Модернизация электрошашлычницы

,	(3.2.2)

где 1 - коэффициент теплоотдачи от нагревателя к внешней поверхности мяса;

₂ - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности мяса к нагреваемой внутренней среде;

i - толщина i - слоя куска мяса;

i - коэффициент теплопроводности i - слоя каска мяса.

Схема изменения температур в многослойном куске мяса при стационарном режиме приведена на рис.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением и обозначается:

,	(3.2.3)

Коэффициент теплопередачи мяса можно определить непосредственно из уравнения теплопроводности:

,	(3.2.4)

где Q - количество тепла, передаваемое поверхности нагрева мяса.

Кусок мяса в этом случае условно можно представить как цилиндр со следующими параметрами:

h - высота цилиндра, мм;

R - радиус цилиндра, мм.

Площадь поверхности цилиндра следует определить следующим образом:

Sn=2R2+hR,	(3.2.5)

где Sn - площадь поверхности цилиндра.

Для дальнейших расчетов следует принять следующие размеры.

h=20 мм;

R=25 мм.

Площадь поверхности цилиндра определяется:

Sn=23,1425²+203,1425=5495 мм²

Sn=5,510³ м²

разности температур между внешней поверхностью мяса и внутренней средой определяется экспериментально и составляет:

t=135-100=35С.

Количество тепла, передаваемое поверхности мяса равно полезному теплу излучаемого нагревательным элементом и берется из расчетов коэффициента теплоотдачи, используя при этом формулы (3.2.1), (3.2.4), (3.2.5).

В лучистом теплообмене между двумя поверхностями (при условии нахождения между ними диатермической среды, в этом случае, воздуха) коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием может л быть определен следующим образом:

,	(3.2.6)

где Спр - приведенный коэффициент лучеиспускания системы, Вт/(м²К⁴);

T1 - абсолютная температура теплоотдающей поверхности, К,

T1=700С=973К.

T2 - абсолютная температура лучеиспускающей поверхности мяса, К, T2=408К.

t1- температура поверхности мяса, С, t1=135С.

t2 - температура внутренней среды мяса, С, t2=100С.

При лучистом теплообмене двух параллельных близко расположенных поверхностей приведенный коэффициент излучения имеет следующий вид:

,	(3.2.7)

где С0 - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, ккал/м²чград, С0=4,96 ккал/м²чград;

С1 - коэффициент лучеиспускания нагревательного элемента, ккал/м²чград, С1=1,07 ккал/м²чград;

С2 - коэффициент лучеиспускания мяса, ккал/м²чград, С2=3,11 ккал/м²чград.

Вт/(м2К4)

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием л рассчитывается по формуле (3.2.6) и составит:

Вт/(м²С)

так как нагревательный элемент и мясо, как и все твердые тела, являются серыми, важно определить их лучеиспускательную способность. Величина коэффициента лучеиспускания изменяется в широких пределах.

Коэффициент лучеиспускания серого тела представляет СS некоторую физическую постоянную, которая зависит от его оптических свойств и определяется опытным путем.

CS=5.67A,	(3.2.8)

где A - коэффициент лучеиспускания, Вт/[м²];

Для нагревательного элемента и мяса коэффициенты соответственно составят:

AH=0.188 Вт/[м²];

AM=0.548 Вт/[м²].

По формуле (3.2.8) можно определить коэффициенты лучеиспускания C для нагревательного элемента и мяса:

CH=5.670.188=1.07 Вт/[м²];

CM=5.670.548=3.11 Вт/[м²].

Отношение коэффициента излучения серого тела к коэффициенту излучения абсолютно черного тела при одинаковой температуре носит название относительного коэффициента лучеиспускания или степени черноты серого тела.

Степень черноты серого тела, а в частности, нагревательного элемента можно определить по формуле:

,	(3.2.9)

где ЕН - степень черноты нагревательного элемента;

CН - коэффициент лучеиспускания нагревательного элемента, Вт/[м²].

Степень черноты серого тела, а в частности мяса можно определить следующим образом:

,	(3.2.10)

Где ЕМ - степень черноты мяса;

CМ - коэффициент лучеиспускания мяса.



Таким образом, определены ориентировочные численные значения коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи, соответственно равные k=2.3610³ Вт/(м²с) и л=235.26 Вт/(м²с), что позволяет моделировать термодинамические процессы в электрошашлычнице.

Найденная степень черноты мяса, по отношению к абсолютно черному телу, ЕМ=0,6 показывает, какая доля энергии попадающей на поверхность мяса поглощается.

2.4 Выбор и расчет источника инфракрасной энергии

Источниками излучения инфракрасной энергии являются главным образом температурные излучатели, в которых инфракрасные лучи возникают в результате сжигания газа, какого-либо другого горючего или при нагревании тел. Кроме того, источниками могут быть электрические лампы накаливания, ртутные, кварцевые лампы, полуизлучающие тэны, сэны (силитовые электронагреватели), металлические и керамические излучатели газовых горелок и др.

В электрошашлычнице в качестве источника инфракрасной энергии используется открытый нагревательный элемент, выполненный из нихромовой проволоки, намотанной на керамической трубке.

Для расчета нагревательного элемента следует ввести следующие обозначения:

P1 - мощность нагревательного элемента, Вт;

U - номинальное напряжение, В;

I - ток, А;

- удельное сопротивление материала спирали, Оммм²/м

Исходными данными являются следующие величины:

P1=100 Вт;

U=12 В;

I = 3 А;

= 1.2 Оммм²/м.

При известном диаметре трубки нагревательного элемента и известной удельной мощности на ее поверхности, длина активной части трубки определяется по формуле:

,	(4.1)

где Lа - длина активной части трубки;

D - диаметр трубки, D = 3.2 см;

Wm- удельная мощность на поверхности трубки,

Wm = 0.375 Вт/см².

см

Полная длина трубки после сборки определяется следующим образом:

L=La+2Lk,	(4.2)

Где L - полная длина трубки;

La - длина контактной части трубки.

L = 26.5+20.75=28 см.

Сопротивление спирали нагревательного элемента следует определить по формуле:

,	(4.3)

Где R - сопротивление спирали, Ом

Ом,

Длину проволоки можно найти следующим образом:

,	(4.4)

где d - диаметр проволоки. (Для достижения суммарного диаметра d = 2 мм; используем стандартную проволоку диаметром 0.5 мм и, соединив отрезки длиной l параллельно, получаем 4 отрезка.)

l - длина проволоки спирали;

м

Необходимо определить характеристики спирали нагревательного элемента. Длина одного витка спирали определяется по формуле:

lв=1,07(D+d),	(4.5)

Где lв - длина витка спирали.

Lв=1.07(32+3)3.14=117.6 мм

Количество витков проволоки в спирали можно найти следующим образом:

,	(4.6)

Где n1 - количество витков спирали в один провод.

- общее количество витков спирали.

n = n1 4 = 32.2 4 =128.8

Шаг намотки витков определяется по формуле:

,	(4.7)

Где h - шаг намотки витков.

мм

Коэффициент плотности намотки витков определяется следующим образом:

,	(4.8)

Где k - коэффициент плотности намотки витков.

Полученная плотность намотки соответствует допустимой (k=24), поэтому расчет спирали можно считать верным.

Следует произвести расчет сечения проводов. Для этого необходимо определить общую мощность, потребляемую электрошашлычницей.

Мощность потребляемая электрошашлычницей от бортовой сети автомобиля напряжением 12В, складывается из потребляемой мощности электродвигателя и потребляемой мощности нагревательного элемента.



Pобщ=Pдв+Pн,	(4.9)

Потребляемая мощность двигателя указана в его паспорте и равна:

Pдв=5 Вт.

Потребляемая мощность нагревательного элемента составляет:Pн=100 Вт.

Общая мощность потребляемая электрошашлычницей составляет:

Pобщ=100 +5= 105 Вт.

Ток нагрузки питающих проводов находится из формулы:

,	(4.10)

Где IH - ток нагрузки, А;

UH - напряжение нагрузки, В.

A

Следует сделать выбор провода из условия обеспечения запаса по токовой нагрузке:

IH I,	(4.11)

Где I - номинальный ток провода.

Следует выбрать провод ПВ2 сечением 0,75мм², длительно допустимый ток эксплуатации 15А.

2.5 Составление теплового баланса

Тепловой баланс аппарата приобретает различную конечную форму в зависимости от конкретного случая теплообмена и способа учета тепловых потерь.

Для электротепловых аппаратов тепловой баланс имеет вид:

Qзатр=Q1 + Q2,	(5.1)

Где Qзатр - тепло, излучаемое нагревательным элементом;

Q1 - полезное тепло, которое необходимо получить в аппарате;

Q2 - потери тепла на разогрев конструкции аппарата при его нестационарном режиме.

Для модернизированной электрошашлычницы уравнение теплового баланса принимает следующий вид:

Qзатр=P,	(5.2)

гдеP - мощность электронагревателя, кВт, P=0.1кВт;

- время работы электрошашлычницы, с,

=90 мин = 5400с

Qзатр=0.15400 = 540 Втс

Среднюю теплоемкость мяса можно определить по следующей формуле:

,	(5.3)

Где a - влажность продукта, % по массе, aм=57%;

b - сухие вещества продукта, %, b =100 - a = 43%;

168 - средняя теплоемкость сухих веществ, кДж/(кгС).

кДж/(кгС)

Теоретический расход тепла на приготовление мяса в электрошашлычнице определяется из выражения:

Q1 = cmt,	(5.4)

гдеc - теплоемкость мяса, кДж/(кгС);

m - масса мяса, m = 1.25кг;

t - разность между конечной температурой и начальной температурой tн мяса,

t = 135 - 18 = 117С

Q1 = 3.111.25117 = 455 Втс

Потеря тепла на разогрев конструкции электрошашлычницы до стационарного режима определяется следующим образом:

,	(5.5)

где ci- теплоемкость i-го элемента конструкции электрошашлычницы, кДж/(кгС);

M - масса i-го элемента конструкции, кг;

ti- разность температур отдельных деталей конструкции между конечной tк и начальной tн температурами i-го элемента, С.

В связи с тем, что трудно определить все отдельные элементы конструкции электрошашлычницы, а также их конечную температуру при разогреве до стационарного режима при составлении тепловых балансов аппаратов по экспериментальным данным, а также и по теоретическому расчету, Q2 определяется по разности тепла, излучаемого электронагревателем и расходом тепла на приготовление мяса в электрошашлычнице вместе с невязкой баланса:

Q2 = Qзатр - Q1,	(5.6)

Где Qзатр - тепло, излучаемое нагревателем;

Q1 - полезное тепло, которое необходимо получить для приготовления мяса.

Q2 = 540 - 455 = 85 Втс

Если разделить обе части теплового баланса (5.1) на Qзатр, то все они будут представлены в долях единицы и обозначаются g:

g1 + g2 = 1,	(5.7)

где g1 - коэффициент полезного действия модернизированной электрошашлычницы;

g2- коэффициент потерь модернизированной электрошашлычницы.

Коэффициент полезного действия модернизированной электрошашлычницы определяется следующим образом:

,	(5.8)

Коэффициент потерь модернизированной электрошашлычницы можно найти по формуле следующим образом:



,	(5.9)

Если перевести в проценты, то коэффициенты будут иметь следующий вид:

=84%

=16%

Таким образом в модернизированной электрошашлычнице из 100% затраченного тепла 84% идет на приготовление шашлыка и 16% на нагрев элементов конструкции и потерь.

Для базового варианта электрошашлычницы уравнения теплового баланса имеет вид:

Qзатр = P,	(5.10)

где - время приготовления шашлыка, с, = 2100с.

Qзатр = 1.25 2100 = 2625 Втc

В базовой электрошашлычнице расход тепла на приготовление шашлыка не изменяется, и потери тепла определяются из формулы (5.6) и составляет:

Q2=2625 - 455 = 2170 Втc

Коэффициент полезного действия базового варианта электрошашлычницы рассчитывается по формуле (5.8) и составит

Коэффициент потерь тепла базовой электрошашлычницы определяется по формуле (5.9) и составит:

Если перевести в проценты коэффициенты, то они будут иметь следующий вид:

=17%

=83%

Таким образом, в базовом варианте электрошашлычницы из 100% затраченного тепла 17% идет на приготовление шашлыка и 83% - на нагрев элементов конструкции и потерь.

На основе выше изложенных расчетов следует сделать вывод, что модернизация электрошашлычницы позволяет повысить коэффициент полезного действия с 17 до 84 и уменьшить энергопотребление в 5.19 раз.

2.6 Расчет кинематической схемы прибора

В базовой электрошашлычнице в качестве исполнительного двигателя применен асинхронный двигатель переменного тока.

Для понижения частоты вращения вала электродвигателя до 2 об/мин применен многоступенчатый редуктор. Вращение на шампура передается с помощью последовательного зацепления шести шестерен с коэффициентом передачи i = 1. Кинематическая схема привода вращения шампуров приведена на рис. 6.1.

Для использования электрошашлычницы от сети постоянного тока напряжением 12 В необходими выбрать другой двигатель с похожими характеристиками. Выбираем двигатель ДПР-2-Н1 с техническими характеристиками:

Напряжение питания12В;

Частота вращения вала2500 об/мин;

Момент нагрузки на валу5,610⁴ Н/м

Двигатель имеет угловую скорость вращения вала 2500 об/мин. Необходимая угловая скорость вращения шампуров 2 об/мин. Следует сделать расчет общего передаточного числа редуктора следующим образом:

,	(6.1)

где дв- частота вращения вала двигателя, об/мин;

_вых - частота вращения шампуров, об/мин.

Чтобы обеспечить наименьшие габариты редуктора необходимо общее передаточное число разбить на несколько ступеней. Выбираем их количество равное семи.

Общее передаточное число редуктора вычисляется следующим образом:

,	(6.2)

где ij - передаточное отношение j - ступени.

Следует найти примерное значение передаточного отношения одной ступени по формуле:

,	(6.3)

где iобщ- общее передаточное отношение редуктора.

Коэффициент передачи одной ступени получился не целым. Производим выбор ближайших стандартных числовых значений. Выбор может быть представлен следующим рядом числовых значений:

I ступень - 4

II ступень - 2.5

III ступень - 2.5

IV ступень - 2.5

V ступень - 2.5

VI ступень - 2.5

VII ступень - 3

Общее передаточное число редуктора определяется по формуле (6.2) и составит:

i=4 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 3 = 1171.875

Следует произвести проверку частоты вращения шампуров:

(2)об/мин	(6.4)

Следует отметить, что передаточные числа выбраны правильно.

На валу двигателя электрошашлычницы установлена бронзовая шестерня со следующими параметрами:

Z1 - число зубьев, Z1=12

d1 - диаметр делительной окружности, d1=7мм

Согласно выбранным передаточным отношениям можно определить число зубьев остальных зубчатых колес следующим образом:

zj+1 = zj ij,	(6.5)

гдеzj - номер шестеренки;

zj+1 - номер колеса;

ij - соответствующий коэффициент передачи.

Следует произвести расчет числа зубьев колеса для первой ступени:

i1 = 3

z1 = 12

z2 = 3 12 = 36

Следует сделать расчет числа зубьев колеса для второй ступени, а также расчет числа зубьев шестерни из условия минимального диаметра делительной окружности:

i2 = 2.5

z3 = 10

z4 = 2.5 10 = 25

Параметры 3, 4, 5, 6 ступеней принимаются аналогично второй ступени и составят:

i3 = i4 =i5 = i6 = 2.5

z5 =z7 =z9 =z11 = 10

z6 =z8 =z10 = z12 = 2.5 10 = 25

Все размеры зубчатых колес семи - ступенчатого редуктора соответствуют основным размерам нормальных (некоррегированных) цилиндрических прямозубых передач с внешним зацеплением при =20.

Диаметр делительной окружности можно определить следующим образом:

d1 = Z1 mt,	(6.6)

где d1 - диаметр делительной окружности шестерни двигателя;

Z1 - число зубьев шестерни двигателя;

mt - торцевой модуль.

Торцевой модуль следует найти из формулы (6.6) и составит:

,	(6.7)

Величину торцевого модуля можно определить следующим образом:

,	(6.8)

Где mn -нормальный модуль;

- угол наклона зубьев, = 8 15

Величину нормального модуля можно найти из формулы (6.8), она составит:

mn = 0.58 0.60

Следует сделать выбор ближайшего (в сторону увеличения) стандартного модуля по ГОСТ 9563-60:

mn = 0.6

В этом случае справочные коэффициенты: - коэффициент головки зуба и c* - коэффициент ножки зуба будут иметь следующие значения:

= 1

c*= 0.35

Следует произвести расчет геометрических параметров зубчатых колес редуктора. Первоначально следует сделать расчет параметров для шестерни Z1.

Высота делительной головки зуба находится по формуле:

,	(6.9)

Где ha - нормальный модуль зубчатого колеса.

ha=1 0.6 = 0.6 мм

Высота делительной ножки зуба можно найти следующим образом:

,	(6.10)

где c*- коэффициент ножки зуба

hf=()

Расчет диаметра делительной окружности можно произвести по формуле:

d1 = Z1 mt,	(6.11)

Где mt - торцевой модуль.

Диаметр окружности выступов находится следующим образом:

dа = d + 2ha,	(6.12)

где d - диаметр делительной окружности.

Диаметр окружности впадин рассчитывается по формуле:

df = (d - 2hf),	(6.13)

Следует сделать расчет геометрических параметров колеса Z2. Первоначально находится высота делительной головки зуба по формуле (6.9) и она составит:

Размещено на Allbest.ru