устранения возможных неполадок (за­висание лопаток в верхнем положении, застревание пончика и др.).

3. Определение потерь теплоты на разогрев кон­струкции аппарата. Расчет расхода теплоты на разо­грев конструкции ведется только для нестационарного режима работы аппарата. Расход теплоты на разогрев конструкции определяется следующим выражением:

Q₆ = Q^м₆ + Q^и₆,

где Q^м₆ — теплота, расходуемая на нагревание метал­лических конструкций аппарата, кВт; Q^и₆ — теплота, расходуемая на нагревание изоляции, кВт.

,

где G_i — масса элемента металлической конструкции (жарочный бак, диск, плита, лопатки и др.) рассчитывается по формуле

G_i =V_i _i

где V_i — объем элемента конструкции, м³; _i — плот­ность материала элемента, кг/м³; с, — теплоемкость материала элемента конструкции, кДж/(кгК); t_i — средняя конечная температура нагрева элемента кон­струкции, °С;  — продолжительность разогрева аппа­рата, с.

Q₆^и = G_и c_и(t_и - t₀)(1/).

где G_и — масса изоляционной конструкции, определяе­мая так же, как и элемента металлоконструкции, кг; С_и — теплоемкость изоляции кДж/(кгК); t_и — сред­няя температура нагрева изоляции, определяемая как t_и = (t_вн + t_нар)/2, °С; t_BH — температура частей изо­ляции, касающихся жарочного бака, °С; t_Hap — темпе­ратура частей изоляции, касающихся облицовки ап­парата, °С;

t_н=( 180+60)/2 = 120 °С.

Определяют массу отдельных элементов конструк­ции аппарата (согласно расчетной схеме):

жарочный бак (материал — листовая сталь Х18Н9Т толщиной 1,5 мм,  = 7980 кг/м³):

G =[1₅(D₂ + D₃) + D²₄/4] = [3,14 0,07 (0,48 + +0,76) + 3,140,86²/4] 1,510^-3 7980 = 10,2 кг;

диск (материал — сплав алюминиевый АЛ9 толщи­ной 10 мм, =2700 кг/м³);

G= (D²₂/4)= (3,140,48²/4) 0,01  2700=4,9 кг

изоляционная конструкция ( = 770 кг/м³)

ТАБЛИЦА 4

Расчеты теплопотерь на разогрев конструкции аппарата

Название элемента конструкции	Масса, кг	Темпера­тура на­грева, С	Удельная теплоем­кость, кДж/(кгК)	Расход теплоты, кВт
Жарочный бак	10,2	180	0,468	0,364
Диск	4,9	80	0,92	0,129
Плита	28,0	60	0,46	0,245
Стекло	3,6	60	0,67	0,046
Бак для масла	2,0	50	0,92	0,026
Лопатки	5,2	180	0,468	0,185
Крепления нагревателей	1,7	180	0,468	0,061
Наружное кольцо	7,1	60	0,468	0,063
Внутреннее кольцо	3,0	60	0,468	0,027
Облицовка	6,1	50	0,468	0,041
Корпус нагревателей	4	180	0,468	0,143
Горка переворота	0,8	180	0,468	0,028
Склиз выгрузки v	1	180	0,468	0,036
Крышки	16	60	0,468	0,143
Другие элементы	80	40	0,5	0,381
Итого на разогрев ме­таллоконструкции	173,6			1,918
Теплоизоляция	26,8	120	0,82	1,046
Итого на разогрев ап­парата				2,964

ТАБЛИЦА 5

Сводные данные теплового расчета аппарата

Расход теплоты, кВт	Режим работы
	разогрев	стационарны
Полезно используемая Потери в окружающую среду" Потери на разогрев конструкции Итого...	1,472 0,366 2,964 4,80	5,64 1,534 - 7,174

Аналогично проводят расчет массы других элемен­тов конструкции аппарата. С учетом материала, из ко­торого изготовлены отдельные элементы, рассчитывают теплопотери на разогрев конструкции (табл. 4).

Результаты теплового расчета сводят в итоговую таблицу 5.

Итак, для предлагаемой рецептуры пончикового теста максимальную мощность аппарата целесообраз­но принять равной 7,2 кВт.

Серийно выпускаемый аппарат АП-ЗМ для приготовления и жарки пончиков оснащен тремя тэнами общей мощностью 7,5 кВт. Проведенные расчеты показывают, что паспортная мощность удовлетворяет требованиям новой технологии.

ПРИЛОЖЕНИЕ 7