Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния и современных тенденций развития технологии и систем хладоснабжения быстрого замораживания пищевых продуктов 10
1.1. Современные тенденции производства и потребления быстрозамороженных продуктов 10
1.2. Перспективные системы хладоснабжения для скороморозильной техники 16
1.3. Воздушные турбохолодильные машины и области их применения 20
1.4. Конструкции систем распределения низкотемпературного воздуха для замораживания пищевых продуктов 31
1.5. Основные выводы по 1 - ой главе 36
Глава 2. Разработка конструкции низкотемпературной камеры и методика расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов 40
2.1. Конструкция низкотемпературной камеры на модульном принципе с системой воздухораспределения от турбохолодильной машины 40
2.2. Регрессионный анализ аналитических результатов определения продолжительности замораживания пищевых продуктов в низкотемпературной камере 47
2.3. Основные выводы по 2-ой главе 58
Глава 3. Разработка системы хладоснабжения низкотемпературной камеры с использованием воздушной турбохолодильной машины и рациональных режимов ее работы 59
3.1. Состояние вопроса 59
3.2. Система хладоснабжения низкотемпературной камеры на базе воздушной турбохолодильной машины с использованием работы расширения в турбодетандере 60
3.3. Определение рациональных параметров работы воздушной турбохолодильной машины 65
3.3.1. Ограничительные параметры работы воздушной турбохолодильной машины 65
3.3.2. Методика и результаты исследований по определению рациональных параметров работы ВТХМ 69
3.3.3. Анализ полученных результатов исследований 84
3.4. Основные выводы по 3-ей главе 90
Глава 4. Разработка системы воздухораспределения модуля низкотемпературной камеры с воздушной турбохолодильной машиной 92
4.1. Определение расходных параметров воздуха от турбохолодильной машины для модуля низкотемпературной камеры 92
4.2. Расчет системы воздухораспределения в модуле низкотемпературной камеры 98
4.3. Основные выводы по 4-ой главе 109
Глава 5. Экспериментальные исследования и практическое использование результатов работы 110
5.1. Экспериментальные исследования воздухораспределительного устройства и процесса замораживания пищевых продуктов в камере с использованием воздушной турбохолодильной машины 110
5.1.1. Экспериментальный стенд 110
5.1.2. Опытная камера с системой воздухораспределения от детандера турбохолодильной машины 117
5.1.3 Контрольно-измерительная аппаратура 121
5.1.4. Программа и методика проведения экспериментальных исследований 126
5.1.5. Результаты экспериментальных исследований 130
5.2. Практическое использование результатов исследований 134
5.2.1. Определение конструктивных и режимных параметров турбодетандера и турбокомпрессора 134
5.2.2. Испытания опытной камеры быстрого замораживания пищевых продуктов 141
5.2.3. Технико-экономическая оценка работы ВТХМ с низкотемпературной камерой и каскадной холодильной установки 142
5.3. Результаты 5-ой главы 145
Основные результаты работы и выводы 147
Список использованной литературы 149
Приложение 1 162
- Конструкции систем распределения низкотемпературного воздуха для замораживания пищевых продуктов
- Регрессионный анализ аналитических результатов определения продолжительности замораживания пищевых продуктов в низкотемпературной камере
- Система хладоснабжения низкотемпературной камеры на базе воздушной турбохолодильной машины с использованием работы расширения в турбодетандере
- Определение расходных параметров воздуха от турбохолодильной машины для модуля низкотемпературной камеры
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Динамичное развитие российского рынка быстрозамороженных продуктов неуклонно формирует предпосылки к открытию новых предприятий и переоснащению уже функционирующих производств. В условиях развитой конкуренции на рынке быстрозамороженных продуктов появляются малые предприятия с новыми видами продукции. Для организации такого производства необходимо использование камерного скороморозильного оборудования невысокой производительности.
Быстрое замораживание предусматривает определенный интервал скорости процесса, гарантирующий высокое качество и товарный вид продукции. Кроме того, скорость характеризует степень эффективности теплообмена между охлаждающей средой и замораживаемым продуктом, что определяет энергетическую и экономическую эффективность процесса замораживания.
В настоящее время при производстве быстрозамороженной продукции, главным образом, используются системы хладоснабжения на базе парокомпрессионных холодильных машин с применением экологически небезопасных хладагентов, которые обеспечивают температуру воздуха на уровне -25 -^ -30 С, что далеко не во всех случаях удовлетворяет условиям быстрого замораживания по параметру скорости процесса.
Перспективным является, в плане совершенствования камеры быстрого замораживания пищевых продуктов, использование воздушной турбохолодильной машины. (ВТХМ), детандер которой; одновременно обеспечивает низкую температуру (-60 -^- -120 С) и скорость потока воздуха от 5 до 25 м/с, что позволяет упростить существующие конструкции камер, а также интенсифицировать процесс замораживания продукции, сохранив ее качество. При этом исполь- зуется экологически нейтральный и дешевый холодильный агент -атмосферный воздух.
В диссертационных работах Антонова А.А., Бобкова А.В., Сте-фановой В.А. и Шахмеликяна Г.Б. при разработке туннельных скороморозильных аппаратов использовалась ВТХМ, в которой процесс сжатия воздуха осуществляется винтовым компрессором, а процесс расширения - с помощью турбодетандера, при этом не используется полезная работа расширения воздуха, что приводит к повышенному энергопотреблению турбохолодильной установки.
Использование для камеры низкотемпературного воздуха турбохолодильной машины требует решения ряда теоретических и практических задач, связанных с разработкой конструкции камеры с системой воздухораспределения от детандера ВТХМ, повышением энергетической эффективности системы хладоснабжения за счет замены винтового компрессора на турбокомпрессор, что позволяет использовать полезную мощность турбодетандера, с обоснованием рациональных режимных параметров воздуха в камере, обеспечивающих термодинамическую эффективность работы ВТХМ и условия быстрого замораживания пищевых продуктов широкого ассортимента.
Решению данных проблем и посвящена диссертационная работа, которая выполнялась на базе действующей установки с воздушной турбохолодильной машиной, установленной в НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова, в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве (№1/ХТ-06 от 10.04.2006 г.).
Вышеизложенное определило цель и задачи данной диссертационной работы.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Совершенствование процесса и конструкции камеры быстрого замораживания пищевых продуктов с использованием низкотемпературного воздуха от турбохолодильной машины.
В соответствии с поставленной целью решались следующие ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ: разработать конструкцию низкотемпературной камеры для быстрого замораживания пищевых продуктов с системой воздухорас-пределения от детандера турбохолодильной машины; разработать для камеры систему хладоснабжения с ВТХМ и дать термодинамическую оценку в широком интервале режимов ее работы; разработать систему оценки рациональных параметров и режимов работы предлагаемой системы хладоснабжения камеры с ВТХМ, обеспечивающих максимальную термодинамическую ее эффективность и условия быстрого замораживания пищевых продуктов; разработать методику и рассчитать основные аэродинамические показатели работы предлагаемой системы воздухораспределения и обосновать рациональную скорость воздуха в камере, обеспечивающую требуемую продолжительность процесса быстрого замораживания пищевых продуктов; создать опытную низкотемпературную камеру и, на базе ее и воздушной турбохолодильной машины, организовать экспериментальный стенд; выполнить экспериментальные исследования для получения процессных параметров замораживания пищевых продуктов, аэродинамических показателей работы воздухораспределительного устройства и проверки адекватности предложенных математических расчетов; разработать методику расчета основных конструктивных и режимных параметров турбодетандера и турбокомпрессора ВТХМ для низкотемпературной камеры; — провести технико-экономическую оценку работы низкотемпературной камеры с предлагаемой системой хладоснабжения от воздушной турбохолодильной машины.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Предложена методика и получены результаты сравнительной оценки термодинамической эффективности систем хладоснабжения камеры с ВТХМ в интервале температур воздуха (-60 -^- -120 С) с винтовым компрессором и турбокомпрессором, использующим полезную работу расширения в турбодетандере, позволившие оценить условия энергетически эффективной их работы.
Разработана система оценки рациональной температуры воздуха в камере, учитывающая термодинамическую эффективность работы ВТХМ и условия обеспечения быстрого замораживания пищевых продуктов.
Обоснована рациональная скорость воздуха в зоне размещения продукта в камере на базе рассчитанных основных аэродинамических показателей разработанного воздухораспределительного устройства.
Получены экспериментальные данные основных параметров процесса замораживания пищевых продуктов и аэродинамических показателей работы системы воздухораспределения, доказывающие адекватность используемых математических методов их расчета.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
Разработана конструкция низкотемпературной камеры на модульном принципе для быстрого замораживания пищевых продуктов с системой воздухораспределения от детандера турбохолодильной машины (патент РФ №2337281).
Получены, необходимые для инженерных расчетов и эксплуатации низкотемпературной камеры, данные по ее производительности, массовому и объемному расходу воздуха для замораживания пище- вых продуктов исследуемых классов при обоснованных рациональных режимных параметрах работы ВТХМ.
Создана опытная низкотемпературная камера с предложенной на базе патента системой воздухораспределения от детандера ВТХМ, и получен акт ее испытаний совместно со специалистами НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова, где подтверждаются работоспособность и режимные параметры ее работы, обеспечивающие условия быстрого замораживания пищевых продуктов.
Предложена методика и выполнены расчеты, с использованием компьютерной программы, основных конструктивных и режимных параметров турбодетандера и турбокомпрессора, необходимых при проектировании, а также при эксплуатации ВТХМ.
Получены результаты сравнительной технико-экономической оценки, доказывающие перспективность использования для быстрого замораживания пищевых продуктов предлагаемой низкотемпературной камеры с системой хладоснабжения от ВТХМ в сравнении с камерой, использующей парокомпрессионную каскадную холодильную машину.
Результаты исследований использованы в учебном процессе кафедры «Холодильная техника» МГУ lib при подготовке специалистов, бакалавров и магистров, а также в дипломном проектировании.
Конструкции систем распределения низкотемпературного воздуха для замораживания пищевых продуктов
В работах Антонова А.А. и Бобкова А.В. [13, 28] разработана конструкция воздушного туннельного аппарата СТАВ для системы охлаждения низкотемпературным воздухом на базе турборефрижера-торного агрегата серии ATR. В этом случае была использована универсальность аппаратов ACTA, которые без существенных конструктивных изменений могут работать и с использованием воздуха от тур-борефрижератора ATR.
Воздушный туннельный аппарат СТАВ конструктивно не отличается от азотного ACTA за исключением технического узла, обеспечивающего подачу воздуха от турбодетандера. В работах предлагается три варианта конструктивного решения подачи воздуха в туннель: распределительный коллектор; специальные каналы — воздуховоды; наклонный решетчатый экран.
Анализ полученных термограмм процесса замораживания продукта в аппарате СТАВ показал, что подача паров азота, моделирующих низкотемпературный воздух, через коллектор с форсунками, используемый в аппарате ACTA, не обеспечивает симметричные условия теплообмена, которые были заложены авторами в математическую модель.
В работе Стефановой В.А. [90] решается задача конструктивного оформления воздухораспределительного устройства, для аппарата СТАВ, обеспечивающего условия симметричного теплоообмена с поверхности продукта. В данном аппарате предусмотрено использование специального распределительного устройства с воздуховодами, расположенными вдоль конвейера. Параллельные воздуховоды имеют сужающееся по ходу движения охлаждающей среды прямоуголь ное сечение. При этом каждый воздуховод снабжен размещенным в его объеме регулировочным стержнем с установленными на нем шар-нирнопоперечными пластинами изогнутой формы для обеспечения возможности варьирования вектора выхода воздушной струи при изменении их положения в горизонтальной плоскости. Такая организация движения охлаждающей среды позволяет обеспечить условия симметричного теплообмена и, тем самым, снизить продолжительность процесса замораживания.
В работе Шахмеликяна Г.Б. [99] на базе предложенной ранее схемы ВТХМ (рис. 1.3) разработано конструктивное решение туннельного скороморозильного аппарата флюидизационного замораживания растительной продукции. Аппарат представляет собой теплоизолированный корпус, состоящий из двух модулей: А — модуль флюидизационного замораживания; Б - модуль выравнивания температуры по объему. Предложена система выбора рациональной скорости низкотемпературного воздуха от ВТХМ из условия обеспечения устойчивой флюидизации.
Таким образом, выполненные исследовательские работы позволили решить задачу конструктивного оформления туннельного скороморозильного аппарата с использованием турборефрижераторного агрегата, который может найти широкое применение на высокопроизводительных специализированных предприятиях, выпускающих быстрозамороженную продукцию. Однако для предприятий малой мощности актуальной задачей является разработка низкотемпературной камеры с эффективной системой распределения воздуха от ВТХМ. В этой связи интересен анализ ряда отечественных и зарубежных патентов в области конструкций камер для замораживания пищевых продуктов. Предлагается конструкция устройства для замораживания мясных туш [5], содержащее теплоизолированную камеру с подвесными путями, воздухоохладитель, сообщенный с горизонтальными потолочными межпутевыми воздухораспределительными каналами конусовидной направленности с прямоугольным поперечным сечением. Каналы в нижней своей плоскости снабжены воздуховыпускными щелями с направляющими шиберами, сориентированными в одном направлении. На определенном расстоянии от каждой щели на нижней наружной плоскости канала перпендикулярно направлению движения воздуха укреплены специальные направляющие лопатки.
Применение в конструкции описанного устройства конусовидного воздухораспределителя позволяет обеспечить равномерность распределения скорости и расхода охлаждающей среды по длине канала. Использование воздухонаправляющих элементов способствует обеспечению более равномерного теплосъема с поверхности объекта замораживания.
Разработана конструкция воздухораспределителя с возможностью варьирования формой истекающих потоков [9], состоящая из двух параллельно установленных один относительно другого каналов круглого сечения с продольными выпускными щелями. При вращении каналов вокруг продольной оси изменяется угол встречи истекающих потоков, меняется форма результирующей струи, и воздух поступает в помещение плоской струей. При этом кинетическая энергия и дальнобойность результирующей струи тем больше, чем меньше угол встречи струй. Выходя из щелей каналов встречными потоками, массы воздуха взаимодействуют, теряют кинетическую энергию и поступают в помещение веерной струей. Недостатком такого способа расширения диапазона обдува является частичная потеря кинетической энергии струй при их взаимодействии. Также для эффек тивного функционирования системы необходимо учитывать наличие расстояния от подающих воздуховодов до точки слияния струй и величину минимального расстояния развития веерной струи.
Модульная схема работы холодильной камеры реализована в конструкции устройства, содержащего теплоизолированное ограждение, перфорированный ложный потолок, выполняющий роль элемента всасывающего воздуховода, боковые панели, образующие пристенный вентилируемый продух [4]. В нижней части боковых панелей выполнена перфорация на 1/4 высоты камеры, функционирующая в качестве воздуховыпускных отверстий. Воздухоохладители и вентиляторы, соединенные соответственно с всасывающими и напорными воздуховодами, вынесены за пределы камеры.
Регрессионный анализ аналитических результатов определения продолжительности замораживания пищевых продуктов в низкотемпературной камере
В данном разделе диссертации проводится регрессионный анализ аналитических результатов определения продолжительности замораживания (т) пищевых продуктов в широком интервале их толщин (5 = 0,01 - 0,07 м) в условиях обеспечиваемого разработанной конструкцией системы воздухораспределения камеры симметричного теплообмена низкотемпературным воздухом от турбодетандера воздушной холодильной машины в интервале температур tB= -60 - - -120 С и скорости потока юв = 5 - - 25 м/с. Результаты данного этапа исследований использованы для выполнения следующего этапа, связанного с определением общего теп-лопритока в камере при замораживании пищевых продуктов в рассматриваемом интервале их толщин при различных режимах работы турбохолодильной машины. В результате данных расчетов будут получены значения массового (GB) и объемного (VB) расхода низкотемпературного воздуха при различных значениях его температуры, скорости движения и толщины продукта, которые необходимы при разработке и расчете системы воздухораспределения низкотемпературной камеры.
В диссертационной работе Стефановой В.А. [90] отмечается, что при использовании низкотемпературного уровня охлаждающей среды (tcp = -60 + -150С) и высокой интенсивности теплообменных процес-сов (соСр = 5 -s- 10 м/с, а = 80 + 100 Вт/(м"К)), к моменту достижения продуктом температуры в центре tu = -8 - - -10С наблюдается существенный запас низкой температуры на его поверхности tn = -40 - - -50 С и ниже [13, 24, 28, 44, 48, 77]. В этом случае среднеобъемная температура продукта будет принимать значения значительно ниже, чем регламентируется в практике быстрого замораживания (tv = -18 С) [17,39,41].
Проведенный анализ ряда литературных источников [17, 29, 39, 88] показал, что у большинства штучных пищевых продуктов, подвергаемых быстрому замораживанию, величина криоскопической температуры лежит в диапазоне 0 -ь -5 С. Таким образом, при использовании низкотемпературного воздуха от турбодетандера становится возможным замораживать продукт до достижения его центром температуры 1ц = -5 С с дальнейшим выравниванием по объему до конечной среднеобъемной за счет низкотемпературного запаса. С учетом этого, Стефановой В.А. предложена аналитическая модель расчета продолжительности замораживания (т) пищевых продуктов в условиях симметричного теплообмена низкотемпературным воздухом от тур-бодетандера [90]. В качестве физической модели рассматривалась неограниченная пластина. С учетом полученных экспериментальных данных, доказывающих, что при использовании низкотемпературного воздуха (-60 - -120 С) процесс замораживания можно прекращать при конечной температуре в центре продукта tu = -5 С весь процесс разбивался на две характерные стадии: - стадия охлаждения - достижение криоскопической температуры на поверхности продукта; - стадия замораживания — достижение в центре продукта криоскопической температуры.
Данная аналитическая модель учитывает влияние на продолжительность процесса многих факторов, таких как толщина продукта, теплофизические его характеристики, температура и скорость движения среды.
С учетом разработанной аналитической модели Стефановой В.А. получены значения продолжительности замораживания штучных пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турбохо-лодильной машины в зависимости от следующих факторов: температура охлаждающей среды (tB = -60 - - -120 С), скорость ее движения (сов = 5- -25 м/с), класс продукта (Пі - П5) и его толщина (8 = 0,008 - 0,072 м).
Проведен анализ, с использованием метода ранжирования, который позволил присвоить каждому фактору модели соответствующий числовой ранг и количественно оценить степень его влияния на значение продолжительности процесса замораживания с помощью коэффициентов весомости (табл. 2.2). Путем математической обработки ранг, равный единице, присваивался наиболее значимому фактору, ранг, равный двум, присваивался следующему по важности фактору и т.д.
Коэффициент весомости кв определялся на основе количественного анализа степени влияния на продолжительность процесса замораживания варьированием одним из факторов от минимального до максимального его значения в рамках исследуемого диапазона. При этом значения остальных факторов оставались неизменными. Данная операция повторялась для всех возможных комбинаций фиксированных факторов. После проводился анализ степени влияния на продолжительность процесса остальных факторов, которые учитываются аналитической моделью. Полученные коэффициенты весомости каждого из факторов усреднялись и преобразовывались таким образом, чтобы их сумма равнялась единице (табл. 2.2). Необходимо отметить, что как показал проведенный анализ, при варьировании фактором -класс продукта Пі - - П3, наблюдается разнонаправленное изменение продолжительности процесса замораживания — как уменьшение, так и увеличение значений, что делает некорректным процесс усреднения полученных результатов. По этой причине класс продукта, как фактор аналитической модели, количественно не оценивался. Данному фак тору присвоен ранг №4, ввиду его наименьшего влияния на значение продолжительности замораживания.
Проведенный анализ показал, что наиболее значимым фактором, влияющим на продолжительность процесса, является толщина продукта (5).
В результате математической обработки данных с использованием компьютерных программ разработан комплекс регрессионных уравнений вида т = f(8), где т — продолжительность процесса при фиксированных температуре среды в интервале tB = -60 -ь -120 С и скорости движения воздуха юв = 5 -1- 25 м/с, мин, 8 - толщина продукта.
Предлагаемые математические зависимости с компьютерными программами значительно упрощают расчеты и позволяют при выбранных режимных параметрах (температуре и скорости движения среды) с достаточной точностью определить продолжительность процесса замораживания для любой толщины продукта, находящейся в исследуемом диапазоне 8 = 0,01 - 0,07 м.
Система хладоснабжения низкотемпературной камеры на базе воздушной турбохолодильной машины с использованием работы расширения в турбодетандере
В данной главе проводится сравнительная термодинамическая оценка, и определяются рациональные параметры работы двух систем хладоснабжения ВТХМ - с винтовым компрессором, рассмотренной ранее [13, 28, 90, 99], и предлагаемой — с турбокомпрессором и использованием работы расширения воздуха в детандере с учетом протекания процесса быстрого замораживания в низкотемпературной камере.
В разделе 1.3 первой главы представлены конструкция и принцип работы системы хладоснабжения на базе ВТХМ с винтовым компрессором (рис. 1.3). Анализ данной схемы позволил выявить следующие ее основные недостатки: — неиспользование полезной мощности турбодетандера при расширении воздуха, приводящее к повышенному энергопотреблению ВТХМ; — применение винтового маслозаполненного компрессора для сжатия воздуха, что требует установки дополнительной системы очистки охлаждающей среды от масляных включений; — наличие развитой масляной системы гидродинамических подшипников турбодетандера.
С целью совершенствования системы хладоснабжения низкотемпературной камеры с ВТХМ совместно со специалистами НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова предложена новая схема, главной особенностью которой является замена винтового компрессора на турбокомпрессор и использование полезной работы расширения воздуха в турбоде-тандере.
В соответствии с предлагаемой системой хладоснабжения низкотемпературной камеры с ВТХМ рабочее колесо турбокомпрессора располагается на одном валу с рабочим колесом турбодетандера и приводится в движение с помощью высокооборотного электродвигателя — рис. 3.1. Конструктивно турбокомпрессор, турбодетандер и высокооборотный электродвигатель объединены в единый модуль, при этом гидродинамические подшипники рабочих колес заменены на газовые. На рис. 3.2 и 3.3 представлена принципиальная схема предложенной системы хладоснабжения и соответствующий термодинамический цикл.
Обратный поток рабочей среды (воздуха) при давлении близком к атмосферному после прохождения регенеративного теплообменника (11) засасывается турбокомпрессором (1) для сжатия, при этом во всасывающий трубопровод врезана линия компенсации утечек рабочей среды через существующие в тракте машины неплотности (подшипники рабочих колес турбокомпрессора и турбодетандера, уплотнения двери низкотемпературной камеры и др.). Таким образом, через фильтр низкого давления (3) происходит подача атмосферного воздуха на сжатие в турбокомпрессор в количествах равных утечкам. В турбокомпрессоре (1) осуществляется сжатие воздушного потока до давления, соответствующего значению рациональной степени сжатия. Методика и результаты определения рациональных степеней сжатия турбокомпрессора для случая быстрого замораживания пищевых продуктов в низкотемпературной камере приводятся в разделе 3.3.2 настоящей главы.
Мощность, расходуемая на привод рабочего колеса турбокомпрессора (1), складывается из полезной мощности, получаемой вследствие расширения воздуха в турбодетандере (12), и мощности развиваемой электродвигателем привода (2). Сжатый воздух направляется далее в концевой холодильник (4), где снимается теплота сжатия, и температура воздуха понижается до уровня температуры окружающей среды. После прохождения первого фильтра тонкой очистки (5) воздушный поток направляется в блок осушки (8) (адсорбер), который включает в себя два попеременно функционирующих осушительных сосуда (не показаны на схеме). В то время, когда в одном из них происходит процесс адсорбции влаги из проходящего воздуха, другой находится в фазе регенерации гранул адсорбента воздухом низкого давления. Дополнительная фильтрация воздушной рабочей среды осуществляется во втором фильтре тонкой очистки (6), после чего воздух проходит участок магистрали, в котором происходит уменьшение пульсаций потока, которые могут возникать при переключении блоков осушки адсорбера (8) и способны приводить к неустойчивому режиму работы турбодетандера (12). Система уменьшения пульсаций включает в себя редукционный клапан (19) и редукционный ресивер (9), подводящий трубопровод которого врезан в основную воздушную магистраль. С целью защиты рабочего колеса турбодетандера от аварийных режимов работы установлен электромагнитный клапан автоматической защиты турбодетандера (10), перед срабатыванием которого открывается электромагнитный клапан (18) бай-пасной линии (15). В регенеративном теплообменнике (11) прямой поток воздуха охлаждается обратным потоком отработанного воздуха из низкотемпературной камеры (13). После чего, охлажденный прямой поток газа попадает на решетки направляющего аппарата турбинной ступени турбодетандера (12), где его скорость нарастает, и при этом потенциальная энергия потока преобразуется в кинетическую энергию. На лопатках рабочего колеса происходит изменение момента количества движения, и кинетическая энергия струи воздуха преобразуется в механическую энергию, воспринимаемую нагрузочным устройством. Происходит процесс расширения воздуха с отдачей внешней работы. При необходимости часть расширенного холодного потока воздуха после турбодетандера (12) может с помощью обводного канала и вентиля (24) смешиваться с обратным потоком воздуха из низкотемпературной камеры (13) и направляться в регенеративный теплообменник (11), таким образом, дополнительно понижая температуру прямого потока перед турбодетанде-ром, что, в свою очередь, сказывается на более низкой температуре воздуха после расширения. Однако в этом случае уменьшается расход рабочей среды через низкотемпературную камеру.
Определение расходных параметров воздуха от турбохолодильной машины для модуля низкотемпературной камеры
Одним из определяющих режимных параметров при замораживании пищевых продуктов является скорость движения низкотемпературного воздуха, которая определяет продолжительность процесса, а также является функцией расхода охлаждающей среды и конструктивных параметров воздухораспределительного устройства модуля камеры.
Система воздухораспределения в модуле низкотемпературной камеры предназначена для использования при различных условиях температуры tB, скорости движения шв и расхода низкотемпературного воздуха GB (VB) При этом работа устройства при более высоких значениях скоростей воздуха повлечет за собой, с одной стороны, интенсификацию процесса замораживания продукта в камере, а с другой, повышение потерь давления в тракте воздухораспределительного устройства, что в свою очередь, ведет к повышению давления воздуха Р5 после турбодетандера и сокращению теплоперепада Hs (см. формулы ЗЛО, 3.11), что повышает температуру воздуха Т5 на входе в камеру (см. рис. 3.1). В этом случае для обеспечения заданного температурного режима необходимо увеличивать степень сжатия компрессора пкм\ что выразится в более высоком энергопотреблении ВТХМ.
Детальный расчет воздухораспределительного устройства необходим для обоснования выбранных скоростных режимов движения воздуха в камере с точки зрения энергетической эффективности, а также для определения рациональных размеров и площадей поперечного сечения элементов устройства, определения характера поведения воздушной струи в зоне размещения объекта замораживания. При этом необходимо учитывать величину скорости приточного воздуха б)0, выходящего из сопла распределительного устройства, и скорость воздуха сох, который непосредственно омывает поверхность продукта на расстоянии х по оси симметрии воздушной струи.
В работе Стефановой В.А. [90] при разработке конструкции туннельного скороморозильного аппарата с проточной системой хладо-снабжения низкотемпературным воздухом от турборефрижераторного агрегата, где было предусмотрено специальное устройство с воздуховодами, расположенными вдоль конвейера, условно принималось равенство скорости приточного воздуха а 0 и скорости воздуха сох непосредственно в зоне расположения продукта.
На рис. 4.3 представлена схема размещения тележек с продуктами в модуле низкотемпературной камеры с указанием размеров условной зоны действия воздушной струи.
Характерной особенностью воздушной струи, как показывают теория и многочисленные опыты, является малая величина поперечных составляющих скорости в любом сечении струи по сравнению с продольной скоростью [2, 3]. Ввиду этого факта,в схеме на рис. 4.3 рассматривается сечение модуля камеры, образованное осью симметрии струй, истекающих из сопел, расположенных на одной высоте.
Вертикальные воздуховоды в камере схематично изображены имеющими круглое сечение. При этом точка S соответствует действи тельному расположению выпускного сопла рассматриваемого воздуховода. Отрезками АА и ВВ показаны периферийные участки поддонов с продуктом для левой и правой тележки, находящиеся в наибольшем удалении от соответствующих вертикальных распределителей. Прямоугольники АА А"А " и ВВ В"В" схематично обозначают поддоны с продуктом, площадь которых условно поделена на две равные части пунктирной линией, разделяя таким образом "зоны действия воздушной струи" каждого воздухораспределителя. Необходимо отметить, что из-за наличия эффекта взаимодействия струй в рабочем объеме камеры, приведенное разделение площади поддона является условным и необходимо для оценки степени уменьшения скорости приточного воздуха для рассматриваемого участка АЕЕ А " поддона АА А"А ". Рассматривается система координат XY, которая образуется совмещением оси X с осью симметрии струи воздуха, истекающего из сопла S (рис. 4.3). Начало координатных осей также совпадает с т. S. С точки зрения скоростных параметров воздушной среды в рабочем объеме камеры для обеспечения заданной продолжительности замораживания необходимо соблюдение следующего неравенства: где со — скорость воздуха в точке, находящейся в зоне действия воздушной струи рассматриваемого сопла S и имеющей координаты xty \ сов — заданная скорость движения среды, при которой достигается требуемая продолжительность процесса замораживания. Скорость сов находится в исследуемом диапазоне 5- -25 м/с.
При рассмотрении струи подаваемого в камеру воздуха можно выделить два участка: начальный и основной. Начальный участок характеризуется тем, что на нем осевая скорость струи остается неизменной и равна скорости приточного воздуха со0. На основном участке струи по мере увеличения расстояния от сопла скорость воздуха постепенно падает. Это вызвано наличием эффекта эжекции движущейся струи, вовлекающей в движение примыкающие частицы неподвижного воздуха. В результате наблюдается тормозящее действие увлеченных струей частиц окружающего воздуха. Проведенные исследования [2, 3] свидетельствуют о непрерывной деформации скоростного профиля струи. Чем дальше от начала струи выбрано сечение, тем "ниже" и "шире" профиль скорости, т.е. наблюдается постепенное утолщение струи и изменение скорости вдоль ее оси.
