7.7.1. Требования к теплоносителям.

Теплоносители должны иметь: большую теплоту паро­образования, малую вязкость, высокие температуры при малых давлениях и возможность их регулирования, необходимую термостойкость, низкую стои­мость, коррозиеустойчивостъ. Любой теплоноситель может быть в трех состоя­ниях: твердом, жидком, газообразном.

Однако работать в качестве теплоносителя он может либо в однофазном состоянии (жидкость), либо в двухфазном (пар-жидкость).

К однофазным теплоносителям относятся минеральные масла, которые в рабочем состоянии находятся при температуре ниже температур кипения.

Двухфазные теплоносители (водяной пар, дитоликметан) в процессе работы находятся одновременно в состоянии пар-жидкость.

Вода. Вода используется в тепловых процессах как теплоноситель (греющая среда) для непосредственного нагрева пищевых продуктов (варка), как проме­жуточный теплоноситель в греющих рубашках аппаратов, работающих в одно- и в двухфазных состояниях.

Горячая вода как теплоноситель применяется преимущественно в аппара­тах для поддержания готовой продукции в горячем состоянии. Но сравнению с влажным насыщенным паром горячая вода имеет ряд недостатков: более низ­кий коэффициент теплоотдачи, неравномерное температурное поле вдоль поверхности теплообмена, высокая тепловая инерционность аппарата, что затруд­няет, регулирование теплового режима нагреваемой среды.

Водяной пар. Пар - один из наиболее широко применяемых теплоносителей. К его основным достоинствам относятся: высокий коэффициент теплоотдачи от кон­денсирующегося пара к стенке теплообменника, постоянство температуры кон­денсации, возможность достаточно точно поддерживать температуру нагрева, а так же в случае необходимости регулировать ее, изменяя давление пара.

Основным недостатком водяного пара является значительное возрастание давления с повышением температуры. Поэтому насыщенный водяной пар при­меняется для процессов нагревания только до умеренных температур (150°С).

Однако использование водяного пара в сравнительно небольших тепловых аппаратах, предназначенных для ПОП, приводит к значительному увели­чению их металлоемкости (из-за повышения давления пара). Если при сравнительно больших объемах потребления пара на предприятиях пищевой промышленно­сти подобное хозяйство оправдано, то для малых тепловых аппаратов общественного питания при объемах потребления пара до 0,5 т/ч организация его не­целесообразна.

Топочные газы. В качестве теплоносителей применяют продукты сгорания топлива, кото­рые с помощью тяговых устройств проходят по газоходам аппаратов, охлажда­ются и выводятся в атмосферу. При выходе из топки они имеют высокую тем­пературу, от 300 до 800° С и обогревают поверхности нагрева аппарата. При сжигании 1 кг или 1 м³ топлива выделяется теплота, равная теплоте сгорания топлива, зависящая от его состава и отнесенная к рабочей сухой или горючей массе топлива.

8. Оценка эффективности работы тепловых аппаратов

Работа тепловых аппаратов характеризуется рядом технико-экономических и эксплуатационных показателей, по которым можно проводить сравнение совершенства их конструкций. В большинстве своем эти показатели являются относительными.

К основным показателям относятся: коэффициент использования; производительность; коэффициент полезного действия (кпд); удельный расход теплоты; удельная металлоемкость; тепловое напряжение поверхности нагрева.

Коэффициент использования теплового аппарата определяется из выражения:

- непрерывного действия:

, (7.3)

- для аппаратов периодического действия:

, (7.4)

где φ – коэффициент использования; τ_раб – продолжительность работы аппарата в смену, ч; τ_i – продолжительность работы аппарата для одной загрузки, ч; n_i – количество загрузок аппарата в смену, раз;

τ – продолжительность одной смены, ч.

При этом продолжительность работы аппарата для одной загрузки включает время, необходимое на загрузку, тепловую обработку, выгрузку и мойку аппарата.

Чем выше коэффициент использования аппарата, тем эффективнее он используется на предприятии.

Важнейшим показателем работы тепловых аппаратов является их производительность. Под производительностью понимается количество продукции, вырабатываемой аппаратом в единицу времени.

Для аппаратов периодического действия производительность рассчитывается по формуле:

, (7.5)

где Q_Т – производительность аппарата, кг/ч; G – масса единовременно загруженных продуктов, кг; τ₃ – продолжительность загрузки, с; τ_обр – продолжительность тепловой обработки, с; τ_в – продолжительность выгрузки аппарата, с.

Тепловые аппараты периодического действия часто характеризуют не по производительности, а по их основному параметру – объему рабочей камеры, площади жарочной поверхности и др.

Для тепловых аппаратов непрерывного действия, в которых вырабатывается штучная или порционная продукция, расчет производительности проводят по формуле:

, (7.6)

где Q_Т – количество продукции, выпускаемой за цикл, шт.; τ_дв – продолжительность движения транспорта между циклами; τ_ост – продолжительность остановки, с.

Для аппаратов, вырабатывающих продукцию непрерывно, объемная производительность рассчитывается по формуле:

, (7.7)

где F – поперечное сечение продуктов потока, м²; v – скорость движения потока, м/ч; L – длина рабочей камеры, м; V_p – вместимость рабочей камеры, м³; τ – продолжительность технологического цикла аппаратов, ч.

Коэффициент полезного действия теплового аппарата – это отношение полезно используемой теплоты Q₁ ко всей затраченной Q_затр:

(7.8)

Полезно используемая теплота – это теплота, которая расходуется непосредственно на приготовление пищи. Чем выше кпд аппарата, тем более совершенен. Основной путь увеличения кпд – уменьшить потери теплоты за счет лучшего сжигания топлива, сокращения потерь теплоты в окружающую среду и на разогрев конструкции самого аппарата.

Удельным расходом теплоты называется количество теплоты, расходуемой на единицу готовой продукции:

, (7.9)

где q – удельный расход теплоты, Дж/кг; G_г.пр – масса (количество) готовой продукции, кг (шт).

Чем меньше удельные расходы теплоты, тем совершеннее конструкция аппарата.

Удельная металлоемкость аппарата характеризуется расходом металла на единицу характерного параметра аппарата (объема или площади):

m = M / V₀; m = M / F₀ (7.10)

где m – удельная металлоемкость; M – масса металлоконструкции аппарата, кг; V₀ – объем рабочей камеры, м³; F₀ – площадь рабочей (жарочной) поверхности, м².

Для аппаратов непрерывного действия металлоемкость может характеризоваться удельной производительностью, т.е. производительность, отнесенной к массе металлоконструкций:

q = Q_Т / М (7.11)

Энергетическим показателем, характеризующим тепловой аппарат, является тепловое напряжение поверхности нагрева:

T = Q_затр / F_н · τ, (7.12)

где Т – тепловое напряжение поверхности нагрева, Вт/м²; F_н – площадь поверхности нагрева, м²; τ – продолжительность работы аппарата, с.

Цель расчета - определение поверхности теплообмена и конструктивных размеров аппарата. В этом случае предварительно выбирают конструкцию аппарата, а затем с помощью теплового расчета определяют площадь по­верхности теплообмена, конструктивные размеры этой поверхности и основ­ных элементов аппарата. Расчет включает также гидравличе­ский и механический (прочностной) расчеты аппарата.

Для теплового расчета аппаратов основными рас­четными уравнениями являются уравнения теплопередачи и теплового баланса. Основное уравнение теплопередачи:

Q = KFt_cp; (7.13)

где Q - тепловая нагрузка аппарата, Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К); F - поверхность теплоотдачи, м2; Δtcp - средняя разность температур (движущая сила теплообмена).

Общий вид уравнения теплового баланса:

Q = Q_пол + Q_пот; (7.14)

где Q - количество подведенной теплоты в аппарате, Вт, Q_пол - сумма составляющих полезно используемой теплоты, Вт; Q_пот - суммарные потери теплоты в аппарате, Вт

Уравнение теплопередачи (7.13) отражает тепловой процесс односторонне, показывая лишь теплоту, прошедшую через поверхность нагрева аппарата. Уравнение теплового баланса (7.14) показывает равенство прихода и расхода те­плоты в аппарате, выражая известный закон сохранения энергии.

Работа любого теплового аппарата как периодического, так и непрерывного действия состоит из периода разогрева и стационарного периода. Период разогрева характеризуется ростом температур отдельных элементов аппарата до какого-то определенного постоянного значения, стационарный период отра­жает работу аппарата при постоянной температуре всех элементов. В связи с этим тепловой баланс аппарата составляют на нестационарный режим работы и на стационарный режим.