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]:

Q_п = Q_п.п + Q_пот (3.1)

где Q_п — количество теплоты, поступающей в печь;

Q_п.п — количество теплоты, полезно использованное печью;

Q_пот — 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]

q_пк = 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);

g_k — масса корки на 1 кг горячей про­дукции (g_k = 0,28 кг/кг);

с₁ — удельная теплоемкость корки [с₁ = 1,4 кДж/(кг -°К)];

t_к — средняя температура корки (t_к = 120°С);

t₂ — начальная температура теста, поступающего в пекарную камеру, °С (принимают t₂ = 25°C);

g_cm — количество сухого вещества в мякише 1 кг горячего изделия, кг/кг, g_cm = 1 — (W₂ + g_k);

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 g_n — количество насыщенного пара, подаваемого в пекарную камеру для увлажнения среды (g_n = 0,1...0,2 кг/кг);

i₃, i₄ — энтальпии насыщенного и пере­гретого пара (i₃ = 2450 кДж/кг, i₄ = 2720 кДж/кг);

g_B — количество воды, подавае­мой в пекарную камеру (g_B =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);

с_р — теплоемкость воздуха (с_р = 1,005 кДж/кг);

t_пк — температура пекар­ной камеры (t_пк = 145°С);

t_в — температура наружного воздуха (t_в = 25°С);

d_n к и d_B — влагосодержание среды пекарной камеры и воздуха (d_nk = 0,421 кг/кг, d_B = 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 g_м — масса металла, отнесенная к 1 кг хлеба (g_м = 1,3);

с_м — теп­лоемкость металла [с_м = 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;

Т_п, Т_СТ — 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;

Т_и.ст, Т_п.ст — температуры излучающей и поглощающей стенок.

Рассчитанное значение q₇ = 1,23 кДж

Тепловой баланс пекарной камеры

q_пк = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆ + q₇ + q₈ = 951,41 кДж

Тогда количество теплоты, поступающей в шкаф:

Q_п = Р_с х q_пк = 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 W_T и поверхности спирали W_П, 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 W_T и поверхности спирали W_П 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=