Расчет пищеварочного электрического котла

Расчет пищеварочного электрического котла

Введение

На предприятиях общественного питания и предприятиях пищевой промышленности широко используется варочное оборудование.

Варка - один из основных видов тепловой обработки пищевых продуктов. Это процесс гидротермической обработки пищевых продуктов в жидкой среде: воде, бульоне, молоке, соусе и т.п. По температурным решениям процесс варки может быть осуществлен при температурах ниже 100^оС, при 100^оС, и выше 100^оС. Для кипячения больших объемов воды, молока и продолжительного отваривания продуктов используются пищеварочные котлы. Конечно, эти же кулинарные операции можно выполнять и в наплитной посуде, но медленнее и с существенно большими затратами энергии.

Конструкции варочных аппаратов должны соответствовать технологическим требованиям конкретного процесса варки пищевого продукта или кулинарного изделия в целом. Основные технологические требования, предъявляемые к конструкциям варочных аппаратов сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением пищевых (белков, жиров, углеводов), минеральных, экстрактивных веществ, витаминов при минимальных затратах теплоты.

На крупных предприятиях целесообразно использовать электрическую энергию. Электрическое оборудование, в том числе и электрические пищеварочные котлы, обладают высоким КПД, экономичны и достаточно просты в эксплуатации. А электроэнергия в наше время распространена практически повсеместно.

Целью данной работы является поверочный расчет котла пищеварочного электрического с прямоугольной формой варочного сосуда емкостью V_{в с} = 100 дм³. Основной отличительной особенностью рассматриваемого аппарата является модульность аппарата.

1. Аналитический обзор

 

.1 Технологические требования к конструкции проектируемого аппарата

котел пищеварочный тепловой баланс

1.1.1 Тепловая обработка продуктов

Значение тепловой обработки. В процессе тепловой обработки кулинарная продукция обеззараживается и повышается ее усвояемость. Улучшение усвояемости продуктов, прошедших тепловую обработку, обусловлено следующими причинами:

·        продукты размягчаются, легче разжевываются и смачиваются пищеварительными соками;

·        белки при нагревании изменяются (денатурируют) и в таком виде легче перевариваются;

·        крахмал превращается в клейстер и легче усваивается;

·        образуются новые вкусовые и ароматические вещества, возбуждающие аппетит и, следовательно, повышающие усвояемость;

·        теряют активность содержащиеся в некоторых сырых продуктах антиферменты, тормозящие процесс пищеварения.

Санитарное значение тепловой обработки связано с тем, что:

·        при нагревании микроорганизмы, образующие споры, переходят в неактивное состояние и не размножаются;

·        большинство микроорганизмов, не образующих споры, погибает;

·        разрушаются бактериальные токсины;

·        погибают возбудители многих инвазионных (глистных) заболеваний - финны, трихины и др.;

·        разрушаются или переходят в отвар ядовитые вещества, содержащиеся в некоторых сырых продуктах (грибы, баклажаны, цветная фасоль).

Недостатками тепловой обработки являются:

·        потери части растворимых и летучих ароматических, а также вкусовых веществ;

·        изменение естественной окраски овощей;

·        разрушение ряда биологически активных веществ (витаминов, фенолов и др.);

·        нежелательные изменения жиров (окисление, омыление, снижение биологической активности).

Процессы, происходящие в продукте при варке

Варка - это процесс гидротермической обработки продуктов с целью доведения их до состояния готовности. При тепловой обработке продуктов денатурируются и коагулируются белки, коллаген соединительной ткани мясо-рыбных продуктов переходит в глютин, уничтожается большинство вегетативных форм микробов, инактивируются ферменты.

При варке (в воде, бульоне) происходит равномерное прогревание продуктов по всему объему до состояния кулинарной готовности при полном их погружении в обогреваемую среду в закрытых или открытых сосудах. В жидкость при этом переходит значительное количество растворимых веществ. Чем больше жидкости, тем больше потери.

Тепловая кулинарная обработка вызывает в продуктах глубокие физико-химические изменения. Эти изменения могут приводить к потерям питательных веществ, существенно влиять на усвояемость и пищевую ценность продуктов, изменять их цвет, приводить к образованию новых вкусовых и ароматических веществ. Без знания сущности происходящих процессов нельзя сознательно подходить к выбору режимов технологической обработки, обеспечивать высокое качество готовых блюд, уменьшать потери питательных веществ.

При варке продукты соприкасаются с водой и из них могут извлекаться растворимые вещества. Процесс этот называется диффузией, и подчиняется закону Фика. Согласно этому закону скорость диффузии зависит от площади поверхности продукта. Скорость диффузии зависит от концентрации растворимых веществ в продукте и окружающей среде. Концентрация растворимых веществ в продукте может быть очень значительной. При погружении овощей в воду экстракция растворимых веществ вначале идет с большой скоростью из-за разницы концентраций, а затем постепенно замедляется и при выравнивании концентраций прекращается. Концентрационное равновесие наступает тем быстрее, чем меньше объем жидкости. Этим объясняется то, что при варке продуктов паром потери растворимых веществ меньше, чем при варке основным способом. Поэтому для уменьшения потерь питательных веществ при варке продуктов жидкость берут с таким расчетом, чтобы только покрыть продукт. И наоборот, если надо извлечь как можно больше растворимых веществ (варка говяжьих почек, отваривание некоторых грибов перед жаркой и т.д.), то воды для варки должно быть больше.

Таким образом, уменьшить переход питательных веществ из продукта в варочную среду можно, не только сократив объем жидкости, взятой для варки, но и замедлив внутреннюю диффузию растворимых веществ в самом продукте. Для этого необходимо создать в продукте значительный градиент температуры, для чего сразу погрузить его в горячую воду. В этом случае в результате термомассопереноса влага и растворенные в ней вещества перемещаются из поверхностных слоев вглубь продукта (термическая диффузия). Термическая диффузия, направленная противоположно потоку концентрационной диффузии, снижает переход питательных веществ в варочную среду. Если надо извлечь как можно больше растворимых веществ, продукт при варке закладывают в холодную воду.

1.1.2 Температурные режимы варки как технологического процесса

Скорость прогревания продуктов в процессе варки зависит от теплофизических свойств греющей среды и обрабатываемого продукта.

Варка состоит из двух стадий: нагревания жидкой среды до температуры кипения, когда температура в каждой точке аппарата и среды изменяется во времени (нестационарный режим), и собственно варки при кипении, когда температура в упомянутых точках не изменяется во времени (стационарный режим). При этом для максимально быстрого доведения жидкой среды до кипения необходим сильный нагрев аппарата, а для собственно варки, т.е. доведения продуктов до готовности, наоборот, слабый нагрев, обеспечивающий получение так называемого тихого кипения, так как интенсивное кипение вызывает эмульгирование жиров и помутнение бульонов.

При интенсивном кипении происходит перемещение частиц жидкости, обусловленное парообразованием, тогда как при «тихом кипении» парообразование практически не влияет на перемещение частиц жидкости и последние двигаются в основном вследствие наличия разности плотности самой жидкости. Бурное кипение в большинстве случаев отрицательно сказывается на качестве пищи: бульоны делаются мутными, продукты деформируются, увеличиваются потери ароматических веществ и витаминов и т.д.

Доведение же до готовности различных каш, макарон и других консистентных блюд происходит за счет аккумулированного тепла, для чего за 15-20 мин до окончания варки отключают и слабый нагрев.

Изменение режима тепловой обработки (сильный, слабый и аккумуляционный нагревы) содержимого варочного сосуда в процессе варки различных блюд графически представлено на рис. 1. После доведения жидкой среды до кипения и закладки продуктов температура ее снижается. После вторичного закипания нагревательный элемент переключают на слабый нагрев («тихое кипение»), а за 10-15 мин до окончания варки полностью отключают. Содержимое варочного сосуда доводится до полной готовности за счет тепла, аккумулированного аппаратом.

После этого температура содержимого в варочном сосуде снижается. Это снижение характеризуется скоростью охлаждения в°С/ч. Наилучший эффект по экспериментальным данным в процессе приготовления блюд получается при скорости охлаждения, равной 2°С/ч, и при термическом сопротивлении слоя изоляции котла примерно 0,19 м*°С / Вт.

Инерционные свойства пищевых продуктов, изоляции и др. характеризуются коэффициентом температуропроводности а; при прочих равных условиях быстрее нагреется или охладится то тело, которое обладает большим коэффициентом температуропроводности. Значение а для пищевых продуктов колеблется в пределах (0,5-3,0) * 10³ (м²/с). Коэффициент температуропроводности а определяется из соотношения:

а = λ / (с * ρ),

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/ (м°С);

с - теплоемкость, кДж/(кг°С).

Варка пищевых продуктов осуществляется как при атмосферном, так и при повышенном давлении. Варку продуктов при нормальном атмосферном давлении производят в негерметизированных сосудах (пищеварочные котлы), при этом температура кипения жидкой среды близка к 100°С. Пары кипения, образующиеся в процессе варки, направляются из сосудов непосредственно в помещение или в специальный пароотвод.

Варку продуктов при повышенном давлении осуществляют в герметически закрытых сосудах-автоклавах и других компрессионных аппаратах. Их применяют для интенсификации процесса приготовления пищи (варка каш, бобовых и др.), а также для выварки костей при приготовлении костного или мясокостного бульонов. Внутри автоклава избыточное давление достигает 200 кПа; при этом температура кипения жидкой среды составляет 133°С.

Рис. 1. Изменение режима тепловой обработки содержимого варочного сосуда в процессе варки овощей, бульонов, супов и т.д.: А - включение сильного нагрева; АВ - доведение жидкой среды (воды, бульона, молока) до кипения при сильном нагреве; В-момент закипания и момент загрузки продуктов в кипящую жидкость; ВС - доведение содержимого сосуда до кипения после закладки продуктов при сильном нагреве; С - переключение на слабый нагрев («тихое кипение»); D - отключение нагревательного элемента за 10-15 мин до окончания варки; DE - доведение содержимого сосуда до кулинарной готовности за счет аккумулированного тепла; Е - момент достижения продуктом готовности (окончание тепловой обработки, выгрузка продукта из сосуда)

Для увеличения в жидкой среде концентрации сухих веществ (при приготовлении концентрированных соусов, бульонов и т.п.) используют процесс выпаривания - удаления воды из продукта. При этом необходимо учитывать состав продукта и те изменения, которые может вызвать в нем тепловая обработка. Под воздействием высоких температур особенно резким изменениям подвергаются белки, поэтому выпаривать воду из продуктов, богатых белками, приходится при температурах, значительно ниже 100°. В этих условиях процесс необходимо вести в замкнутом сосуде при пониженном давлении, которое поддерживается особыми устройствами.

Сосуды, работающие при пониженном давлении, называются вакуум-аппаратами. Последние полностью сохраняют пищевые свойства продукта и ускоряют процесс выпаривания. Например, при нормальном атмосферном давлении с 1 мг поверхности нагрева в течение одного часа выпаривается 5 кг воды, при тех же условиях нагрева при абсолютном давлении в вакуум-аппарате 148 мм рт. ст. (20 кПа) и температуре кипения 60,8°С - 25,7 кг, т.е. процесс протекает в пять раз интенсивнее. Температура кипения жидкой среды в вакуум-аппарате также определяется по абсолютному давлению в нем.

На продукты с небольшим содержанием белка пониженное давление оказывает менее существенное влияние. При варке таких продуктов воду можно выпаривать в обычных пищеварочных котлах с вытяжными вентиляционными зонтами.

Но необходимо строго выдерживать продолжительность проведения технологического процесса, так как разрушение витаминов происходит прямо пропорционально длительности процесса.

1.1.3 Технологические требования к пищеварочным аппаратам

Конструкции варочных аппаратов должны соответствовать технологическим требованиям конкретного процесса варки пищевого продукта или кулинарного изделия в целом. Основные технологические требования, предъявляемые к конструкциям варочных аппаратов, сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением (от исходного в сырье) пищевых (белков, жиров, углеводов), минеральных, экстрактивных веществ, витаминов при минимальных затратах теплоты. Технологические цели в процессах варки различных продуктов предопределяют технологические требования к группам аппаратов и их конструкциям. Для пищеварочных котлов основной технологической целью является получение готового продукта с высокими органолептическими качествами при максимальном сохранении веществ в исходном сырье и его биологической ценности. Следуя из этого основными технологическими требованиями к конструкции аппарата становятся нагрев продукта при температуре не выше 100°С, с регулированием режима варки в пределах температуры кипения и отключение нагрева перед окончанием процесса.

Как правило, варку в жидкости при атмосферном давлении проводят в двух режимах. При первом режиме жидкость доводят до кипения, далее температуру жидкостей несколько снижают (на 2…3°С) и продолжают варку при слабом (тихом) кипении. Второй режим заключается в том, что жидкость с продуктом доводят до кипения, выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем прекращают подвод теплоты. Кулинарная готовность продукта достигается за счет теплоты, аккумулированной аппаратом, жидкостью и продуктом.

Наиболее характерный график изменения температуры жидкости в рабочей емкости варочного аппарата приведен на рис. 2. На этом графике участок 1-2 соответствует нагреву жидкости до кипения; 2-3 - сильное кипение; 3-4 - закладка продукта; 4-5 - нагрев до кипения; 5-6 - сильное кипение; 6-7 - снижение температуры; 7-8 - слабое кипение; 8- 9 - отключение аппарата (аккумулирование теплоты).

Рис. 2. Изменение температуры жидкости в варочном сосуде - кривая А и температуры продукта - кривая В

Продолжительность нагрева жидкости до кипения зависит от множества факторов: начальной температуры жидкости, величины коэффициента теплопередачи, поверхности нагрева, температурного напора. В свою очередь величина коэффициента теплопередачи зависит от свойств жидкости, режима ее движения, наличия термических сопротивлений и др. Продолжительность нагрева жидкости до кипения без учета тепловых потерь может быть определена из выражения

τ = G c (t_к - t_н) / k S,

где G - количество жидкости, кг;

с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кгК);_к, t_н - соответственно температура кипения и начальная температура жидкости;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);- рабочая поверхность варочного аппарата, м²;

Δt_ср - температурный напор, К.

Нагрев продуктов осуществляется от кипящей жидкости. Внутри продукта теплота переносится от поверхности к центру за счет теплопроводности. Большинство пищевых продуктов имеют относительно низкий коэффициент теплопроводности, чем объясняется длительный период их варки. Продолжительность прогрева продуктов существенно зависит от степени их измельчения.

На рис. 3 показана динамика изменения температуры кусков кости при варке костных бульонов. Так, уменьшение размера кости с 20 до 4 см способствует сокращению продолжительности нагрева, при прочих равных условиях, примерно в 2 раза. Увеличение степени измельчения кости приводит также к интенсификации экстрагирования из них водорастворимых веществ и жира, а также к снижению удельных расходов электроэнергии на варку бульонов (рис. 4).

 

Рис. 3. Динамика температуры в кусках костей: Рис. 4. Зависимость удельного расхода: 1 - целый эпифиз, 2 - 1/2 эпифиза, электроэнергии на варку костного бульона, 3 - 1/4 эпифиза; 4 - 1/8 эпифиза; 5 - вода от степени измельчения костей

1.1.4 Требования к материалу рабочей камеры

Материалы, из которых изготавливают части аппаратов, контактирующие с продуктами, должны быть химически стойкими, нейтральными, не подвергаться коррозии, хорошо очищаться и быть стойкими к моющим средствам. Для изготовления деталей машин и аппаратов, непосредственно контактирующих с продуктами, применяют легированные стали марок Х12, 9ХС, 9ХВТ и высоколегированные коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные стали марок Х18Н9; Х18Н9Т, 1X13 и др. Сталь - это сплав железа с углеродом (до 2%). В легированных сталях содержание легирующих элементов может составлять до 45%. В названия марок стали входят буквенные индексы, обозначающие легирующие элементы (X - хром, Н - никель, Т - титан, В-вольфрам, С - кремний и т.д.), и цифры, показывающие содержание этих элементов. Например, сталь марки 12ХНЗ содержит 1,2% углерода и 3% хрома и никеля.

Лучшим металлом для изготовления частей и узлов аппаратов, соприкасающихся с продуктом, является нержавеющая сталь. Следует избегать использования для этих целей алюминия. Это связано с тем, что алюминий накапливается в организме человека и практически не выводится из него. Наукой установлен факт, что алюминий, накопленный в организме человека, может стать одной из причин старческого слабоумия.

Следует помнить, что наличие в варочной среде металлов с переменной валентностью, таких как железо, медь, способствует разрушению витаминов.

1.1.5 Основы интенсификации тепловых процессов для повышения качества продукта

В совершенствовании технологии производства кулинарной продукции значительное место занимает интенсификация тепловых процессов, требующих больших затрат времени, труда, топливно-энергетических ресурсов. Поэтому конструкция любого теплового аппарата должна как можно полнее соответствовать технологическим требованиям тепловой обработки продуктов.

В основу разработки новых процессов и аппаратов и их модернизации должна быть положена научно обоснованная классификация способов тепловой обработки, которые по механизму передачи теплоты обрабатываемому продукту подразделяются на поверхностные (кондуктивные), объемные и комбинированные. Если говорить подробнее о пищеварочных котлах, являющихся темой данного проекта, то тепловая обработка продуктов в них производится путем поверхностной передачи теплоты.

В традиционных способах обработки обычно выделяют основные способы, целью которых является доведение продукта до кулинарной готовности, и вспомогательные, осуществляемые в различных целях: получение полуфабрикатов, создание или устранение определенных специфических свойств пищевого сырья; интенсификация последующих основных процессов тепловой обработки и др. В пищеварочных котлах производится обработка продуктов основным способом - варкой. При этом технологической средой является жидкость (бульон или вода), температура которой поддерживается на уровне 100 ⁰С, так же как и рабочего объема аппарата, а тепература рабочей поверхности аппарата несколько выше - 102 - 105 ⁰С, температура поверхности и глубинных слоев продукта в момент окончания процесса составляет 95, 80⁰С.

Физическая сущность поверхностных способов тепловой обработки представляется сложным комплексом взаимосвязанных физико-химических, тепломассообменных, биохимических и других процессов, протекающих в массе продукта при подводе к нему теплоты, в основном с поверхности, конвекцией и теплопроводностью. Характерной особенностью этих способов является встречная направленность градиентов температуры и влаги в продукте, вследствие которой поток влаги из продукта препятствует проникновению теплоты в продукт (рис. 5).

Рис. 5. Направление потоков теплоты и влаги при поверхностных способах тепловой обработки продуктов: 1 - емкость; 2-технологическая среда (вода, бульон); 3-продукт

Продукт (например, мясо), подвергаемый варке в воде, претерпевает ряд сложных структурно-физических и химических изменений. Если продукт с начальной температурой 20°С погружают в воду с температурой 100°С, то поверхностные слои прогреваются сравнительно быстро, а температура глубинных слоев повышается постепенно; поток теплоты на протяжении всего процесса варки направлен от поверхности вглубь продукта (соответственно градиент температуры имеет противоположное направление). Последовательный прогрев слоев продукта сопровождается фазовыми превращениями (испарение свободной влаги) и биохимическими реакциями (денатурация белков, разрушение коллагена в соединительной ткани и т.д.), приводящими к существенному изменению структуры и теплофизических свойств продукта. Это, в свою очередь, влияет на динамику тепломассопереноса в процессе варки, поскольку приповерхностные слои являются «термическим сопротивлением» для проникновения теплоты в глубинные слои. Уменьшение влагосодержания приводит к снижению коэффициента теплопроводности слоев продукта, что также препятствует его дальнейшему нагреванию. Все эти факторы обусловливают большую продолжительность традиционных (поверхностных) способов тепловой обработки продуктов.

В то же время большая длительность обработки ухудшает органолептические показатели и пищевую ценность готового изделия, поскольку в обрабатываемом продукте с течением времени разрушаются витамины, теряются, уходя в технологические жидкости, минеральные вещества, претерпевают существенные изменения аминокислотный состав белков и жирнокислотный состав жиров.

Таким образом, кондуктивные (поверхностные) способы имеют следующие недостатки: большая длительность процессов, существенные затраты топливно-энергетических ресурсов, высокая трудоемкость.

Поэтому сокращение длительности тепловой обработки продуктов, нахождение рациональных температурных режимов воздействия на продукты являются основным путем улучшения качества продукции и интенсификации производства.

1.2 Обзор серийно-выпускаемых пищеварочных аппаратов

 

.2.1 Требования, предъявляемые к пищеварочным котлам

Технологические требования заключаются в максимально возможном соответствии режима работы, параметров, устройства рабочей камеры, загрузочного и разгрузочного устройства аппарата физическим и химическим изменениям, происходящим в пищевых продуктах при их тепловой обработке, которая существенно влияет на качество готового продукта.

Под технологическими параметрами понимают температуру и давление в аппарате и т.д. При этом необходимо, чтобы конструктивные и эксплуатационные показатели аппарата обеспечивали оптимальные режимы технологического процесса, т.е. прохождение процесса должно осуществляться за возможно минимальный промежуток времени с получением наилучшего результата (высокие органолептические показатели, максимальное сохранение пищевых, ароматических и вкусовых веществ, максимальный выход и другие качественные показатели готового продукта).

Эксплуатационные требования. Данные требования выражают соответствие режима работы, конструктивных особенностей машины или аппарата его рациональной эксплуатации. Эксплуатационные требования к аппаратам предусматривают в качестве непременного условия простоту их обслуживания с минимальной затратой труда; устойчивость к коррозии, которая может возникнуть при воздействии обрабатываемых продуктов, окружающей среды и моющих средств; доступность аппарата для осмотра, чистки, ремонта; бесперебойность и бесшумность в работе. Эксплуатационные требования предопределяют необходимость автоматизации контроля и регулирования технологического процесса. Автоматизация обеспечивает постоянство заданного технологического режима в аппарате, упрощает его обслуживание, ведет к уменьшению численности обслуживающего персонала и способствует повышению качества кулинарной продукции.

Конструктивные требования. Сущность этих требований заключается в соответствии конструкции аппарата современным условиям машиностроения. Конструктивные требования, предъявляемые к аппаратам, связаны с их проектированием, изготовлением, транспортировкой и монтажом. Важными конструктивными требованиями являются:

·        технологичность, т.е. соответствие конструкции и материалов технологии машиностроения в условиях массового производства. Технологичность аппаратов должна выдерживаться в течение всего цикла его производства - начиная от заготовки деталей и кончая испытанием готовых машин и аппаратов;

·        унификация и нормализация деталей и узлов, максимальное использование стандартизированных деталей и изделий. Соблюдение этих требований повышает серийность и технологичность оборудования;

·        секционность, которая улучшает условия его эксплуатации, облегчает разработку, перемещение и сборку при монтаже и ремонте;

·        техническое совершенство, работоспособность и надежность. Техническое совершенство аппарата характеризуется периодом, в течение которого аппарат по своим основным показателям соответствует современному уровню развития техники. Под надежностью машины или аппарата понимается их способность выполнять свои технологические функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемой наработки.

Наработка - это продолжительность или объем работы машины или аппарата, измеряемые в единицах времени или весовых (объемных) единицах по перерабатываемому сырью.

·        Надежность машины или аппарата зависит от их безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Количественно она может быть оценена как произведение вероятности безотказной работы в течение заданного времени и коэффициента оптимального технического использования машины или аппарата.

·        Безотказность характеризует способность аппарата сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов.

·        Долговечность - это способность машины или аппарата сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Долговечность характеризуется ресурсом или сроком службы до одного из видов ремонта.

·        Ремонтопригодность характеризует приспособленность аппарата к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей.

·        Сохраняемость отражает свойство машины или аппарата сохранять эксплуатационные показатели в процессе их хранения и транспортировки.

Конструктивными достоинствами аппарата являются также простота его устройства, небольшая масса и размеры, изготовление из недорогих и доступных материалов, удобство эксплуатации.

Энергетические требования отражают возможность аппарата затрачивать минимальное количество энергии на выполнение технологического процесса, т.е. аппараты должны быть энергосберегающими. Существенным резервом улучшения энергетических показателей тепловых аппаратов является снижение потерь теплоты. Одним из основных энергетических показателей работы аппаратов является удельный расход энергии на единицу готовой продукции.

Экономические требования. Данные требования отражают минимальные затраты на изготовление, монтаж и эксплуатацию машины или аппарата при сохранении их высоких технико-экономических показателей. К числу таких показателей относятся: удельная производительность, удельный расход энергии, металлоемкость, коэффициент полезного действия.

Удельная производительность - это количество продукции, выпускаемой машиной или аппаратом в единицу времени, отнесенное к объему рабочей камеры или площади рабочей поверхности:

Q_уд=Q_т/V₀ или Q_уд = Q_T/F₀,

где Q_T - теоретическая производительность, кг/с; Vo - объем рабочей камеры аппарата, м³; F_o - площадь рабочей поверхности, м².

Чем выше показатель удельной производительности, тем больше технические возможности машины или аппарата, тем конкурентоспособнее она в сравнении с другими аппаратами, выполняющими аналогичные технологические операции.

Удельная металлоемкость - это количество металла, приходящегося на единицу выпускаемой продукции:

m_уд = M/Q_T,

где М - масса машины или аппарата, кг.

Чем меньше удельная металлоемкость, тем экономичнее и дешевле машина или аппарат, а следовательно, ниже расход на ее амортизацию и ремонт.

Требования техники безопасности и охраны труда. Безопасность работы аппаратов и удобство их обслуживания являются важнейшими требованиями, предъявляемыми к аппаратам.

По советскому законодательству в каждых ведомственных и межведомственных испытаниях новых видов аппаратов и машин обязательно участвует специалист по технике безопасности и охране труда. Задача этих специалистов заключается в том, чтобы самым строжайшим образом с позиции охраны труда принимать испытываемые образцы и не рекомендовать в производство те из новых аппаратов, которые не отвечают условиям безопасности работы на них.

Аппараты рассчитывают и изготовляют с надлежащим запасом прочности, оборудуют предохранительными устройствами и ограждают движущиеся их части. Температура наружных ограждений аппаратов не должна вызывать ожогов при соприкосновении с ними. Электрические аппараты должны отвечать всем требованиям электробезопасности и иметь надежное заземление или зануление. У газового оборудования должны быть предусмотрены устройства, исключающие попадание газа и вредных продуктов сгорания в помещения.

Требования технической эстетики и эргономики. При разработке конструкции аппаратов и машин требования технической эстетики в самом общем виде сводятся к тому, чтобы все производимое человеком было не только полезно, но и красиво. Надлежащий внешний вид аппарата в сочетании с рациональным цветовым оформлением, освещенностью и микроклиматом в цехе снижает зрительное и общее утомление работников, облегчает труд, повышает его производительность, способствует получению продукции высокого качества. Размеры аппаратов, расположение пультов управления и их форма должны удовлетворять требованиям эргономики и антропологическим особенностям человека. Это снижает утомляемость обслуживающего персонала и также приводит к повышению производительности труда.

1.2.2 Классификация пищеварочных котлов

На предприятиях общественного питания эксплуатируются котлы различных типов, отличающиеся способом обогрева, вместимостью и формой варочных сосудов, видом энергоносителей. Все эти различия определяют номенклатурный ряд пищеварочных котлов и их классификацию.

1.      В зависимости от давления в варочном сосуде все котлы классифицируются на

·   пищеварочные котлы, работающие при атмосферном или незначительном избыточном давлении,

·        автоклавы, работающие при повышенном давлении (250 кПа).

2.      В зависимости от источника теплоты котлы подразделяются на

·   твердотопливные,

·        газовые,

·        электрические

·        паровые.

3.      По способу установки котлы классифицируются на

·   неопрокидывающиеся,

·        опрокидывающиеся

·        со съемным варочным сосудом.

Как правило, неопрокидывающиеся котлы выпускаются вместимостью варочного сосуда более 100 дм³, а опрокидывающиеся - вместимостью менее 100 дм³. Котлы со съемным варочным сосудом имеют вместимость менее 60 дм³.

4.      В зависимости от способа обогрева различают котлы с

·   непосредственным обогревом;

·        косвенным обогревом.

Котлы с непосредственным обогревом (теплота к продуктам передается через разделительную стенку) могут работать на твердом топливе, газе и электрическом обогреве. По конструкции и эксплуатации они более просты, чем котлы с косвенным обогревом, однако им присущи недостатки: низкий КПД, сложность регулирования теплового режима, возможность пригорания продуктов. Котлы с косвенным обогревом (теплота передается через промежуточный теплоноситель.) работают при повышенном давлении в греющей рубашке (до 150 кПа). В качестве промежуточного теплоносителя используется вода.

5.      По соотношению основных геометрических размеров котлы классифицируются на

·   немодулированные,

·        секционные модулированные.

·        котлы под функциональные емкости.

Немодулированные пищеварочные котлы имеют цилиндрическую форму варочного сосуда. Секционные модулированные котлы и котлы под функциональные емкости имеют варочный сосуд в виде прямоугольного параллелепипеда. Наружные размеры этих котлов унифицированы, они имеют одинаковую высоту и ширину (глубину), длина их кратна модулю (у секционных модульных котлов - 210 мм, у котлов под функциональные емкости - 100 мм). Варочный сосуд котлов под функциональные емкости имеет размеры, соответствующие размерам функциональных емкостей.

Котлы с косвенным обогревом получили наибольшее распространение. В качестве промежуточного теплоносителя в таких котлах используется вода (кипяченая или дистиллированная). Также наибольшей популярностью пользуются котлы электрические, на 1-ом месте и газовые, на 2-ом.

По приведенной выше классификации, рассматриваемый в данной работе котел относится к секционно-модулированным паровым котлам с косвенным обогревом, с неопрокидывающимся варочным сосудом.

Современная отечественная промышленность предлагает помимо вышеуказанных, изготовление аппаратов на заказ.

На заказ изготавливаются:

·             котлы более 400 литров.

·        технологические установки на базе котлов.

·        котлы с комбинированным обогревом.

·        различные модификации котлов.

Также могут изготавливаться котлы с мешалками, как на базовой конструкции котла, так и на конструкции, предлагаемой заказчиком по техническим условиям заказчика.

Новшеством в изготовлении секционно-модулированных котлов является объединение двух котлов в одном корпусе, работающих независимо друг от друга.

За рубежом популярны котлы с комбинированным способом обогрева (паровой и электрический обогрев, провой и газовый и др.). В настоящее время достаточно широк выбор отечественных аппаратов, предлагаемых как крупными заводами, так и небольшими частными фирмами, поэтому острой необходимости в выборе зарубежных аналогов нет.

Согласно схеме классификации пищеварочных котлов осуществляется их буквенно-цифровая индексация.

У немодулированных котлов буквы обозначают группу, вид котла и вид энергоносителя. Цифры показывают вместимость варочного сосуда в дм³. Например, индекс котла КПЭ-160 расшифровывается следующим образом: К - котел, П - пищеварочный, Э - электрический, 160 - вместимость (в дм³). У секционных модулированных котлов к буквенному индексу добавляются буквы СМ. У котлов под функциональные емкости индекс включает буквы: КЭ - котел электрический и число, показывающее вместимость варочного сосуда в дм³. Буквенно-цифровой  индекс устройств со съемным варочным сосудом (УЭВ-60) расшифровывается как устройство электрическое вместимостью 60 дм³.

1.2.3 Сравнительный анализ технологической эффективности различных видов аппаратов

Несомненным преимуществом твердотопливных пищеварочных котлов является возможность их использования в удаленных районах страны, а также для организации питания в полевых условиях и на значительном расстоянии от предприятий общественного питания; простота устройства и эксплуатации. Недостатком этих аппаратов является низкий КПД, обусловленный большими потерями теплоты с уходящими газами. Вследствие трудности регулирования процесса нагрева не исключена возможность пригорания продуктов. При эксплуатации аппаратов происходит загрязнение помещений топливом, золой. Для хранения запасов топлива необходимо строительство топливохранилищ. Значения КПД котлов при изготовлении различных блюд без регулирования процесса горения топлива колеблются от 18 до 28% для первой варки и от 18 до 30% при повторной варке. Многократное использование котла (несколько варок подряд) по сравнению с единовременным снижает удельные расходы топлива на 20…30%, сокращает продолжительность процесса доведения его содержимого до закипания на 30…50% и повышает КПД установки на 30…40% за счет прогрева кладки.

Газовые пищеварочные котлы с непосредственным газовым обогревом отличаются простотой конструкции и малой металлоемкостью.

Что касается газовых котлов с косвенным обогревом, то следует отметить о возможности использования в них нескольких типов автоматики регулирования. Недостатком газовой автоматики электромагнитного действия является возможность «залипания» контактов, входящих в реле, а также сочетание газа и электроэнергии в одном устройстве, что не рекомендуется с позиции техники безопасности. Газовая автоматика дилатометрического действия автоматика проще и надежней электромагнитной, так как в ней нет электрических цепей. Однако она также является одноканальной и контролирует только наличие пламени. Отсутствие в газовой автоматике пневматического действия реле-инвертора упрощает конструкцию исполнительного блока и повышает надежность работы системы.

Однако применение газа в сравнении с применением твердого топлива имеет целый ряд преимуществ: высокие санитарные показатели, простота эксплуатации, отсутствие необходимости в топливохранилищах. Существенным недостатком является возможность утечки газа. Горючие газы бесцветны. Кроме того, газы, полученные из газовых месторождений, не имеют запаха, что сильно затрудняет обнаружение их утечки. Поэтому в эти газы вводят особые вещества - одоранты; чаще всего это меркаптан - вещество с характерным резким запахом, 1/500 000 000-й доли которого в воздухе достаточно для того, чтобы почувствовать его запах. Горючие газы токсичны (ядовиты) из-за присутствия в них окиси углерода.

Паровые пищеварочные котлы. От неопрокидывающихся электрических и газовых котлов они отличаются тем, что пар, обогревающий варочный сосуд, образуется не в самом котле, а поступает в паровую рубашку по паропроводу извне. В паровых аппаратах используется насыщенный водяной пар низкого давления, который обладает высоким коэффициентом теплоотдачи и большой теплотой парообразования. Пар, поступающий в паровой пищеварочный аппарат, конденсируется и отдает теплоту парообразования стенкам аппарата, а конденсат отводится из греющей камеры. Но получение высоких температур при нагреве аппарата насыщенным водяным паром ограничено ввиду относительно низкого давления пара, используемого в паровых пищеварочных аппаратах, - 50-200 кПа.

Паровые котлы обладают целым рядом преимуществ перед другими типами котлов. Использование централизованно приготовленного пара как теплоносителя позволяет упростить конструкцию котлов (отсутствие парогенератора). Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара довольно высок, что также повышает эксплуатационные показатели парового котла.

Но в них есть свои недостатки. На скорость переноса теплоты при конденсации пара существенно влияет наличие в паре примесей воздуха и неконденсирующихся газов, Так, содержание в паре 1% воздуха приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи на 40%, 6…8% воздуха - на 80%.

При работе паровых котлов необходимо правильно - организовать отвод конденсата из рубашки. Для этих целей в днище котла монтируется конденсатоотводчик поплавкового или сильфонного типа; который отводит из рубашки только конденсат и не пропускает пар. Это исключает наличие так называемого пролетного пара, который, не сконденсировавшись, уходит из рубашки в конденсатопровод.

Электрические пищеварочные котлы имеют массу преимуществ из-за исходя из преимуществ электроэнергии как источника теплоты.

Применение электронагрева дает возможность автоматизировать процессы тепловой обработки пищевых продуктов и регулировать такие параметры, как температура, давление, продолжительность обработки, уровень жидкостей, и др. К преимуществам электротепловых аппаратов относится также возможность секционирования и широкой децентрализации нагрева и тепловых процессов приготовления пищи.

Необходимо также отметить простоту обслуживания и значительное улучшение санитарно-гигиенических условий труда. Достоинство электрических котлов заключается и в том, что при их эксплуатации можно получить необходимое количество теплоты, а также необходимую температуру практически в любой отрезок времени и в определенном узле аппарата, причем с малыми потерями и точным учетом расхода электроэнергии.

Электротепловые аппараты надежны в эксплуатации, а ремонт в основном сводится к замене электронагревателей.

Простота пользования электротепловыми аппаратами, хорошие санитарно-гигиенические условия работы, возможность регулирования и автоматизации степени нагрева, а также точный учет расхода энергии делают эту группу котлов наиболее приемлемой для предприятий общественного питания.

Недостатком всех типов котлов является то, что в процессе длительной эксплуатации КПД может снижаться по причине отложения накипи на тэнах (у электрических котлов) или стенках парогенератора (у газовых и твердотопливных котлов). Поэтому в парогенераторы варочных аппаратов рекомендуется заливать только кипяченую воду (или дистиллированную).

Технические характеристики электрических пищеварочных котлов

Показатели	Размерность	Котлы
		КПЭ-40	КПЭ-60	КПЭСМ-60	КПЭ-100	КПЭ-160	КПЭ-250
Полезная емкость	л	40	60	60	100	160	250
Рабочее давление в пароводяной рубашке	кПа (атм)	110 - 150 (0,1 - 0,5)
Время разогрева	мин	40	45	45	48	55	55
Количество ТЭНов	шт.	3	3	3	6	6	6
Номинальная мощность	кВт	7,5	9,45	9,45	15	21	30
Минимальная мощность	кВт	0,84	1,05	1,05	2,5	3,5	5,0
Напряжение сети	В	220 - 380
Габаритные размеры
длина	мм	945	945	1050	990	1120	1120
ширина	мм	640	640	840	920	1110	1110
высота	мм	1110	1110	860	1130	1130	1300
Масса котла	кг	98	105	160	184	240	270

Газовых

Показатели	Размерность	Опрокидывающиеся		Неподвижные
		Полезная емкость, л
		40	60	100	160	250
Продолжительность разогрева	мин	50	55	50	55	65
Расход газа (в пересчете на природный газ с теплотой сгорания Qнр = 35,2 МДж/м3)	м3/ч
в период разогрева		1,25	1,5	2,45	3,56	4,5
в период варки		0,3	0,4	0,4	0,6	0,7
Рабочее давление пара в рубашке	кПа	150
Тепловой кпд	%	40	45	52	52	55
Габаритные размеры
длина	мм	1100	1100	1100	1200	1300
ширина	мм	1000		950	1200	1200
высота	мм	1100	1100	1100		1200
Масса	кг	140	150	300	380	490

Паровых

Показатель	Размерность	Опрокидывающиеся		Неподвижные
		КПП-40	КПП-60	КПП-100	КПП-160	КПП-250	КПП-400	КПП-600
Полезная емкость котла	л	40	60	100	160	250	400	600
Давление пара в паровой рубашке	кПа (атм)	150 (0,5)
Часовой расход пара (с энтальпией i = 2688 кДж/кг) кг/ч
при разогреве		20-25	30	55-60	70	90	130	160
в процессе «тихого кипения»		4	6	10	12	20	22
Время разогрева воды в сосуде от 10 до 95 С	мин	15-18	18-20	20	26	31
Габаритные размеры:
длина	мм	985	985	1100	1200	1300	1500	1730
ширина	мм	550	600	900	100	1100	1275	1450
высота до крышки	мм	1100	1110	1100	1100	1100	1100	1100
Размеры варочного сосуда
диаметр	мм	425	425	800	800	800	1010	1250
высота	мм	375	515	310	430	610	610	610
Масса	кг/ч	95	100	230	300	400	540	700

Твердотопливных (походных кухонь)

Показатели	Единица измерения	Наименование кухонь
		КП2-48	КП-2-49	КП-125	ОПК-43	ОПК-75
Общая емкость котлов	л	200	230	325	150	75
Количество котлов	шт.	2	2	4	1	1
Масса кухни (без принадлежностей)	кг	850	960	1320	176	134
Время закипания воды при температуре воздуха 15 0С	мин	70	70	55-75	60-70	60-70
Тип прицепа		1-АП - 1,5	1-АП - 1,5	ИАПЗ-739

Таким образом, давление в пароводяной рубашке электрических котлов несколько ниже давления в паровых и газовых котлах. Время разогрева минимально в паровых котлах, что связано с тем, что подающийся пар изначально имеет очень высокую температуру, и не происходит затрат времени на нагревание теплопередающей среды. Наиболее эргономичны также паровые пищеварочные котлы, но учитывая все большее распространение секционного модульного оборудования это не имеет такого важного значения.

2. Конструкторский раздел

 

.1 Описание проектируемого аппарата

Пищеварочные котлы представляют собой варочный сосуд с крышкой, который помещен в наружный котел. Снаружи котел покрыт слоем тепловой изоляции, уложенной между облицовкой и наружным котлом. Ее применяют для уменьшения потерь тепла в окружающую среду (повышения теплового кпд аппарата), предохранения обслуживающего персонала от ожогов и способствования созданию комфортных условий труда. В нижней части котла смонтирован парогенератор, объединенный с паровой рубашкой. Конструкция котла устанавливается на постамент. Пар, генерируемый в парогенераторе, заполняет паровую рубашку, соприкасаясь с варочным сосудом, конденсируется, отдавая теплоту парообразования стенке, по которой конденсат вновь стекает в парогенератор.

Котел пищеварочный электрический неопрокидывающий КПЭ-100 представляет собой сварную конструкцию, состоящую из прямоугольного варочного сосуда, наружного котла, покрытого теплоизоляцией и облицовкой.

Рядом с котлом на стене устанавливается станция управления, которая представляет собой металлический ящик, внутри которою размещены клеммный щиток, два магнитных пускателя, кнопки «Пуск» и «Стоп», сигнальные лампы, реле, плавкие предохранители, переключатель режима работы котла, тумблеры с надписью «Автоматическая работа» и «Разогрев».

Клеммный щиток служит для соединения всех приборов станции управления к электросети. Магнитные пускатели и кнопки включают и выключают тены котла, а плавкие предохранители защищают электрические цепи от короткого замыкания. Сигнальные лампы служат для контроля подключения котла к электросети и режим его работы. С помощью тумблеров включают требуемый режим работы котла.

- облицовка, 2 - тепловая изоляция, 3 - кран уровня воды, 4 - датчики защиты от «сухого хода», б - тены, 6 - парогенератор, 7 - реле давления, 8 - манометр, 9 - поворотный кран, 10 - крышка, 11 - клапан-турбинка, 12 - отражатель, 13 - прокладка крышки, 14 - откидной болт, 15 - наполнительная воронка, 16 - двойной предохранительный клапан, 17 - станция управления, 18 - переключатель режимов, 19 - лампа «Нет воды» в парогенераторе, 20 - лампа «Включено», 21 - противовес крышки, 22 - трубопровод холодной воды, 23 - сливной кран, 24 - фильтр сливного крана.

Рассмотрим принципиальную конструктивную схему проектируемого пищеварочного котла.

На рисунке:

- наружный кожух

- тепловая изоляция

- воздушный клапан

- пароводяная рубашка

- крышка

- рабочая камера

- электроконтактный манометр (элемент арматуры)

- двойной предохранительный клапан (элемент арматуры)

- наполнительная воронка

- сливной пробковый кран

- кран уровня

- парогенератор

- регулируемые по высоте ножки

Рассмотрим назначение основных элементов аппарата:

Пищеварочный котел представляет собой двустенный варочный сосуд, расположенный в корпусе, который покрыт кожухом, изготовленным из листов эмалированной стали. Пространство между наружным корпусом и кожухом заполнено тепловой изоляцией. В нижней части наружного котла смонтирован парогенератор. Замкнутое пространство между варочным сосудом и наружным котлом служит пароводяной рубашкой котла. К дну наружного корпуса приварена стальная коробка прямоугольной формы - парогенератор, внутри которого находятся 6 тэнов, кран уровня воды и электрод защиты «сухого хода». На трубопроводах, соединенных с паровой рубашкой, установлены воздушный клапан и контрольно-измерительная и предохранительная арматура - двойной предохранительный клапан, электроконтактный манометр, наполнительная воронка. Для слива содержимого из варочного сосуда предусмотрен сливной кран. Уровень воды в парогенераторе контролируется с помощью крана уровня.

В рабочей камере производится тепловая обработка пищевых продуктов. По форме это цилиндрический сосуд или прямоугольная камера.

Рабочая камера обычно закрывается дверцей (крышкой), которая устанавливается сверху.

Различают пищеварочные котлы с неподвижной рабочей камерой и с опрокидывающейся. Стенки рабочей камеры изготовляются из нержавеющей стали, алюминия, чугуна.

В греющем устройстве происходит превращение различных видов энергии в тепловую и передача ее стенкам рабочей камеры. Греющее устройство может быть различным в зависимости от источника тепла - у электропищеварочных котлов - парогенератор, в котором расположены электронагревательные элементы. Греющее устройство совмещается с рабочей камерой.

Корпус - это основная часть аппарата, на которой монтируются все остальные узлы и детали; изготовляется он различной формы в виде каркаса из уголковой стали.

Теплоизоляция служит для уменьшения потерь тепла аппаратом в окружающую среду и для предохранения обслуживающего персонала от ожогов.

Кожух предохраняет изоляцию от разрушения и придает аппарату хороший внешний вид.

Аппарат устанавливается на основание, выполненное чаще всего в виде отливки из чугуна различной формы или каркаса из уголковой стали. Сейчас выпускают аппараты, установленные на ножки.

Пуск, остановка, контроль за работой аппарата, регулирование его теплового режима и обеспечение безопасности обслуживающего персонала осуществляются с помощью контрольно-измерительных приборов и арматуры.

Арматура пищеварочных котлов. Пищеварочные котлы с косвенным обогревом снабжены контрольно-измерительной и предохранительной арматурой. На котлах устанавливают: манометр, кран уровня, наполнительную воронку, продувочный кран, двойной предохранительный клапан.

Электроконтактный манометр предназначен для измерения в процессе работы давления в паровой рубашке котла с помощью него автоматически поддерживается уровень давления в рубашке котла и осуществляется управление тепловым режимом. В электроконтактном манометре имеются три стрелки: одна подвижная, показывающая давление, и две неподвижные, перемещаемые вручную с помощью специального ключа. Неподвижными стрелками перед началом работы котла устанавливают верхний и нижний уровни давления в рубашке. Стрелки электроконтактного манометра включены в электрическую цепь управления котла.

При включении котла давление пара в его рубашке начинает возрастать. При достижении верхнего заданного уровня давления подвижная стрелка совпадает с неподвижной, с помощью которой задан верхний предел давления, при этом замыкаются их контакты и котел автоматически переключается на 1/6 или 1/9 мощности (режим тихого кипения). Давление в паровой рубашке начинает падать. При совпадении подвижной стрелки с нижней неподвижной стрелкой замыкаются их контакты и котел вновь переключается на максимальную мощность. Таким образом давление в рубашке котла автоматически поддерживается между верхним и нижним пределами давления. При этом тепловой режим котла также автоматически регулируется.

Двойной предохранительный клапан состоит из двух клапанов - парового и вакуумного, расположенных в общем корпусе. Паровой клапан помещается в верхней части корпуса и прижимается к седлу грузом. При повышении давления в греющей рубашке сверх допустимой величины (150 кПа) пар, преодолевая массу груза, приподнимает клапан над седлом и начинает выходить в атмосферу. Вакуумный клапан помещается в нижней части корпуса в гнезде. Он открывается под давлением наружного воздуха, когда в рубашке образуется вакуум (давление, становится ниже атмосферного). Воздух, проникая через открытый клапан в рубашку, выравнивает давление. Вакуум в рубашке образуется при охлаждении котла в результате конденсации пара, поскольку удельный объем последнего больше удельного объема воды (конденсата). В процессе эксплуатации паровой клапан может прикипеть к седлу и в нужный момент не сработать. Во избежание этого в новых конструкциях двойных предохранительных клапанов предусмотрен рычаг подрыва, с помощью которого клапан следует периодически поднимать над седлом. В. Этой конструкции имеется также воздушный клапан, который служит для выпускания воздуха из пароводяной рубашки котла в период его разогрева. Этот клапан закрывается и открывается вручную поворотом рукоятки-барашка.

Наполнительная воронка предназначена для заполнения парогенератора водой и выпуска воздуха из пароводяной рубашки в начальный период работы котла (если предохранительный клапан не имеет воздушного клапана). Наполнительная воронка снабжена запорным краном, фильтрующей сеткой и крышкой.

Кран уровня размещается в пароводяной рубашке котла на линии предельно допустимого уровня воды. Служит для контроля количества воды в парогенераторе.

2.2 Принципиальные схемы теплообменных аппаратов с рубашкой

Теплообменники предназначены для переноса теплоты от источников тепловой энергии к обрабатываемым продуктам.

Теплообменники подразделяют на два основных типа: поверхностные теплообменники и теплообменники смешения. В поверхностных теплообменниках теплоперенос осуществляется через разделяющую перегородку.

Рис. 6 - схемы теплообменных аппаратов с рубашкой: а - с водяным обогревом: 1 - патрубок для входа греющей воды; 2 - рубашка; 3 - корпус аппарата; 4 - патрубок для выхода греющей воды; б - с паровым обогревом (рубашка имеет выдавки): 1 - патрубок для входа пара; 2 - рубашка с выдавками; 3 - корпус аппарата; 4-выдавки; 5 - патрубок для выхода конденсата; в-с пароводяным обогревом: 1-рубашка; 2-корпус аппарата; горелка (для огневого обогрева); г - с обогревом от высокотемпературного теплоносителя (фритюрница, сковорода): 1-рубашка; 2-корпус аппарата; 3-электронагреватель для нагрева теплоносителя; д - с централизованным паровым нагревом: 1 - патрубок для входа пара; 2 - отражатель; 3 - корпус аппарата; 4 - рубашка; 5 - патрубок для выхода конденсата; е - с паровым обогревом и автономным получением пара (электронагревателем): 1 - рубашка; 2-корпус аппарата; 3-парогенератор; 4-электронагреватель (тэн); ж - с паровым нагревом: 1 - рубашка; 2 - корпус аппарата; 3 - парогенератор; 4 - эмеевиковый нагреватель; 5 - патрубок для выхода конденсата; 6 - патрубок для входа пара; з-с огневым нагревом (аппарат с панелями): 1 - рубашка; 2 - корпус аппарата; 3 - панели; 4 - горелки; и - с электродным нагревом: 1 - рубашка; 2-корпус аппарата; 3 - парогенератор; 4 - электроды; к - с паровым обогревом при повышенном давлении (автоклав): 1 - патрубок для входа пара; 2 - рубашка; 3 - корпус аппарата; 4 - предохранительный клапан; 5 - герметичная крышка; 6 - патрубок для выхода конденсата; л - с паровым обогревом с пониженным давлением (вакуум-аппарат): 1 - патрубок для входа пара; 2-рубашка; 3 - герметичная крышка; 4 - конденсатор; 5 - корпус аппарата; 6 - патрубок для отвода конденсата

2.3 Электрические нагревательные устройства

Основной частью электротепловых аппаратов является электронагреватель - устройство, преобразующее электрическую энергию в тепловую.

В электронагревателях используется одно из основных свойств электрического тока - способность нагревать проводники. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в твердых или жидких проводниках.

Все проводники тока могут быть подразделены на три вида: металлические, неметаллические и жидкостные. В электротепловых аппаратах широкое применение нашли металлические нагревательные элементы, которые по конструктивному оформлению подразделяются на три группы: герметически закрытые (без доступа воздуха), закрытые (с доступом воздуха) и открытые.

Металлические проводники должны обладать большим удельным сопротивлением, быть термостойкими (не подвергаться окислению при высоких температурах), жаропрочными (не изменять механических свойств при резких колебаниях температуры) и иметь низкий коэффициент удлинений. Изготовляются они в виде проволок, лент или прутков из специальных сплавов с высоким омическим сопротивлением: нихромов (хромоникелевых) - Х20Н80, Х15Н80, Х20Н80-Н, Х15Н80-Н.

Для предотвращения контакта проводника тока с проводящими элементами корпуса аппарата служит электрическая изоляция - прослойка из диэлектрического материала. Она должна обладать: высокими диэлектрическими свойствами, хорошей теплопроводностью, способностью противостоять резким колебаниям температуры, быть гидрофобной и не содержать веществ, которые при высоких температурax вступают в химические реакции с материалом нагревателей. В качестве изолирующего материала широко применяются электротехническая керамика, окись магния (периклаз), слюда, миканит.

В пищеварочных котлах применяются герметически закрытые трубчатые электронагреватели - тэны. По сравнению с другими нагревателями они отличаются компактностью, механической прочностью, удобством монтажа и эксплуатации.

Тэн (рис. 7) представляет трубку (оболочку), изготовленную из углеродистой стали с антикоррозийным покрытием или из нержавеющей стали, внутри которой запрессована в периклаз (окись магния) нихромовая спираль.

В качестве защитных покрытий используется обычно цинк, но значительно эффективнее покрывать трубки алюминием, так как при этом срок работы тэнов в агрессивных средах увеличивается в два раза и более, а на поверхности таких тэнов уменьшается отложение слоя накипи.

Концы спирали запрессовываются в стальных контактных стержнях, свободные концы которых выводятся наружу и при помощи гаек и шайб подключаются к электросети. От корпуса тэна стержни и гайки изолируются фарфоровыми изоляторами. Перед их установкой концы трубки заливают термостойким лаком (герметикой). Делают это для защиты периклаза от проникновения атмосферной влаги, поскольку периклаз является гидрофильным материалом. Общая длина тэна L состоит из длины его активной части, в которой находится нагревательная спираль L_a, и пассивной 2L_K, в которой размещаются два контактных стержня.

Для тепловых аппаратов предприятий общественного питания тэны выпускаются в следующих исполнениях: воздушные, применяемые для подогрева воздуха в шкафах с принудительной и естественной циркуляцией; водяные - для нагревания воды и водных растворов в пищеварочных котлах, пароварочных и других аппаратах; масляные - применяемые во фритюрницах и жаровнях для подогрева масел и пищевых жиров до температуры 200°С.

Тэны изготовляются различных длины, диаметра и, а также различной номинальной мощности.

Максимальная удельная мощность активной части трубки в Вт/см² равна для водяных тэнов -11.

Тэны должны использоваться только в той среде, для которой они предназначены. Монтаж тэнов, работающих в жидкой среде, производится таким образом, чтобы активная часть их полностью находилась в жидкости.

Все токоведущие части следует защищать от случайного прикосновения.

Электрическое сопротивление изоляции тэна в холодном состоянии должно быть: после изготовления - не менее 20 МОм, при хранении и эксплуатации - 1 МОм, в рабочем состоянии при номинальной мощности - не менее 0,5 МОм. Если после хранения тэна сопротивление изоляции ниже, то тэн надо просушить в сушильном шкафу при температуре 120° С в течение 2-3 ч.,

Электрическая изоляция тэна в холодном состоянии должна выдерживать (без пробоя) в течение 1 мин переменный ток частотой 50 Гц напряжением 1700 В, в рабочем состоянии в течение этого же времени - 1200 В.

Для тепловых аппаратов могут использоваться как отдельные тэны, так и блоки, состоящие из нескольких тэнов. Последние имеют наибольшее распространение, так как позволяют путем изменения схемы их включения регулировать мощность аппарата в широких пределах и обеспечивать равномерность нагрузки фаз. На рис. 7, в представлен блок из шести тэнов, устанавливаемый в неподвижном пищеварочном котле.

Рис. 7. Трубчатые электронагреватели: а - трубчатый электрический нагреватель (тэн): L - развернутая длина трубки; L_a - активная длина (греющая); L_K - пассивная длина (длина контактных стержней в заделке); d - диаметр тэна; / - оболочка; 2 - контактный стержень; 3 - спираль; 4 - наполнитель - периклаз.; 5 - герметик; 6 - изолятор; 7 - контактное устройство; 6 - конфигурация тэнов московского завода «Торгмаш»; в-блок из шести тэнов (применяется в проектируемом аппарате

Температура нагрева поверхности трубки тэна зависит от ее удельной мощности и вида нагреваемой среды. Для тэна, изготовленного из углеродистой стали, она не должна превышать 450° С в воздушной среде. Изготовляются также высокотемпературные тэны из термостойких трубок с температурой на их наружной поверхности 700-750° С. Передача тепла от такого тэна происходит не только за счет непосредственного соприкосновения, но и за счет излучения, поэтому они называются тэнами инфракрасного излучения или полуизлучающими. В зарубежной практике изготовляются тэны с трубками различных конфигураций и разного сечения: овально-сплюснутые, плоскотреугольные, и др.

2.4 Тепловой расчет аппарата

 

.4.1 Исходные данные

Котел пищеварочный электрический КПЭСМ-40 с цилиндрической формой варочного сосуда ёмкостью 40 дм³

для варочного сосуда:
общая высота	Нс = 378 мм
диаметр	Дс = 420 мм
для кожуха:
длина	Lк = 750 мм
высота	Вк = 465 мм
диаметр	-
в.ч. высота ножек	Нножек = 150 мм
ширина щели греющей полости рубашки	z = 14 мм
время разогрева	τраз = 42 мин = 0,7 ч
толщина стенки:
крышки	1,5
варочного сосуда	2,0
наружного котла	2,0
кожуха	1,0
максимальное давление:
в пароводяной рубашке	140 кН/м3
в варочном сосуде	100 кН/м3
для нагреваемой среды:
начальная температура	tн = 20 0С
конечная температура	tк = 95 0С
вид:	суп из овощей
время варки супа	60 мин
для промежуточного теплоносителя:
начальная температура	tнач теплонос = 10 0С
конечная температура	tкон теплонос = 109,32 0С
вид:	вода
количество воды в парогенераторе	Gв = 10 дм3 = 0,01 м3
напряжение электрической сети	3~220 В

 

2.2 Тепловой баланс аппарата и определение составляющих баланса

Тепловой баланс для нестационарного режима работы аппарата:

Для стационарного режима:

,

где Q’, Q - общее количество теплоты, подведенной к пищеварочному котлу для стационарного и нестационарного режимов соответственно, кДж;

Q₁^', Q₁ - теплота, пошедшая на разогрев содержимого рабочей камеры для стационарного и нестационарного режимов соответственно, кДж;

Q₅^', Q₅ - потери теплоты наружными ограждениями аппарата в окружающую среду для стационарного и нестационарного режимов соответственно, кДж,

Q₆ - потери теплоты на разогрев элементов конструкции аппарата, кДж.

Q₁ = cW(t_к - t_н) + ΔWr, кДж,

где с=4,2 кДж/кг*град - удельная теплоемкость жидкости, заливаемой в рабочую камеру аппарата (вода);

W - масса, кг;

(t_к - t_н) - разность между начальной и конечной температурой, град;

∆W - масса испарившейся жидкости определяется по уравнению материального баланса технологического процесса варки. Примем, что в процессе закипания испаряется около 1,5% воды от общей ее массы в час, при этом испарение воды длится всего около 10 мин.

r=2257,97 кДж/кг - удельная теплота парообразования.

∆W=W∙τ_{закипания}∙0,015 = 40∙(10/60)∙0,015 = 0,1 кг

Q₁ =8696,46 + 0,1∙2257,97 =8696,46+225,79=8922,25 кДж

’,

где ∆W’ - масса испарившейся жидкости, кг. В серийно-выпускаемых котлах испаряется около 3-4% воды от ее объема в час при «бурном» кипении и 1,5% воды в час при «тихом». Примем для стационарного режима 2,5% воды в час.

∆W’= W∙τ∙0,025 = 19,39∙1,0∙0,025 = 0,48 кг

Q’₁ = 0,48 ∙ 2257,97=1094,55 кДж

кДж,

где Σ - сумма потерь тепла наружными элементами ограждения аппарата;

n - число элементов ограждения аппарата;

F_i - площадь, м²;

α_i - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²*град;

t^ср_повi - средняя температура, ⁰С;

τ - время разогрева аппарата до стационарного режима, ч;

t_в - температура окружающего воздуха. В расчете принимаем равной 25°С.

В процессе отдачи тепла ограждениями аппарата имеет место теплоотдача лучеиспусканием и конвекцией, поэтому результирующий коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения к окружающему воздуху состоит из двух слагаемых:

, Вт/м²град;

где  - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м²град;

, - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²град.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формулам:

α_i^л = (C_s / (t^ср_повi - t_в))*[(Т_повi/100)⁴ - (Т_в/100)⁴], Вт/м²град

где С_s - коэффициент лучеиспускания поверхности, Вт/м²град. Для стали С_s принимается равной 1,31 Вт/м²К⁴, для стали, покрытой белой эмалью С_s = 5,15 Вт/м²К⁴.

T_повi, T_в - абсолютные температуры ограждения и воздуха

Т_в = 273+25 = 298 К

Коэффициент теплоотдачи конвекций определяется по критериальному уравнению для свободной конвекции в неограниченном пространстве:

Критерии Грасгофа - Gr и Прандтля - Pr рассчитываются по следующим формулам:

где ν - коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м град;

a - коэффициент температуропроводности, м²/с;

β - коэффициент объемного расширения, 1/град;

l - определяющий геометрический размер поверхности ограждения, м;

Δt - перепад температур между теплоотдающей поверхностью ограждения и воздухом;

t_m - средняя температура пограничного слоя воздуха, ⁰С;

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

Критерий Грасгофа для поверхностей:

∙Pr=0,035∙10⁹∙0,701=0,024∙10⁹ С=0,135; n=1/3.

Gr∙Pr=0,0002∙10⁹∙0,7=0,00014∙10⁹ С=0,135; n=1/3.

Gr∙Pr=0,216∙10⁹∙0,7=0,15∙10⁹ С=0,135; n=1/3.

∙Pr=0,002∙10⁹∙0,702=0,0014∙10⁹ С=0,135; n=1/3.

	tm, 0С	β, 1/град	l, м	λ, Вт/м град	ν∙ 10-6, м2/с	Pr	Gr∙109	Pr*Gr∙109
Боковая поверхность кожуха	32,5	3,273	0,378	0,0270	16,25	0,701	0,035	0,024
Борт	35,0	3,247	0,045	0,0272	16,48	0,700	0,0002	0,00014
Крышка двухслойная	35,0	3,247	0,448	0,0272	16,48	0,700	0,216	0,15
Постамент	27,5	3,221	0,15	0,0266	15,78	0,702	0,002	0,0014

F₁ = l∙h=(0,75∙2,41)=1,81 м²

F₂ = (S_k² - S_kp²) =3,14∙0,232²-3,14∙0,224²=0,011 м²

F₃ = 0,157 м²

F₄ = h_пост∙l_пост=0,15∙2,41=0,36 м²

Элемент конструкции	, т/м2градαлi, Вт/м2градαi, Вт/м2градFi, м2(tсрповi - tв), 0СQ5i, кДж
Боковая поверхность кожуха	5,9	3,15	9,05	1,81	15	2229,05	1,5	4,16	5,66	0,011	20	11,29
Крышка двухслойная	1,5	4,34	5,84	0,157	25	207,94
Постамент	4,3	2,63	6,93	0,36	5	113,16
Итого						2561,46

 кДж,

где α_i' - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²*град;

t’^ср_повi - средняя температура, ⁰С;

τ' - время, определяющее стационарный режим работы аппарата, ч; t_в - температура окружающего воздуха, принимается равной 25°С.

, Вт/м²град;

где  - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м²град;

 - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²град.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формулам:

α_i^л’ = (Cs / (t’^ср_повi - t_в))*[(Т’_повi/100)⁴ - (Т_в/100)⁴]

где Т’_повi - абсолютная температура ограждения

Коэффициент лучеиспускания от поверхностей:

Коэффициент теплоотдачи конвекций определяется по критериальному уравнению для свободной конвекции в неограниченном пространстве:

α_i^к’ = Nu’*λ’ / l,

Критерии Грасгофа - Gr и Прандтля - Pr рассчитываются по следующим формулам:

Элемент конструкции	Материал	Сs, Вт/м2К4	tсрповi, 0С	tв, 0С	Tповi, К	tв, К	αiл, Вт/м2град
Боковая поверхность кожуха	Сталь листовая, покрытая белой эмалью	5,15	60	25	333	298	6,5
Борт	Сталь листовая	1,31	70	25	343	298	1,7
Крышка двухслойная	Сталь нержавеющая	1,31	70	25	343	298	1,7
Постамент	Сталь листовая, покрытая белой эмалью	3,94	40	25	313	298	4,5

 

β’ = 1 / (273, + t'_m), 1 / К,

где ν’ - коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

λ’ - коэффициент теплопроводности, Вт/м град;

a’ - коэффициент температуропроводности, м²/с;

β’ - коэффициент объемного расширения, 1/град;

Δt’ - перепад температур между теплоотдающей поверхностью ограждения и воздухом;

t'_m - средняя температура пограничного слоя воздуха, ⁰С.

Критерий Грасгофа для поверхностей:

∙Pr=0,198∙10⁹∙0,699=0,138∙10⁹ С=0,135; n=1/3.

Gr∙Pr=0,0004∙10⁹∙0,698=0,00027∙10⁹ С=0,135; n=1/3.

Gr∙Pr=0,39∙10⁹∙0,698=0,27∙10⁹ С=0,135; n=1/3.

∙Pr=0,006∙10⁹∙0,701=0,004∙10⁹ С=0,135; n=1/3.

t'm, 0С	β', 1/град	l, м	λ', Вт/м град	a'*10-5, м2/с	ν'* 10-6, м2/с	Pr’	Gr’*109	Pr’*Gr’*109
42.5	3,170	0,378	0,0278	2.46	17.21	0.699	0,198	0,138
47.5	3,120	0,045	0,0282	2.53	17.70	0.698	0,0004	0,00027
47.5	3,120	0,448	0,0282	2.53	17.70	0.698	0,39	0,27
32.5	3,273	0,15	0,0270	2.33	16.25	0.701	0,006	0,004

Коэффициента теплоотдачи конвекцией i-той поверхности:

Элемент конструкции	Nu	, Вт/м2градαлi, Вт/м2градαi, Вт/м2градFi, м2(tсрповi - tв), 0СQ5i, кДж
Боковая поверхность кожуха	69,66	6,5	5,12	11,62	1,81	35	6678,14
Борт	8,74	1,7	8,74	10,44	0,011	45	46,88
Крышка двухслойная	87,21	1,7	5,48	7,18	0,157	45	460,19
Постамент	21,46	4,5	3,86	8,36	0,36	15	409,54
Итого							7594,76

Потери тепла на разогрев конструкции аппарата определяются по формуле:

кДж,

где Σ - сумма потерь тепла;

n - число элементов конструкции аппарата;

c_i - удельная теплоемкость, кДж/кг∙град; М_i - масса, кг;

t_i^н - средняя конечная температура,°С;

t_i^к - средняя начальная температура,°С.

Масса отдельного компонента конструкции рассчитывается по формуле

, кг,

где  - объем материала элемента конструкции, м³;

δ_i - принимается по чертежу.

Элемент конструкции	Fi, м2	δi, м	ρ, кг/м3	Vi, м3	Мi, кг	сi, кДж/кг *град	,°С,°С, кДж
Боковая поверхность кожуха	1,09	0,001	7900	0,0018	14,30	0,46	25	60	230,23
Бортовая поверхность	0,011	0,001	7900	0,0000	0,09	0,46	25	70	1,86
Крышка	0,157	0,003	7900	0,0005	3,72	0,46	25	70	77,00
Постамент	0,36	0,001	7900	0,0004	2,84	0,46	25	40	19,60
Варочный сосуд	0,49	0,0015	7900	0,0007	5,81	0,46	25	104	211,14
Наружный котел	0,57	0,002	7900	0,0011	9,01	0,46	25	109,3	349,39
Изоляция	0,57	0,045	40	0,0257	1,03	0,09	25	85	5,56
Арматура					92	0,46	25	40	63,41
Итого					128,8				958,19

Потери теплоты на разогрев промежуточного теплоносителя:

Q₆₉ = c_вMΔt_в = 4,18∙6∙(109,32-10) = 2490,9 кДж

Q₆ =3449,1 кДж

Масса арматуры рассчитывается в процентном соотношении к массе варочного сосуда (250%) и включает в себя все элементы арматуры, каркас, парогенератор с нагревательными и крепежными элементами.

Сводная таблица теплового баланса

Статьи теплового баланса	Режим работы аппарата
	нестационарный	стационарный
	Количество тепла, кДж
Q1	8922,25	1094,55
Q5	2561,46	7594,76
Q6	3449,1
ИТОГО	14932,81	8689,31

 

.3 Определение расхода энергоносителя

Р =14932,81/3600∙0,7=5,92 кВт

Р’ =8689,31/3600∙1,0=2,41 кВт

2.3.1 Расчет ТЭНов

Определение длины трубки тэна

Электрические пищеварочные котлы присоединяются к трехфазной сети, поэтому с точки зрения равномерной нагрузки фаз, тэны целесообразно устанавливать в количестве, кратном трем. Для расчета берется блок из шести тэнов.

Мощность одного тэна:

Р_ТЭН = 5,92/3=1,97 кВт

Трубчатый электронагреватель работает в воде, тогда W_тэн = 11 Вт/см²,

примем диаметр трубки тэна D = 10 мм

Активная длина трубки:

L_a = 1973 / (3,14∙1,0∙11) = 57,1 см

Длина контактного стержня в трубке

Тогда полная длина трубки

L = 57,1+ 2∙5 =67,1 см

Примем полную длину трубки ТЭНа 68 см.

Сопротивление спирали

Сопротивление спирали ТЭНа после опрессовки:

R = U_н² / Р_тэн

R = 220² / 1973 = 24,53 Ом

Сопротивление проволоки до опрессовки тэна:

R₀ = a_r * R

где a_r =1,3 - коэффициент учитывающий уменьшение сопротивления спирали в результате опрессовки;

R₀ = 1,3 ∙ 24,53 = 31,88 Ом

Характеристики спирали

Задаемся диаметром проволоки d = 0,6 мм и определяем ее длину

l_пров = 0,785∙R₀ ∙d² /ρ

l_пров = 0,785 ∙ 31,88 ∙ (0.6)² / 1,2 = 7,5 м

Определим характеристики спирали. Принимается диаметр стержня для намотки спирали d_c = 6 мм и находим длину одного витка, а так же количество их в спирали:

L_витка = 1,07∙πd_в,

где d_в-диаметр витка, мм.

d_в= d_c+d.

d_в= 6+0,6=6,6 мм

Шаг намотки витков

h = 571/339 =1,68 мм

Коэффициент плотности намотки

k = 1,68/0,6 = 2,8.

Полученная величина плотности намотки соответствует допустимой k = 2-4.

Определение температуры нагрева спирали

Характеристики спирали:

  

d_в = 0,6 + 6 = 6,6 мм

D_вн = 10 - 2 * 0,5 = 9 мм

где d - толщина стенки трубки после опрессовки; принимается равной 0,5 мм.

Тогда:

x = 0,07

y = 0,09

z = 1,36

По номограмме находим перепад температур в изоляционном слое тэна на единицу теплового потока (коэффициент теплопроводности для периклаза принимается равным 0,022 Вт/см*⁰С) [4]

Δt/q_l = 3,5 см∙⁰С / Вт

Определяем удельный тепловой поток на единицу длины тэна:

q_l = 1973/57,1=34,55 Вт/см

Перепад температур в изоляционном слое:

Δt_изол = 3,5 ∙ q_l

Δt_изол = 3,5 ∙ 34,55 = 120,9⁰С

Температура поверхности тэна, для кипящей воды при давлении равном 140 кПа принимается равной 121 ⁰С:

t_w = 121 ⁰C

Рабочая температура спирали:

t =121+118=239⁰С.

 

.3.2 Расчет геометрических размеров парогенератора

Длина

·      диаметр трубки тэна D=10 мм,

·        расстояние между тэнами принимаем 20 мм,

Тогда длина парогенератора с учетом размещения тэнов (30 мм между стенками парогенератора и тэнами)

L= 30 мм+30 мм+ 2D∙3+20∙2, мм

L = 30+30 + 20 ∙ 3 + 20∙2 = 60+60+40=160 мм

Ширина

Диаметр витка тэна:

D_витка = 10 см=100 мм

Прямая часть активной длины трубки тэна:

L_a=2∙l_пр+0.5πD, см

Тогда: l_пр = (La-0.5πD)/2, см

l_пр = (67,1-0,5∙3,14∙10)/2=25,7 см

С учетом размещения тэнов в парогенераторе

B = l_пр +1/2D_витка + 40 мм, мм

B = 257 + ½∙100 + 20 = 327 мм.

Принимаем ширину парогенератора 330 мм.

Высота

Диаметр трубки тэна D=10 мм

Высота парогенератора с учетом размещения тэнов (10 мм между стенками парогенератора и тэнами, 30 мм над поверхностью тэнов):

H= D+ D_витка+10+30, мм

H= 100+ 10+10+30= 150 мм

Рассчитаем объем парогенератора и объем тэнов.

V_тэн= 3 ∙ (πD²/4)∙ La, см³

V_тэн= 3 ∙ (3,14∙1²/4) 67,1=351 см³

V_{пар.ген}= L∙B∙H, см³

V_{пар.ген}= 16∙33∙15=7920 см³

Объем воды в парогенераторе:

V_в= V_{пар.ген} - V_тэн, см³

V_в=7920-352≈7500 см³ (примерно совпадает с принятым)

3. Эксплуатационно-экономический раздел

 

.1 Требования к эксплуатации оборудования

 

.1.1 Установка и монтаж аппарата

Котел устанавливают непосредственно на полу и встраивают в модульную технологическую линию. Затем осуществляют соединением корпуса аппарата с заземляющим контуром, подвод трубопровода горячего и холодного водоснабжения, включение аппарата в сеть. После чего аппарат вводится в эксплуатацию.

 

.1.2 Эксплуатация и уход

Правила эксплуатации. Перед началом работы проверяют санитарное состояние варочного сосуда, наличие заземления, уровень воды в пароводяной рубашке. Для проверки уровня воды открывают контрольный кран и, если через него не пойдет вода, то добавляют в парогенератор через наполнительную воронку дистиллированную или кипяченую воду до появления ее из крана.

После этого рычагом подрыва открывают паровой и вакуумный клапан двойного предохранительного клапана, для того чтобы не допустить их прикипания.

Для выпуска воздуха из пароводяной рубашки открывают воздушный клапан и кран наполнительной воронки. Как только из воздушного клапана и наполнительной воронки пойдет пар, краны закрывают. Наличие воздуха в рубашке снижает теплоотдачу от пароводяной смеси к стенкам котла и увеличивает время его разогрева.

Затем проверяют работоспособность клапана-турбинки, приподняв турбину за кольцо вверх, и двойной предохранительный клапан, нажав несколько раз на рычаг. Потом проверяют воздушный клапан или запорный кран воронки. Специальным ключом устанавливают на манометре верхний и нижний пределы необходимого давления пара в пароводяной рубашке котла.

Потом в варочный сосуд загружают продукты и закрывают крышкой. Заполнять продуктами и водой пищеварочный котел нужно не превышая предельного уровня 8-10 см ниже кромки котла. Устанавливают тумблер на работу нужного режима и включают котел в работу нажатием кнопки «Пуск». Процесс тепловой обработки продуктов осуществляется автоматически. При необходимости корректируют положение верхнего и нижнего пределов давления на электроконтактном манометре в процессе варки. Во время работы котла контролируют состояние клапана-турбинки, двойного предохранительного клапана, манометра и сигнальных ламп.

После окончания работы отключают котел от электросети при помощи красной кнопки «Стоп».

После выгрузки готовой продукции, остывший варочный сосуд и крышку промывают горячей водой и протирают снаружи сухой чистой тканью.

Надо помнить, что использование котла с загрязненным или неисправным клапаном-турбинкой всегда приводит к аварийным случаям, с травмированием и ожогами обслуживающего персонала. При работе с пищеварочными котлами нужно строго выполнять правила техники безопасности и безопасность труда. При неисправности предохранительных и запорных устройств котел запрещается использовать. [2]

Таблица 9 - Возможные неисправности и способы их устранения

Неисправности	Возможные причины	Способы устранения
При нажатии на кнопку «Пуск» котел не включается	Сгорели предохранители	Заменить предохранители
Котел включен, но долго не нагревается	Сгорел один или два тэна	Заменить сгоревшие тэны
Котел не переключается на автоматическую работу	Неисправно реле или электроконтактный манометр	Зачистить контакты реле и манометра или заменить их в случае необходимости
При работе котла загорается красная лампа «сухой ход»	Нет воды в парогенераторе	Залить воду в парогенератор через воронку
Давление на манометре свыше 0,55 атм. Предохранительный клапан не срабатывает.	Неисправен предохранительный клапан	Выключить котел, разобрать клапан, промыть и очистить его от накипи

Правильная эксплуатация теплового оборудования, хорошая тепловая изоляция аппаратов, повышение коэффициента использования отдельных аппаратов, максимальная экономия электроэнергии - все это обеспечивает снижение удельных расходов и повышение рентабельности предприятий. Например, при повторном использовании пищеварочного котла для варки снижение удельных расходов энергии составляет до 20%. Хорошая изоляция тепловых аппаратов сокращает время их разогрева и снижает удельные расходы тепла на единицу готовой продукции. Поэтому при эксплуатации тепловых аппаратов большое внимание должно быть уделено вопросам рационального использования энергоресурсов и загрузки аппаратов. [6]

3.1.3 Требования техники безопасности

Безопасные условия эксплуатации пищеварочных аппарата в значительной мере обеспечиваются установленной на них арматурой: двойным предохранительным клапаном, клапаном-турбинкой, электроконтактным манометром и др.

Обеспечение электробезопасности достигается надежным соединением корпусов аппаратов с заземляющий контуром, хорошим состоянием контактных соединений, пусковой аппаратуры, защитой электропроводов от механических повреждений, установкой плавких предохранителей и т.п.

Если при работе котла возникает необходимость открыть его герметично, закрытую крышку, то приблизительно за 5 мин до этого следует выключить тэны, благодаря чему небольшое избыточное давление в варочном сосуде упадет.

Опрокидывающиеся котлы поворачиваются лишь после их отключения.

В процессе эксплуатации пищеварочных аппаратов нужно следить за исправной работой арматуры, в частности за тем, чтобы в клапане-турбинке, пароотводе и сливном кране не скапливались частички пищи. [2]

3.1.4 Санитарные требования

Своевременная очистка (мытье) рабочих камер аппаратов должна выполняться при смене продуктов особенно при их несовместимости. Например, после варки рыбного супа варка молочного супа должна начинаться только после тщательного мытья варочного сосуда. В данном аппарате целесообразно приготовлять по возможности один и тот же вид изделий. При этом происходит существенная экономия теплоты и отпадает необходимость в частом мытье рабочих камер.

После каждого использования варочный котел промывают специальными моющими средствами, просушивают, а с внешней стороны протирают мягкой тканью.

В процессе эксплуатации нужно следить за тем, чтобы в сливном кране не скапливались остатки пищи.

3.2 Технико-экономические показатели

Основным методом определения экономической эффективности проектируемого аппарата является сравнительный анализ, т.е. сопоставление его с аппаратом, выбранным в качестве базового варианта.

Выбор базового варианта имеет решающее значение для результатов анализа и оценки, так как в его качестве используется наиболее прогрессивный и максимально соответствующий технологическому назначению аппарат. [2]

Проектируемый аппарат

1) Коэффициент полезного действия - это отношение полезно используемой теплоты ко всей затрачиваемой и рассчитывается по формуле

Чем выше КПД аппарата, тем он более совершенен. На показатели работы котлов оказывают влияние изменение режима работы и правильная их эксплуатация. С уменьшением степени заполнения котла к.п.д. его уменьшается. Ориентировочно можно считать, что при снижении емкости котла на один литр КПД его уменьшается на 0,5%.

При увеличении количества воды в пароводяной рубашке сверх установленной нормы КПД котла уменьшается, а время нагрева его содержимого увеличивается. В среднем можно считать, что на каждый лишний литр количества воды, залитой в рубашку, КПД котла уменьшается на 1,7%, а время закипания его содержимого увеличивается на 1,5-2 мин.

Существенное влияние на показатели работы котла оказывает начальное тепловое состояние конструкции (нагрев от горячего или холодного состояния).

В процессе длительной эксплуатации КПД может снижаться по причине отложения накипи на тэнах. Поэтому в парогенераторы варочных аппаратов рекомендуется заливать только кипяченую воду (или дистиллированную).

η = (Q₁ / Q)∙100%

η = (8922,25/14932,81)∙100=59,7%

2) Удельная объемная тепломощность рабочей камеры

b = Q / V_k ∙ τ_раз

где V_k - объем рабочей камеры, м³.

B = 14932,81/0,04∙0,7=43917,5 кДж/м³ч

) Удельный расход тепла

q = Q/m

где Q - подведенное тепло, кДж;

т - производительность аппарата, кг/ч.

m = W / τ_раз

m = 40/0,85 =47 кг/ч

q = 14932,81/47=317,7 кДж∙ч/кг

) Видимое тепловое напряжение поверхности нагрева рабочей камеры

где F - площадь поверхности нагрева рабочей камеры, м²

Т_в = 14932,81/(0,49∙0,85)=35851,1 кДж /м²ч

) Действительно тепловое напряжение поверхности нагрева рабочей камеры

где F - площадь поверхности нагрева рабочей камеры, м²

Т_g = 8922,25/(0,49∙0,85)=21421,96 кДж /м²ч

) Удельная металлоемкость аппарата

g = M / V_л

где М - масса аппарата, кг;

V_к - объем рабочей камеры, м³.

g = 128,8/ 0,04=3220 кг / м³

Базовый аппарат

Номинальная мощность базового аппарата Р = 8 кВт

Нормальная производительность КПЭ-40:

где t_раз - время разогрева содержимого варочного сосуда, час (для КПЭ-40 равно 1,0 час);

m_н =40/1,0=40 кг/ч

Производительность при начальной температуре нагреваемой среды t_н=20 ⁰С и конечной t_к= 95 ⁰С:

m = 40∙90/(95 - 20)=48 кг / ч

Тогда время разогрева:

τ_раз =40/48 =0,83 ч

Количество подведенного тепла за период разогрева:

Q = Р ∙ τ_раз ∙ 3600

Q = 8 ∙ 0,83 ∙ 3600 = 23904 кДж

1) Коэффициент полезного действия

η = Q₁ / Q ∙ 100%

η = 8922,25 / 23904 ∙ 100 = 37,32%

) Удельная объемная тепломощность рабочей камеры

b = Q / V_k ∙ τ_раз

где V_k - объем рабочей камеры, м³.

b = 23904/(0,04 ∙ 0,83) = 720000 кДж / м³ч

) Удельный расход тепла

q = Q /m

где Q - подведенное тепло, кДж;

т - производительность аппарата, кг/ч.

q = 23904/48=498 кДж∙ч/кг

) Видимое тепловое напряжение поверхности нагрева рабочей камеры

где F - площадь поверхности нагрева рабочей камеры, м²

Т_в = 23904 / 0,5 ∙ 0,83 = 57600 кДж/м²ч

) Действительно тепловое напряжение поверхности нагрева рабочей камеры

Т_g = 8922,25 / 0,5 ∙ 0,83 = 21500 кДж/м²ч

) Удельная металлоемкость аппарата

g = M / V_к

где М = 80 - масса аппарата, кг;

V_к - объем рабочей камеры, м³.

G = 80/0,04 =2000 кг / м³

3.2.1 Экономия тепла, полученная за счет сокращения времени разогрева аппарата

Результаты расчета экономии тепла, полученной за счет сокращения времени разогрева аппарата сводятся в таблицу 10.

Таблица 10 - Результаты расчета технико-экономических показателей

Показатели	Обозначение	Размерность	Расчетная формула	Аппарат
				проектируемый	базовый
Продолжительность периода разогрева аппарата	t	ч	-	0,7	0,83
Масса нагреваемой среды	М	кг	-	40
Удельная тепло-емкость нагреваемой среды	С	кДж/кг град	-	4,19
Начальная температура нагреваемой среды	tн	0С	-	20
Конечная температура нагреваемой среды	tк	0C	-	95
Количество полезного тепла	Q1	кДж	-	8922,25
Номинальная мощность	P	кВт	-	6	8
Количество подведенного тепла за период разогрева	Q	кДж	Q=3600Pt	14900	23900
Тепловой КПД	h	%	h=Q1100/Q	59,7	37,3
Количество сэкономленного тепла за один период разогрева аппарата	DQ	кДж	DQ=QП-QБ	9000
Стоимость единицы энергоносителя	К	руб.	-	2,21
Количество рабочих смен в году	n	смена	-	300
Стоимость тепла, сэкономленного в год одним аппаратом	Cr	руб.	1657,5
Стоимость тепла, сэкономленного в год 1000 аппаратами	Cr1000	тыс. руб.	Cr1000= Cr1000	1657,5

Выводы

В работе выполнен аналитический обзор и сделан краткий сравнительный анализ существующих аппаратов. Установлено, что наибольшими преимуществами обладает электрический пищеварочный котел с прямоугольной формой рабочего сосуда. Распространенной формой варочных сосудов является вертикальный цилиндр со сферическим днищем. Однако в теплотехническом отношении цилиндрическая форма варочного сосуда не является оптимальной. По опытным данным прямоугольные котлы имеют более оптимальную форму, так как прямоугольная форма варочного сосуда соответствует принципу модулирования и позволяет разработать унифицированный типоразмерный ряд пищеварочных котлов.

Для курсового проекта был выбран электрический пищеварочный котел с прямоугольной формой варочного сосуда. Разработана конструктивная схема и проведен расчет теплового баланса. На основании полученных результатов была рассчитана мощность и выбраны тэны, также рассчитаны технико-экономические показатели.

Спроектированный аппарат будет удобен в использовании, достаточно экономичный, модульный.

Список источников

1.     Арустамов Э.А. Оборудование предприятий (торговля).- М.: Издательский Дом «Дашков и К⁰», 2000

2.     Беляев М.И. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. - М.: Экономика, 1990

3.      Вышелесский А.Н. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. - М: Экономика, 1976

.        Дорохин В.А. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. - Киев; Вища школа, 1987

5.     Жуков В.И. Процессы и аппараты пищевых производств.-Новосибирск: Издат-во НГТУ, 2003

6.      Кирпичников В.П., Леенсон Справочник механика.-М.: Экономика, 1990

7.     Липатов Н.Н, Ботов М, И., Муратов Ю.Р. Тепловое оборудование предприятий общественного питания, - М.: Колос, 1994

8.      Технология производства общественного питания.-М.: Экономика, 1975