Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра «Технология и организация питания»
Расчет теплового технологического оборудования
Пояснительная записка к курсовому проекту

По дисциплине «Оборудование предприятий общественного питания»
Автор курсового проекта

Студент группы КОМ-450
Руководитель

Кисимов Б.М.

Ужова И. Р.

Проект защищен с оценкой:

________________________

 «______»____________2009 г.
Челябинск

2009 г.
Выбор задания
Задание на проектирование включает в себя исходные данные в соответствии с вариантом заданий.

Разработка конструкции, тепловой расчет оборудования и электронагревательных элементов производились, пользуясь табличными данными:

Вариант, наименование оборудования	Габаритные размеры, мм	Мощность, кВт	Дополнительные сведения	Наименование блюда
17. Фритюрница секционно-модулированная	460х700х900	6,00	Vчаши = 10 л, τр=20мин, загрузка продукта 1,7кг	Картофель фри

                                                                        КОМ-450.17.ПЗ
Содержание

Введение                                                                                                         4

1 Особенности конструкции разработанного теплового аппарата                 5

2 Основные принципы расчета и проектирования теплового оборудования    7

2.1 Методика теплового расчёта электрического жарочного оборудования     7

2.1.1  Определение полезно используемого тепла                                                8

2.1.2 Определение потерь тепла в окружающую среду                                     11

2.1.3 Определение потерь тепла на нагрев оборудования                                 21

3 Конструирование и расчет электронагревателей                                             25

3.1 Расчет электронагревателей                                                                            28

Заключение                                                                                                          30

Литература                                                                                                           31



                                                                           КОМ-450.17.ПЗ
                                                                                                 

Введение
Тепловым называют оборудование, предназначенное для тепловой обработки продуктов.

При конструировании и проектировании различных видов теплового оборудования, учитывают различные условия, обеспечивающие наибольшую эффективность производства и эксплуатации этого оборудования.

В большинстве случаев при приготовлении пищи продукты варят, жарят, тушат, т.е. подвергают тепловой обработке. Под действием определенного количества тепла продукты изменяют физико-химические свойства: жиры плавятся, белки свертываются, меняется вкус, цвет, запах и т.д. Кроме того, под действием высокой температуры уничтожается в продуктах переработки болезнетворная микрофлора.

При тепловой обработке происходит естественный самопроизвольный переход тепла от его источника к нагреваемому продукту, поскольку источник тепла всегда более нагрет, чем продукт.

Источники тепла в аппаратах могут быть топливо, электроэнергия и теплоносители. На практике применяются в основном такие теплоносители, как водяной пар, вода, масло. Основные способы тепловой обработки пищевых продуктов — варка и жарка. Варка продуктов может осуществляться несколькими способами, в жидкой среде, автоклавах и сосудах с пониженным давлением. Жарку продуктов производят в неглубокой посуде — сковороде во фритюре, когда продукт полностью загружают в горячий жир.

Целью курсовой работы по технологическому оборудованию предприятий общественного питания является получить студентами навыков в самостоятельной работе, научить студентов пользоваться справочной литературой, развить у них изобретательность, а также закрепить  полученных ранее знаний по различным дисциплинам.

Выполнение проекта позволит студентам уяснить всю сложность технических решений технологических задач с тем, чтобы в своей производственной деятельности правильно ставить задачи перед инженерами-механиками для создания эффективного технологического оборудования.
1 Особенности конструкции разработанного теплового аппарата
Фритюрницы — это специализированные жарочные аппараты, предназначенные для жарки кулинарных и кондитерских изделий в большом количестве жира, нагретого до температуры 160-180°С.

Основными частями фритюрницы периодического действия являются корпус, жарочная ванна и нагреватели.

Фритюрница электрическая оснащена  1 ванной вместимостью 38л и 1 корзиной размером 310х220х170мм.

Жарочная ванна изготовляется из нержавеющей стали или пищевого алюминия методом сварки. Верхняя часть ванны имеет прямоугольную, а нижняя выполнена в виде усеченной пирамиды. Нижняя часть ванны является «холодной зоной», где температура жира во время работы не превышает 80° С. Частицы продукта, попадая в эту часть ванны, не перегреваются и не обугливаются, в результате чего менее интенсивно загрязняется масло.

Фритюрница используется на предприятиях общественного питания как отдельно стоящий аппарат или в составе технологических линий.

Выполнена фритюрница в виде сварной рамы, установленной на регулируемых по высоте ножках, в которой крепятся стальные облицовки, покрытые эмалью. Сверху они накрываются столом с вваренной в него жарочной ванной (370х300х610мм). Дно ванны, к которому приварен отстойник с краном, имеет форму усеченной пирамиды и служит «холодной зоной». В отстойник вставлена съемная пластинка с сеткой для фильтрации масла при его сливе.

Нагрев залитого в ванну масла осуществляется тэнами, закрепленными в тэнодержателе, установленном на столе. ТЭНы изготовлены из нержавеющей стали с жаропрочным и жаростойким никелехромовым сплавом. Конструкция тэнодержателя позволяет поднимать тэны и вынимать их для санитарной обработки.

Автоматическое регулирование температуры масла осуществляется с помощью датчиков реле температуры, которые закреплены во втулках, приваренных к ванне с внешней стороны; термобаллоны датчиков вмонтированы в жарочную ванну.

На передней верхней части фритюрницы расположены сигнальные лампы. Зеленая лампа показывает включение в работу тэнов, а желтая — по достижении заданной рабочей температуры жира.

Доступ к панели с электроаппаратурой и бачку фритюрницы осуществляется со стороны обслуживающего персонала через дверь с магнитной защелкой. Сигнальные лампы и пакетный выключатель выведены на переднюю облицовку.

Правила эксплуатации

Перед началом работы проверяют санитарное и техническое состояние фритюрниц. У фритюрницы перед началом работы открывают дверцу, устанавливают под ванной бачок, закрывают сливной кран и заливают масло до отметки, имеющейся на стенке ванны. Электронагреватели включают поворотом выключателя. При этом загорается зеленая лампа.

Жаренье продуктов производится в сетчатой корзине из нержавеющей стали, погружаемой в жарочную ванну с горячим маслом. Корзина имеет безопасные ручки корзины с фиксатором и крючок, с помощью которого она подвешивается на скобу для стекания масла.

Подлежащий жаренью продукт помещают в корзину, и после загорания желтой лампы, сигнализирующей о нагреве его до нижнего заданного предела, погружают в разогретый жир. Готовность изделия проверяют органолептически.

В процессе жаренья следят за уровнем масла в ванне и периодически добавляют его тонкой струёй, при этом имеется окошко для контроля.

По окончании работы фритюрницу отключают, устанавливая рукоятку выключателя в положение Выкл. Оставшееся масло сливают через сливной кран в бачок. Ванну, тэны, стол, крышку, маслоотстойник, корзины промывают горячей водой и просушивают, протирая сухой салфеткой.

После 40 ч работы масло полностью заменяют, предварительно тщательно очистив фритюрницу. Для этого стенки ее очищают ершом и щеткой, заливают в ванну примерно 30 л 3%-ного раствора каустической соды или 5%-ного раствора моющего средства, включают тэны и кипятят не менее 1 ч. Затем тэны отключают, раствор сливают, а стенки ванны вновь очищают ершом и щеткой.

Периодически проверяют правильность работы температурных реле, так как нагрев масла свыше 180° ведет к образованию в нем вредных для здоровья человека веществ.
2 Основные  принципы расчета теплового оборудования
Для проведения теплового расчета в варианте задания указаны тип аппарата, его габаритные размеры, а также дополнительные сведения, включающие время разогрева, приготавливаемую кулинарную продукцию. Задачей теплового расчета электрического теплового оборудования является определение максимальной и минимальной мощностей, а также проектирование и расчет электронагревателей.

Некоторые необходимые для расчетов справочные данные использовали, пользуясь рекомендуемой литературой. При выполнении курсового проекта недостающие величины принимаются ориентировочно по опыту  работы или другим литературным источникам.

При тепловом расчете оборудования с целью определения необходимого количества энергии и тепловой мощности для обработки того или иного изделия необходимо составить уравнение теплового баланса, представляющее собой сумму различных составляющих энергетических затрат, имеющих место при работе аппарата. К основным составляющим энергетических затрат при работе электрических тепловых аппаратов относятся:

   полезная теплота Q_П, затрачиваемая на непосредственную обработку продукта;

   потери тепла в окружающую среду Q_ср ;

   потери тепла на нагрев оборудования Q_об.
2.1 Методика теплового расчета электрического жарочного оборудования
Большинство видов теплового оборудования характеризуются высокой тепловой инерционностью, что связано с особенностью их конструкции, используемыми конструкционными материалами и типами электронагревателей. Такое оборудование рассчитывают для двух режимов работы – нестационарного (разогрева) и стационарного (непосредственной обработки). Под нестационарным режимом понимается начальный период работы оборудования, в процессе которого оно выходит на заданный тепловой режим, при котором рабочие камеры,

поверхности или греющие среды (воздух, вода, жир) достигают заданной температуры. В условиях стационарного режима теплообмен происходит без существенных изменений температуры указанных выше конструктивных элементов. Это объясняется тем, что наступает тепловое насыщение и конструкционные материалы не способны поглощать большое количество тепловой энергии или количество поглощенной ими энергии примерно равно количеству энергии, отдаваемой в окружающую среду.

В общем виде уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:

для нестационарного режима

Q′ = Q′_П+ Q′_ср+Q′_об,

для стационарного режима

Q′′ = Q′′_П+ Q′′_ср+Q′′_об,

Где Q′ и Q′′ - суммарная тепловая энергия, затрачиваемая соответственно при нестационарном и стационарном режимах работы оборудования.

Так как нестационарный и стационарный режимы при тепловой обработке продукта протекают последовательно и независимо друг от друга, то необходимую мощность оборудования определяют по тому уравнению теплового баланса, сумма которого окажется больше (Q′ или Q′′).
2.1.1 Определение полезно используемого тепла
Расчет Q_П, кДж/ч, жарочного оборудования обычно производят путем определения затрат энергии за час работы оборудования или на 1 кг обрабатываемой продукции.

Режим разогрева (нестационарный)

При расчете жарочного оборудования в условиях нестационарного режима полезная теплота затрачивается на нагрев масла, например, при жарке основным способом в сковороде или при жарке во фритюре. Количество нагреваемого масла определяют по количеству обрабатываемых продуктов.

Для расчета полезно используемого тепла, расходуемого на нагрев пищевого жира во фритюрнице в режиме разогрева, пользуются формулой
,
где     М_ж – вес пищевого жира, кг;

С_ж – теплоемкость пищевого жира, принять равной 1,676 кДж/(кг∙ºС);

t₁ – температура нагрева жира (равная температуре жарки); принимается равной 160-170 ºС;

t₀ – начальная температура пищевого жира, ºС;

τ′ - время нагрева жира, ч.

Количество одновременно загружаемого продукта для жарки во фритюрнице находят из выражения



где G₀  – количество одновременно загружаемого продукта для жарки, кг;

V_ч – объем загрузочной чаши фритюрницы, дм³;

φ – коэффициент заполнения фритюрницы (φ=0,6-0,7);

δ_n – истинная плотность загружаемого продукта, кг/ дм³, равная 0,37 кг/ дм³;

δ_ж – плотность жира, кг/ дм³, принять равной плотности растительного масла 0,903 кг/ дм³;

γ – кратность количества фритюрного жира количеству продукта (не менее 4).

  кг

Вес пищевого жира при жарке во фритюре должен превосходить количество одновременно загружаемого продукта минимум в 4 раза.



  кг.

Таким образом, полезно используемое тепло, расходуемое на нагрев пищевого жира во фритюрнице равен
  кДж/ч.

Стационарный режим

При стационарном режиме полезно используемое тепло состоит из отдельных статей расхода, которые определяют по формуле



где первое слагаемое – расход тепла на нагрев продукта;

второе – расход тепла на испарение влаги из продукта;

третье – расход тепла на образование корочки на продукте;

четвертое – расход тепла на нагрев доливаемого в процессе работы пищевого жира;

М – часовая производительность по сырью, кг/ч,

     кг/ч

где G₀  – количество одновременно загружаемого продукта для жарки, кг;

 τ – продолжительность цикла обработки, мин (принять равной 6 минут);

 с – теплоемкость продукта, принять равной 2,982 кДж/(кг∙ºС);

 t₂ – температура нагрева продукта, принимаемая равной 90-100 ºС;

 t₄ – начальная температура продукта равная 20 ºС;

 ω_n – истинный продукт ужарки, принять равным 17%;

 r – скрытая теплота испарения при атмосферном давлении, принять равным 2258,2 кДж/кг;

 К – процентное содержание корки в продукте; рекомендуемая в расчетах принимать в пределах от 15 до 25%;

 С_к – теплоемкость корочки, принять как теплоемкость сухого вещества равную 1,67 кДж/(кг∙ºС);

 t₃ – температура образования корочки, ºС (135-140 ºС);

 m_ж – расход пищевого масла на обжаривание сырья в %; рекомендуем принимать в пределах от 15 до 20%;

 t₁ – рабочая температура жира равная 170 ºС;

 t₀ – начальная температура жира, ºС.

Gr×Pr	с	n
1×10-3 - 5×102 5×102 - 2×107 2×107 - 1×1013	1,18 0,54 0,135	1/8 1/4 1/3

Q₃ ^к=2,5 ^. 0,462∙(160-20)=161,7кДж

2 Разогревание корпуса

=(2∙0,001∙0,7∙0,9+2∙0,001∙0,46∙0,9+0,001∙0,46∙0,7)∙7800 =       14,739 кг

Q₃ ^корпус=14,739∙ 0,462∙(60-20)=272,375 кДж
Q₃ ^мет=434,075 кДж
3 Нагрев теплоизоляции корпуса

l_и=0,53+0,00022^.110=0,5542Вт/(м^.0С)

α´₀=9,74+0,07∙( t_огр -t₀)=9,74+0,07∙(60-20)=10,2 Вт/ м^2..0С

q =α´₀(t_н.с-t₀)=10,2(60-20)=400,8 Вт/м²

 Вт/(м^.0С)^.

F_и=1,614м²

=0,138∙1,614∙30^..=6,68кг

=6,68∙0,9∙(110-20) =541,2кДж

= 541,2+434,075= 975,3кДж

Таблица 2.2 – Результаты расчетов


3 Методика расчета электронагревателей
Для выполнения расчета электронагревателя надо знать его мощность, допустимые удельные мощности на поверхности трубки тэна, номинальное напряжение, рабочую температуру и среду, в кото­рой будет работать нагреватель.

Мощность оборудования определяется на основании теплового расчета по формуле

,

где Q — максимальное тепло, подводимое к аппарату за время разогрева Q’ или стационарного режима Q” (определяется из теплового баланса), Дж;

 τ— время разогрева или стационарного режима, с.

Мощность одного тэна Р_э , кВт,определяется по формуле

,

где п — количество тэнов в аппарате, обусловленное назначением аппарата и схемой регулирования нагрева.

При расчете важно правильно выбрать диаметр проволоки. При завышении его потребуется большая длина проволоки, что вызовет перерасход дорогостоящего материала и увеличе­ние габаритов нагревателя, при занижении диаметра – спираль быстрее перегорит.

Для выполнения расчета по таблице 3.1. выбираем допустимую удельную мощность W на поверхности трубки тэна в зависимости от рабочей среды.

Таблица 3.1– Рекомендуемые значения удельной мощности ТЭНов



По чертежу «Схема расположения электронагревателей» (лист 2) определяют полную длину электронагревателя L_полн,, м, а затем активную длину после опрессовки L_а,, м,



где L_n,,  - длина пассивных концов трубки ТЭНа, м, принимается в пределах 0,004-0,004 м.

Длина активной части тэна до опрессовки  L_а1 составляет

,

где g — коэффициент удлинения трубки после опрессовки; принимается равным 1,15.

Полная длина трубки тэна после опрессовки L_полн составляет



где L_nолн—длина пассивных концов трубки тэна; принимается в пределах 0,04—0,05 м.

По известному значению L_а1 определяют диаметр трубки корпуса тэна D, м,



Электрическое сопротивление проволоки тэна после опрессовки  R, Ом, составляет

,

где U—напряжение сети, U=220 В.

Сопротивление проволоки тэна до опрессовки  R, Ом, составляет

R_o=R∙a_r,

где a_r.—коэффициент изменения электрического сопротивления проволоки в результате опрессовки; принимается равным 1,3.

Зная R_o, можно вычислить диаметр и длину проволоки спирали, пользуясь известными зависимостями:

,

где d—диаметр проволоки, м; принимается в пределах от 0,0004 до 0,001 м;

 S—сечение проволоки, м²;

 l—длина проволоки сопротивления (активная), м.

Длина проволоки тэна согласно формуле  будет равна

,

где d—принятый диаметр проволоки, м;

 ρ—удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре, определяемое по формуле, Ом×м²

r= ρ₂₀ [1+а(t—20)],

где ρ₂₀ —удельное сопротивление проволоки при 20° С; по таблице 3.1.;

 а —температурный коэффициент сопротивления; принимается по таблице 3.1.

Таблица 3.2 –Характеристики электротехнических сплавов



Длина одного витка спирали l _в , м;. в среднем составит

l _в=1,07p(d_ст+d), м,

где 1,07—коэффициент, учитывающий пружинность спирали при навивке;

 d_ст — диаметр стержня для навивки спирали, м.
Число витков спирали составит

,

Расстояние между витками равняется

,

Для нормального отвода тепла от спирали необходимо, чтобы расстояние между витками превышало диаметр проволоки спирали в два-три раза. Однако чем больше расстояние между витками, тем лучше условия работы спирали и тем она долговечнее.

Преобразуя формулу, получим коэффициент шага спирали



Потребное количество проволоки для одного элемента с учетом навивки на концы контактных стержней по 20 витков составит.

,

3.1 Расчет электронагревателей

 кВт

      кВт

W=3^.10⁴Вт^.м²

L_полн=1,532м

L_а= L_nолн – 2L_n= 1,532-2^.0,04=1,452м
    м

 
     Ом

R_o=R∙a_r, =29,16^.1,3=37,908Ом

;                                 

r= ρ₂₀ [1+а(t—20)]=1,1^.10^-6 [1+0,7^.10^-3(950-20)]=

1,2^.10^-6Ом.м  

  м

.

l _в=1,07p(d_ст+d)=1,07^.3,14(0,007+0,001)=0,0202 м       

     витка





=14,9+2^.20^.0,0202=15,7 м        
Заключение
В ходе выполнения курсового проектирования, пользуясь данными варианта, был составлен тепловой баланс фритюрницы в период разогрева, состоящий из полезно используемого тепла, потерь тепла наружными поверхностями оборудования в окружающую среду, тепла, расходуемого на нагревание конструкции фритюрницы.

На основе полученных результатов по тепловому балансу был произведен расчет трубчатых электронагревателей.
                       
Список литературы:
1. Белобородов В.В., Гордон Л.И. Тепловое оборудование предприятий общественного питания - М.,: Экономика, 1983, - 303.

2. Вышелесский А.Н. Тепловое оборудование предприятий общественного питания - М.: Экономика, 1976.-399 с.

3. Гинзбург А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов- М.; Экономика, 1983,-303.

4. Золин В. П. Технологическое оборудование предприятий общественного питания: Учебник для нач. проф. Образования: Учеб. Пособие для сред. Проф. Образования/Виктор Петрович Золин. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 248 с.

5. Кисимов Б. М., Сторожева Е. Д. Расчет теплового оборудования: Учебное пособие. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ 2006. - 48 c.

6. Сборник рецептур блюд и кулинарных изделий для предприятий общественного питания.-Киев.: Экономика,2003.