Описание разрабатываемой фритюрницы

Принимаем ширину рабочей камеры 600 мм.

Для удобной загрузки и выгрузки корзины с продуктами и эффективного перемешивания жира размеры стенок корзины принимают на 20 – 30 мм меньшими размеров стенок рабочей камеры фритюрницы.  Между нагревателями и вертикальной стенкой корзины следует оставлять зазор 70 – 90 мм.

Ширина корзины:

S = 600 – 20 – 90 = 490 мм.

При погружном способе жарки  картофеля объем корзины должен быть равен

V_к = G₁/ρ_н = 1,5•10³/560 = 2,68 дм³,

где ρ_н  - насыпная плотность нарезанного брусочками картофеля, кг/м³.

Глубина слоя картофеля при жарке  принимается в пределах 20 – 50 мм.

Тогда длина корзины равна

l = 2,68•10³/30•440 = 203 мм.

Длина рабочей камеры равна

l_к = 203 + 20 + 20 = 243 мм.

Длина фритюрницы с учетом толщины изоляции

l_ф = 243 + (2•22) = 387 мм.

Объем холодной зоны рабочей камеры рекомендуется принимать до 20 % общего объема:

V_хз = 20•32,9/100 = 6,58 дм³.

Объем рабочей зоны камеры

V_рз = 32,9 – 6,58 = 26,32 дм³.

Высота рабочей зоны

Н_рз = 26,32•10⁶/ 243•600 = 181 мм.

Высота холодной зоны равна 

Н_хз = 6,58•10⁶/⅓•(600 + 243) = 234 мм

Холодная зона рабочей камеры имеет  форму пирамиды.

С целью удаления мелких частичек картофеля из зоны высокой температуры  нижней части рабочей камеры приваривается  стакан с фильтром.

 

4.2  Теплотехнический расчет

 

Тепловой баланс

Потребное количество теплоты для нестационарного и стационарного режима работы аппарата определяют по формулам, кДж:

Q = Q₁ + Q₅ + Q₆;

Q′ = Q₁′ + Q₅′.

Теплоты на нагрев жира в процессе разогрева аппарата по формуле

Q₁ = 20•10^-3•903•1,93•(180 – 20) = 5576,9 кДж.

Теплоты на жарку картофеля рассчитываем по формулам:

Q₁′  = 9 [3,6 • 0,5 • 87,5 + (1 – 0,5) • 2256 • 0,7] = 8523,75 кДж.

t_v = (130 + 85)/2 = 107,5 °С.

Δ t_v = 107,5 – 20 = 87,5 °С.

Потерн теплоты стенками аппарата в окружающую среду определяют мулам:

Величины теплоотдающих поверхностен:

четыре боковые стенки

F_о = 2 (0,8 • 0,85) + 2 (0,327 • 0,85) = 1,92 м²;                                                                                            

поверхность стола

р_ст = 2 (0,8•0,03) + (0,03•0,267) + (0,156•0,267) = 0,098 м²:

 поверхность жира в рабочей  камере («зеркало» жира)

F_зж= 0,62•0,243= 0,15м²

поверхность крышки рабочей камеры

F_кр = 0,62 • 0,303 = 0,18м².

При стационарном режиме крышка в основном открыта и потерями ее пренебрегаем.

Физические константы, входящие в критерии подобия, принимаются при средней расчетной температуре t_р пограничного слоя воздуха у теплоотдающей поверхности

t_р=(t_п+t_в)/2

Средние расчетные температуры пограничного слоя воздуха:

боковых стенок

t^p_c2=(60+20)/2=40°C

у поверхности стола

t^p_cт=(80+20)/2=50°С

у «зеркала» жира (крышка открыта)

t^p_зж=(175+20)/2+97,5 °С.

Произведение Gr Pr и постоянные С и n определяем по формуле;

для боковых стенок

Gr=1/(273+t^p_a)•9,8•(t^к_с2 - t_в)•Н³_ф/v² =

= 9,8•(60 - 20)•0,85³/(273 + 40)•(16,9•10^-6)² = 4,5•10¹⁰;

Рr = 0,699;

Gr Pr  = 3,14•10¹⁰;

С = 0,135;

n = ⅓;

для стола 

Gr = 1/(273+t^p_ст)•9,8•(t^к_ст - t_в)•0,03³/v² =

= 9,8•(80 - 20)•0,03³/(273 + 50)•(17,9•10^-6)² = 2,75•10⁶;

Рr = 0,698;

Gr Pr  = 1,9•10⁶;

С = 0,54;

n = ¼;

для «зеркала» жира

Gr = 1/(273+t^p_зж)•9,8•(t^к_зж - t_в)•0,243³/v² =

= 9,8•(175 - 20)•0,243³/(273 + 97,5)•(22,1•10^-6)² = 2,56•10⁹;

Рr = 0,688;

Gr Pr  = 2,85•10⁹;

С = 0,135;

n = ⅓.

 

Критерий Нуссельта и коэффициент  теплоотдачи конвекцией определяют по формуле

Nu = С•(Gr Pr )ⁿ;

α_к = Nuλ/l;

для боковых стенок

Nu = 0,135•(3,14•10¹⁰)^⅓ = 421;

α_к = 421•0,027/0,85 = 13,3 Вт/(м²•°С);

для стола

Nu = 0,54•(1,9•10⁶)^¼ = 20;

α_к = 20•0,028/0,03 = 18, 6 Вт/(м²•°С);

для «зеркала» жира (крышка открыта)

Nu = 0,135•(2,85•10⁹)^⅓ = 190,7;

α_к = 190,7•0,032/0,283 = 21,5 Вт/(м²•°С).

 

Коэффициент теплоотдачи излучением определяем по формуле 

 Вт/(м²•°С);

для боковых стенок

α_л = 0,897• 5,7/(60 – 20)•[(333/100)⁴ – (293/100)⁴] =  5,8 (Вт/м²•°С);

для «зеркала» жира (крышка открыта)

α_л = 0,897• 5,7/(175 – 20)•[(448/100)⁴ – (293/100)⁴] = 11,2 Вт/(м²•°С).

Суммарный коэффициент теплоотдачи

α = α_к + α_л;

для боковых стенок

α = 13,3 + 5,8 = 19,1 Вт/(м²•°С);

для стола

α = 18,6 + 3,3 = 21,9 Вт/(м²•°С);

для «зеркала» жира (крышка открыта)

α = 21,5 + 11,2 = 32,7 Вт/(м²•°С).

Потеря теплоты в окружающую среду вычисляется по формуле

Q₅ = αF(t_п – t_в)τ Дж;

τ = 3600 с,

Q₅ = 1,92•19,1• (60 – 20) • 3600 = 5,3•10⁶ Дж;

поверхностью стола

Q₅ = 0,098•21,9 • (80 – 20) • 3600 = 4,6•10⁵ Дж;

 «зеркалом» жира (крышка открыта)

Q₅ = 0,15•32,7 • (175 – 20) • 3600 = 2,7•10⁶ Дж;

Общие потери теплоты в окружающую среду

ΣQ₅ = (5,3•10⁶ + 4,6•10⁵ + 2,7•10⁶) • 10^-3 = 3,89•10³ кДж.

Потери теплоты на разогрев конструкции аппарата, Q₆ – по формуле:

Q₆ = GC (t_к – t_п), кДж.

Масса элементов конструкции аппарата:

боковые стенки, материал — СТЗ, покрытая белой эмалью;

ρ = 7900 кг/м³;

с = 0,46 кДж/кг • град;

толщина стенки δ = 1,5 • 10^-3 м;

G = 1,92 • 1,5 • 10^-3 • 7900 = 22,76 кг;

стол материал сталь 12 • 18Н10 Т; ρ = 7980 кг/м³;

с = 0,468 кДж/кг; толщина стенки δ = 1,5 • 10^-3 м;

G = Fδρ = 0,098 • 1,5 • 10^-3 • 7980 = 1,2 кг;

крышка (материал сталь 12Х18Н10Т, толщина стенки δ = 1,5 • 10^-3);

G = Fδρ = 0,188 • 1,5 • 10^-3 • 7980 = 2,25 кг;

теплоизоляция

G = Fδρ = 1,92 • 2,2 • 10^-3 • 40 = 0,165 кг;

рабочая камера (материал сталь 12Х18Н10Т, толщина стенки δ = 2,0 • 10^-3);

G = Fδρ = (0,283 • 0,158) • 2 + (0,6 • 0,158) • 2 + (½ • 0,6 • 0,118) • 2 +

+ (½ • 0,283 • 0,118) • 2 • 2,0 • 10^-3 • 7980 = 5,5 кг.

Потерями теплоты па нагрев остальных элементов конструкции можно пренебречь.

Q₆ = 22,76 • 0,46 • (60 – 20) + 1,2 • 0,468 • (80 – 20) + 2,25 • 0,468 • (108 – 20) +

+ 0,169 • 0,9 • (120 – 20) + 5,5 • 0,468 • (175 – 20) = 958,6 кДж.

Расход теплоты в кДж:

Q′ = 8523 + 4290 = 12813 кДж.

 

3. Энергетический расчет

 

Мощность нагревательных элементов:

Р′ = Q′/τ′ = 12813 • 10³/3600 = 3559,2 Вт.

Для обеспечения равномерной нагрузки фаз принимаем три ТЭНа.

Мощность одного ТЭНа

Р = 6624/3 = 2208 Вт.

Расчет трубчатого нагревательного элемента

Исходные данные Р₁ = 2200 Вт;

U =220 В.

Материал оболочки ТЭНа – сталь 12Х18Н10Т.

Материал спирали – нихром Х201180 (удельное сопротивление 

ρ = 1,1ом • мм²/м, рабочая температура 1050 °С).

Для обеспечения равномерного подвода  теплоты в рабочей зоне камеры определим примерные длину активной части, пассивных концов и радиус изгиба ТЭНа. Конструкция ТЭНов должна обеспечивать их свободное удаление из рабочей камеры для санитарной обработки.

 

Длина активной части трубки ТЭПа равна

L_a = 450 + 450 + 300 + 300 + (2 • 3,14 • 30/2) • 3 = 1782,0 мм.

 

Проверим удельную мощность на поверхности  трубки ТЭНа, исходя из принятого по конструктивным соображениям длины  трубки по формуле 

W  = P1/ L_aπD,

где D – диаметр трубки ТЭНа, м (до опрессовки 16 • 10^-3,

после нее – 13 • 10^-3м).

W = 2200/1782,0 • 10^-3 • 3,14 • 13 • 10^-3 = 3,0 • 10⁴ Вт/м³.

Полученная удельная мощность на поверхности трубки находится в рекомендуемых пределах.

Полную длину трубки ТЭНа после опрессовки с учетом пассивных концов

определяем по формуле 

L = L_a + 2L_п = 1782,0 + 2 •180 = 2142 мм,

где 180 – длина пассины концов с учетом глубины рабочей зоны камеры, м/ч.

 

Сопротивление в спирали

R₁ = U²/P₁ = 220²/2200 = 22 Ом.

 

Длина проволоки спирали

l = πd²R₁/4ρ = 3,14 • (0,8 • 10 ^-3)² • 22/4 • 1,1 • 10⁶ = 10м.

где d – диаметр проволоки спирали, м.

 

Диаметр спирали, м высчитываем  по формуле 

d_в = 1,07 (d_ст + 2d);

d_в = 1,07 (4 + 1,6) • 10^-3 = 6 • 10^-3 м.

Длина витка спирали

l_в = πd_в= 3,14 • 6,0 •10^-3 = 18,84 • 10^-3 м.

Число витков спирали

n = l/l_в = 10/18,84 • 10^-3 = 531.

Длина спирали

l_сп = l_в = 1,782 м.

Расстояние между соседними  витками спирали высчитываем  по формуле 

а = l_сп – d • (n – 1)/n – 1= 1,782 – (0,8 • 10^-3 • 530)/530 = 2,56 • 10^-3 м.

Полученное расстояние между витками  отвечает требованиям нормального  отвода теплоты от спирали, так как а > d в 2,56 раза.

 

Для определения температуры спирали  рассчитаем ее геометрические характеристики:

X = d/D_вп = 0,8 • 10^-3/13 • 10^-3 – 3 • 10^-3 = 0,08,

где D_вп – внутренний диаметр трубки ТЭНа, м (толщина стенки трубки ТЭНа

δ_ст = 1,5 • 10^-3 мм);

Y = d/d_в = 0,8 • 10^-3/6 • 10^-3 = 0,133.

z = D_вп/ d_в = 10 • 10^-3/6 • 10^-3 = 1,666.

K = h/g • (a + d)/d = (2,56 • 10^-3 + 0,8 • 10^-3)/ 0,8 • 10^-3 = 4,2.

 

По номограмме  определяем перепад  температур в изоляционном слое на единицу теплового потока [Δt/q_l] при известной величине коэффициента теплопроводности изоляционной массы

(для периклаза λ = 0,022 Вт/(м • °С)).

[Δt/q_l] = 3,5 (см • °С)/Вт.

Удельный тепловой поток  на единицу  длины спирали равен

q_l = Р₁/l_сп = 2200/1,782 • 10^-2 = 12,3 Вт/см.

Перепад температур в изоляционном слое

Δt = [Δt/q_l] • q_l = 3,5 • 12,3 = 43,2 °С.

Рабочая температура спирали вычисляется по формуле 

t_сп = 1,3 • Δt + t_рп.

 

По экспериментальным данным, при  температуре жира, равной 180 °С, средняя  температура па трубке ТЭНа составляет 254 °С.

t_сп = 1,3 • Δt +254 = 1,3 • 43,2 • 254 = 310,16 °С.

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

 

За   базовый   вариант   приняли   фритюрницу периодического действия ФЭСМ-20.

По заданию курсового проекта спроектировали аналогичную по конструкции фритюрницу производительностью --    2   кг/ч.  

Внедрение новой техники даст возможность существенно поднять экономическую эффективность работы предприятий общественного питания за счет повышения производительности труда, сокращения расхода сырья и энергии.

Пищевой жир, заполняющий верхнюю часть, нагревается путем теплопроводности и свободной конвекции до рабочих. По этой причине верхнюю часть камеры называют «горячей» зоной, а нижнюю — «холодной».

Форма камеры в холодной зоне —  воронкообразная, что обеспечивает направленное движение частичек продукта в отстойник. Благодаря этому жир очищается от мелких частичек, исключается их обугливание, что в итоге предохраняет пищевой жир от засорения и продлевает срок его эксплуатации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы: 

 

 

1.  Аминов М.С. и др. Технологическое оборудование. Учебник для студентов ВУЗов. - М:/ Колос, 2003.

 

2.  Богданова М.А., Смирнова З.М., Богданов Г.А. Оборудование предприятий общественного питания. - М./:Экономика,1986.

 

3.  Ботов М.И., Елхина В.Д., Голованов О.М. Тепловое и механическое оборудование предприятий общественного питания. - М:/ «ИРПО - Академия», 2002.

 

4. Гуляев В.А., Иваненко В.П., Исаев Н.И. и др. Оборудование предприятий торговли и общественного питания. Полный курс: Учебник для студентов ВУЗов. / Под редакцией проф. В.А.Гуляева/  - М.:/ ИНФРА, 2002.

 

5. Золин В.П. Технологическое оборудование предприятий общественного питания – М/ «ИРПО - Академия», 2000.

 

 

6. Кирпичников В.П., Леенсон Г.Х. Справочник механика. Общественное питание. -М./:Экономика, 1980.

 

7. Улейский Н.Т, Улейская Р.И. Механическое и тепловое оборудование предприятий общественного питания - Ростов на Дону /«Феникс», 2000.