Расчет воздушного конвейерного морозильного аппарата

Исходные данные. Воздушный конвейерный морозильный аппарат для замораживания творога в блок-формах имеет производительность G = 200 кг/ч = 0,055 кг/с. Начальная температура продукта t _н = 20 °С, конечная t _к = –20 °С. Скорость движения воздуха в грузовом отсеке аппарата w = 4 м/с, средняя температура воздуха там же t _ап = –35 °С.

Требуется: определитьпродолжительность замораживания блоков творога, массу замораживаемого продукта, вместимость аппарата, количество блок-форм, габаритные размеры аппарата, скорость движения ленты транспортера, тепловую нагрузку на воздухоохладитель; рассчитать воздухоохладитель; подобрать вентиляторы.

В аппаратах такого типа широкое применение нашли блок-формы, в которых размещаются два блока длиной l _бл = 0,8 м, шириной b _бл = 0,25 м, высотой d_бл = 0,06 м каждый, расположенные короткими сторонами друг к другу (длина блок-формы l _бл.ф = 1,62 м). Масса творога в одном блоке m _бл = b _бл l _бл d_бл r_тв = 0,8×0,25×0,06×1000 = 12 кг.

Продолжительность замораживания блока творога определяем по формуле Планка для случая теплоотвода со всех сторон замораживаемого блока, а также предполагая, что термическое сопротивление металла блок-формы мало [1]

t = q _зr_твd_бл(R d_бл/l_тв.з + P /a)/(t _кр – t _ап),

где q _з – удельная теплота замораживания, q _з = (i _н – i _к) = 400 – 0 = 400 кДж/кг (см. прил. 3); r_тв – плотность творога (см. прил. 13), кг/м³; d_бл – толщина блока, м; t _кр – криоскопическая температура творога, °С [2]; R, P – коэффициенты формы, принимаем по прил. 16 при b₁ = l _бл/d_бл = 0,8/0,06 = 13 и b₂ = b _бл/d_бл = 0,25/0,06 = 4; a – коэффициент теплоотдачи от блок-формы к воздуху, Вт/(м²×К); l_тв.з – теплопроводность творога замороженного (см. прил. 8).

Коэффициент теплоотдачи от блок-формы к воздуху определяем, принимая теплофизические характеристики воздуха по прил. 1: кинематический коэффициент вязкости n_в = 10,4×10^–6 м²×с; теплопроводность l_в = 0,021 Вт/(м×К). Число Рейнольдса при поперечном движении воздуха в аппарате

Re = wl _бл.ф/n_в = 4×1,62/10,4×10^–6 = 600 000.

Число Нуссельта для турбулентного движения воздуха определяем по зависимости

Nu = 0,032 Re^0,8 = 0,032×600 000^0,8 = 1370.

Коэффициент теплоотдачи от блок-формы к воздуху

a = Nul_вl/ l _бл.ф = 1370×0,021/1,62 = 18 Вт/(м²×К).

Для условий работы аппарата продолжительность замораживания блока творога

t = 400 000×1000×0,06×(0,1037×0,06/0,7 + 0,3846/18)/(– 0,5 + 35) =

= 16 300 с = 4,5 ч.

Вместимость грузового отсека аппарата

M = G t = 0,055×16 300 = 890 кг.

Количество блок-форм в грузовом отсеке n _бл = M/(2m _бл) = 890/(2×12) = = 38 шт.

Ширина грузового отсека B _гр включает в себя длину блок-формы l _бл.ф = 1,62 м и длину двух отступов от конвейера по 0,2 м каждый, т. е. примерно B _гр = 2 м. Длина и высота грузового отсека обусловлены количеством и габаритами блок-форм, а также вентиляторами, т. е. их взаимным расположением и возможностью организации движения воздуха в грузовом отсеке с заданной скоростью. Для поперечного движения воздуха характерно использование осевых вентиляторов с диаметром обечайки 0,6–1,0 м. В аппарате малой производительности целесообразно использовать вентиляторы малого диаметра, что позволяет предположить высоту грузового отсе-ка H _гр = 0,6–1 м. На этой высоте с учетом толщины блок-формы d_бл = 0,06 м и такого же расстояния между ними на конвейере, равного 0,06 м, можно расположить 0,6/(0,06 + 0,06) = 5 ветвей. Длина конвейера определяется: числом блок-форм в одной ветви 38/5» 8 шт., шириной блок-формы b _бл = 0,25 м, расстоянием между блок-формами 0,15 м, диаметром звездочек конвейера 0,4 м. Длина одной ветви конвейера L _к = 8×0,25 + 4×0,15 + 2×0,4 = 3,4 м, а общая длина цепи конвейера L _ц = 5·3,4» 16 м.

Объемный поток воздуха, циркулирующего в аппарате, определяем из уравнения сплошности V = wF _ж = 4×1,44 = 5,7 м³/с, где F _ж – живое сечение грузового отсека при поперечном движении воздуха

F _ж = L _к H _гр – n _бл.ф(b _блd_бл) = 3,4×0,6 – 40 (0,25×0,06) = 1,44 м².

Теплоприток от замораживаемого в аппарате продукта

Q ₂ = G (i _н – i _к) = 0,055 (400 – 0) = 22 кВт.

Теплоприток через теплоограждающие конструкции аппарата принимаем в размере

Q ₁ = 0,05 Q ₂ = 0,05×22 = 1,1 кВт.

Тепловой эквивалент работы вентиляторов воздухоохладителя для аппаратов малой производительности составит

Q ₄» 0,2 Q ₂» 0,2×22» 4,4 кВт.

Теплоприток от блок-форм, поступающих в аппарат после удаления замороженных блоков творога, с температурой t _н1 = 5–10 °С, зависит от соотношения массы металла блок-форм и продукта, марки металла и кинематической схемы аппарата. Предполагаем, что блок-формы изготовлены из алюминиевого сплава (теплоемкость c _ф = 0,8 кДж/(кг×К)) и имеют массу 20 % от массы продукта, а масса стальной конвейерной цепи (теплоемкость c _ц = 0,4 кДж/(кг×К)) достигает 50 % от массы блок-форм. Тогда теплоприток от подвижных частей аппарата при их охлаждении в грузовом отсеке аппарата

Q _м = (m _ф с _ф + m _ц с _ц) w _r(t _н1 – t _к) =

= (14,4×0,8 + 7,2×0,4) 0,001 (10 – (–35)) = 0,8 кВт,

где m _ф – масса блок-форм, приходящаяся на 1 м конвейера при размещении трех блок-форм, m _ф = 0,2 (3×2×12) = 14,4 кг/м; m _ц – масса конвейерной цепи, приходящаяся на 1 м конвейера, m _ц = 0,5×14,4 = 7,2 кг/м; w_r – скорость движения грузового конвейера, w_r = L _ц/t = 16/16300 = 0,001 м/с.

Тепловая нагрузка на воздухоохладитель

Q ₀ = Q ₁ + Q ₂ + Q _м + Q ₄ = 1,1 + 22 + 0,8 + 4,4 = 28,3 кВт.

Нагрев воздуха в аппарате при его плотности r_в = 1,5 кг/м³ (см. прил. 1)

D t _в = Q ₀/ V _вr_в с _в = 28,3/(5,7×1×1,5) = 3,3 °С.

Принимаем величину температурного напора, равную q = 10 °С. Тогда температура кипения хладагента должна быть t ₀ = –45 °С. Коэффициент теплопередачи воздухоохладителя по прил. 4 с учетом интенсивного инееобразования равен k ₀ = 10 Вт/(м²×К). Теплообменная площадь воздухоохладителя

F _в = 28 300/(10×10) = 283 м².

Воздухоохладитель будет изготовлен из оребренных стальной лентой труб диаметром Æ38 ´ 2,5 мм с ребрами толщиной d_р = 0,8 мм и высотой h _р = 30 мм (см. прил. 5). С учетом интенсивного инееобразования выполняем конструктивно воздухоохладитель из двух секций. В первой секции по ходу движения воздуха шаг оребрения t _р1 = 20 мм, площадь теплообменной поверхности погонного метра трубы f _тр1 = 0,76 м²/м; во второй – t _р2 = 13,3 мм, f _тр2 = 1,08 м²/м. В первой секции предполагаем отводить около трети теплопритока, тогда требуемая длина оребренных труб, соответственно, для секций

l _тр1 = 0,33×283/0,76 = 128 м;

l _тр2 = 0,67×283/1,08 = 176 м.

Длину отрезка трубы воздухоохладителя принимаем равной длине одной ветви конвейера L _к = l _тр = 3,4 м. Высоту воздухоохладителя принимаем равной высоте грузового отсека H _в = H _гр = 0,6 м, для выбранных труб рекомендуемый шаг труб в пучке s _р1 = 0,11 м. Размещаем по высоте n = 6 труб, для чего необходима H _в = (n – 1) s _р1 = (6 – 1) 0,11 = 0,55 м.

Количество труб, которое необходимо разместить по глубине воздухоохладителя, соответственно, по секциям

n _тр1 = l _тр1/(l _тр n) = 128/(3,4×6)» 7;

n _тр2 = l _тр2/(l _тр n) = 176/(3,4×6)» 9.

Ширина секций воздухоохладителя

B _в1 = (n _тр1 + 1) s _р = (7 – 1) 0,11 = 0,66 м;

B _в2 = (9 – 1) 0,11 = 0,88 м.

Компоновка аппарата приведена на рис. 14.

Рис. 14. Воздушный конвейерный морозильный аппарат:

1 – корпус аппарата; 2 – грузовой конвейер; 3 – секции воздухоохладителя;
4 – вентилятор

Аэродинамическое сопротивление движению воздуха в циркуляционном кольце D p складывается из потерь напора в воздухоохладителе D p _в; потерь напора у блок-форм D p _ф; потерь напора на поворотах D p _пов; потерь напора на входе в вентилятор D p _вх

D p = 1,1(D p _в + D p _ф + D p _пов + D p _вх),

где 1,1 – коэффициент, учитывающий трение воздуха в канале.

Потери напора в секциях воздухоохладителя рассчитываем по зависимостям (10). Число Рейнольдса при кинематическом коэффициенте вязкости n_в = 11×10^–6 м²×с (t ₀ = –45 °С) и скорости движения воздуха в живом сечении батареи воздухоохладителя w _ж = 4 м/с

Re = 4 × 0,038/11 × 10^–6 = 13 800.

Расстояние между ребрами труб "в свету" по секциям воздухоохладителя при толщине инея d_и1 = 1,5 мм и d_и2 = 1 мм составит соответственно

U ₁ = 20 – 0,8 – 2×1,5 = 16,2 мм;

U ₂ = 13,3 – 0,8 – 2×1 = 9,5 мм.

Тогда потери напора по секциям и в аппарате в целом

D p _в1 = 1,35×7 (30/38)^0,45 (16,2/38)^–0,72 (13 800)^–0,24 1,5×2 = 54 Па;

D p _в2 = 1,35×9 (30/38)^0,45 (9,5/38)^–0,72 (13 800)^–0,24 1,5×2 = 75 Па;

D p _в = D p _в1 + D p _в2 = 54 + 75 = 129 Па.

Потери напора при движении воздуха у блок-форм находим, считая, что местное сопротивление x_ф состоит из сопротивления воздуху при входе в суженное сечение между блок-формами и сопротивления воздуху при выходе из этого сечения в свободное пространство

x_ф = x_вх + x_вых = (1 – S _ф /S) + (1 – S _ф /S)² = (1 – 0,6/2) + (1 – 0,6/2)² = 1,2,

где S _ф – площадь блок-форм, препятствующих движению воздуха, S _ф = = n _фd_ф b _ф = 40·0,06·0,25 = 0,6 м²; S – общее сечение грузового отсека в направлении прохода воздуха, S = 3,4×0,6 = 2 м².

Потери напора при движении воздуха у блок-форм

D p _ф = x_фr_в w _ж²/2 = 1,2×1,5×4²/2» 6 Па.

При определении потерь напора на поворотах учитываем число поворотов n _пов = 4, имеющих коэффициент местного сопротивления x_пов = 1,5. Для уменьшения скорости воздуха при повороте конструктивно принимаем отступ d_пов = 0,3 м от конвейера и воздухоохладителя до теплоограждающих конструкций. Учитывая, что воздух движется как над грузовым отсеком и воздухоохладителем, так и под ними, а ширина поворотов равна длине конвейера, скорость воздуха на повороте

w _пов = V /(2 L _кd_пов) = 5,7/2 (3,4×0,3) = 2,8 м/с.

Тогда потери напора на поворотах

D p _пов = n _повx_повr_в(w _пов)²/2 = 4×1,5×1,5×2,8²/2 = 35 Па.

Предварительный подбор вентиляторов осуществляем, исходя из объемной подачи V = 5,7 м³/с и суммы уже рассчитанных местных потерь напора D p = D p _в + D p _ф + D p _пов = 129 + 16 + 35 = 180 Па. Учитывая длину трубы воздухоохладителя l _тр = 3,4 м, принимаем к установке три вентилятора марки 06–300 № 7 с диаметром всасывающего окна d = 0,7 м (см. прил. 6) и n _вен = 3 шт.

Скорость воздуха во всасывающем окне

w _вх = 4 V/ (p d ² n _вен) = 4×5,7/(p×0,7²×3)» 5,0 м/с.

Тогда потери напора на входе в вентилятор

D p _вх = x_вхr_в(w _вх)²/2 = 0,5×1,5×5,0²/2 = 14 Па.

Потери напора в циркуляционном кольце аппарата

D p = 1,1·(129 + 16 + 35 + 14) = 212,6 Па.

Для принятых к установке вентиляторов при V _вен = 1,9 м³/с и D p = 212,6 Па коэффициент полезного действия h_вен = 0,6. Потребляемая мощность вентиляторов

N _вен = 3×1,9×212,6/0,6 = 2010 Вт» 2,00 кВт.

Эксплуатационный теплоприток был принят вначале расчета равным Q ₄ = 4,4 кВт, а тепловой эквивалент работы электродвигателей вентиляторов оказался меньше, поэтому корректировки теплообменной поверхности воздухоохладителя не требуется.

Определим размеры аппарата. Для определения длины аппарата L _а необходимо знать: длину конвейера L _к, длину отступов с двух сторон от конвейера до теплоограждающей конструкции d_пов, две толщины теплоограждающей конструкции d_т.

Тогда

L _а = L _к + 2d_пов + 2d_т = 3,4 + 2×0,3 + 2×0,1 = 4,2 м.

Высота аппарата определяется высотой секций воздухоохладителя H _в, поддона для сбора талой воды h, отступами для прохода воздуха d_пов, толщиной теплоограждающей конструкции d_т

H _а = H _в + h + 2d_пов + 2d_т = 0,6 + 0,5 + 2×0,3 + 2×0,1 = 1,9 м.

Ширина аппарата определяется шириной грузового отсека B _гр, шириной двух секций воздухоохладителя B ₁, B ₂, шириной вентилятора B _вен, отступами для прохода воздуха d_пов, толщиной теплоограждающей конструкции d_т.

B _а = B _гр + B ₁ + B ₂ + 2d_пов + 2d_т = 1,6 + 0,66 + 0,88 + 2×0,3 + 2×0,1 = 4,0 м.

Возможна также установка серийных воздухоохладителей, например двух аммиачных воздухоохладителей марки GHP 080 D/216 (см. прил. 11). Воздухоохладитель имеет: теплообменную поверхность f _в = 154,2 м², шаг оребрения t _р = 16 мм, шаг между трубами s _р = 60 мм, диаметр вентилятора d _вен = 0,8 м, мощность электродвигателя вентилятора h_вен = 1,5 кВт, два вентилятора, общую объемную подачу вентиляторов V _вен = 33 800 м³/ч. Габариты воздухоохладителя: длина l _в = 3260 мм, ширина b _в = 1236 мм, высота h _в = 1263 мм, масса m _в = 763 кг.

Использование же хладоновых воздухоохладителей марки GHP 051 D/310 позволяет применить два индивидуальных компрессорно-конденсаторных агрегата марки UF-TK6000 CS фирмы DORIN (прил. 14) холодопроизводительностью по 16,7 кВт каждый (при температуре кипения хладагента минус 45 °С и температуре конденсации 45 °С) и, в конечном итоге, автоматизировать систему хладоснабжения камеры замораживания творога с фактическим коэффициентом рабочего времени в _ф = 29,3/2·16,7 = 0,88. Хладоновые воздухоохладителиGHP 051 D/310 (см. прил. 12) имеют теплообменную поверхность f _в = 146,7 м², шаг оребрения t _р = 10 мм, шаг между трубами s _р = 60 мм, диаметр вентилятора 0,8 м, мощность электродвигателя вентилятора 1,0 кВт, два вентилятора, общую объемную подачу вентиляторов V _вен = 17 280 м³/ч. Габариты воздухоохладителя: длина l _в = 3246 мм, ширина b _в = 790 мм, высота h _в = 665 мм, масса m _в = 166 кг.

Дата добавления: 2014-11-20