Тепловой расчет процесса охлаждения

В задачу теплового расчета входит определение продолжительности охлаждения продуктов и количества теплоты, отводимой от них в процессе охлаждения.

Продолжительность охлаждения является основой для расчета количества теплоты, отводимой от продуктов в процессе охлаждения, оценки эффективности работы холодильной камеры, оборудования и др. Она зависит от вида и параметров охлаждающей среды, размеров и теплофизических характеристик охлаждаемых продуктов. Наибольшей продолжительностью характеризуются процессы охлаждения продуктов в воздушной среде, наименьшей — вакуумного охлаждения.

Продолжительность охлаждения продуктов, имеющих правильную геометрическую форму или близкую к ней, определяют, пользуясь номограммами. Они отражают графическую зависимость безразмерной температуры (Ө) от критериев Фурье (Fo) и Био (Bi) для середины пластины, оси цилиндра и центра шара.

Безразмерная температура:

 

где t, t_н — соответственно текущая и начальная температура продукта, °С; t_c— температура охлаждающей среды, °С

Критерий Био, характеризующий эффективность теплообмена по­верхности продукта с охлаждающей средой, рассчитывается по уравне­нию:

,

где α — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности продукта к охлаждающей среде, Вт/(м²∙К);

l — половина толщины продукта, м;

λ — коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м∙К).

Коэффициент теплопроводности продукта определяют по таблице (см. табл. 3.2), а коэффициент теплоотдачи — из критериальных зависимостей теплообмена при вынужденном и естественном движении охлаждающей среды у поверхности продукта.

Приближенно коэффициент теплоотдачи от продукта к воздуху находят из зависимости Юргенса:

, Вт/(м²∙К),

где — скорость движения воздуха у поверхности продукта, м/с.

Коэффициент теплоотдачи от продукта к жидкой среде в приближенных расчетах при естественной конвекции можно принять α_к = 200-230 Вт/(м²∙К), при скорости движения жидкости 0,5 м/с соответственно α_к = 1000 Вт/(м²∙К).

 

Расчёт температуры в термическом центре охлаждаемого продукта

Для выполнения расчётов выбираются исходные данные из Приложения. Расчёты следует выполнять в следующей последовательности

Определяют температуропроводность продукта:

, м²;/ с,

где λох – коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м · К);

сох– теплоёмкость продукта, кДж/(кг·К);

ρ – плотность продукта, кг/м³.

критерий Био:

,

где α – коэффициент теплоотдачи между продуктом и охлаждающей средой, Вт/(м² · К), выбирается в зависимости от условий теплообмена;

R – половина величины характерного размера продукта (толщины, диаметра), м.

Рассчитывается критерий Фурье:

где а — коэффициент температуропроводности продукта, м²/с; τ — продолжительность охлаждения, с; R — половина толщины продукта, м.

По номограмме (Приложение 4) находят значение величины безразмерной температуры Uс учётом конкретной физической модели.

Подставив в выражение

известные значения определяют tк.

По полученным значениям безразмерной температуры U и критерия Bi; из номограммы для пластины, цилиндра или шара (Приложение) находят точку пересечения. Из полученной точки опускают перпендикуляр на ось абсцисс и находят значение критерия Фурье F_o (безразмерное время). Далее определяют величину τ;.

Коэффициент температуропроводности продукта а в формуле находят по таблицам теплофизических характеристик продуктов. В приближенных расчетах его можно принять равным 1,25 ∙;10^-7 м²/с.

Количество теплоты, отводимой при охлаждении, можно опреде­лить, пользуясь выражением:

или

,

где G — масса продукта, кг;

с — удельная теплоемкость продукта, кДж/кг∙К;

(i_п-i) — разность удельных энтальпий продукта при его началь­ной и конечной температуре, кДж/кг.

При охлаждении продуктов воздухом, часть теплоты отводится в результате частичного испарения влаги с поверхности. Это может составлять до 50% от общего количества теплоты в зависимости от температуры воздуха и свойств охлаждаемых продуктов. Испарение влаги с поверхности продуктов уменьшается при наличии естественного защитного слоя или упаковки.