Расчет спирального морозильного аппарата

Исходные данные. Аппарат для замораживания гипфелей имеет производительность G = 200 кг/ч. Начальная температура продукта t _н = 20 °С, а его конечная (среднеобъемная) t _к = –20 °С. Температура воздуха в грузовом отсеке аппарата t _ап = –30 °С. Единичный продукт – гипфель – имеет массу m _гп = 0,15 кг и размеры: l _гп = 0,16, b _гп = 0,07, d_гп = 0,02 м.

Требуется: определить продолжительность замораживания единичного продукта, габариты аппарата, тепловую нагрузку на холодильное оборудование; подобрать воздухоохладитель и компрессорно-конденсаторный агрегат, обслуживающий аппарат.

Продолжительность замораживания гипфеля t определим по формуле Планка (12), полагая, что продукт имеет форму пластины.

Из прил. 8, 13 найдем теплофизические параметры теста: плотность r_т = 630 кг/м³; теплопроводность l_т = 0,84 Вт/(м×К); удельная теплоемкость охлажденного теста c _о = 2,8 кДж/(кг×К); удельная теплоемкость замороженного теста c _з = 2,3 кДж/(кг×К); доля содержания влаги в тесте w_w = 0,44; доля вымороженной влаги w = 0,75 [9]; криоскопическая температура t _кр = –4,5 °С.

Принимаем скорость движения воздуха у продукта w _пр = 2 м/с, коэффициент теплоотдачи, соответствующий этой скорости, a = 12 Вт/(м²×К) [1], теплоотвод от продукта происходит с двух сторон, поэтому d_гп = 0,01 м.

Удельное количество теплоты, отводимой от продукта [1],

q _з = 2,8 (20 – (–4,5)) + 335×0,43×0,75 + 2,3 (–4,5 – (–20)) = 215 кДж/кг.

Тогда продолжительность замораживания пластины (гипфеля) при R = 0,32 и Р = 0,1 (см. прил. 16), если b₁ = l _гп/d_гп = 0,16/0,02 = 8, а b₂ = b _гп/d_гп = = 0,07/0,02 = 3,5,

t = 215 300×630×0,01 (0,32·0,01/0,84 + 0,1·1/12)/(–4,5 – (–30))» 5000 с» 1,5 ч.

Более корректно можно выполнить расчет продолжительности замораживания по программе на ЭВМ (прил. 17) [10].

Вместимость аппарата M = G t = 200×1,5 = 300 кг.

В конвейере используем ленту шириной b _л = 0,6 м. Гипфели располагаем длинной стороной перпендикулярно движению ленты на расстоянии 0,03 м друг от друга. Тогда по ширине ленты разместится 0,6/(0,16 + + 0,03) = 3 шт., а в аппарате n _гп = 2000 шт. гипфелей (300/0,15 = 2000). Необходимая длина ленты конвейера (с учетом расстояния между рядами продукта 0,02 м) составит L _к = n _гп(b _гп + d_з) = 2000 (0,07 + 0,02)/3 = 75 м.

При такой длине ленты конвейера и с учетом вида замораживаемого продукта целесообразно использовать морозильный аппарат со спиральным конвейером. Стальная сетчатая лента вращается по спирали вокруг барабана. Длина одного ряда спирали конвейера при диаметре барабана 2 м и средней ширине ленты 0,3·2 = 0,6 м (D _сп = 2 + 0,6 = 2,6 м) равна l _сп = p D _сп = p×2,6 = 8,2 м. Всего на барабане должно быть размещено n _сп = L _к/ l _сп = 75/8,2» 10 рядов спиралей конвейера.

При высоте гипфеля 0,02 м, толщине сетки конвейера 0,01 м и ширине отступа между конвейерами 0,05 м получим минимальную высоту барабана H _б = 10 (0,02 + 0,01 + 0,05) = 0,8 м. Учитывая конструктивные выступы барабана с двух сторон по 0,2 м, получим уточненную высоту барабана H _б = 1,2 м.

Ширина морозильного аппарата (рис. 15) определяется диаметром барабана (2 м), шириной двух лент конвейера (2×0,6 м), двумя зазорами между лентой и стенкой аппарата (2×0,1 м), толщиной двух стенок корпуса аппарата (2×0,1 м). Ширина аппарата

B = 2 + 2×0,6 + 2×0,1 + 2×0,1 = 3,6 м.

С учетом возможности установки воздухоохладителя принимаем B» 4,5 м.

Рис. 15. Компоновка спирального морозильного аппарата:

1 – корпус; 2 – барабан; 3 – батарея воздухоохладителя; 4 – вентилятор;
5 – спиральный конвейер; 6 – воздухоохладитель

Длина аппарата больше ширины на размер воздухоохладителя в направлении движения воздуха. Принимаем L = 4,5 + 1 = 5,5 м.

Высоту аппарата определяют: высота барабана (1,2 м), высота воздухоохладителя (1 м), отступ для поворота потока воздуха (0,5 м) и две толщины корпуса (2×0,1 м)

H = 1,2 + 1 + 2·0,5 + 2×0,1 = 3,4 м.

Определим тепловую нагрузку на аппарат. Учитываем, что в летний период температура воздуха в кондитерском цехе может достигать 29 °С. Полагаем, что ограждение толщиной d_пу = 0,1 м изолировано пенополиуретаном с теплопроводностью l_пу = 0,035 Вт/(м×К) [2]. Тогда коэффициент теплопередачи ограждения по упрощенной зависимости составит

k _ап» l_пу/d_пу» 0,035/0,1» 0,35 Вт/(м×К).

Теплоприток через ограждения согласно формуле (2)

Q ₁ = 0,35(2×4,5×4,6 + 2×4,5×3,4 + 2×3,4×4,6)(29 – (–30))» 2000 Вт» 2 кВт.

Теплоприток от замораживания гипфелей [3]

Q ₂ = Gq _з = 200×215/3600 = 12 кВт.

Теплоприток от охлаждения ленты конвейера L _к = 75 м, полагая, что она имеет массу 525 кг (при массе одного погонного метра ленты конвейера – 7 кг/м²); теплоемкость с _м = 0,42 кДж/кг и охлаждается от начальной температуры ленты 0 °С до температуры воздуха в аппарате, составит

Q _2л = m _к· с _м (t _ап – t _к) = 525×0,42(30 – 0)/3600 = 1,6 кВт.

Теплоприток от инфильтрации воздуха через окна загрузки и выгрузки примем ориентировочно 30 % от Q ₁ и тогда

Q _4и = 0,3 Q ₁ = 0,3×2,0» 0,6 кВт.

Теплоприток от работы электродвигателей вентиляторов ориентировочно принимаем 20 % от Q ₂

Q _4э = 0,2 Q ₂ = 0,2×12 = 2,4 кВт.

Суммарная тепловая нагрузка на аппарат будет равна сумме теплопритоков и составит

Q ₀ = 2,0 + 12 + 1,6 + 0,6 + 2,4 = 18,6 кВт.

Воздухоохладитель подбираем по площади теплообменной поверхности, полагая t ₀ = –40 °С

F _в = 18,6·10³/(10×(– 30 – (–40))» 185 м².

Из прил. 4 находим значение коэффициента теплопередачи хладонового воздухоохладителя для условий замораживания, k ₀ = 10 Вт/(м²×К). При этом требуется 4–6 ч для оттаивания инея с поверхности теплообмена. При-нимаем (с запасом) к установке три воздухоохладителя марки ВО 80 [9]. Секции воздухоохладителя имеют площадь теплообменной поверхности F _с = 80 м² и габариты 1,25 ´ 1,02 ´ 1,0 м. Далее считаем потери напора в циркуляционном контуре аппарата.

Объемный расход воздуха, циркулирующего в аппарате, определим из условия создания принятой скорости движения воздуха у поверхности продукта w _пр = 2 м/с

V = w _пр F _ж = 2×2,26 = 4,52 м³/с,

где F _ж – живое сечение для прохода воздуха около продукта, F _ж = F _вит – F _пр = = 5 – 2,24 = 2,26 м²; F _вит – сечение витка спирали конвейера в направлении прохода воздуха, F _вит = p (D _б + b _л)²/4 – p D _б²/4 = p (2 + 2×0,6)²/4 – p×2²/4» 5 м²; F _пр – площадь, занятая продуктами на одном витке конвейера, F _пр = = (0,16×0,07)×2000/10 = 2,24 м².

Общее сопротивление движению воздуха в циркуляционном кольце аппарата составит

D p = D p _в + D p _пр + D p _п + D p _вх + D p _вых,

где D p _в – потери напора в воздухоохладителе; D p _пр – потери напора при движении воздуха через спирали конвейера; D p _п – потери напора на поворотах потока; D p _вх – потери напора на входе в вентилятор; D p _вых – потери напора на выходе из вентилятора.

Потери напора в оребренной секции воздухоохладителя ВО 80 определяются из условия, что сплошное ребро размерами 154 х 80 х 0,4 мм контактирует с трубами (n _тр = 8) диаметром d _н = 16 мм при их коридорном расположении с шагом s _тр = 0,04 м. Первые два ряда труб по ходу воздуха имеют шаг оребрения t _р1 = 0,015 м, два следующих t _р2 = 0,075 м. Фронтальное сечение трех воздухоохладителей составит f = 3×0,56» 1,68 м². Расстояние между ребрами в свету при выпадении инея толщиной d_и = 3 мм составляет u ₁ = t _р1 – d_р – 2d_и = 0,015 – 0,0004 – 2×0,003 = 0,0084 м. Коэффициент сжатия потока воздуха φ₁ = (s _тр – d _н) u ₁/ (s _тр – t _р1) = (0,04 – 0,016) 0,0084/(0,04 – 0,015) = = 0,33. Живое сечение первой секции составит f ₁ = f φ = 1,68×0,33 = 0,55 м², а скорость движения воздуха в ней w ₁ = V / f ₁ = 4,52/0,55 = 8,2 м/с.

Потеря напора в первой секции воздухоохладителя при пластинчатом оребрении определяем при плотности воздуха ρ_в = 1,5 кг/м²

D p _в1 = 0,1332(L _р/ d _э)(w _вr_в)^1,7 = 0,133 (0,3/0,011) (8,2×1,5)^1,7 = 257 Па,

где d _э – эквивалентный диаметр суженного сечения между трубами и ребрами, м, d _э = 2×0,0084×0,018/(0,0084 + 0,018) = 0,011 м.

Во второй секции при толщине инея d_и = 1 мм получим следующие величины:

U ₂ = 0,0075 – 0,0004 – 2×0,001 = 0,0051 м;

φ₂ = (0,04 – 0,016) 0,0051/(0,04 – 0,0075) = 0,4;

f ₂ = 1,68×0,4 = 0,67 м²;

w ₂ = 4,52/0,67 = 6,7 м/с;

d _э = 2×0,0051×0,022/(0,0051 + 0,022) = 0,008 м;

D p _в2 = = 0,132 (0,3/0,008) (6,7×1,5)^1,7 = 250 Па.

Общая потеря напора в воздухоохладителе равна

D p _в = D p _в1 + D p _в2 = 257 + 250 = 507 Па.

Потерю напора при движении воздуха через витки конвейера определяем в соответствии с методикой, изложенной в справочнике [6],

D p _в.к = n _вит z_пр w r_в/2 = 10×2,9×2²×1,5/2 = 87 Па,

здесь z_пр – коэффициент местного сопротивления движению воздуха через витки конвейера, принимается в зависимости от отношения живого сечения к сечению витка конвейера, z_пр = 2,9.

Потери напора на поворотах по формуле (8)

D p _п = 4×0,5×3²×1,5/2 = 14 Па,

здесь w _п – скорость воздуха на поворотах, w _п = 4,5/(3×0,5) = 3 м/с; z_п – коэффициент сопротивления воздуха на поворотах, z_п = 0,5.

Потери напора на входе в вентилятор по формуле (7)

D p _вх = 0,5×7,7²×1,5/2 = 22 Па,

где z_вх – коэффициент местного сопротивления на входе во всасывающее окно вентилятора, z_вх = 0,5; w _вх – скорость воздуха на входе в вентилятор, w _вх = = 4 V /(3p d _вен²) = 4×4,52/(3p×0,5²) = 7,7 м/с; d _вен – диаметр вентилятора, d _вен = 0,5 м².

Потери напора в диффузоре на выходе из вентилятора в секции воздухоохладителя при z_диф = 0,1 [6]

D p _вых = 0,1×7,7²×1,5/2 = 4 Па.

Сумма потерь напора в аэродинамическом кольце аппарата

D p = D p _в + D p _в.к + D p _п + D p _вх + D p _вых = 507 + 87 + 14 + 22 + 4 = 634 Па.

Напор вентилятора, приведенный к воздуху с температурой 20 °С и плотностью r₂₀ = 1,2 кг/м³,

D p ₂₀ = D p r₂₀/r_в = 634×1,2/1,5 = 517 Па.

Принимаем к установке три вентилятора ОСО 63/6,3 (см. прил. 6), имеющих объемную подачу 1,66 м³/с при напоре 470 Па и коэффициенте полезного действия 0,51 [6].

Потребляемая мощность электродвигателей вентиляторов

N = 4,52×634/0,51» 5600 Вт» 5,6 кВт.

Потребляемая мощность больше ранее принятой на 5600 – 2400 = 3200 Вт.

Расчетная теплообменная поверхность должна быть увеличена на 3200/(10×10) = 32 м² и тогда составит F _д = 183 + 32 = 215 м². Принятые к установке воздухоохладители имеют запас теплообменной поверхности 3·80 = 240 м².

При тепловой нагрузке на аппарат Q ₀ = 2,0 + 12 + 1,6 + 0,6 + 5,6 = 21,8 кВт и температуре кипения хладагента t ₀ = –40 °С, оборотном водоснабжении с температурой конденсации t = 35 °С возможно использование компрессорно-конденсаторного агрегата АК 110-2-3 [11] с холодопроизводительностью (при указанных условиях) Q ₀ = 24 кВт, и тогда в _ф = 21,8/24» 0,9.

Дата добавления: 2014-11-20