Решение. 1.Продолжительность цикла замораживания полутуш мяса τц равна 24 ч

1.Продолжительность цикла замораживания полутуш мяса τ_ц равна 24 ч. Оборачиваемость устройств составляет:

Так как цикл замораживания включает в случае морозильника периодического действия время термической обработки τ и время для выполнения вспомогательных операций τ_в (загрузки, разгрузки и очистки камеры). Требуется 2 – 2,5 ч. Для загрузки и выгрузки морозильной камеры на 5 – 10 т/сутки. Сюда входит и время, необходимое для очистки помещения (или аппарата) и для оттаивания инея с поверхности охлаждающих приборов. В данном случае принимаем τ_в = 2,5 ч. Тогда время замораживания составляет:

τ = τ_ц – τ_в = 24-2,5 = 21,5 ч.

2. Емкость морозилки:

т.

3. Строительная площадь пола морозильника:

м²,

где g_F = 250 кг/м² – норма загрузки, отнесенная к 1 м² строительной площади морозильника.

Поскольку мясо в морозильнике подвешено на подвесном пути, определяем длину подвесного пути L_n, необходимую для размещения груза:

пог.м,

где g_l = 230 кг/пог.м – норма загрузки, отнесенная к 1 пог.м подвесного пути.

Размещаем в морозильной камере шесть ниток подвесного пути, каждая длиной 6 м, т.е. всего 36 пог.м. Расстояние между нитками принимаем 800 мм. Под морозильник отводим помещение (с учетом размещения воздухоохладителя) 9х6 м, т.е. 54 м².

4. Так как время замораживания уже определено, то следует создать условия, при которых это задание может быть выполнено. Температуру воздуха в камере принимаем t_к = -30ºС. Толщина туши 0,2 – 0,25 м в наиболее толстой части (бедре). Расчет будем вести для толщины δ = 0,25 м.

Воздух выходит из плоских (щелевых) сопел, расположенных на ложном потолке между рядами подвесных путей. Ширина сопла 2b₀ = 40 мм, длина сопла l₀ = 600 мм, промежутки между соплами 300 мм. Высота расположения подвесных путей такова, что наиболее толстая часть туши, по которой следует определять продолжительность ее замораживания, находится на расстоянии от сопла примерно 1,1 м (рис. 7). В этой зоне и следует создать скорость движения воздуха w, обеспечивающую необходимую величину коэффициента теплоотдачи от туши к воздуху.

Требуемый коэффициент теплоотдачи α может быть найден из уравнения Планка для времени замораживания:

где t_кр = -1 ºС – криоскопическая температура (температура замерзания соков в мясе); q_м = i₁ – i₂ =238200 – 4600 = 233600 Дж/кг – полное количество тепла, отводимое от 1 кг мяса при его замораживании от начальной температуры t₁ = 4 ºС до конечной температуры t₂ = -18 ºС; ρ_м = 1050 кг/м³ – плотность мороженого мяса; λ_м = 1,48 Вт/(м·К); R и Р – коэффициенты, зависящие от формы и относительных размеров тела. В данном случае мясная туша считается прямоугольной плитой неограниченной длины с соотношением ширины и толщины ; по приложению П2 R = 0,0967, P = 0,3571.

Тогда

5. В данном случае можно мясную полутушу рассматривать как плиту, вдоль которой движется воздух. Уравнение теплообмена для плиты при вынужденном движении воздуха:

откуда

 

 

Рис. 7 – Зона туши

 

Необходимая скорость ω м/с должна быть создана на расстоянии l₀ = 1,1 м от сопла. Однако самая толстая часть туши находится на ее длине примерно в 0,6 м от места подвески. В связи с этим длину плиты считаем l = 0,6 м.

При температуре -30 ºС коэффициент кинематической вязкости воздуха υ_в = 10,8·10^-6 м²/с и коэффициент теплопроводности λ_в = 0,0216 Вт/(м·К).

Тогда

6. Средняя скорость ω_хср плоской струи на расстоянии х от сопла определяется по выражению:

где а – коэффициент турбулентной структуры струи; для плоских сопел а = 0,12; b₀ – половина ширины (высоты) сопла; b₀ = 0,02 м;

x = l_с = 1,1 м.

Начальная скорость ω₀ в сопле, необходимая для создания скорости ω_хср =3,57 м/с на расстоянии l_с = 1,1 м от сопла, может быть найдена из предыдущего выражения. Откуда:

7. Общее количество холодного воздуха, которое подается в камеру через сопла:

где – общая площадь всех сопел. Всего предусматривается 7 рядов сопел (при 6 нитках подвесных путей). В каждом ряду сопла располагаются на длине 6 м. При длине сопел 600 мм и промежутке между ними 300 мм на этом отрезке может быть размещено 7 сопел: 7·0,6 + 6· 0,3 = 6. Общее количество сопел 7·7 = 49 шт.

Площадь каждого сопла:

Площадь всех сопел:

Тогда:

Масса подаваемого воздуха при средней температуре t_ср = -31 ºС:

8. Теплопритоки в морозилку проникают от различных источников. Для определения теплопритока через ограждения считаем, что три боковых ограждения морозилки и верхнее ограждение отделяют ее от помещений с температурой t_н = 0 ºС; к одной из боковых сторон примыкает такая же морозилка; пол морозилки лежит непосредственно на грунте и снабжен электроподогревом для защиты от промерзания грунта. Коэффициент теплопередачи всех ограждений морозильника принимаем k_н = 0,5 Вт/(м²·К).

Высота помещения морозилки (от пола до пола следующего этажа) Н = 4,8 м. Поверхность ограждений, через которые проникает теплоприток:

Тогда

Теплоприток от продуктов для морозильника периодического действия определяется по выражению:

Для расчета поверхности оборудования (воздухоохладителя) следует принимать Q_2об = 1,3·Q₂ = 1,3·30181= 39235 Вт.

Теплоприток от двигателей вентиляторов принимаем пока ориентировочно в размере 20% от Q₂. Тогда:

Другие эксплуатационные теплопритоки:

Общий теплоприток:

на компрессор

Q₀ = Q₁ + Q₂ + Q₄^’’+ Q₄^IV = 3132 + 30181 + 6036 + 1253 =

= 40602Вт;

на оборудование

Q_0б = Q₁ + Q_2об + Q₄^’’+ Q₄^IV = 3132 + 39235 + 6036 + 1253 =

= 49656 Вт.

9. При прохождении через морозильник энтальпия воздуха изменится на величину:

Такому перепаду энтальпий соответствует изменение температуры воздуха в морозильнике примерно на 2 ºС, поэтому необходимо, чтобы в морозилку подавался воздух с температурой

t₁ = -32 ºС.

10. Поверхность воздухоохладителя:

Принимаем коэффициент теплопередачи оребренных батарей воздухоохладителя непосредственного охлаждения k₀ = 12 Вт/(м²·К). Перепад между средней температурой воздуха и температурой кипения:

т.е. считаем температуру кипения:

Тогда

Выполняем воздухоохладитель из труб 32х 2,25 мм, оребренных лентой толщиной δ = 1 мм и высотой h = 30 мм, внешний диаметр ребра D = 92 мм, шаг оребрения b = 20 мм, наружная поверхность оребренной трубы f₁ = 0,69 м²/пог. м.

Общая длина труб воздухоохладителя:

11. Длину секции воздухоохладителя следует выбрать такой, чтобы она была несколько больше расстояния между крайними рядами сопел. Так как всего принято 7 рядов сопел с расстоянием между осями 0,8 м (таким же, как размер между осями подвесных путей), то расстояние между осями крайних рядов сопел равно 6·0,8 = 4,8 м. Считаем длину секции l_сек = 4,9 м.

Число труб в батарее воздухоохладителя:

Число секций, т.е. число труб по ширине воздухоохладителя, можно взять таким, чтобы скорость воздуха между трубами была в пределах 4 - 5 м/с. Это позволит обеспечить выбранную величину коэффициента теплопередачи батареи воздухоохладителя.

Соотношение между скоростью ω₁ в живом сечении между трубами и скоростью ω_н набегающего потока (в сечении, не занятом трубами) определяется следующим соотношением:

где S₁ – шаг труб по ширине. Для принятых в расчете оребренных труб можно взять S₁ = 105 мм (рис. 8). Тогда:

Если выбрать скорость воздуха в живом сечении воздухоохладителя ω₁ = 4 м/с, то скорость набегающего потока:

Тогда сечение F_в отсека, где расположен воздухоохладитель, может быть найдено по количеству воздуха, проходящему через воздухоохладитель:

 

 

 

Рис. 8 – Оребренные трубки воздухоохладителя

Если пренебречь площадью сечения, на которой размещаются коллекторы батарей воздухоохладителя, и считать длину отсека равной длине труб в секции то ширина отсека окажется равной:

На этом расстоянии может быть размещено число секций:

Уточненная ширина b_в = n₁·S₁ = 10·0,105 = 1,05 м.

Тогда:

F_в = 4,9·1,05 = 5,1 м².

Скорость набегающего потока:

Скорость воздуха в воздухоохладителе:

Число труб в секции по высоте:

Принимаем шаг труб по высоте S₂ = 115 мм, тогда высота воздухоохладителя (между осями крайних труб):

12. Аэродинамическое сопротивление батареи воздухоохладителя.

Критерий Рейнольдса для данных условий обтекания труб , причем определяющей температурой является температура стенки. Считая эту температуру равной температуре кипения, т.е. t₀ = -40 ºС, находим коэффициент кинематической вязкости воздуха υ = 10,04·10^-6 м²/с. Определяющим размером является наружный диаметр трубы d_н. Тогда:

Для Re в пределах 1·10⁴ ≤ Re ≤ 6·10⁴ сопротивление Δр_в коридорного пучка оребренных труб определяется из выражения:

где u – расстояние между ребрами, u =b – δ = 20 – 1 =19 мм.

Следовательно,

где = 1,456 кг/м³ – удельный вес воздуха, который берется при средней температуре потока, т.е. в данном случае при -31 ºС.

13. Аэродинамическое сопротивление движению воздуха в циркуляционном кольце является суммой нескольких сопротивлений.

Статический напор перед соплами:

где φ₀ = 0,7 – коэффициент скорости истечения из сопла.

Сопротивление трения в канале над ложным потолком при движении воздуха до последнего сопла со скоростью ω_н = 2,64 м/c:

где λ_т = 0,025 – коэффициент трения по длине; l = 6 м – длина канала; d_э – эквивалентный диаметр сечения канала, равный:

где F_к и U_к – площадь и периметр сечения канала.

Тогда:

Сопротивление при входе в воздухоохладитель (ξ_вх = 0,5):

Потеря давления на двух поворотах при входе и выходе из воздухоохладителя (ξ_пов = 1,5):

Потеря давления при выходе из вентиляторов в канал над ложным потолком зависит от величины коэффициента местного сопротивления ξ_рас, который, в свою очередь, является функцией отношения суммы площадей выходных сечений вентиляторов ΣF_вент к площади сечения канала F_к. Для обеспечения подачи воздуха в количестве V₀ = 13,5 м³/c берем четыре вентилятора ОМЦ-7 с диаметром выходного отверстия кожуха 700 мм. Следовательно,

Для такого отношения площадей ξ_рас = 0,4.

Скорость в выходном сечении вентилятора:

Тогда:

Общая потеря напора:

14. Производительность каждого вентилятора:

создаваемый напор, приведенный к воздуху с плотностью ρ_в =1,2 кг/м³, составляет:

По характеристике вентилятора ОМЦ-7 находим, что производительность 3,375 м³/c обеспечивается при 1429 об/мин; при этом вентилятор создает напор 23,5 мм. вд. ст, коэффициент полезного действия вентилятора η_вент = 0,55.

Мощность двигателя вентилятора:

Теплоприток от работы всех четырех вентиляторов что близко к ранее принятой величине, поэтому перерасчет можно не производить.