Модернизация электрошашлычницы
Основы работы электрошашлычницы. Составление уравнений теплообмена и изменение температурного поля. Общая характеристика способов тепловой обработки продуктов. Тепловой и кинематический расчет прибора. Выбор и расчет источника инфракрасного излучения.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 19.12.2011 |
| Размер файла | 109,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
57
Размещено на http://www.allbest.ru/
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Теоретическая часть
1.1 Информационно-патентный поиск
1.2 Теоретические основы работы прибора
1.3 Составление уравнений теплообмена и изменение температурного поля
1.4 Теоретические основы работы электропривода
2. Расчетно-конструкторская часть
2.1 Общая характеристика способов тепловой обработки продуктов
2.2 Обоснование и выбор конструкции
2.3 Тепловой расчет электрошашлычницы
2.3.1 Расчет отражающего экрана
2.3.2 Определение коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи
2.4 Выбор и расчет источника инфракрасного излучения
2.5 Составление теплового баланса
2.6 Расчет кинематической схемы прибора
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время достижение научно-технического прогресса позволяют внедрять новые технологии в разнообразные сферы человеческой деятельности. Особенно это затрагивает сферу быта. Именно здесь человек хочет чувствовать себя комфортно. В этом ему помогают различные бытовые приборы. Бытовые приборы выполняют однообразную работу и освобождают от нее человека.
Это коснулось и процесса приготовления пищи. На наших кухнях появились разнообразные миксеры, кухонные комбайны, СВЧ - печи, электрогрили и многое другое. Все эти приборы быстро и качественно выполняют свою работу, оставляя человеку удел творчества.
Мясо и мясные продукты являются древнейшими продуктами цивилизации. С давних времен человек придумывал все новые и новые способы приготовления мяса.
Из всего разнообразия способов обработки мяса, основным все же является тепловая обработка, которая удобна при ее использовании.
Разработка устройств для тепловой обработки мяса с малыми габаритами, низкой энергопотребляемостью, эргономичными формами, высокой надежностью, простотой и удобством эксплуатации и обслуживания является одним из перспективных направлений в бытовой технике. Одну из ступеней в семействе бытовой техники занимают электрогрили и электрошашлычницы. Эти устройства используют традиционный способ тепловой обработки, в котором носителем энергии являются инфракрасные лучи.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
1.1 Информационно-патентный поиск
Электрошашлычница относится к классу бытовых приборов и имеет международный код изобретения A47J37/04.
В результате информационно-патентного поиска в вышеуказанной области изобретений найден ряд материалов с изобретениями и предложениями.
Все изобретения развиваются по двум направлениям:
- повышение удобства эксплуатации приборов;
- улучшение качества приготовляемого продукта.
Первое направление, а именно, повышение удобства эксплуатации приборов представлено в нескольких работах.
В работе [1] описывается устройство, содержащее горизонтально расположенный корпус, в торцевых стенках которого выполнены пазы для вхождения концов вертелов. Вертела выполнены с поперечным сечением в виде прямоугольника. Суть изобретения состоит в том, что с целью фиксации вертелов в любом положении при их повороте, пазы имеют звездообразную форму, причем внутренний диаметр паза меньше, а внешний больше ширины вертелов.
Это изобретение применяется в электрошашлычнице, где отсутствует какой-нибудь привод вращения шампуров, поэтому возникает необходимость вращения фиксировать вертела в определенном положении. Однако, применение изобретения не решает всех проблем, в частности остается необходимость переставлять в ручную вертела через определенные интервалы времени, для того чтобы мясо обжаривалось равномерно.
В работе [2] описывается устройство для приготовления шашлыка, которое содержит корпус, горизонтальную опору для шампуров, шампуры, оснащенные ограничителями осевого перемещения и привод. Целью изобретения является упрощение конструкции и улучшение условий эксплуатации. Для достижения этой цели концы шампуров загнуты, а привод представляет собой шарнирно - рычажный механизм, содержащий водила, предназначенные для взаимодействия с загнутыми концами шампуров. Опора у этого устройства представляет собой выдвижной поддон.
Это более прогрессивное устройство, в котором появляется привод для вращения шампуров. Упрощение конструкции позволяет повысить удобства эксплуатации, хотя горизонтальная компоновка не всегда приемлема в бытовых условиях. Это устройство более приемлемо для предприятий общественного питания, где оно может быть использовано в качестве модуля, устанавливаемого в шкаф с источником инфракрасного излучения.
В следующей работе [3] описано устройство для обжарки мяса, содержащее корпус, внутри которого размещены съемные вертикальные носители для нанизывания мяса, а также привод, который укреплен на фланце, вертикальный нагреватель и поддон.
Вертикальная компоновка данного устройства самая удачная, так как занимает минимум места. Электропривод вращения шампуров обеспечивает равномерное прожаривание. Возможность поворота излучателя инфракрасной энергии от центрального положения позволяет обжаривать продукты различных размеров. Это очень удобно, так как вместо шашлыка можно обжаривать тушки птицы или рыбы.
Проблема качества приготовляемого продукта наиболее актуальна, поэтому большинство изобретений касаются именно ее.
В работе [4] дано описание устройства для обработки пищевых продуктов. Это устройство состоит из: корпуса, шампуров для продукта, нагревателей, расположенных по окружности под углом 120 один к другому и отражателей, число которых равно числу нагревателей. С целью повышения равномерной обжариваемости шампуры располагаются между нагревателями по окружности под углом 120 один к другому, а отражатели выполняются по форме полуэллипсов и соединяются между собой, при этом расстояние от оси симметрии устройства до центра полуэллипса как 1,0:1,1 - 1,4:0,8 - 1,0, а расстояние от оси симметрии устройства до шампуров относятся к малой полуоси эллипса и к большой полуоси эллипса как 1,1:1,0 - 1,4:1,3 - 1,7.
В этом устройстве отсутствие вращения шампуров компенсируется применением трех источников инфракрасной энергии и специальных отражающих экранов, что позволяет создавать равномерный по плотности поток инфракрасного излучения, обжаривающий шашлык одновременно со всех сторон. Преимуществом данного устройства является высокий коэффициент полезного действия, так как большинство инфракрасных лучей отражаются отражателями во внутреннюю часть устройства и их энергия тратится на приготовление шашлыка.
Внимание также уделяется сокращению времени приготовления шашлыка. Этот вопрос рассмотрен в работе [5], где приведено описание устройства для обработки шашлыка. Это устройство содержит жарочную камеру, внутри которой установлены выполненные с возможностью вращения держатели с вертелами, нагревательный элемент и поддон для жира. С целью сокращения времени тепловой обработки каждый вертел выполнен в виде тепловой трубки, внутренняя полость которой заполнена теплоносителем с высокой температурой кипения, на 20 - 25%, и установлены под углом 5-10 к горизонтали.
Идея тепловой обработки шашлыка не только с наружи, но и внутри очень интересна, так как позволяет свести к минимальному времени приготовления продукта. Также данное изобретение позволяет повысить плотность инфракрасного излучения, используемого для приготовления мяса, что в обычном исполнении вертелов привело только к подгаранию натужного слоя, так как за счет ограниченной теплопроводности мяса, оно не успевало бы прожариваться изнутри.
В результате анализа изобретений можно сформулировать требования к электрошашлычнице, используемой в бытовых условиях.
Для электрошашлычницы необходима вертикальная компоновка, исходя из условия минимизации занимаемой площади.
Необходим электрический привод вращения шампуров, это обеспечит равномерное прожаривание продукта и сведет к минимуму обслуживание прибора.
Желательна установка отражающего экрана и теплоизоляционного кожуха, что уменьшит расход тепла и потерь инфракрасной энергии в окружающую среду, уменьшит время приготовления шашлыка и повысит коэффициент полезного действия прибора.
1.2 Теоретические основы работы прибора
Электрошашлычница - это устройство для тепловой обработки мяса, а именно для приготовления шашлыка, и используется преимущественно в быту.
Электрошашлычница состоит (рис.2.1) из корпуса (1), закрытого в нижней части кожухом (2), установленным на четырех резиновых ножках (9), провода с вилкой (3), шести шампуров (4), нагревателя (5).
В корпусе установлен электродвигатель с приводом для вращения шампуров.
Нагреватель с защитной трубкой из кварцевого стекла (6) закреплен стойками (10) между накладкой (7) и корпусом.
Подставка (8) под шампурами предохраняют от попадения влаги и жира в корпус устройства.
Электрошашлычница работает следующим образом:
Дольки шашлыка надевают на шампуры. Устанавливают шампуры в отверстия накладки и оси подставок. Электрошашлычницу с закрепленными на шампурах шашлыками включают в бортовую сеть автомобиля напряжением 12В. Устройство следует включать в сеть при работающем двигателе, чтобы исключить разряд аккумуляторной батареи. Тепловое и световое излучение спирали в сочетании с вращательным движением шампуров обеспечивают равномерное прожаривание долек шашлыка. По мере приготовления продукта стекающий жир и сок попадает в подставку.
Работа электрошашлычницы может быть рассмотрена как взаимосвязанное течение трех процессов:
превращение электрической энергии в механическую с помощью;
превращение механической энергии вращения вала электродвигателя в кинематическую энергию вращения шампуров;
процесс инфракрасного излучения энергии нагревательным элементом и поглощения этой энергии приготовляемым мясом.
Основным из этих трех процессов является процесс излучения и поглощения инфракрасной энергии, остальные два процесса являются вспомогательными. Один из которых обеспечивает работу электродвигателя, а другой - равномерное прожаривание шашлыка. Применение электрического привода вращения шампуров повышает удобство эксплуатации электрошашлычницы и качество приготавливаемого продукта. Подробно эти процессы рассмотрены в пункте.
Для жаренья некоторых изделий из мяса (шашлыки и др.), создания на их поверхности корочки, а также поддержания готовых изделий в горячем состоянии может быть использовано инфракрасное излучение.
Инфракрасное излучение является результатом сложных внутриатомных процессов, связанных с поглощением энергии веществом и преобразованием его в излучение; протекает оно по схеме “тепловая энергия - лучистая - тепловая энергия”. Термин “излучение” многозначен: под ним понимают процессы генерирования и переноса энергии электромагнитными волнами. Процесс превращения тепловой энергии в лучистую называется тепловым излучением: оно характеризуется температурой.
Инфракрасное излучение обусловлено возбуждением атомов и молекул в следствии их теплового движения. При поглощении инфракрасных лучей облучаемым телом в нем соответственно увеличивается интенсивность теплового движения атомов и молекул, что и вызывает его нагревание. Естественно, что перенос энергии происходит от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.
Инфракрасное излучение подобно свету обладает как волновыми, так и дискретными свойствами. Волновыми свойствами излучения объясняются закономерности его распространения, а дискретными - явления отражения, поглощения, пропускания.
Инфракрасное излучение, как и всякое электромагнитное колебание, можно охарактеризовать длиной волны , частотой колебаний и скоростью распространения V. Эти параметры связаны между собой соотношением:
|
, |
(1.1) |
гдеT - период колебания.
Под инфракрасным излучением принято понимать невидимую глазом область излучения, примыкающую к красному спектру видимого светового излучения.
Видимые лучи (световые) занимают в электромагнитном спектре наиболее узкий участок 0,38 - 0,77 мкм, а инфракрасные от 0,77 - 340 мкм. Последние граничат с одной стороны с видимыми красными лучами, с другой - ультракороткими радиоволнами. Они обладают теми же свойствами, что и видимые и ультрафиолетовые лучи, т.е. распространяются прямолинейно, преломляются и поляризуются. Распространение инфракрасных лучей подчиняется законам оптики.
Условно инфракрасную область излучения принято делить на три участка: коротковолновый с длиной волны 0,77 - 5,0 мкм, средневолновый - от 15 до 100 мкм и длинноволновый - от 100 до 340 мкм. Наиболее полно исследован коротковолновый диапазон.
Для тепловой обработки пищевых продуктов в электрошашлычнице применяются инфракрасные лучи с длиной волны до 5-6 мкм, причем большое значение имеет коротковолновый диапазон.
Инфракрасное излучение могут давать газы, пары, жидкие и твердые тела. Поскольку излучение обусловлено возбуждением атомов и молекул вследствии их теплового движения при нагревании тела, то любое тело может служить источником инфракрасного излучения.
Источники инфракрасного излучения характеризуются длиной волны максимального излучения max, которая зависит от температуры, и для абсолютно черного тела определяется по закону Вина:
|
, |
(1.2) |
Где T - температура излучателя, К;
C - константа, по данным последних измерений
C=2898 мкм.
Лучистый теплообмен между телами - сложный процесс. При этом процессе происходят многократные поглощения и отражения лучистой энергии, которые постепенно затухают.
Излучатели в зависимости от длины волны максимального излучения max, а следовательно, и температуры нагрева делятся условно на “светлые” и “темные”.
К “светлым” относятся такие излучатели, в спектре которых видимое (световое) излучение, а длина волны их максимального излучения max изменяется в пределах от 0,77-до 2,6 мкм. К таким излучателям относятся кварцевые инфракрасные излучатели с йодным наполнителем, зеркальные сушильные лампы, силитовые нагреватели (сены), газовые микрофакельные горелки и др.
К “темным” излучателям относятся тэны, конфорки, жарочные поверхности плит, стенки шкафов, в спектре излучения, а длина волны максимального излучения изменяется в пределах от 2,6 до 4,3 мкм.
В зависимости от температуры и состояния поверхности тело испускает то или иное излучение. При температурах, используемых в технологических аппаратах, большая часть этого излучения лежит в инфракрасной области.
Использование для проведения разнообразных тепловых процессов инфракрасное излучение позволяет значительно сокращать продолжительность обработки, упрощает конструктивное оформление процесса и поэтому применяют в электрошашлычнице. В качестве генераторов могут быть использованы:
а) кварцевые лампы с йодным заполнением (накаливания, кварцевая, инфракрасная).
В настоящее время выпускаются также кварцевые лампы типа КУ-220-1000. Источником излучения в этих лампах служит спираль из вольфрамовой проволоки, нагреваемая электрическим током до цветовой температуры 2500К и помещенная в трубку d=10мм из кварцевого стекла. Температура поверхности трубки в средней части составляет 400-500С, в зоне электродов - 130С. Лампа должна находиться в горизонтальном положении. Вольфрамовая проволока удерживается внутри трубки от провисания молибденовыми поддержками. Трубка заполнена аргоном до давления 600 мм.рт.ст. (79,8кПа) и йодом в количестве 1-2 мг, что обеспечивает регенеративный цикл работы, который позволяет сохранить стабильность энергетического и светового потока в течение всего срока службы лампы (до 5000ч) при высокой плотности излучения (10-15)104 Вт/м2 и отдаче инфракрасной энергии до 95% общего баланса энергии. Кроме того, выпускаются инфракрасные лампы, нихромовая проволока которых, помещается в кварцевую трубку, закрытую с обеих концов керамическими крышками. Значительным преимуществом трубчатых кварцевых ламп является их практическая безынерционность, недостатком - незначительная механическая прочность. Излучатель в зависимости от свей конструкции имеет характеристическое поле излучения, с максимумом излучения по середине и уменьшающееся к краям; интенсивность излучения принято измерять в Вт/м2. Трубчатая форма ламп в совокупности с отражателем, имеющим параболическое сечение, позволяет получать нужное перераспределение инфракрасной энергии и создавать на поверхности обрабатываемого продукта необходимую температуру.
б) силитовые электронагреватели (сэны) - изготовляются из полупроводниковых материалов, обладающих повышенным удельным сопротивлением. В силитовом стекле, полученном на основе карбида кремния, кристаллического кремния и углерода, это свойство сочетается с высокой термостойкостью. При эксплуатации они допускают длительную перегрузку и могут бать размещены как в вертикальном, так и в горизонтальном положении в зависимости от требования технологического процесса.
Инфракрасные лучи преодолевают путь от источника излучения до объекта облучения (мяса) в миллионные доли секунды, не встречая сопротивления пограничного слоя, что имеет место при конвективном нагреве. Эти лучи обеспечивают эффективный нагрев мяса за счет интенсификации движения атомов и молекул в его поверхностных слоях. Из общего количества энергии излучения Q, падающего на облучаемое тело в единицу времени, часть ее QH поглощается, часть QR отражается и часть QO пропускается телом, т.е.:
|
Q = QH + QR + QO, |
(1.3) |
отношение называется поглощательной способностью; - отражательной способностью: - пропускательной способностью (оптической прозрачностью).
Очевидно, что H + R + D =1.
Схема распределения энергии инфракрасного излучения показана на рис.2.2.
Тело, поглощающее при любой температуре все падающие на него лучи (H = 1; R = 0; D = 0) называется абсолютно черным.
Мясо, как реальное тело, естественно, не является абсолютно черным, для него это понятие является условным.
Для абсолютно черных тел характерна ярко выраженная селективность отражения, поглощения и пропускания, т.е. избирательность оптических характеристик в различных областях спектра.
1.3 Составление уравнений теплообмена и изменения температурного поля
Электрошашлычница представляет собой физическую систему, состоящую из совокупности отдельных тел, между которыми происходи теплообмен путем излучения и называемую калориметрической системой. При выделении тепла изменяется тепловое состояние - это обобщенная характеристика системы, отражающая распределение в ней температуры, направленность, скорость и интенсивность процессов теплообмена между отдельными частями этой системы и средой.
Калориметрическая система представляет собой совокупность разнородных элементов, между которыми происходит обмен теплом. Ее можно представить в виде неоднородного ядра, в котором протекает физический процесс выделения тепла, и оболочки, с которой ядро может обмениваться теплом. Закономерности изменения температур в такой системе тел зависят от многих факторов, важнейшими из которых являются тепловые свойства ядра (теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность) и характер тепловых связей между ядром и оболочкой, а также отдельными его элементами.
Нагревательный элемент, находясь в окружении кусочков мяса, обменивается с ними теплом путем излучения в том случае, если их разделяет среда газообразная, и не поглощающая это излучение.
Количество теплоты, излучаемое единицей поверхности в единицу времени абсолютно черного тела, вычисляется с помощью выражения:
|
q = 0T4, |
(2.1) |
где 0 - постоянная излучения абсолютно черного тела, равная 5.69910-8Вт/(м2град4)
T - абсолютная температура излучающей поверхности, С.
Формула (2.1) является аналитическим выражением закона Стефана - Больцмана: плотность теплового потока пропорциональна температуре в четвертой степени.
Для технических расчетов применяется выражение (2.1) в другом виде:
|
, |
(2.2) |
где C0 = 1080 -коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5.699Вт/(м2град4).
Для реальных тел коэффициент излучения С<С0 и закон Стефана - Больцмана имеет вид:
|
, |
(2.3) |
где С=С0; - коэффициент (степень) черноты излучения серого тела, значение которого изменяется в пределах 0-1.
При вычислении излучаемой или поглощаемой энергии следует учитывать взаимное расположение и геометрическую форму поверхности тел, между которыми происходит теплообмен. Для случая обмена теплом между двумя плоскими поверхностями, имеющими температуры T1 и T2 и коэффициенты излучения С1 и С2, можно написать следующее выражение для плотности теплового потока:
|
, |
(2.4) |
где Сn -приведенный коэффициент излучения:
.
Теперь следует рассмотреть вопрос температурного поля.
Распространенные методы моделирования калориметрических систем вытекают из упрощенной теории температурного поля.
Основные предпосылки упрощенной теории состоят в следующем:
в калориметрической системе не возникают градиенты температур;
температура среды и коэффициент теплообмена постоянны во времени;
тепловые коэффициенты отдельных частей системы не зависят от температуры.
Таким образом, калориметрическая система в виде однородного изотропного ядра, находящегося в изометрической оболочке.
Результаты теоретического рассмотрения в основном будут определяться первой предпосылкой, так как вторая и третья предпосылки реализуются более полно.
Следует провести рассмотрение процесса охлаждения тела, находящиеся в состоянии теплообмена с окружающей средой в соответствии с законом охлаждения Ньютона:
|
q = L(S-ti), |
(2.5) |
Где S - температура поверхности тела;
ti - температура среды.
Если уменьшение теплосодержания вызвано тепловыми потерями в среду, то можно записать следующее равенство:
|
-Hd = LS( - ti)d, |
(2.6) |
Где d- тепловой эквивалент или полная теплоемкость системы;
- температура тела;
ti - температура среды;
L - коэффициент теплообмена;
S - поверхность тела;
- время.
Если внутри электрошашлычницы действует постоянный источник тепловой энергии, то исходное уравнение будет иметь вид:
|
-Hd+ d = LS( - ti)d, |
(2.7) |
Где - мощность источника тепла.
Решая уравнение (2.6) относительно температуры , получается:
|
= ti -( ti - 0)exp(-m), |
(2.8) |
Где 0 - начальная температура тела;
m - положительное число, называемое темпом нагревания,
|
, |
(2.8*) |
Решая уравнение (2.7) относительно получается:
|
=t - (t - 0)exp(-m), |
(2.9) |
где t = t i + / LS конвергационная температура, к которой стремится система при .
Основываясь на уравнениях (2.8), (2.8*), (2.9) можно вычислить поправку на теплообмен системы с окружающей средой и определить величину подъема температуры, вызванного тепловым эффектом излучаемой реакции. Уравнение (2.9) можно применить и к начальному и конечному периодам. Если калориметрическая система имеет небольшой темп охлаждения, то выражение (2.9) можно преобразовать к виду:
|
= 0 + (t - 0)m, |
(2.10) |
Из уравнения (2.10) следует, что скорость изменения температуры в начальный и конечный периоды не зависит от времени:
|
. |
(2.11) |
Таким образом, упрощенная теория калориметрической системы, построенная без учета градиентов температурного поля системы приводит к аналитическим зависимостям, которые являются первым приближением к реальным соотношениям физических параметров в калориметрической системе. В классической теории уравнения (2.8), (2.8*) и (2.9) являются исходными для вычисления температурной поправки на теплообмен.
1.4. Теоретические основы работы электропривода
В электрошашлычнице в качестве исполнительного элемента привода вращения шампуров применяется электропривод. Эти двигатели выпускаются
электрошашлычница тепловой обработка прибор
2. РАСЧЕТНО-КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Общая характеристика способов тепловой обработки продуктов
Процесс - последовательные изменения какого-либо предмета или явления, в которых выражаются определенные объективные закономерности.
К тепловым процессам относятся такие процессы, в основе которых лежит изменение теплового состояния тел или сред, участвующих в этих процессах.
Кроме того, тепловые процессы, осуществляемые при переработки сырья в готовую продукцию, подразделяются на низкотемпературные, которые протекают при температуре на выше 130С, и высокотемпературные.
Периодические процессы характеризуются неустановившимся состоянием во времени. Они осуществляются в аппаратах периодического действия, из которых конечный продукт выгружается через определенные промежутки времени. После разгрузки аппарата в него загружают новую порцию продуктов и производственный цикл повторяется снова.
Непрерывный процесс характеризуется установившимся состоянием во времени и непрерывной загрузкой и выгрузкой продукта, например тепловая обработка продуктов в аппаратах поточной линии фабрик - заготовочных.
Комбинированный представляет собой непрерывный процесс, некоторые стадии которого протекают периодически.
В процессе тепловой обработки сырью сообщается определенное количество тепла, под действием которого происходит видоизменение продукта (жиры плавятся, белки свертываются и т.д.)
Тепловая обработка пищевых продуктов производится различными способами. Наиболее распространенным является поверхностный (традиционный) нагрев, широко используемый почти во всех существующих аппаратах. Он основан на явлении “переноса” тепла, при котором приготовление кулинарных и кондитерских изделий осуществляется за счет поверхностного прогрева, а доведение их до полной готовности - за счет теплопроводности пищевых продуктов. В основе поверхностного способа тепловой обработки лежат два способа - варка (влажный нагрев) и жаренье (сухой нагрев). Эти способы применяются раздельно и в различных сочетаниях один с другим. Каждый из способов имеет несколько разновидностей. Варка - это процесс гидротермической обработки продуктов с целью доведения их до состояния готовности. Варка состоит их двух стадий: нагревания жидкой среды до температуры кипения, когда температура в каждой точке аппарата и среды изменяется во времени (нестационарный режим), когда температура в упомянутых точках не изменяется во времени (стационарный режим). При этом для максимального быстрого доведения жидкостной среды до кипения необходим сильный нагрев аппарата, а для собственно варки, т.е. доведения продуктов до готовности, наоборот, слабый нагрев, обеспечивающий получение так называемого тихого кипения, так как интенсивное кипение вызывает эмульгирование жиров.
Жаренье - это сложный технологический процесс, при котором имеют место физиолого-биохимические и физико-химические явления, обусловленные свойствами самого продукта. Жаренье продуктов в отличии от варки производится без добавления воды, бульона, молока, соуса. Нагревание продукта осуществляется при температуре, способствующей появлению на нем специфической корочки. Температура корочки при нормальных условиях нагрева достигает 135С. Жаренье производят в открытой посуде на разогретой поверхности плит, в жарочных шкафах.
Радиационный способ - это тепловая обработка продуктов инфракрасными лучами (ИК). Используется он в тех случаях, когда на поверхности продуктов необходимо создать специфическую корочку и колер. Инфракрасные лучи способны проникать лишь на некоторую глубину внутрь продуктов (в зависимости от его оптических характеристик - поглощательной, отражательной и пропускательной способности), а также воздействовать на его молекулярную структуру и циркуляцию паров в порах. В связи с этим не только температура поверхности материала, но и расположенных ниже слоев быстро растет, при чем максимальная температура наблюдается не на поверхности материала, а на некоторой его глубине (от долей до нескольких миллиметров), что объясняется охлаждением поверхности окружающей среды.
Глубина проникновения коротковолновых инфракрасных лучей в продукты различна и зависит от их свойств, структуры, характера поверхности, влагосодержания, и также от длины волн излучения.
Для поглощения и отражения инфракрасных лучей большое значение имеет не цвет поверхности, а ее состояние. Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лучи. Инфракрасные лучи поглощают белые и другие краски так же хорошо, как и темные. Независимо от цвета отражательная способность гладких и полированных поверхностей во много раз выше, чем шероховатых.
Объемный способ - осуществляется в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (СВЧ). При - этом нагрев продуктов производится одновременно по всему их объему; теплопроводность продуктов роли не играет.
Приготовление кулинарных изделий осуществляется методом объемного нагрева, при котором нагревается только помещенный в камеру продукт, как правило, без добавления воды и жира. При этом из-за потерь тепла в окружающую среду температура поверхностных слоев меньше, чем центральных, в результате чего на поверхности продукта отсутствуют специфическая корочка и колеровка.
Основным преимуществом объемного прогрева продуктов в СВЧ - поле является быстрота приготовления пищи: время приготовления уменьшается приблизительно в 10 раз по сравнению с поверхностным нагревом и составляет для большинства блюд несколько минут. При этом сохраняются питательные вещества и значительно улучшаются вкусовые качества по сравнению с традиционным способом приготовления пищи. СВЧ - аппарат не дает загрязнений при нагреве и практически безынеционен в управлении, причем при СВЧ - нагреве отсутствуют холостой ход и связанные с ним потери тепла. Нагрев прекращается одновременно с прекращением подачи энергии.
Этим методом можно размораживать как готовые блюда, так и полуфабрикаты: мясо, фрукты, ягоды. Причем процесс размораживания протекает в 35-40 раз быстрее по сравнению с обычным способом размораживания при лучшем сохранении внешнего вида продукта, вкусовых качеств и питательных веществ.
Комбинированный способ - это тепловая обработка пищевых продуктов, при которой используются два источника нагрева пищевых продуктов: СВЧ и ИК, СВЧ и пар, СВЧ и горячий воздух - ИК в различных сочетаниях.
У пищевых продуктов, прошедших тепловую обработку в СВЧ - шкафах, отсутствуют специфическая корочка и колер, характерные для жаренья традиционным способом. Поэтому в шкафах СВЧ устанавливают ИК - излучатели, которые включают на 1-2 мин. После доведения изделий до состояния кулинарной готовности. В результате такой обработки изделия приобретают специфическую корочку и колер. Такой способ нагрева может быть осуществлен в одном и том же шкафу, либо последовательно в двух аппаратах - шкафу СВЧ и шкафу с ИК - излучением (электрогрили).
Однако этот способ не может быть эффективно использован для тепловой обработки крупнокусковых изделий. Повышение плотности теплового потока инфракрасного излучения вызывает быстрое повышение температуры облучаемой поверхности и приостановление роста температуры на противоположной поверхности и в центральных слоях, что способствует возникновению термического переноса в продукте, быстрому обезвоживанию поверхностного слоя, его обугливанию и, как следствие, ухудшение качества готовой продукции и снижению ее усвояемости.
В связи с этим следует использовать тепловую обработку пищевых продуктов СВЧ - паровым способом и паро - ИК -нагревом.
В первом случае прогрев продукта производят в поле СВЧ до температуры примерно 70-80С в течение 3-4 мин., а затем доводят его до готовности в среде влажного насыщенного пара при t=98-100C.
Во втором случае, наоборот, сначала продукты прогревают паром до 80-90С, и затем кратковременно облучают его ИК - лучами. Продолжительность паровой обработки колеблется в зависимости от вида и массы продуктов, при этом значительно снижаются их общие влагопотери, и в большей степени, чем при других способах нагрева, сохраняются пищевые свойства; кроме того, продукты становятся более сочными.
Радиационно - конвективный способ (РК) способ - это тепловая обработка изделий циркулирующим горячим воздухом t300С и ИК - лучами. Радиационно - конвективный нагрев осуществляется в шкафах с принудительной циркуляцией горячего воздуха t300С, в которых почти все тепло к изделиям передается конвекцией. Нагрев воздуха осуществляется от электронагревательных элементов до t300С, движение воздуха происходит от вентилятора по замкнутому контуру.
При нагревании воздуха уменьшаются его плотность и гидравлическое сопротивление тракта, снижается напор, развиваемый вентилятором, работающем в замкнутом контуре, а объемный расход воздуха остается постоянным принудительная циркуляция горячего воздуха ускоряет обработку изделий и равномерность нагрева их со всех сторон и способствует более эффективному использованию объема камеры. Для дополнительной колеровки поверхности изделий в камере устанавливается генератор ИК - энергии, который может включаться на 1-2 минуты в зависимости от требований технологического процесса (конвективный способ обогрева).
Помимо горячего воздуха для тепловой обработке изделий может быть использован перегретый водяной пар t300-350С, который получается в парогенераторе шкафа из воды и в этом же шкафу перегревается тэнами до необходимой температуры (паро-жарочный способ обогрева).
Анализ различных способов тепловой обработки показал, что качество кулинарных изделий зависит от соблюдения ряда требований:
соответствия интенсивности подвода тепла и времени обработки продукта темпу физико-химических изменений белковой основы продукта;
соответствия уровня температур рабочей среды характеру и степени изменения жиров;
стабильности и равномерности обогрева поверхности кулинарных изделий.
2.2 Обоснование и выбор конструкции
Электрошашлычница относится к бытовым приборам, и, значит, для нее немаловажное значение имеют габаритные размеры. На основе анализа патентного поиска можно констатировать, что наименьшую занимаемую площадь имеют электрошашлычницы с вертикальным расположением шампуров и нагревателя. Поэтому для обеспечения наименьших габаритных размеров необходимо принять вертикальную компоновку прибора.
Нагревательный элемент должен удовлетворять некоторым ограничениям, а именно:
Простота эксплуатации.
Равномерная плотность потока излучения.
Длина нагревателя соизмеримая с размерами шампуров.
Небольшие габаритные размеры.
Рабочая среда нагревателя - воздух.
Всем этим ограничениям соответствует нагревательный элемент из нихромовой проволоки, навитой с определенным шагом на керамической трубке. Так как нагревательный элемент находится в непроводящей электрический ток среде, то нагревательный элемент открытый, без защитного покрытия. Однако во избежании забрызгивания спирали нагревателя жиром или ее случайного касания рукой следует закрыть нагревательный элемент кварцевым защитным стеклом с внутренним воздушным зазором для охлаждения.
Взаимное расположение шампуров и нагревателя может быть следующее:
Нагреватель находится сбоку, шампура вращаются вокруг центральной оси и для увеличения равномерности обжаривания, вокруг собственных осей.
Нагреватель находится внутри шампуров, расположенных от него по окружности с определенным радиусом. Шампура вращаются вокруг собственной оси.
Первый вариант расположения неблагоприятный из-за сложной кинематической схемы и неполного использования поверхности нагревательного элемента.
Второй вариант взаимного расположения шампуров и нагревателя более предпочтителен, так как нагреватель расположен внутри внешнего диаметра электрошашлычницы и излучаемое им тепло одновременно попадает на все кусочки мяса, что повышает качество приготовляемого продукта.
Вид электропривода определяется питающим напряжением и током. Для конкретных условий используется с рабочим напряжением 12В.
В результате анализа выше изложенного можно сформулировать основные требования к конструкции бытовой электрошашлычнице, а именно:
Вертикальная компоновка, для обеспечения наименьших габаритных размеров.
Открытый нагревательный элемент из нихромовой проволоки, навитый на керамической трубке из, и помещенный с некоторым зазором в трубку из кварцевого стекла.
Взаимное расположение нагревателя и шампуров по второму варианту, т.е. когда нагреватель находится внутри шампуров, расположенных от него по окружности с определенным радиусом.
Электропривод, обеспечивающий нормальную работу электрошашлычницы от бортовой сети автомобиля с напряжением 12В.
Этим требованиям отвечает электрошашлычница ЭШВ -1,25/220 ГОСТ 21621-83 конструкция которойвзята в качестве базового варианта. Электрошашлычница имеет следующие технические данные:
|
Номинальное напряжение, В |
- 12 |
|
|
Род тока |
- постоянный |
|
|
Номинальная потребляемая мощность, кВт |
- 0,1 |
|
|
Температура нагрева, не менее, С |
- 700 |
|
|
Время разогрева нагревателя до рабочей температуры, не более, мин. |
- 5 |
|
|
Частота вращения шампуров, об/мин. |
- 2 |
|
|
Масса одновременной загрузки, кг, не более |
- 1,25 |
|
|
Габаритные размеры, мм |
- 210465 |
|
|
Масса изделия, кг |
- 2,5 |
Целью модернизации базового варианта электрошашлычницы является снижение ее энергетических характеристик, а именно потребляемой мощности и напряжения питания с 220 до 12 В. Снижение потребляемой мощности электрошашлычницы достигается введением в ее конструкцию отражающего экрана и теплоизоляционного корпуса, что позволяет возвращать большую часть лучистой энергии, уходящей в окружающее пространство обратно на приготавливаемый продукт. За счет этого увеличивается плотность облучения продукта.
Таким образом отражающий экран позволяет снизить мощность излучателя инфракрасной энергии, оставив на прежнем уровне плотность облучения продукта. Так как основным потребителем энергии в электрошашлычнице является излучатель, то снижение его мощности приведет к снижению общей потребляемой мощности электрошашлычницы.
2.3 Тепловой расчет электрошашлычницы
Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов по виду, устройству, принципу действия и греющим средам, назначение одно и то же - передача тепла от одной горячей среды (теплоносителя) к другой (термически обрабатываемой). Поэтому основные положения теплового расчета для всех видов теплообменных аппаратов, в том числе и для электрошашлычницы, остаются общими. При этом различают конструктивный и проверочный тепловые расчеты.
Конструктивный расчет производят при проектировании новых аппаратов, когда по заданной производительности требуется определить основные размеры аппарата, режим его работы, поверхность нагрева, а затем конструировать его либо подобрать готовый аппарат по каталогам.
Проверочный расчет производят для существующего аппарата с целью - установить соответствие его производительности заданной или определить режим работы, конечную температуру рабочих тел (например, температуру уходящих продуктов сгорания в огневых и газовых аппаратах), расход энергоносителя или к.п.д., а также выяснить, может ли бить повышена интенсивность его работы (при модернизации, автоматизации или других технических мероприятиях).
В обоих случаях основными расчетными уравнениями являются уравнения теплопередачи и теплового баланса. Уравнение теплопередачи имеет следующий вид:
|
Q = kFt, |
(3.1) |
Где Q - количество тепла, переданного поверхностью нагрева, Дж;
k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2с);
- поверхность нагрева, м2;
t - температурный напор, С;
- время, за которое осуществляется передача тепла, с.
Уравнение теплового баланса имеет вид:
|
Qзатр =Qпол+Qпот, |
(3.2) |
Где Qзатр - общее количество затраченного тепла в аппарате;
Qпол - полезно используемое тепло;
Qпот - сумма потерь тепла.
Уравнение теплопередачи (3.2) характеризует тепловой процесс односторонне, так как отражает лишь тепло, прошедшее через поверхность нагрева аппарата. Тепловой баланс показывает равенство прихода и расхода тепла в аппарате, выражая известный закон сохранения энергии. Баланс может составляться на весь технологический процесс, на процесс только варки (стационарный режим), на процесс нагрев содержимого до кипения (нестационарный режим), на час работы аппарата и, на конец, на единицу затраченного энергоносителя (кВтч электроэнергии, кг пара, кг топлива и м3 газа). На основании анализа приведенных выше уравнений можно наиболее рационально эксплуатировать тепловое оборудование.
Таким образом, расчет теплообменных аппаратов, в том числе и электрошашлычницы включает:
Определение теплового потока (тепловой нагрузки электрошашлычницы), т.е. количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время от теплоносителя к термически обрабатываемой среде. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.
Определение площади поверхности теплообмена аппарата F, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется интенсивностью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла, в этом случае от излучения.
Кроме того, к числу основных задач теории теплообмена относится установление зависимости между тепловым потоком и распределением температур в средах. Как известно, совокупность значений любой величины во всех точках данной среды (тела) называется полем этой величины. Соответственно совокупность значений температур в данный момент времени для всех точек рассматриваемой среды называется температурным полем. Температура в данной точке t зависит от координат точки (x,y,z) и изменяется во времени , т.е. температурное поле выражается функцией:
|
t =f(x,y,z,), |
(3.3) |
Эта зависимость представляет собой уравнение неустановившегося (нестационарного) поля.
Если температура является функцией только пространственных координат, то температурное поле будет стационарным:
|
t =f(x,y,z), |
(3.4) |
2.3.1 Расчет отражающего экрана
Для плотности теплового потока, излучаемого в пространство генератором в одном направлении, используют отражатели (рефлекторы), изготовленные из материала максимальной отражающей способностью (анодированный и полированный алюминий и др.) различной конфигурации - плоские, сферические, параболические, гиперболические, эллиптические.
Влияние формы отражателя на величину плотности теплового потока при одинаковых условиях излучения показано в таблице 5.1.
Таблица 5.1.
|
Вид устройства |
Плотность теплового потока в % |
|
|
Без отражателя Плоский отражатель Параболический Сферический Гиперболический |
100 133 334 238 268 |
Установлено, что наилучшей формой сечения отражателя является парабола, отвечающая уравнению:
|
y =0.312x2, |
(3.1.1) |
При использовании излучателей с параболическим отражателем наибольшая плотность лучистой энергии приходится на центральную и близкую к ней область излучения от оси симметрии происходит резкое снижение плотности. Излучатели с плоским отражателем не создает резкого снижения плотности лучистого потока при отклонении его от оси симметрии. Кроме концентрации потока излучения отражатель способствует повышению температуры облучаемого продукта.
Следует выбрать сферический отражатель. Выбор определяет простота изготовления и достаточно равномерная характеристика распределения плотности лучистого потока при отклонении его от оси симметрии отражателя.
Из таблицы 5.1. видно, что применение сферического отражателя увеличивает плотность потока инфракрасной энергии. Увеличение плотности потока инфракрасной энергии определяется по формуле:
|
, |
(3.1.2) |
где k - коэффициент увеличения плотности потока инфракрасной энергии;
gnсф, gn - соответственно плотность при сферическом отражателе и без отражателя, %.
|
|
Максимально допустимая плотность облучения, при которой происходит ожог пищевых продуктов, по данным Павлова И.С., составляет 2.1104 Вт/м2.
В базовом варианте электрошашлычницы расстояние от источника инфракрасного излучения до поверхности продукта около 50 мм. Мощность излучателя равна 1.25 кВт. По номограмме на рис 3.1.1 следует определить плотность облучения:
P=1.25 кВт.
H=50 мм
gn=1.8104 Вт/м2
где H - расстояние от центра генератора инфракрасной энергии до поверхности продукта;
P - мощность генератора инфракрасной энергии.
Введение в базовую конструкцию электрошашлычницы сферического отражателя повышает плотность облучения в k раз и составляет:
|
Вт/м2 |
(3.1.3) |
Полученная плотность облучения выше максимально допустимой плотности облучения, что приведет к ожогу продукта, поэтому для того чтобы оставить плотность в k раз понизить мощность генератора инфракрасной энергии, т.е.:
|
, |
(3.1.4) |
где PM - мощность генератора инфракрасной энергии с отражателем.
Вт.
Зависимость между расстоянием от излучателя до продукта H и расстоянием между продуктом и отражателем L устанавливается примерно из выражения:
|
L=1.4H L=1.450=70мм |
(3.1.5) |
Расстояние от излучателя до отражателя S равно сумме расстояний H и L, т.е.:
|
S=L+H S=50+70=120мм |
(3.1.6) |
Учитывая, что электрошашлычница имеет шесть фиксированных осей вращения шампуров, то для концентрации потока излучения целесообразно будет заменить один сферический отражатель на шесть полусфер, оси симметрии которых лежат в одной плоскости с осями вращения соответствующих шампуров, радиусы полусфер определяются следующим образом:
|
Rсф=S-h, |
(3.1.7) |
Схематичное изображение расположения отражающего экрана показано на рис.3.1.2, где 1 - источник инфракрасной энергии; 2 - отражающий экран.
Таким образом найдены основные геометрические размеры отражающего экрана, позволяющие обеспечить допустимую плотность облучения gn=1.8104 Вт/м2 без ожога поверхности продукта.
2.3.2 Определение коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи
Количество тепла Q, передаваемое поверхности нагрева мяса F в течение часа при разности температур между внешней и внутренней средой мяса t, определяется по уравнению теплопередачи:
|
Q=kFt, |
(3.2.1) |
гдеk - коэффициент теплопередачи.
В зависимости от принятой схемы расчета Q из уравнения теплопередачи может быть отнесено к единице длины, поверхности или объема. При этом единица измерения Q, а также единица измерения для k соответственно изменяются.
Значение коэффициента теплопередачи k для куска мяса при толщине его слоев i, коэффициенте теплопроводности i и при коэффициентах теплоотдачи от нагревателя к внешней поверхности мяса 1, так как потери тепла на нагрев воздуха не значительны, то 1=1, и от внешней поверхности мяса к нагреваемой внутренней среде 2 составляет:
Подобные документы
Состав бетонной смеси. Выбор и обоснование режима тепловой обработки. Определение требуемого количества тепловых агрегатов, их размеров и схемы. Составление и расчет уравнения теплового баланса установки. Составление схемы подачи теплоносителя по зонам.
курсовая работа [852,2 K], добавлен 02.05.2016Техническая характеристика и схема котла ДКВР-4-13. Определение энтальпий воздуха, продуктов сгорания и построение i-t диаграммы. Расчет теплообмена в топочной камере и в конвективной испарительной поверхности нагрева. Поверочный тепловой расчет котла.
курсовая работа [651,4 K], добавлен 10.05.2015Расчет теплового пункта, выбор водоподогревателей горячего водоснабжения, расчет для данного населенного пункта источника теплоснабжения на базе котельной и выбор для нее соответствующего оборудования. Расчёт тепловой схемы для максимально-зимнего режима.
курсовая работа [713,9 K], добавлен 26.12.2015Описание двигателя MAN 9L 32/40: общая характеристика и функциональные особенности, структурные элементы и их взаимодействие. Выбор и обоснование исходных данных для теплового расчета двигателя, определение эффективных показателей. Расчет на прочность.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 12.10.2011Проектирование и тепловой расчет котельного агрегата. Характеристика котла, пересчет топлива на рабочую массу и расчет теплоты сгорания. Определение присосов воздуха. Вычисление теплообмена в топке и толщины излучающего слоя. Расчет пароперегревателя.
курсовая работа [3,4 M], добавлен 08.04.2011Устройство и принцип работы автоклава. ТВО бетона при избыточном давлении. Технологический и теплотехнический расчет тепловой установки. Расчет подачи пара (теплоносителя). Системы автоматического регулирования процесса тепловой обработки в автоклавах.
курсовая работа [386,0 K], добавлен 19.10.2010Методика теплового расчета подогревателя. Определение температурного напора и тепловой нагрузки. Расчет греющего пара, коэффициента наполнения трубного пучка, скоростных и тепловых показателей, гидравлического сопротивления. Прочностной расчет деталей.
курсовая работа [64,6 K], добавлен 05.04.2010Выбор и расчет оптимальных режимов резания. Модернизация фрезерных станков. Кинематический расчет привода главного движения. Проектирование конструкции дополнительной фрезерной головки. Расчет шпинделя на жесткость. Тепловой расчет шпиндельного узла.
дипломная работа [7,7 M], добавлен 11.08.2011Особенности теплового обмена между телами, сущность теплопроводности и конвекции. Формы и процессы теплообмена. Описание граничных условий расчёта температурного поля, количества аккумулированной теплоты. Определение и последовательность решения задачи.
курсовая работа [549,2 K], добавлен 27.10.2013Расчет тепловой работы методической толкательной печи для нагрева заготовок. Составление теплового баланса работы печи. Определение выхода продуктов сгорания, температур горения топлива, массы заготовки, балансового теплосодержания продуктов сгорания.
курсовая работа [6,6 M], добавлен 21.11.2012
