Совершенствование конструкций пищеварочных котлов на основе моделирования процессов разогрева жидких пищевых сред 05. 18. 12 Процессы и аппараты пищевых производств icon

Совершенствование конструкций пищеварочных котлов на основе моделирования процессов разогрева жидких пищевых сред 05. 18. 12 Процессы и аппараты пищевых производств


Смотрите также:
Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 07. 02 «Процессы и аппараты пищевых производств»...
Рабочая программа дисциплины «Процессы и аппараты пищевых производств»...
Рабочая программа дисциплины «Процессы и аппараты пищевых производств»...
Рабочая программа дисциплины "Процессы и аппараты пищевых производств" (наименование дисциплины)...
Рабочая программа дисциплины "Процессы и аппараты пищевых производств" (наименование дисциплины)...
Рабочая программа дисциплины технология пищевых производств для специальности: 170601 Машины и...
Рабочая программа дисциплины технология пищевых производств для специальности: 170601 Машины и...
Рабочая программа дисциплины "Процессы и аппараты пищевых цроизводств " (наименование...
Рабочая программа дисциплины "Процессы и аппараты пищевых цроизводств " (наименование...
Рабочая программа по дисциплине (сд 01...
Рабочая программа дисциплины “ Процессы и аппараты пищевых производств”...
Методические рекомендации к курсовому проекту по процессам и аппаратам химических и пищевых...



Загрузка...
скачать
На правах рукописи


Шихалев Сергей Валерьевич


СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ПИЩЕВАРОЧНЫХ

КОТЛОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗОГРЕВА ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ СРЕД


05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств


Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва – 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова» и ГОУ ВПО «Уральский государственный экономический университет»



^ Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Минухин Леонид Аронович


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Брязун Владимир Анатольевич

доктор технических наук, профессор

^ Рыбаков Юрий Сергееви


Ведущая организация: ОАО «Свердловский научно-исследовательский институт

химического машиностроения» («СвердНИИхиммаш», г. Екатеринбург)


Защита диссертации состоится 16 июня 2011 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.196.07 при ГОУ ВПО «Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова» по присуждению ученой степени кандидата технических наук по адресу: 117997, г. Москва, Стремянный переулок, дом 36, ауд. 457, 6 корпус


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова». Автореферат диссертации размещен на сайте ГОУ ВПО «Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова»: http://www.rea.ru


Автореферат разослан 14 мая 2011 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Елисеева Л. Г.

^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы в пищевой промышленности и общественном питании предъявляются все более высокие требования к качеству выпускаемой продукции. Одним из путей решения данной проблемы является разработка и совершенствование технологического оборудования с целью улучшения показателей его тепловой экономичности, энергоэффективности и эксплуатационных характеристик, на основе совершенствования проектных теплотехнических расчетов металло- и энергоемких аппаратов, в том числе пищеварочных котлов.


Однако имеющиеся методики расчета варочного оборудования в основном справедливы только для стационарного режима работы аппаратов, который характерен для теплообменных устройств большой производительности.

Для малоемкостных пищеварочных аппаратов с пароводяной рубашкой, широко используемых на предприятиях общественного питания, нестационарный процесс разогрева занимает значительную часть времени их работы. Поэтому проектные технико-экономические и технологические показатели пищеварочных аппаратов с рубашкой определяются точностью теплового расчета режима разогрева.

Имеющиеся модели для расчета режима разогрева пищеварочных котлов в основном базируются на закономерностях стационарного режима, что не отражает сути процесса разогрева. Конструирование пищеварочных аппаратов с рубашкой по таким моделям приводит к увеличению длительности процесса нагревания, снижению производительности котлов, а в некоторых случаях к невозможности довести продукт до кипения.

Поэтому для совершенствования конструкций пищеварочных котлов возникает необходимость в разработке новых принципов теплового расчета процесса разогрева таких аппаратов, что позволит снизить энергозатраты и увеличить ресурс их работы.

^ Цель работы. Совершенствование конструкций пищеварочных котлов на базе моделирования процесса разогрева жидких пищевых сред. Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи, вытекающие из современного состояния проблемы:

  • создать математическую модель процесса разогрева жидких пищевых продуктов на основе распределения температурного поля в стенке технологической емкости пищеварочного котла, позволяющую определять длительность процесса разогрева аппарата с продуктом, оценку затрат на осуществление этого процесса, а также находить режимные параметры работы аппарата (температура, давление в рубашке аппарата).

  • и
    3
    сследовать динамику процесса разогрева жидких пищевых сред в пищеварочных котлах различной номинальной вместимости для установления реального характера изменения теплотехнических параметров аппарата во времени.

  • разработать эмпирическую модель процесса разогрева аппарата с продуктом на основе экспериментальных исследований, позволяющую определять оптимальную теплопередающую поверхность пищеварочных котлов.

  • разработать инженерный метод теплотехнического расчета пищеварочных аппаратов с рубашкой при разогреве жидких пищевых сред.

  • на основе предложенного метода теплотехнического расчета разработать конструкцию пищеварочного котла с улучшенными теплотехническими и эксплуатационными показателями.


Научная новизна работы заключается в следующем:

  • исследован процесс разогрева пищеварочных котлов при различных физико-химических параметрах жидких пищевых сред.

  • предложена математическая модель процесса разогрева пищеварочных котлов при загрузке пищевыми жидкостями, позволяющая определять длительность процесса разогрева аппарата, а также находить оптимальную тепловую мощность аппарата.

  • установлены функциональные зависимости теплотехнических параметров режима разогрева пищеварочных котлов (температуры продукта и паровоздушной смеси в рубашке, коэффициентов теплопереноса, плотности теплового потока) от времени протекания процесса, позволяющие проводить моделирование процесса разогрева аппарата с продуктом на основе действительного режима его работы.

  • выявлены особенности влияния процесса пристенного кипения жидкости в условиях естественной конвекции в варочных емкостях аппаратов с рубашкой на интенсификацию процесса теплоотдачи к нагреваемой среде и получена интерполяционная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи от стенки варочного сосуда к продукту в соответствующих условиях.


^ Практическая ценность и реализация результатов работы:

  • разработан алгоритм и расчетная программа для ЭВМ на основе математической модели процесса разогрева аппарата, позволяющие проводить оценочные тепловые расчеты проектировщиками и исследователями для оптимизации конструкций пищеварочных котлов (св. об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007611560 от 13.04. 2007).

  • в результате использования разработанного метода проектного расчета предложена конструкция пищеварочного котла с улучшенными теплотехническими и эксплуатационными показателями, в частности, за счет оптимизации геометрических параметров пароводяной рубашки и установки специально разработанного устройства для автоматической герметизации рубашки после удаления из нее воздуха (пат. на полезную модель № 94436 от 27.05.10).

  • разработанный инженерный метод теплотехнического расчета пищеварочных аппаратов с рубашкой, внедрен на УПК «Комбинат Торгтехника» (г. Екатеринбург).



Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных, всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях, форумах молодых ученых (Н.Новгород 2005, 2006), (Екатеринбург, 2006, 2007, 2008)

Результаты работы отмечены дипломом на Всероссийской выставке научно-технического творчества «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2009).

Работа получила диплом за победу в конкурсе научных работ аспирантов и соискателей Уральского государственного экономического университета (Екатеринбург, 2007).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, из которых 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 учебное пособие, тезисов 6 докладов на международных и всероссийских конференциях, получено 1свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, 1 патент на полезную модель РФ.

^ Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 159 страниц, в том числе: 31 рисунок, 173 работы в списке литературы.

^ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе показано развитие и современное состояние вопроса в области тепло- и массообменных процессов, протекающих в рабочих полостях аппаратов с рубашкой. При этом отмечен значительный вклад в развитие данного научного направления, внесенный Вышелесским А.Н., Натепровым В.И., Решетниковым И.Ф., Грудановым В.Я., Дорохиным В.А., Минухиным Л.А. и др..

В данной главе рассмотрены основные конструктивные параметры пищеварочных аппаратов с рубашкой, применяемых на предприятиях общественного питания и других отраслях пищевой промышленности.

Проведен сравнительный анализ методов расчета процесса теплопередачи, реализуемого в пищеварочных аппаратах с рубашкой. При этом показано, что в основном имеющиеся методики расчета вышеупомянутого пищеварочного оборудования справедливы для стационарного режима работы аппаратов. Отмечено, что тепловые расчеты, основанные на стационарных закономерностях, не соответствуют реальному характеру процесса теплопередачи и не позволяют инженеру проводить действительный экспресс-анализ (оценку интенсивности теплообмена, эффективных значений температурного напора, удельных тепловых потоков и т.п.).

Обзор литературных источников подтверждает вывод о том, что для повышения тепловой экономичности и эксплуатационных характеристик технологического оборудования необходимо продолжить его совершенствование, включая пищеварочные котлы. В связи с этим проанализирована наиболее распространенная конструкция пищеварочного котла со встроенным парогенератором и цилиндрической варочной емкостью, сформулированы предложения для повышения эксплуатационных свойств данных аппаратов.

На основе проведенного анализа обоснован выбор объекта исследования, сформулированы цели и задачи исследований.

^ Во второй главе проведено аналитическое исследование процесса разогрева жидких пищевых сред в пищеварочном котле. Разработана математическая модель процесса разогрева аппарата с продуктом, позволяющая определять длительность этого процесса и проводить оценку энергозатрат на его осуществление.

Сущность моделирования заключается в том, что весь температурный интервал разогрева продукта tж разбивается на n количество ступеней с шагом 2 оС, по рекомендациям работы Минухина Л.А.. Предварительно выбрав тепловую мощность N аппарата, с использованием уравнения теплового баланса аппарата для каждого температурного интервала определяется тепловой поток на внешней стенке технологической емкости q(Rex) и требуемый временной интервал Δτ.

По закону Ньютона-Рихмана на каждом температурном интервале от tж,i до tж,i+1 находится средняя по времени Δτ температура парогазовой смеси в рубашке аппарата :


(1)
,

где t(τ, Rex) – температурное поле внешней поверхности технологической емкости, являющееся решением задачи нестационарной теплопроводности для стенки аппарата; – средний коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси к внешней стенки емкости аппарата на интервале Δτ, определяемый по работам
Решетникова И.Ф., Минухина Л.А..

Для нахождения температурного поля стенки варочного сосуда аппарата t(τ,Rex) используется модель емкости с цилиндрической стенкой и полусферическим



Рис. 1 – Модель варочной емкости

Rin, Rex – соответственно внутренний и наружный радиус цилиндрической (сферической) стенки; Н – высота цилиндрической части


дном, как наиболее распространенной

в конструкциях пищеварочных котлов

предприятий общественного питания, см. рис.1. Полученный результат является итогом совместного решения задачи нестационарной теплопроводности для цилиндрической и сферической стенки, описываемой системой уравнений с граничными условиями.

Нестационарное температурное поле цилиндрической стенки емкости, т.е. для зоны 0 < z < H, описывается дифференциальным уравнением:


(2)
.

Н
(3)
ачальное условие:

.

Граничные условия:


(4)




Нестационарное температурное поле полусферической стенки емкости, т.е. для зоны – Rex < z < 0, описывается дифференциальным уравнением:


(5)


Н
(6)
ачальное условие:



Граничные условия:


(7)


Контактное условие:


(8)


В вышеприведенных уравнениях приняты следующие условные обозначения: t1, t2, tв – соответственно температура цилиндрической, полусферической стенки, окружающего воздуха; t0 – температура соответствующей стенки в начальный момент времени; r, θ, φ – пространственные координаты; λ, a – соответственно коэффициент теплопроводности и температуропроводности материала стенки технологической емкости; αж,1, αж,2 – соответственно коэффициент теплоотдачи от внутренней цилиндрической и полусферической стенки к жидкому продукту; αсм,1, αсм,2 – соответственно коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси к наружной цилиндрической и полусферической стенки, определяемые по работам, Решетникова И.Ф., Минухина Л.А., αв – коэффициент теплоотдачи от торцевой поверхности стенки емкости к окружающему воздуху.

Для решения задачи (2)-(8) использовали безразмерные координаты и величины: безразмерное время (критерий Фурье) критерий Био ; безразмерные координаты системы , , , .

Решение задачи (5)-(7) получено в виде:




(9)


а задачи (2)-(4), (8) получено в виде:





где βn,m, Сm, Kn,m, γn,m, Em, Vm, ηmax – определяются из условий (6), (7); Vm, Ym – комбинации функции Бесселя и Неймана порядка нулевого, первого и порядка.

Данные задачи были решены методом разделения переменных.

В итоге температурное поле внешней стенки всей варочной емкости для любого момента времени на промежутке Δτ определится как:


(10)
,

где F1, F2 – соответственно площадь поверхности цилиндрической и сферической части варочной емкости.

Полученная по формуле (1) температура сравнивается с максимальной температурой, определяемой в соответствии с допустимым давлением в рубашке аппарата. Превышение свидетельствует о предварительном выборе завышенной тепловой мощности аппарата, что означает о необходимости повтора расчетного цикла с меньшим значением N. Итоговым результатом теплового расчета по предложенной математической модели, который продолжается до момента достижения необходимой температуры продукта, является суммарное время разогрева р и оценка тепловых затрат аппарата.

Наряду с предложенной математической моделью процесса разогрева, для нахождения оптимальной теплопередающей поверхности F сосудов пищеварочных котлов необходима разработка эмпирической модели на базе основного уравнения теплопередачи в режиме разогрева:


(11)
,

где Q – полезное количество тепла, передаваемое продукту поверхностью теплопередачи F за время разогрева аппарата с продуктом р; k(τ) – коэффициент теплопередачи от парогазовой смеси в рубашке аппарата к продукту; tсм(τ) – среднеобъемная температура парогазовой смеси в рубашке аппарата; tж(τ) – среднеобъемная температура продукта.

Для решения уравнения (11), т.е. установления реального характера изменения величин, входящих в уравнение (11), во времени, а также с целью проверки адекватности математической модели процесса разогрева были проведены экспериментальные исследования.

^ Третья глава посвящена методике проведения экспериментов и описанию экспериментальных стендов для исследования процесса разогрева продуктов в пищеварочных котлах.

Объектами исследования явились промышленные пищеварочные котлы
КПЭ-60, КПЭМ-60, КПЭ-40 и экспериментальные аппараты с рубашкой емкостью 0,020 и 0,005 м3. Исследование тепловых процессов в режиме разогрева рубашечного варочного аппарата проводилось на стенде, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.

Р
ис. 2 – Принципиальная схема стендов для исследования процесса разогрева

в варочном аппарате с рубашкой: 1 – пароводяная рубашка; 2 – варочный сосуд; 3 – заливная воронка; 4 – трубчатые электронагреватели; 5 – теплоизолированная крышка; 6 – изоляция;

7 – манометр; 8 – регулятор напряжения; 9 – термометр; 10 – термопары для измерения температуры рабочих сред и поверхности варочной емкости; 11 – термопары для измерения температуры крышки; 12 – группа автоматических многоточечных потенциометров типа КСП-4.


Кроме упомянутых аппаратов составляющими стенда также являлись:

– электрический измерительный блок с приборами и нагревателями для изменения и измерения мощности электронагревателей;

– система термометрии для определения температур поверхности теплообмена, в объеме рабочей жидкости, в рубашке, а также поверхности крышки в аппаратах.

Измерение температуры теплоотдающей и тепловоспринимающей среды, а также теплообменной поверхности при разогреве экспериментального варочного котла производилось многоточечными потенциометрами типа КСП-4 класса точности 0,25. Горячие спаи термопар располагались в рубашечном пространстве, в различных слоях жидкости варочного сосуда, на внутренней поверхности варочной емкости и на поверхности крышки. Для измерения температуры во всех точках использовались хромель-копелевые термоэлектроды диаметром 0,2 мм, холодный спай которых термостатировался в сосуде Дьюара.

Экспериментальные исследования процесса разогрева пищеварочного аппарата с рубашкой базировались на методе энтальпии. При этом плотность теплового потока, передаваемого жидкой среде удельной теплоемкостью c, определялась по массе продукта G и изменению его средневзвешенной температуры от до за временной интервал Δτ:


(12)
,

где Qпот – потери количества тепла крышкой аппарата за временной интервал Δτ.

Значение локальной во времени температуры в рубашке аппарата и внутренней стенки варочного сосуда также определялось как средневзвешенное.

Для определения коэффициентов теплоотдачи и на временном интервале Δτ использовался закон Ньютона–Рихмана, а коэффициента теплопередачи – основное уравнение теплопередачи.

^ В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований режима разогрева пищеварочных котлов. В ходе экспериментов по разогреву воды и жидких пищевых сред с различными физико-химическими свойствами в пищеварочных котлах различной емкости и мощности были получены зависимости основных температурных и теплофизических параметров теплопередачи от времени протекания процесса, проиллюстрированные на рис. 3 – рис. 6.

В соответствии с рис. 3 – рис. 6 период разогрева рубашечных аппаратов можно разбить условно на три этапа. На первом этапе (I) продолжительностью τн трубчатые электронагревательные элементы нагревали теплоноситель в парогенераторе до температуры кипения. В результате происходил быстрый рост температуры теплоотдающей среды в рубашке и незначительное увеличение температуры стенки варочной емкости аппарата и продукта, вследствие теплоизоляции воздушной прослойкой в рубашечном пространстве. За этот промежуток времени разность температуры теплоотдающей среды и продукта t (далее по тексту температурный напор) и плотность теплового потока q у всех аппаратов достигали некоторой максимальной величины.

Момент закипания воды в парогенераторе можно считать началом второго этапа разогрева (II). Конденсируясь из парогазовой смеси на внешней поверхности варочной емкости пар начинал вытеснять воздух из рубашки котла и интенсивно нагревать наружную стенку варочной емкости и ее содержимое. Процесс проходил при атмосферном давлении, поскольку открытым оставался продувочный штуцер аппарата. Как видно из рис. 3 – рис. 6 на этом этапе процесс передачи количества теплоты осуществлялся при постоянной плотности теплового потока q. Анализ коэффициентов теплоотдачи с наружной и внутренней стенки варочного сосуда показал, что оба коэффициента являются величинами одного порядка, в отличие от крупномасштабных теплообменных аппаратов пищевой промышленности, для которых характерны в несколько раз большие значения коэффициента теплоотдачи при конденсации пара, чем при свободной конвекции. Более того, на этом этапе значения коэффициента теплоотдачи при конденсации пара из паровоздушной


, мин





Рис. 3 – Режим разогрева воды в пищеварочных котлах

а – КПЭ-60; б – КПЭ-40; в – КПЭ-20;   температура продукта;   температура

внутренней поверхности варочного сосуда; о – температура в рубашке;   тепловой поток;


11
 температурный напор; 1 – коэффициент теплоотдачи от стенки к содержимому варочного сосуда αж; 2  коэффициент теплоотдачи от парогазовой; смеси к стенке αсм; 3 – коэффициент теплопередачи k.

Р

в
ис. 4 – Режим разогрева пищеварочного котла КПЭМ-60 с изменением

физико-химических параметров продукта: а – сахарный сироп (20%);

б – инвертный сироп (n=81,5%); в – рассол (раствор 10%);   температура продукта;

о – температура в рубашке;   плотность теплового потока;   температурный напор;

Ж
τ, мин

τ, мин

в
 коэффициент теплопередачи k;1 – коэффициент теплоотдачи αж;

2  коэффициент теплоотдачи αсм.



t, оС

τ, мин

τ, мин

αж, αсм,k, Вт/(м2оС)

q, Вт/м2

а

2

1



б

t, оС

τ, мин

q, Вт/м2

τ, мин



t, оС

τ, мин

τ, мин

αж, αсм, k,Вт/(м2оС)

q, Вт/м2

в

1

2

Рис. 5 – Режим разогрева экспериментального котла емкостью 5 литров: а – костный бульон (n=1,5%-доля сухих в-в); б – мясной бульон (n=0,35%); в – костный бульон (n=0,35%)

  температура продукта; о – температура в рубашке;   плотность теплового потока;

  температурный напор; Ж  коэффициент теплопередачи k;1 – коэффициент теплоотдачи αж;

2  коэффициент теплоотдачи αсм


t, оС

τ, мин

αж, αсм, k,Вт/(м2оС)

q, Вт/м2

τ, мин

1

2


Рис. 6 – Режим разогрева экспериментального котла емкостью 5 литров (мясной бульон n = 1,5%):

  температура продукта; о – температура в рубашке;   плотность теплового потока;

  температурный напор; Ж  коэффициент теплопередачи k; 1 – коэффициент теплоотдачи от стенки к содержимому варочного сосуда; 2  коэффициент теплоотдачи от парогазовой

смеси к стенке

смеси не превышают значения коэффициента теплоотдачи от внутренней стенки к продукту, что объясняется наличием влажного воздуха в рубашечном пространстве аппарата, который, как известно, снижает интенсивность теплоотдачи (Решетников И.Ф.). При постоянно уменьшающемся температурном напоре и постоянном давлении в рубашке аппарата, равном атмосферному, происходит перераспределение парциальных давлений пара и воздуха. С ростом температуры теплоотдающей среды в рубашечном пространстве аппарата парциальное давление пара возрастает, тем самым снижается содержание воздуха в рубашке до минимальной остаточной величины.

Закрытие продувочного штуцера является началом заключительного этапа режима разогрева аппарата (III). В этот период наблюдается снижение плотности теплового потока q до окончания разогрева, как это видно из рис. 3 – рис. 6, вызванное затратами количества теплоты на повышение температуры кипения теплоносителя в парогенераторе до температуры насыщения при максимально допустимом давлении в рубашке аппарата. При таком изохорическом процессе теплоотдачи резкое повышение коэффициента теплоотдачи от паровоздушной среды к внешней стенке варочного сосуда, вызывает интенсификацию коэффициента теплопередачи k.

Результаты проведенных экспериментальных исследований показали влияние физико-химических параметров продукта на характер изменения коэффициента теплоотдачи αж от внутренней стенки варочной емкости к продукту.

Как видно из рис. 5, рис. 6, несмотря на увеличение коэффициента теплоотдачи с внешней стороны варочного сосуда, в процессе разогрева мясокостных бульонов наблюдались несколько меньшие значения коэффициента αж, в сравнении со случаем разогрева воды в пищеварочных котлах. Данное обстоятельство объясняется влиянием вязкости мясокостных бульонов, которая, согласно работе Беляева М.И., для бульонов более чем в 2 раза превышает вязкость воды. Причем с увеличением концентрации сухих веществ в бульоне снижается его теплопроводность, что также способствует снижению коэффициента теплоотдачи αж, а следовательно и общей интенсивности процесса переноса количества теплоты к продукту.

При разогреве сахарных сиропов существенное влияние на вязкость продукта, а, следовательно, и на интенсивность процесса теплоотдачи в варочной емкости, оказывала концентрация сиропа. Как показали опыты, значения коэффициента теплоотдачи от внутренней стенки к инвертному сиропу в 1,5 раза превышают значений αж к сахарному сиропу с концентрацией 20%. Учитывая, что значения коэффициента динамической вязкости сахарных сиропов при таких концентрациях отличаются в десятки раз, наблюдаемая разница значений коэффициентов теплоотдачи, особенно в первой половине процесса разогрева, оказалась вполне ожидаемой

Полученные опытные данные в главе 3 явились основой для разработки эмпирической модели процесса, основанной на реальном изменении режимных параметров и характеристик аппарата при его разогреве (см. главу 5).

Проведенные опыты по разогреву вышеупомянутых аппаратов позволили обнаружить и изучить процесс пристенного кипения жидкости в варочной емкости. Процесс естественной конвекции жидкости в варочной емкости пищеварочных котлов изучался различными авторами (Натепровым В.И., Решетниковым И.Ф.) только в стационарном режиме и в температурном диапазоне содержимого емкости от 20 до 90 оС. В нестационарном режиме процесс разогрева продолжается после достижения температуры продукта 90 оС и вступает в новую фазу, когда конвекция сочетается с кипением жидкости около поверхности варочного сосуда.

Наглядным примером служит диаграмма, демонстрирующая характер изменения коэффициента теплоотдачи ж к воде в процессе разогрева варочного котла емкостью 20 литров при сопоставлении с данными работы Решетникова И.Ф. на протяжении всего температурного диапазона, см. рис 7.



Рис. 7 – Коэффициент теплоотдачи от стенки варочного сосуда к жидкости при разогреве варочного котла емкостью 20 литров: , ,  опытные значения соответственно для области естественной конвекции, поверхностного кипения, пузырькового кипения;  уравнение естественной конвекции в варочных емкостях Nu=0,137Ra1/3(13); – уравнение для пузырькового кипения воды в большом объёме кип=38,7t2,33p0,5 (14)

Как видно из диаграммы экспериментальные данные настоящей работы хорошо согласуются с данными работы Решетникова И.Ф. только в температурном диапазоне до 85,1 оС, т.е. в первой области, где коэффициент теплоотдачи определяется только факторами е


стественной конвекции ( = св). Однако при дальнейшем нагреве продукта образуется вторая (промежуточная) область, в которой наблюдается явное отклонение данных работы Решетникова И.Ф. от полученных экспериментальных данных. При этом парожидкостной слой, образующийся около поверхности стенки, совершает сложное движение совместно с тепловым пограничным слоем. Для этой области поверхностного кипения характерно начало парообразования у стенки в сочетании с конвективным переносом жидкости с пузырьками пара вдоль стенки и с процессом конденсации паровых пузырьков в центральный объем жидкости, что вызывает интенсификацию коэффициента теплоотдачи αж. С момента начала развитого пузырькового кипения по всему объему жидкости (третья область), коэффициент теплоотдачи зависит только от интенсивности парообразования (=кип) и достаточно хорошо описывается уравнением Рассохина Н.Г. (14) для развитого пузырькового кипения воды в большом объёме – кривая 2.

И
сследование процесса поверхностного кипения воды проводились на примере пищеварочных котлов номинальной вместимостью 20, 40, 60 литров. Полученные результаты для промежуточной области представлены на рис. 8.


Рис.8 – Коэффициент теплоотдачи в области пристенного кипения жидкости в варочной емкости

а – КПЭ-20; б – КПЭ-40; в – КПЭ-60;

1  опытные данные; 2  уравнение естественной конвекции (13); 3  уравнение для пузырькового кипения воды (14)

а


2

С целью получения зависимости, позволяющей определять коэффициент теплоотдачи для промежуточной области, опытные данные на рис. 8 были помещены в относительные координаты (см. рис. 9) при сопоставлении с данными работы Минухина Л.А., полученными для процесса теплоотдачи при кипении в условиях направленного движения жидкости (вспомогательный параметр χ = 0,71). Как видно из рис. 9 предложенная Минухиным Л.А. зависимость в меньшей степени отвечает действительному характеру изменения коэффициента теплоотдачи αж.




Рис. 9 – Коэффициенты теплоотдачи в относительных координатах для области пристенного кипения жидкости:

 – КПЭ-20;  – КПЭ-40; ○ – КПЭ-60; 1 – данная работа;

2 – расчет с использованием зависимости при кипении в условиях направленного движения жидкости:

(Минухин Л.А.).

Аппроксимация опытных данных, представленных на рис. 9, соответствующих промежуточной области, позволила получить интерполяционную зависимость:


(15)
,

которая наиболее полно характеризует процесс теплоотдачи от стенки варочного сосуда к жидкости.

Проверка адекватности предложенной математической модели процесса разогрева на основе проведенных опытов
п оказала, что с погрешностью не более 10% данную модель можно применять для расчета времени разогрева и определении режимных параметров аппарата (температура парогазовой смеси, давление в рубашке)

^ Пятая глава посвящена разработке эмпирической модели процесса разогрева пищеварочных котлов, позволяющей определять оптимальную площадь поверхности теплопередачи. Для обобщения полученных опытных данных по разогреву аппаратов с рубашкой и решения уравнения (11) графические зависимости температур в рубашке аппарата и жидкости в варочном сосуде от времени протекания процесса для II и III этапов режима разогрева, представленные на рис. 3–рис.6, были помещены в следующие относительные координаты (см. рис. 10):

время


(16)
,

где τн – время генерации пара в парогенераторе аппарата,


температура жидкости


(17)
,

где tж(τ), tж,н, tж,к – соответственно температура жидкости текущая, начальная температура продукта и температура кипения продукта при атмосферном давлении,

температура в рубашке аппарата


(18)
,



tж,б

τб


а

б


Рис. 10 – Зависимость температуры от времени протекания процесса:

а – температура продукта; б – температура в рубашке;

  КПЭ-20(вода);   КПЭ-40(вода); о  КПЭ-60(вода); □ – КПЭМ-60(20% сахарный сироп);

♦ – КПЭМ-60(инвертный сироп n=81,5%); ● – КПЭМ-60(10% раствор поваренной соли);

– - костный бульон (n=1,5%-доля сухих в-в); ◊ – мясной бульон (n=0,35%); Ж – костный бульон(n=0,35%-); ■ - мясной бульон (n=1,5%); + – емкостной аппарат молочной промышленности, Русских В.М.


где tсм(τ), tсм,н, tсм,к – соответственно, температура парогазовой смеси текущая, в момент начала генерации пара в парогенераторе и в конечный период.

Температура tсм,н определялась как средняя по высоте рубашки между температурой кипения рабочей жидкости в парогенераторе при атмосферном давлении и температурой паровоздушной смеси на выходе из рубашки через продувочный штуцер в момент времени н, равной температуре окружающей среды. Температура парогазовой смеси в конечный период разогрева определялась согласно предложенной математической модели, см. уравнение 1.

После математической обработки опытных данных (см. рис. 10) получены аппроксимирующие зависимости, описывающие изменение температур продукта и парогазовой смеси от времени разогрева для варочных котлов:


(19)
,


(20)
.

В
k(τ), Вт/(м2оС)
свою очередь, установление действительного характера зависимости коэффициента теплопередачи в аппаратах с рубашкой от времени протекания процесса с помощью опытных данных наталкивается на некоторые трудности. Однако представление зависимости коэффициента теплопередачи от температурного напора t(τ), равного разности температур парогазовой смеси и продукта, в логарифмической системе координат (см. рис. 11) позволило установить приближенный закон изменения k(τ) во времени разогрева.


t(τ), oC


Рис. 11 – Зависимость коэффициента теплопередачи от температурного напора

  КПЭ-20(вода);   КПЭ-40(вода); о  КПЭ-60(вода); □ – КПЭМ-60(20% сахарный сироп);

♦ – КПЭМ-60(инвертный сироп n=81,5%); ● – КПЭМ-60(10% раствор поваренной соли);

– - костный бульон (n=1,5%-доля сухих в-в); ◊ – мясной бульон (n=0,35%); Ж – костный бульон(n=0,35%-); ■ - мясной бульон(n=1,5%)


Как видно из рис. 11, опытные данные для аппаратов с рубашкой образуют семейство параллельных прямых, описываемых зависимостью:


(21)
,

где kк – коэффициент теплопередачи, определяемый через частные коэффициенты теплопереноса αж, αсм в конечный период разогрева; tк – температурный напор, равный разности температуры парогазовой смеси в рубашке, определяемой по формуле (1), и температуры продукта в конечный период разогрева.

Подстановка выражения для коэффициента теплопередачи k (21), с учетом выражения для температуры жидкости tж (19) и температуры парогазовой смеси в рубашке аппарата tсм (20) в уравнение (11) позволило получить уравнение теплопередачи в окончательном виде:



(22)

где Δtн– температурный напор в момент начала генерации пара в парогенераторе, оС.


Таким образом, зависимость (22), основанная на реальном характере изменения во времени теплотехнических параметров аппарата, позволяет определять оптимальную площадь теплопередающей поверхности пищеварочных аппаратов с рубашкой, работающих в режиме разогрева.

^ В шестой главе изложены основные положения инженерного метода теплотехнического расчета пищеварочных котлов на основе результатов данной работы. В методе представлены рекомендации по расчету основных конструктивных параметров пищеварочных котлов различного исполнения и проведению теплотехнического расчета процесса разогрева аппарата с продуктом.

В главе также приведено описание предлагаемой конструкции пищеварочного котла, см. рис.12. Конструктивное решение по сокращению высоты пароводяной рубашки пищеварочного котла проводилось в работе Решетникова И.Ф. согласно методике теплотехнического расчета, основанной на стационарных закономерностях и без учета физико-химических параметров пищевых продуктов, что не отвечает технологическим требованиям режима разогрева продукта.

В данной работе обоснованный выбор площади теплопередающей поверхности варочного сосуда, согласно предложенной модели (22), позволяет уменьшить объем пароводяной рубашки котла, снизить тем самым металлоемкость аппарата, сократить время разогрева пищеварочного котла, уменьшить тепловые потери в окружающую среду. Кроме того, использование разработанного автоматического устройства продувки рубашки позволяет четко фиксировать момент окончания удаления воздуха из рубашечного пространства, что также уменьшает теплопотери с выбросом пара в атмосферу, сокращает число срабатываний контрольно-предохранительной аппаратуры, улучшает микроклимат в зоне обслуживания котла.

^ В приложениях представлены результаты экспериментов, методики оценки погрешностей измерений, результаты внедрения проведенных исследований и технологических испытаний.


О




Рис. 12 – Электрический пищеварочный котел


1 - корпус; 2 - изоляция; 3 - варочный сосуд;
4 - крышка; 5 - рубашка; 6 - ТЭНы; 7 - кран уровня; 8-заливная воронка; 9-манометр;
10 - автоматический блок удаления воздуха;
11 - емкостной датчик; 12 - патрубок отводящий;

13-горловина
^ СНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

    1. Разработана математическая модель процесса разогрева жидких пищевых продуктов на основе распределения температурного поля в стенке технологической емкости пищеварочного котла, на базе которой создана расчетная программа для ЭВМ, позволяющая определять длительность процесса разогрева продукта, оценивать тепловые затраты на осуществление процесса, а также находить режимные параметры работы аппарата (температура, давление в рубашке аппарата)

    2. Экспериментально исследован процесс разогрева пищеварочных котлов при различных физико-химических параметрах пищевых продуктов, что позволило впервые установить реальный характер изменения теплотехнических параметров во времени разогрева аппарата.

    3. Разработана эмпирическая модель процесса разогрева, на основе которой получено уравнение теплопередачи в режиме разогрева аппарата с учетом изменения физико-химических параметров пищевых продуктов, позволяющая определять потребную площадь теплопередающей поверхности пищеварочных котлов.

    4. Впервые выявлены особенности влияния процесса пристенного кипения жидкости в условиях естественной конвекции в варочных емкостях аппаратов с рубашкой на интенсификацию процесса теплоотдачи к нагреваемой среде. Обнаружена промежуточная область, в которой парожидкостной слой, образующийся около поверхности стенки варочной емкости, совершает сложное движение совместно с тепловым пограничным слоем. Для этой области поверхностного кипения характерно начало парообразования у стенки в сочетании с конвективным переносом жидкости с пузырьками пара вдоль стенки и с процессом конденсации паровых пузырьков в центральный объем жидкости. Предложена интерполяционная зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи от стенки варочного сосуда к нагреваемой среде в случае пристенного кипении жидкости, реализуемого в пищеварочных котлах.

    5. Предложен инженерный метод теплотехнического расчета пищеварочных котлов, позволяющий оптимизировать данные аппараты.

    6. Разработана конструкция пищеварочного котла с улучшенными теплотехническими и эксплуатационными показателями за счет оптимальной минимизации объема пароводяной рубашки котла и установки дополнительного устройства для автоматического удаления воздуха из рубашечного пространства в процессе разогрева. Показано, что экономический эффект при использовании разработанной конструкции котла в режиме разогрева, заключается в снижении не менее чем на 4 % затрат электроэнергии при реализации тепловых процессов кулинарной обработки в пищеварочных котлах предприятий питания. Одновременно уменьшаются затраты на изготовление и обслуживание аппарата.

    7. Проведенные технологические испытания по реализации основных варочных процессов подтвердили работоспособность и соответствие разработанной конструкции пищеварочного котла требованиям технологии приготовления пищи.


^ Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:


Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Минухин Л.А. Нестационарная теплопередача в рубашечном аппарате [Текст] / С.В. Шихалёв, И.Ф. Решетников // Известия вузов. Пищевая технология. – 2006. – №5, с. 56-59.

2. Шихалёв С.В. Закономерности процесса разогрева пищевых сред с различными физико-химическими свойствами в варочных аппаратах с рубашкой [Текст] / С.А. Ермаков, И.Ф. Решетников // Известия вузов. Пищевая технология. – 2008. – №1, с. 70-72.

3. Шихалёв С.В. Моделирование процесса нестационарной теплопередачи в аппаратах с рубашкой [Текст] / С.А. Ермаков, И.Ф. Решетников // Журнал прикладной химии. – 2008. – №9, с. 1432-1435.

4. Минухин Л.А. Исследование тепловых процессов при нестационарном режиме работы варочных аппаратов [Текст] / Шихалев С.В., Решетников И.Ф. // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2009. – №5, с. 75-76.


Патенты РФ

1. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программный модуль для расчета процессов разогрева технологических сред в варочном оборудовании предприятий пищевой промышленности и общественного питания» авторов Минухина Л.А., Шихалёва С.В. за № 2007611560 от 13.04.2007 г.

2. Патент на полезную модель 94436 РФ, МПК A47J 27/14. Электрический пищеварочный котел [Текст] / Шихалев С.В., Решетников И.Ф., Луговкин В.В., Ермаков С.А. : заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Уральский государственный экономический университет» (RU). – №2009140223 ; заявл. 30.10.2009 ; опубл. 27.05.2010 Бюл. №15

Тезисы докладов на научно-практических конференциях

1. Минухин Л.А. Теплотехническая модель нестационарного режима разогрева рубашечных варочных аппаратов [Текст] / И.Ф. Решетников,
С.В. Шихалёв // Тез. докл. XVI ВНТК «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве».– Н. Новгород: ННИМЦ «Диалог», 2005. – с. 29.

2. Шихалёв С.В. Методика теплового расчета нестационарного режима работы рубашечного варочного аппарата [Текст] / С.В. Шихалёв // Тез. докл. IX Всероссийского форума молодых ученых и студентов «Конкурентоспособность территорий и предприятий во взаимозаменяемом мире». – Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. эконом. ун-та, 2006. Ч. 1. – с. 306.

3. Шихалёв С.В. Средний температурный напор в рубашечных варочных аппаратах, основанный на нестационарной модели теплопередачи [Текст] /
С.В. Шихалёв // Тез. докл. XV ВНТК «Современные проблемы математики и естествознания ».– Н. Новгород: ННИМЦ «Диалог», 2006. – с. 37.

4. Минухин Л.А., Закономерности теплообмена в условиях поверхностного кипения жидкости в технологической емкости рубашечного варочного аппарата [Текст] / С.В. Шихалёв, И.Ф. Решетников // Материалы Международной науч.-практ. конф. «Продовольственная безопасность в системе народосбережения».–Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. эконом. ун-та, 2006. – с. 289.

5. Шихалёв С.В. Нестационарная теплоотдача при кипении с недогревом в технологической емкости рубашечного варочного аппарата [Текст] / Л.А. Минухин // Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. – с. 410.

6. Минухин Л.А. Тепловое варочное оборудование предприятий пищевых производств и общественного питания [Текст]: учеб. пособие / С.В. Шихалёв. – Екатеринбург: Изд-во Урал. Гос. экон. ун-та, 2006. – с 33.

7. Шихалёв С.В. Программный модуль для расчета процессов разогрева технологических сред в рубашечных варочных аппаратах [Текст] / Л.А. Минухин // Материалы Х Всероссийского форума молодых ученых и студентов. «Конкурентоспособность территорий и предприятий меняющейся России»: В 4 ч. – Екатеринбург: Изд -во Урал. гос. экон. ун -та, 2007. Ч.1. – с. 270-272.






Скачать 310,68 Kb.
оставить комментарий
Дата05.11.2011
Размер310,68 Kb.
ТипАвтореферат диссертации, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх