Курсовой проект на тему: Пекарный шкаф
3. Расчетная часть проекта
Исходные данные для расчетов:
1. Производительность – 110 кг/час.
2. Вид изделия – ржанно-пшеничный подовый хлеб;
3. Масса изделия – 0,6 кг;
4. Вид энергоносителя – электрический ток;
5. Температура окружающей среды – 250 С
3.1 Расчет теплового баланса
Используемые в настоящее время методики теплового расчета шкафов основаны на результатах изучения закономерностей процесса выпечки, полученных А. С. Гинзбургом, И. И. Маклюковым, В. И. Маклюковым, А. Т. Лисовенко, Н. Ф. Шумаевым и другими исследователями.
Независимо от конструкции печи тепловая характеристика определяется тепловым балансом [14]:
Qп = Qп.п + Qпот (3.1)
где Qп — количество теплоты, поступающей в печь;
Qп.п — количество теплоты, полезно использованное печью;
Qпот — тепловые потери.
Полезные энергозатраты на выпечку обусловлены, в основном, прогревом теста-мякиша, влагоотдачей и образованием корки.
Тепловой баланс камеры шкафа определяют на 1 кг горячих изделий (кДж/кг) [10]
qпк = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 + q7 + q8 (3.2)
где q1 — теоретический расход теплоты на выпечку (полезная теплота изделий);
q2 и q3 — потери теплоты на перегрев пара и на нагрев вентиляционного воздуха;
q4 — потери теплоты в окружающую среду транспортными устройствами и приспособлениями;
q5 — потери в окружающую среду через ограждения пекарной камеры;
q6 — потери теплоты через фундамент;
q7 — потери теплоты излучением через посадочные и выгрузочные отверстия пекарной камеры в окружающую среду;
q8 — теплота, затрачиваемая на аккумуляцию или получаемая вследствие аккумуляции в конвейерных печах (q8 ? 0).
По данным соотношение между отдельными слагаемыми уравнения теплового баланса для большинства конструкций составляет (% от общего количества теплоты, подаваемой в пекарную камеру):
q1 |
25...35; |
q4 |
6...8; |
q2 |
8...10; |
q5 |
10...15. |
q3 |
6...8; |
Всего потери теплоты в пекарной камере составляют 57...77%, потери теплоты с уходящей средой — 23...43%.
1. Теоретический расход теплоты на выпечку (q1) включает расход теплоты на нагрев теста, на испарение влаги из него и на перегрев образующегося из этой влаги пара до температуры смеси, выходящей из пекарной камеры [14]:
(3.3)
где W1 — количество влаги, испарившейся при выпечке 1 кг хлеба (W1= 0,06 кг);
i1 — энтальпия перегретого пара при температуре смеси, принимаемой в пределах 180.. .250°С, и атмосферном давлении (определяется по i—S диаграмме для водяного пара),i1 = 2900 кДж/кг;
i2 — энтальпия воды при температуре теста, поступающего в пекарную камеру, 25°С (i2 = 125кДж/кг);
gk — масса корки на 1 кг горячей продукции (gk = 0,28 кг/кг);
с1 — удельная теплоемкость корки [с1 = 1,4 кДж/(кг -°К)];
tк — средняя температура корки (tк = 120°С);
t2 — начальная температура теста, поступающего в пекарную камеру, °С (принимают t2 = 25°C);
gcm — количество сухого вещества в мякише 1 кг горячего изделия, кг/кг, gcm = 1 — (W2 + gk);
с2 — удельная теплоемкость сухого вещества мякиша, кДж/ (кг * °К), принимают равной с1;
W2 — количество влаги в 1 кг изделия в момент выхода из пекарной камеры (W2 = 0,45 кг/кг);
с3 — удельная теплоемкость воды [с3 = 4,19 кДж/(кг • °К)];
t3— средняя температура мякиша в конце выпечки, °С (t3 = 98...99°С).
Подставляя значения, получим
q1 = 379,5 кДж
2. Потери теплоты на перегрев пара, подаваемого в пекарную камеру [17]:
(3.4)
где gn — количество насыщенного пара, подаваемого в пекарную камеру для увлажнения среды (gn = 0,1...0,2 кг/кг);
i3, i4 — энтальпии насыщенного и перегретого пара (i3 = 2450 кДж/кг, i4 = 2720 кДж/кг);
gB — количество воды, подаваемой в пекарную камеру (gB =0,13 кг/кг).
Подставляя значения, получим
q2 = 403,7 кДж
3. Потери теплоты на нагрев вентиляционного воздуха [14]:
(3.5)
где D — количество воды и пара, подаваемых в камеру на увлажнение среды (D = 0,15);
ср — теплоемкость воздуха (ср = 1,005 кДж/кг);
tпк — температура пекарной камеры (tпк = 145°С);
tв — температура наружного воздуха (tв = 25°С);
dn к и dB — влагосодержание среды пекарной камеры и воздуха (dnk = 0,421 кг/кг, dB = 0,014 кг/кг).
Подставляя значения в (3.10), получим
q3 = 47,41 кДж
4. Потери теплоты в окружающую среду устройствами и приспособлениями зависит от их массы [14]:
(3.6)
где gм — масса металла, отнесенная к 1 кг хлеба (gм = 1,3);
см — теплоемкость металла [см = 0,462 кДж/(кг • °К)];
?t — разница температур выходящего и входящего в печь металла (?t = 65).
Подставляя значения, получим
q4 = 39,04 кДж
5. Потери теплоты через ограждения камеры [14]:
(3.7)
где ? — коэффициент теплоотдачи конвекцией [для горизонтальных стен равен 5 Вт/(м2 • °К); для вертикальных — 4 Вт/(м2 • °К)];
F — площадь поверхности ограждения;
? — приведенная степень черноты поверхностей, участвующих в теплообмене;
Тп, ТСТ — температура поверхности ограждения и стен.
Рассчитанное значение q5 = 79,43 кДж
6. Потери теплоты:
(3.8)
где ? — коэффициент теплопроводимости основания шкафа [? = 0,086 Вт/ (м2 • °К)];
F— площадь основания (34,2 м2);
?t — перепад температур (?t = 120°С);
П— производительность печи (540кг/ч);
? — толщина основания (0,8 м).
Рассчитанное значение q6 = 0,81 кДж
7. Потери теплоты излучением:
(3.9)
где F— площадь отверстий, м2;
? — угловой коэффициент излучения, ? = 0,7;
Ти.ст, Тп.ст — температуры излучающей и поглощающей стенок.
Рассчитанное значение q7 = 1,23 кДж
Тепловой баланс пекарной камеры
qпк = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 + q7 + q8 = 951,41 кДж
Тогда количество теплоты, поступающей в шкаф:
Qп = Рс х qпк = 0,15 х 951,41 = 142,7 кВт
3.2 Расчет нагревательных элементов
Для расчета ТЭНа необходимо иметь сведения о его мощности P, напряжении в электрической сети U, удельных нагрузках на поверхности трубки WT и поверхности спирали WП, конфигурации, а также о размерах рабочего пространства, в котором он установлен.
Суммарную мощность ТЭНов, установленных в аппарате определяют при расчете теплового баланса и определения мощности аппарата.
Мощность ТЭНа P, Вт, определяют из соотношения
(3.10)
где - суммарная мощность ТЭНов, установленных в аппарате, Вт;
n – количество ТЭНов, шт.
Напряжение электрической сети U, В, определяют из технической характеристики аппарата с учетом электрической схемы включения ТЭНа в сеть.
В зависимости от того в какой среде работает нагревательный элемент выбирают поверхностную нагрузку нагревателя. Значения удельных нагрузок на поверхности трубки WT и поверхности спирали WП берут из таблицы 2.3 [3, с.24].
Исходные данные сводят в таблицу 3.2
Таблица 3.2 – Исходные данные для расчета ТЭНа
Наименование показателя |
Значение показателя |
Суммарная мощность ТЭНов, установленных в аппарате, |
13000 |
Количество ТЭНов в аппарате, n, шт |
12 |
Единичная мощность ТЭНа, Р, Вт |
1083,3 |
Напряжение электрической сети, U, В |
220 |
Вид среды, в которой работает ТЭН |
Воздух |
Удельная нагрузка на поверхности трубки |
1,2 |
Удельная нагрузка на поверхности спирали |
7 |
Конфигурация ТЭНа |
U-образная |
Размеры рабочего пространства, в котором установлены ТЭНы, м |
0,83:0,8:1,59 |
Перед выполнением расчета вычерчивают эскиз ТЭНа с указанием расчетных парамеров (рисунок 3.2)
а - параметры трубки; б – параметры спирали.
Рисунок 4 – Схема к расчету ТЭНа
Определяем длину активной части трубки ТЭНа , по формуле
(3.11)
где – длина активной части трубки ТЭНа, м;
Р - единичная мощность ТЭНа, Вт;
- диаметр трубки ТЭНа, м;
- удельная нагрузка на поверхности трубки, Вт/м2;
Диаметр трубки принимают в пределах =0,006…0,016 м.
К расчету принимаем Р = 1083,3Вт, =0,016 м,
=
Вт/м2 (таблица 3.2).
Отсюда
Рассчитываем длину активной части трубки ТЭНа до опрессовки , из соотношения
(3.12)
где -длина активной части трубки ТЭНа, м;
-коэффициент удлинения трубки в результате опрессовки.
Находим полную развернутую длину трубки после опрессовки , по формуле
(3.13)
где - длина пассивного конца трубки ТЭНа, м.
К расчету принимаем длину пассивного конца трубки0,04м, [3, c.25].
Отсюда
Находим сопротивление проволоки ТЭНа после опрессовки R, Ом, из выражения
(3.14)
где R - сопротивление проволоки ТЭНа после опрессовки, Ом;
- напряжение электрической сети, В;
Р - единичная мощность ТЭНа, Вт.
К расчету принимаем U=220 В, Р =1083,3Вт (таблица 3.2).
Отсюда
Находим сопротивление проволоки ТЭНа до опрессовки , из выражения
(3.15)
где - коэффициент изменения сопротивления проволоки в результате опрессовки;
=1,3.
Рассчитываем удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре, , по формуле
(3.16)
где - удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре 20
- температурный коэффициент, учитывающий изменение удельного сопротивления проволоки при изменении температуры,
t – рабочая температура проволоки,
К расчету принимаем сплав Нихром Х20Н80 со следующими параметрами:
.
Ом·м .
Определяем диаметр проволоки ТЭНа, d, м, по формуле
(3.17)
Выбираем ближайший стандартный диаметр, =0,6мм.
Находим длину проволоки ТЭНа, , из выражения
(3.18)
Проверяем значение фактической удельной поверхностной мощности на проволоке , из выражения
(3.19)
<
, т.е. не превышает предельно допустимой удельной мощности
Вычисляем длину одного витка спирали , по формуле
(3.20)
где 1,07 – коэффициент увеличения диаметра спирали после снятия ее
со стержня намотки;
- диаметр стержня намотки, м. Принимаем
Находим количество витков спирали n, шт., по формуле
(3.21)
Находим расстояние между витками спирали а, м., которое связано с длиной активной части трубки ТЭНа соотношением
(3.22)
Для обеспечения хорошего отвода тепла от внутренней поверхности спирали должно быть соблюдено соотношение >
.
Определяем шаг спирали s,м, по формуле
(3.23)
Вычисляем коэффициент шага , по формуле
(3.24)
Вычисляем коэффициент стержня намотки , по формуле
(3.25)
Определяем диаметр спирали ТЭНа по формуле
(3.26)
Находим общую длину проволоки , с учетом навивки на концы контактных стержней по 20 витков
(3.27)
3.3 Расчет основных теплотехнических и эксплуатационных характеристик аппарата
Для определения эффективности работы шкафа необходимо определить следующие основные характеристики: удельный расход теплоты на единицу готовой продукции и коэффициент полезного действия.
Расход теплоты на единицу готового продукта при стационарном режиме q, Дж/кг, определяем по формуле
q=
, (36)
где М - масса готового продукта, кг.
Определяем массу готового продукта, , по формуле
М (37)
М= 0,6х110=66кг.
Отсюда
q=