Разработка технологии вакуумного охлаждения и замораживания пищевых продуктов

Более подробное описание с указанием конструктивным размеров, расчет теплоизоляции, а также описание технологии изготовления камеры приведено далее в пояснительной записке.

Рисунок 2.4 - Змеевиковый испаритель

Рисунок 2.5 - Холодильная камера

2.1.6 Герметичный разъем

Герметичный разъем поводит внутрь холодильной камеры питание на вентилятор и термопары, которые для предназначены для регулирования и измерения температуры внутри камеры.

Разъем (рисунок 2.6) состоит из двух соединительных частей, изготовленных из алюминиевого сплава. Соединители состоят из герметичной приборной вилки и кабельной розетки. Каждый разъем имеет двенадцать медных контактов покрытых техническим серебром[3].

Рисунок 2.6 - Герметичный разъем

2.1.7 Отделитель жидкости

Отделитель жидкости(рисунок 2.7) устанавливается перед компрессором, чтобы предотвратить попадание жидкого холодильного агента в компрессор при изменении режима работы холодильной установки[9].

Рисунок 2.7 - Отделитель жидкости

2.2 Принцип работы холодильной установки

Компрессор сжимает пар холодильного агента, в результате чего его температура повышается. После, пар поступает в четырехходовой клапан, который в зависимости от установленного режима работы холодильной установки, направляет сжатый перегретый газ в воздушный конденсатор или в воздухоохладитель. В режиме замораживания (рисунок 2.8), сжатый пар поступает в конденсатор воздушного типа, где конденсируется, отдавая теплоту потоку воздуха, создаваемого вентилятором конденсатора. Затем жидкий хладагент поступает в капиллярную трубку, где он дросселируется, температура и давление его при этом понижаются.

Жидкий хладагент направляется в воздухоохладитель, отнимает теплоту от охлаждаемого объекта находящегося в холодильной камере. В холодильной камере, в которой находится теплообменник, при помощи вакуум-насоса создается вакуум, что способствует увеличению отвода теплоты от охлаждаемого объекта. В дальнейшем хладагент из испарителя через четырехходовой клапан поступает в отделитель жидкости, в котором происходит отделение оставшегося жидкого хладагента и отсасывание сухого пара компрессом. Тем самым, отделитель жидкости предотвращает возникновение влажного хода компрессорного агрегата.

В режиме размораживания (рисунок 2.8) сжатый в компрессоре пар нап-равляется четырехходовым клапаном в воздухоохладитель и тогда, последний выступает в роли конденсатора. Отдавая теплоту телу, находящемуся в камере, хладагент превращается в жидкость. Затем жидкий хладагент дросселируется, проходя через капиллярную трубку, и поступает в конденсатор, который уже выступает в роли испарителя. Далtt, пар через четырехходовой клапан, направляется в отделитель жидкости и после в компрессор.

Заправка агрегата холодильным агентом осуществляется через штуцер Шредера.

1 - компрессор; 2 - клапан четырехходовой; 3 - конденсатор воздушный; 4 - капиллярная трубка; 5 - воздухоохладитель; 6 - отделитель жидкости; 7 - вакуум-насос; 8 - холодильная камера.

Рисунок 2.8 - Принципиальная схема холодильной установки



2.3 Расчет теплоизоляции

В качестве теплоизоляционного материала для камеры замораживания принимаем теплоизоляционный материал «K-FlexAIR». K-Flex имеет значение коэффициента теплопроводности равное л=0,034 Вт/(м2ЧК)[7]. Металл, из которого изготовлен цилиндр, имеет значение коэффициента теплопроводности равное л=0,54 Вт/(м2ЧК). Внутри камеры будут установлены устройства вызывающие принудительную конвекцию воздуха,

поэтому коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности цилиндра принимаем равным бвн= 11 Вт/ (м2ЧК)[10]. Расчетный коэффициент тепло-

отдачи от наружной поверхности теплоизоляционной конструкции к окружающему воздуху бнар= 5 Вт/ (м2ЧК)[7]. Температура внутри камеры tвн= -30оС, температура окружающей среды tокр. ср. = 25оС.

Изолируемый объект имеет форму цилиндра. Можно применить методику расчета изоляции трубопроводов. При определении теплоизоляции трубопроводов необходимо учитывать неравенство и подбирать диаметр изоляции Dиз>Dкр, где Dкр - критический диаметр теплоизоляции, при котором тепловой поток qво внутрь трубопровода принимает максимальное значение.

Критический диаметр теплоизоляции трубопроводDкр, м, определяется по формуле(2.1)[12]:

где - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала K-Flex, Вт/ (мЧК);

- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности конструкции, Вт/ (м2ЧК).



Толщина теплоизоляции, определяется по формуле (2)[12]:

где - наружный диаметр трубы, м.

поскольку неизвестно, используем метод последовательных приближений, в результате чего находим и = 0,3285 м, что удовлетворяет условию

2.4 Расчет теплопритоков в холодильную камеру

2.4.1 Теплоприток через цилиндрическую поверхность

Длина окружности цилиндра по формуле(2.3):

Площадь развертки цилиндра по формуле(2.4):

где: А = 0,3855 м - ширина развертки цилиндра.

Длина окружности фланца по формуле(3):

Площадь развертки фланца по формуле(4):

Теплоприток, возникающий вследствие разницы температур через по формуле (2.5)[10]:

цилиндр

, (2.5)

,

где по формуле(2.6)[10]:

- коэффициент теплопередачи стенки камеры замораживания.

фланец цилиндра



где коэффициент теплопередачи через фланец по формуле (2.6):

Q1 = Q1.1.+Q1.2.= 18,5 + 1,43 = 19,93

2.4.2 Теплоприток через заднюю торцевую поверхность

Площадь задней торцевой поверхности по формуле (2.7):

Тогда теплоприток через торцевую поверхность по формуле (2.5):

где коэффициент теплопередачи по формуле (2.6):

2.4.3 Теплоприток через переднюю поверхность камеры

Значение коэффициента теплопроводности оргстекла: л = 0,19 Вт/ (м2Чk)

Площадь передней торцевой поверхности оргстекла по формуле (2.7):



Теплоприток через оргстекло по формуле (2.5):

где коэффициент теплопередачи оргстекла по формуле (2.6):

2.4.4 Общий теплоприток в камеру замораживания:

Q = Q1 + Q2 + Q3 = 19,93 + 3,95 + 12,21 = 36,1

2.5. Подбор холодильного оборудования

2.5.1 Компрессорно-конденсаторный агрегат

Температуру воздуха, которую необходимо создать в холодильной камере равна tв = -30 °C. Принимаем перепад равный 10°C. Тогда по формуле(2.8)[10]:

При температуре кипения , производительность компрессорного агрегата Danfoss марки FR6DLX эквивалентно значению Qком. = 128 Вт. В результате расчетов было определенно, что тепловая нагрузка на испаритель равна Q = 36,1 Вт. Таким образом, агрегат данного типа полностью обеспечит стабильную работу холодильной установки в требуемом режиме.



2.5.2 Змеевиковый испаритель

Расчет теплообменных аппаратов состоит из теплового и конструктивного расчета. Тепловой расчет воздухоохладителя, заключается в определении коэффициента теплопередачи и площади его теплообменной поверхности, которая обеспечит отвод требуемого количества теплоты.

Конструктивный расчет змеевикового испарителя состоит из определения длины медной трубки и числа витков, предварительно задаваясь диаметром змеевика и трубки[5].

2.5.2.1 Тепловой расчет

Испаритель экспериментальной холодильной установки состоит из медного змеевика, медного цилиндра и вентилятора создающего принудительную конвекцию воздуха в камере. При температуре кипения холодильного агента t0 = -40 oC и температурном напоре и =10 oC, значение коэффициента теплопередачи воздухоохладителя k = 17, 5 Вт/м2·К[9]. Тогда площадь теплопередающей поверхности испарителя определим по формуле(2.9)[10]:

где Q0=128 Вт - производительность компрессорного агрегата при температуре кипения хладагента t0=-40 OC.

Медный цилиндр припаян к змеевиковому испарителю, поэтому его поверхность является теплопередающей и должна учитываться в расчете.

Площадь поверхности цилиндра:

где: Dц = 0,2 м - диаметр цилиндра;

Lц = 0, 33 м - длина развертки цилиндра.

Таким образом, площадь теплопередающей поверхности змеевика:

2.5.2.3 Конструктивный расчет

Зная из теплового расчета площадь змеевикового испарителя Fзм. исп.,,

диаметр змеевика Dзм и трубыdнар, легко определить общую длину змеевика

Lзм по формуле(2.10):

Принимаем длину змеевика Lзм=15 м, что больше требуемой длины на 9% и допустимо. Тогда число витков по формуле(2.11):

Шаг между витками P, мм, по формуле (2.12):

где Lз - длина, которую будет занимать испаритель в камере обработки продуктов.

2.5.3 Расчет длины капиллярной трубки

Расчет капиллярной трубки произведем при помощи программы Danfoss «Подбор капиллярной трубки» (DanfossCapillaryTubeSelector)[6]. Параметры, которые необходимы для расчета в данной программе, имеют следующие значения: марка хладона R404А; значение тепловой нагрузки на систему принимаем равным холодопроизводительности принятого для установки компрессора, Q = Qком. = 128 Вт; температура кипения хладагента t0=-40 oC; температура конденсации tк = 50; температура на всасывающей стороне компрессора tвс= 0. Результаты расчета показаны на рисунке 2.9.

Оптимальные значения параметров капиллярной трубки выделены

полосой зеленого цвета (длина Lкап. = 1,81 м; внутренний диаметр Dкап. = 0,7 мм). Для нашей установки подбираем капиллярную трубку длиной Lкап. = 1,95 м при ее внутреннем диаметре Dкап. = 0,71 мм.

Рисунок 2.9 - Результаты расчета длины капиллярной трубки при помощи программы DanCap.



3. Методика проведения экмпериментов

3.1 Исследование работы экспериментальной холодильной установки

Эксперимент проводится с целью определения:

1. Продолжительности выхода холодильной установки на требуемый температурный режим;

2. Равномерности распределения температуры в холодильной камере.

Для фиксации температуры в различных областях холодильной камеры, располагаем термопары по схеме, представленной на рис. 4.1:

1 - область расположения термопары фиксирующей температуру в центре камеры у вентилятора; 2 - область расположения термопары фиксирующей температуру в центре камеры у крышки из оргстекла; 3 - область расположения термопары фиксирующей температуру в верхней точке середины камеры; 4 - область расположения термопары фиксирующей температуру в нижней точке середины камеры; 8 - область расположения термопары фиксирующей температуру в центре камеры.

Рисунок 3.1 - Схема размещения термопар в камере.

После размещения термопар в камере, производится настройка измерителя-регулятора. Значение температуры, при котором на прибор будет подан сигнал на отключение установки tотк= -25 oC. Сигнал на измеритель-регулятор об для включении агрегата, будет подан при значении температуры tвкл.= -20 оС. Заданные параметры будут контролироваться входным первичным преобразователем под номером восемь, к которому подключается термопара, находящаяся в центре камеры (термопара 8).

По окончании проведения подготовительных мероприятий устанавливаем переднюю крышку из оргстекла, запускаем компрессорно-конденсаторный агрегат и вентилятор воздухоохладителя, тем самым начиная эксперимент. После достижения требуемого температурного режима поддерживаем его в течение некоторого времени, включающего в себя четыре рабочих цикла исследуемой холодильной установки, и завершаем работу, выключая агрегат и воздухоохладитель.

3.2 Исследование процесса вакуумирования без холодильной машины

Цель проведения исследования - процесса вакуумирования.

Перед началом эксперимента проводим следующие операции:

1. Настраиваем измеритель-регулятор для поддержания требуемого температурного режима в камере;

2. Производим запуск вакуум-насоса;

Значение давления, при котором на прибор будет подан сигнал на отключение насоса p=4кПа. Заданные параметры будут контролироваться входным первичным преобразователем под номером восемь, к которому подключается датчик давления, находящаяся в центре камеры (термопара 8).

Начальная температура: в камере продукта t = 26 oC.

Опыт считаем законченным когда температура на термопарах выровняется до t = 26 oC.



3.3 Исследование процесса замораживания воды в вакууме

Целью проведения эксперимента является испытание холодильной установки при замораживании воды в вакууме.

Перед началом эксперимента проводим следующие операции:

1.Определяем необходимые параметры продукта для проведения эксперимента;

2. Производим установку термопар в продукт.

Для проведения эксперимента были определены следующие характеристики продуктов:

-начальная температура 20,8С.

- объем равен 0,150 литров;

- стандартный пластиковый стакан (рисунок 3.3)

Рисунок 3.3. Замораживаемый продукт в вакуумной камере.

По окончании проведения подготовительных мероприятий помещаем стакан воды в камеру замораживания, устанавливаем переднюю крышку из оргстекла. Подключаем вакуум-насос к штуцеру камеры и производим его включение совместно с компрессорно-конденсаторным агрегатом. Термопары подают сигнал на измеритель-регулятор, который в свою очередь, подключен через датчик АС-4, обеспечивающий вывод и регистрацию данных на компьютере.



4. Результаты исследований и ее анализ

4.1 Исследование работы экспериментальной холодильной установки

В результате эксперимента выхода на режим холодильной установки мы получили следующие зависимости, изображенные на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Термограмма воздуха в холодильной камере

Время выхода холодильной установки на режим составило 73,3 мин (от tнач=140С до tкон=-250С). Период цикла изменения температуры от нижнего предельного значения до установленного верхнего значения составляет 10,8 мин.

На термограмме видно, что температура в камере распределена практически равномерно во всех контролируемых областях. Имеются незначительные расхождения в 0,50С между температурами. В центре камеры, в центре у передней крышки, в центре камеры у вентилятора и внизу середины камеры. Линию, характеризующую изменение температуры вверху середины камеры на термограмме не видно, ввиду ее совпадения с линиями, характеризующие температурные поля со схожими температурами.

Таким образом, было определенно время, за которое экспериментальная холодильная установка вышла на требуемый режим и степень равномерности распределения температур в холодильной камере.

4.2 Процесс вакуумирования без холодильной машины

В результате проведения эксперимента мы получили следующие зависимости, изображенные на рис. 4.2.

Рисунок 4.2. График изменения давления в холодильной камере.

Анализируя термограмму видно, что охлаждение воздуха камере от начальной температуры tц = 26 ОС до критической точки tкр. = 18 ОС продлилось 20 мин. Давление в камере на этот момент составляло 4 кПа. Через час температура стабилизировалась. В общем эксперимент длился 90 минут. Данный эксперимент нам показывает ,что мы можем понижать температуру при создании вакуума в камере. В дальнейшем это будет способствовать более быстрому понижению температуры в объекте охлаждения и охлаждаемой среде.

Рисунок 4.2 - Термограмма воздуха в холодильной камере.

4.3.Процесса замораживания воды в вакууме

В результате эксперимента замораживания воды мы получили следующие зависимости, изображенные на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3. График замораживания воды в вакуумной камере.

Анализируя график замерзания воды в вакуумной камере видно что, вода объемом 0,150 литра полностью замерзла полностью в течение 350 минут. На 150 минуте температура воды в пластиковом стакане опустившись до 0,9 єС начала возрастать. Это связано с началом фазового перехода воды из жидкого состояния в твердое. Переход в твердое состояние длилось около 130 минут, пока вода полностью не превратилась в лед.

Повышение температуры в камере на 140 минуте связано с тем, что в камеру просочился воздух из- за не совершенства уплотненности камеры вакуумного замораживания. Но проблема была решена незамедлительно.



5. Расчет затрат на приобретение материалов

На стадии проектирования себестоимость новой техники определяется путем составления плановой калькуляции, которая в себя включает следующие статьи затрат:

Сырье и материалы.

Покупные изделия и полуфабрикаты.

Топливо и энергия на технологические цели.

Заработная плата рабочих.

Единый социальный налог.

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования.

Цеховые расходы.

Итого цеховая себестоимость.

Общезаводские расходы.

Внепроизводственные расходы.

Итого полная себестоимость.

Если установку или агрегат возможно изготовить силами РМЦ предприятия, то расчет себестоимости можно вести по сокращенной номенклатуре статей калькуляции (с 1-й по 6-ю)[8].

В нашем случае, все производственные работы были произведены авторами дипломной работы, поэтому статьи 4 и 5 не учитываются.

1. Статья «Сырье и материалы» содержит расчет стоимости профильного и листового проката, труб и т.п., материалов, из которых своими силами будут, изготавливается узлы и детали (таблица 3.1).

Таблица 5.1 - Расчет стоимости сырья и материалов

Наименование материала	Единицы измерения	Кол-во единиц	Цена за единицу, руб.	Общая стоимость, руб.
1	2	3	4	5
1. Квадратный прокат	п.м.	10	200	2000
2.Труба цилиндрическая	кг	15	90	1350
3. Уголок	п.м.	0,5	300	150
4. Вакуумная резина	кг	3,2	250	800
5. Трубка медная отожженная 12мм	м	20	150	3000
6. Лист медный	шт.	1	2553	2553
7. Лист стальной	шт.	2	1500	3000
8. Теплоизоляция K-FLEX	м2	4	448.11	1792.44
9. Оргстекло	шт.	1	5500	5500
10. Решетка вентиляционная	шт.	2	75	150
11. Краска эмалевая белая	л	1	80	80
12. Краска эмалевая красная	л	1	80	80
13. Тройник д. 0,6	шт.	1	51	51
14. Тройник д. 10	шт.	1	44	44
15.Трубка капиллярная 0,71	м	4	40	160
16. Штуцер шредера	шт.	2	50	100
17. Переходник медный 1/2x3/8	шт.	1	50	50
18. Переходник медный 5/8x3/8	шт.	3	32	96
19. Провод ПВ-1 1-2.5 бел.	м	5	11.5	57.5
20.Провод ПВ-1 1-2.5 син.	м	5	11.5	57.5
21. Провод	м	5	11.5	57.5

2. В статью «Покупные изделия и полуфабрикаты» входит стоимость агрегатов, электродвигателей, вентиляторов, муфт, болтов, гаек, электродов для сварки и т.п., которые будут приобретаться в готовом виде со стороны и использоваться для изготовления оборудования (таблица 3.2).

Таблица 5.2 - Расчет стоимости покупных изделий

Наименования изделия	Кол-во	Цена за единицу, руб.	Общая стоимость
1	2	3	4
1.Компрессорный агрегат Danfoss	1	14682.223	14682.223
2. Вентиль 4-х DFS-11 5/8x1/2	1	1500	1500
3.Манометр глицериновый	2	350	700
4. Вакуумметр	1	387	387
5.Решетка вентиляционная	2	75	150
6.Измерительный прибор ОВЕН ТРМ 138	1	7500	7500
7.Термопары типа ХК	8	350	2800
8. Бокс ЩРН-12	1	424	424
9. Авт.выкл ВА 47-29 1П В 2А	3	52	156
10. Контактор КМИ-11211 12А	1	189	189
11. Кнопка переключатель 15А красн.	1	55	55
12. Кнопка переключатель 15А желт.	1	55	55
13. Кнопка переключатель 15А зелен.	1	55	55
14. Авт. выкл. ВА 1П В 10А	2	60	120
15.Электрод сварочный	10	3,5	35
16. Круг отрезной	4	32	128
17. Вакуум-насос	1	6900	6900
18. Болт 12мм	14	15	210
19. Гайка	14	15	210
20. Шайба стальная 12 мм	14	10	140
21. Шайба фторопластовая	10	5	50
22. Саморез 2.5 мм	50	1	50
23. Вентилятор дымовой 18W	1	600	600
24. Разъём герметичный РРС3	2	520	1040

3. В статье «Топливо и энергия на технологические цели» учитывается стоимость всех видов топлива и энергии, необходимых для изготовления установки (таблица 3.3).

Таблица 5.3 - Расчет стоимости топлива и энергии

Вид оборудования	Потребляемая мощность, КВт	Отработано, час	Тариф за энергию, руб./Квт-час	Общая стоимость, руб.
1	2	3	4	5
1.Токарный станок 1К62	11	4	2.8530	125,53
2.Шлифовальная машинка	0.7	8	2.8530	15,98
3.Заточной станок	0.3	4	2.8530	3,42
4.Сварочный аппарат	24.2	8	2.8530	552,34
5. Дрель	0.8	8	2.8530	18,26
ИТОГО:				715,53

Общий подсчет себестоимости оборудования (таблица 3.4)[8].

Таблица 5.4 - Расчет себестоимости оборудования

Статьи затрат	Величина, руб.
1	2
1. Сырье и материалы	22711.65
2. Покупные изделия и полуфабрикаты	41712.53
3. Топливо и энергия на технологические нужды	715,5324
Полная себестоимость	65139,71

Таким образом, полная себестоимость изготовленной экспериментальной холодильной установки составляет 65139,7124 руб.

Цена новой установки определяется следующим образом по формуле(3.1)[8]:

где С - полная себестоимость установки, С = 65139,71руб.;

П - прибыль (15-20% от себестоимости),

Тогда



Вывод

В данной дипломной работе проводились испытание работы экспериментальной холодильной установки в условиях замораживания, в вакууме.

Время выхода на режим экспериментальной холодильной установки от tнач=14 ОС до tкон=-25 ОС составило 73,3 мин. Давление, которое было достигнуто в камере составило 3,3 кПа. Время достижения данного значения 8 мин.

При проведении экспериментов по создании вакуума без холодильной машины было доказано то что можно добиться не большого понижения температуры, в дальнейшем это отразилось на опыты тем ,что при замораживании в вакууме мы получали на много ниже температуру чем в камере.

При проведении исследований по холодильной обработке продуктов в вакууме были достигнуты следующие результаты: эксперимент по замораживанию воды объемом 150 грамм за 350 мин с начала эксперимента было осуществлено замораживание воды до температуры ниже 0єС.

Таким образом, установлено, что разработанная установка способна выходить на заданные ей температурные режимы, и позволяет проводить исследования в вакууме, благодаря измерительному комплексу, фиксировать полученные данные.



Заключение

Вакуумный способ замораживания полностью способствуют достижению главных целей. Вакуумные холодильные установки позволяют уменьшить потери массы продуктов питания в результате усушки, повышают качество продукции, значительно экономят время и энергоресурсы, а также имеют быструю окупаемость. С экологической точки зрения, установки вакуумной замораживания имеют общие проблемы со всей холодильной отраслью в целом, которые успешно решаются.

Проведены испытания установки путем проведения экспериментов по замораживанию продуктов различными способами.

Данная холодильная установка позволит в дальнейшем проводить исследования процессов замораживания и размораживания продуктов в вакууме, при вынужденной и естественной конвекции воздуха.



Список литературы

Холодильщик.RU: Интернет-газета. Адрес интернет сайта: http://www.holodilshchik.ru/.

Физические представления о сублимации. Интернет сайт: http://www.prosushka.ru/

Вакуумное охлаждение . Интернет сайт: www.vseholodilniki.ru

Воробьева Н. Н. Буянов О. Н. Лабораторный практикум для студентов технологических специальностей. - Кемерово: КемТИПП, 2003.

Герметичные разъемы Amphenol. / Каталог / в тексте приведены наименование и адрес изготовителя.

Головкин Н. А. Холодильная технология пищевых продуктов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 240 с.

Данфосс. / DanfossCapillaryTubeSelector. /Программа дляподбора длиныкапиллярнойтрубки.

Коляда В.В. Кондиционеры. Принцип работы, монтаж, эксплуатация, ремонт. / Коляда В.В. - М.: СОЛОН-Пресс, 2002. - 240 с.

Комарова Н. А. Холодильные установки. Основы проектирования: учебное пособие. / Комарова Н. А. - Кемерово: КемТИПП, 2012 - 2-е издание перераб. и доп. - 368 с.

Компрессорно-конденсаторные агрегаты Danfoss. Каталог «BlackStar». Информация для подбора / в тексте приведены наименование и адрес изготовителя.

K-FLEX. / Рекомендации по применению с альбомом технических решений / в тексте приведены наименования и адреса изготовителей.

Кирюхина А. Н. Выполнение экономической части дипломного проекта: методические указания для студентов специальности 140504. - Кемерово: КемТИПП, 2009.

Бараненко А. Н. Холодильная технология пищевых продуктов. / А. Н. Бараненко [и др.]. - Часть I. Теплофизические основы. - СПб.: ГОРД, 2007 - 224 с.

Н. Н. Воробьев. Теплофизические процессы в холодильной технологии.

Размещено на Allbest.ru