Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор состояния вопроса и постановка задачи 8
1.1 Характеристика основных тепловых кулинарных процессов и теплового оборудования 9
1.2 Анализ влияния параметров греющей среды на особенности тепловой кулинарной обработки пищевых продуктов 12
1.3 Особенности использования электрических плит как универсального аппарата для реализации тепловых кулинарных процессов 17
1.4 Анализ особенностей конструкции резистивных конфорок закрытого типа с чугунным корпусом 20
1.5 Обзор научных методов исследования теплового поля конфорок электрических плит 22
2 Научное обоснование применения методов численного моделирования для расчета температурных полей в резистивных конфорках электрических плит 30
2.1 Формализация задачи теплопередачи для расчета температурных полей конфорок электрических плит 30
2.2 Численное моделирование процесса нагрева цилиндрического трубчатого электронагревателя 36
2.3 Построение модели расчета электрической резистивной конфорки закрытого типа с использованием плоской и объемной базовой ячейки 42
2.4 Математическое моделирование расчета температурных полей с учетом термических зазоров, возникающих в конфорке и в зоне контакта снаплнтной посудой 52
2.5 Расчет температурных полей резистивной конфорки закрытого типа электрической плиты ПЭ-0,51 СП 64
2.5.1 Расчет температурных полей процесса нагрева конфорки плиты на основе глобальной конечно-элементной модели 64
2.5.2 Расчет нагревательной спирали резнстпвпой конфорки на основе использования метода подкопструкщш .72
2.6 Расчет температурных полей конфорки при использовании для нагрева продукта наплитной посуды 77
3 Моделирование работы электрических резистивных конфорок в условиях нестационарного теплового процесса и экспериментальная проверка предлагаемой методики 86
4 Разработка рекомендаций по оптимизации конструкции резистивных конфорок электрических плит на основе использования метода конечных элементов 92
4.1 Разработка предложений по увеличению ресурса работы резнстивных конфорок на основе минимизации температурных градиентов рабочей поверхности при холостом режиме работы 93
4.2 Оценка эффективности параметрической оптимизации и учет влияния температур дна наплитной посуды на эффективность теплового кулинарного процесса 102
Основные результаты и выводы 109
Библиографический список 111
Приложения 120
- Анализ влияния параметров греющей среды на особенности тепловой кулинарной обработки пищевых продуктов
- Численное моделирование процесса нагрева цилиндрического трубчатого электронагревателя
- Моделирование работы электрических резистивных конфорок в условиях нестационарного теплового процесса и экспериментальная проверка предлагаемой методики
- Оценка эффективности параметрической оптимизации и учет влияния температур дна наплитной посуды на эффективность теплового кулинарного процесса
Введение к работе
Актуальность.
Значительная часть тепловых кулинарных процессов реализуется на предприятиях общественного питания за счет использования электрических плит. Основным нагревательным элементом плит служат резистивные электрические конфорки с чугунным корпусом. Данные электронагреватели характеризуются большой тепловой инерцией и как следствие значительной энергоемкостью. Инерционность не позволяет точно реализовать технологический процесс и определяет значительные удельные затраты энергии. Специализированные конфорки, предназначенные для непосредственной жарки пищевых продуктов, не отвечают требованиям изотермичности греющей поверхности и не позволяют качественно готовить кулинарные изделия. Надежность и долговечность данных нагревателей во многом определяются распределением теплоты и температурными полями в резистивном элементе, электроизоляционном слое и корпусе. Перегрев локальных участков нагревателя сокращает срок службы, а перегрев резистивного элемента полностью его разрушает. Резистивные конфорки должны по мощности и температуре греющей поверхности соответствовать процессу приготовления пищи. Нарушение этого требования приводит не только к увеличению расхода электроэнергии и сокращению срока службы, но и увеличению потерь сырья, а иногда к полной его потери.
Для устранения данных недостатков необходимо при конструировании резистивного нагревательного элемента учитывать особенности технологического процесса и стремиться уменьшить материалоемкость корпуса, выровнять температурное поле на рабочей поверхности нагревателя, ограничить температуру резистивного элемента и учесть термические сопротивления в зоне контакта нагревателя и емкости с продуктом. Воспроизвести работу нагревателя на различных продуктах при реализации даже только основных тепловых кулинарных процессов не представляется
5 возможным. Построение данной модели на основе методов имитационного моделирования с использованием метода конечных элементов (МКЭ) позволит осуществить получение точной тепловой картины работы нагревателя практически при любом технологическом процессе, оптимизировать конструкции резистивньгх электрических конфорок и конструкции самих плит, увеличить ресурс их работы, снизить энергозатраты и потери сырья.
Цель и задачи исследования. Цель работы — совершенствование конструкций резистивньгх конфорок электрических плит предприятий общественного питания на основе использования методов имитационного моделирования кулинарного технологического процесса при решении тепловой задачи методом конечных элементов, позволяющим построить температурное поле конфорок электрических плит.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
исследование и оценка эффективности использования конфорок электроплит с чугунным корпусом с учётом особенностей процессов приготовления кулинарной продукции;
оценка точности и эффективности применения МКЭ к моделированию тепловых кулинарных процессов и используемых для них резистивных электронагревателей;
разработка основных положений методики использования МКЭ для определения температурных полей резистивных конфорок универсальных электроплит;
разработка алгоритма, расчётных программ для ПЭВМ и формирование баз данных для имитационного моделирования тепловых кулинарных процессов в зависимости от работы резистивных электрических конфорок;
исследование процессов теплообмена в конфорке с воздушными зазорами между нагревателем сопротивления, электроизоляционной массой, корпусом
конфорки и функциональной ёмкостью с продуктом, возникающими при эксплуатации в результате повторно-переменных термических нагрузок;
- разработка рекомендаций по оптимизации конструкции конфорки на
основе использования предложенной методики.
Научная новизна состоит в следующем:
впервые разработана методика применения МКЭ для моделирования тепловых кулинарных процессов, реализуемых на электроплитах, и для определения полей температур в конфорках электрических плит;
обоснованы положения иерархического численного моделирования процессов теплопередачи в конфорке, построена модель расчёта температурных полей по всему объёму резистивного электронагревателя;
исследовано влияние зазоров в конфорке, а также между рабочей поверхностью и наплитной функциональной ёмкостью, на стационарное распределение температуры в элементах конструкции конфорок и по дну ёмкости;
подтверждено совпадение результатов конечно-элементного моделирования нестационарных режимов нагрева и охлаждения конфорки плиты ПЭ-0,51СП с данными экспериментальных испытаний;
разработаны рекомендации по применению метода конечных элементов к расчёту температурных полей конфорок электрических плит с целью оптимизации их конструкции.
Достоверность основных научных положений обеспечивается строгостью математической постановки и методов решения задач теплообмена, соответствием качественных результатов моделирования физической картине исследуемых процессов, совпадением количественных результатов проведённых экспериментов и известными в литературе данными, полученными методом электротепловой аналогии.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
- разработанная методика применения МКЭ для моделирования тепловых
кулинарных процессов, реализуемых на электроплитах, и для определения
7 полей температур в конфорках электрических плит ориентирована на учёт реальных условий их работы и особенностей конструктивного исполнения;
показано, что предлагаемый подход позволяет оптимизировать конструкцию конфорок за счёт рационального размещения спирали, уменьшения массы корпуса нагревателя, изменения профиля диэлектрической прослойки;
разработаны рекомендации по оптимизации конструкции, которые могут быть использованы проектировщиками и исследователями для создания электрических плит с высокими эксплуатационными свойствами;
предложены расчетные данные по температуре спирали, в зависимости от ваттной нагрузки, определяющие оптимальные значения с точки зрения массы резистивного нагревателя и ресурса работы;
вариант оптимизации конфорки плиты ПЭ~0,51СП реализован на ОАО «Завод «Проммаш» г. Саратов.
Анализ влияния параметров греющей среды на особенности тепловой кулинарной обработки пищевых продуктов
Как уже было сказано, в процессе тепловой обработки продукт приобретает определенный вкус, запах, консистенцию, питательную ценность и усвояемость, определяющих в итоге качество готовых кулинарных изделий. Эти характеристики готового продукта, прежде всего, связаны с химическими изменениями белков, жиров, углеводов и витаминов, являющихся его основными составными частями [78]. Изучением характера таких превращений занимались многие ученые, этим исследованиям посвящены работы [7, 9, 24, 25, 30, 32, 43,47, 53, 66].
Характер тепло- и массообмена определяет продолжительность нагрева и окончательное распределение влаги в изделии. Наиболее нагретые поверхностные слои, как правило, теряют больше влаги и испытывают максимальные изменения исходных веществ (белков, углеводов, жиров). Белки — наиболее важные в биологическом отношении и наиболее сложные по химической структуре среди всех веществ, входящих в состав пищевых продуктов. Они, как известно, являются основным материалом, из которого строятся клетки, ткани и органы тела человека, также они служат источником энергии [45].
В пищевых продуктах белки находятся в состоянии гелей, которые в результате денатурации изменяют микроструктуру таким образом, что его отдельные молекулы становятся способными взаимодействовать друг с другом. Результатом такого взаимодействия, возможного при определенных температурах может быть образование хлопьев или сплошного геля.
При тепловой обработке мышечные волокна мяса, рыбы, птицы, в основном содержащие белок, денатурируют постепенно по мере нагревания продукта. Процесс начинается при температурах 35 — 40 С и практически заканчивается при 60 - 65 С, так как при этих температурах денатурирует не менее 90 % растворимых белков [28]. Свертывание белков в результате денатурации проявляется в уплотнении белкового геля внутри мышечных волокон с выпрессовыванием значительной части содержащейся в нем воды, с растворенными в ней веществами. При превышении температурного уровня в 70 - 80С происходит нежелательное излишнее обезвоживание продукта, повышается жесткость мышечных волокон, что приводит к снижению пищевой ценности, ухудшению вкуса и консистенции готовых изделий [63].
При этом следует учитывать, что в реальных условиях тепловая обработка превосходит требуемый уровень, так как при всех условиях центральные слои продукта должны быть прогреты до температур не ниже 70 -80С, что обеспечивает необходимый пастеризационный эффект. При поверхностных методах тепловой обработки степень прогрева уменьшается по мере углубления, и в результате поверхностные слои подвержены большим термическим разрушениям, чем центральные. Обычно для уменьшения потерь и улучшения свойств изделия тепловую обработку рыбных и мясных продуктов, содержащих большое количество белков, прекращают при нагреве центрального слоя до 65 — 70С с учетом того, что центральные слои нагреваются до требуемого уровня за счет аккумулированной поверхностными слоями теплоты.
Углеводы составляют значительную часть растительных тканей и в небольших количествах практически всегда содержаться в тканях животных. Углеводы преобладают в пище человека и являются основным источником энергии. Они содержатся в продуктах растительного происхождения.
Наиболее важным для питания человека углеводом является крахмал. В дневном рационе он обычно составляет от 80 до 85 % от общего количества углеводов. Крахмал, входящий в состав разнообразных пищевых продуктов, в результате нагрева клейстеризуется и в большей или меньшей степени подвергается ферментативному расщеплению. В условиях сухого нагрева продуктов имеет место пирогенетическое расщепление крахмала, называемого декстринизацией [24,25, 96].
Большинство пищевых продуктов характеризуются высокой влажностью. Поэтому для нагрева поверхностных слоев до температуры расщепления крахмала (при атмосферном давлении) требуется испарить из них свободную влагу. Последующий нагрев крахмала до 120С и выше приводит к его расщеплению с образованием высокомолекулярных веществ (пиродекстринов), а так же ряда летучих веществ, содержащих углекислый газ, окись углерода, пары воды. Эти вещества определяют такие органолептические характеристики как аромат и вкус, характерные для жареных и выпеченных изделий.
Продукты растительного происхождения содержат значительное количество углеводов в виде протопектина и некоторые кислоты (нуклеиновую, фосфорную и другие). В результате тепловой обработки протопектин превращается в пектин. Расщепление протопектина приводит к уменьшению прочности срединных пластинок паренхимной ткани. Степень завершения этих изменений и определяет продолжительность тепловой обработки большинства пищевых продуктов растительного происхождения. На скорость понижения прочности паренхимной ткани оказывают влияние три основных фактора: температура, реакция среды и исходные свойства продукта.
Численное моделирование процесса нагрева цилиндрического трубчатого электронагревателя
В данном разделе разрабатывается и проверяется методика численного моделирования теплопроводности применительно к трубчатым электронагревательным элементам (ТЭНам). Этот выбор объясняется следующим.
Конструкция ТЭНов (рис. 1.3.2) [35, 75] состоит из тех же основных компонент (нагревательная спираль, электроизоляция и корпус), что и чугунная конфорка электроплит (рис. 1.3.1). Исследованию температурных полей ТЭНов посвящены многочисленные работы [36, 80]. Вместе с тем, несмотря на хорошую проработку рассматриваемого вопроса, эти исследования нельзя считать законченными. Например, при попытке использования материалов с новыми свойствами, необходимо выполнение значительного объема экспериментальных исследований на опытных образцах, так как детальное распределение поля температур в спирали и прилегающей к ней части изоляционного материала остается заранее неизвестным [73]. На это обстоятельство указывалось еще в работе [35, 36]. В этой работе / подчеркивалась необходимость достаточно точного решения уравнения теплопроводности (2.3) при соответствующих граничных условиях с целью связать температуру в любой точке электронагревателя с геометрическими параметрами системы. В то время решение задачи описания процесса передачи теплоты к трубке удалось решить только с помощью достаточно громоздкого метода электроаналогии, вытесненного впоследствии численными технологиями. Важно отметить понимание [36], что упрощения данной задачи могут легко привести к существенным ошибкам.
Ещё одним обстоятельством, повлиявшим на выбор в качестве объекта рассмотрения в данном подразделе трубчатых электронагревательных элементов, явилась большая практическая важность их использования.
Разность температур между спиралью и трубкой зависит от мощности единицы длины ТЭНа или единицы его рабочей поверхности, геометрии трубки и спирали, теплопроводности изоляции между ними [28, 36]. Заметное влияние на максимальную температуру спирали оказывает её шаг.
Приближённые зависимости, описывающие искомую разность температур, получены путем представления спирали в виде цилиндра, диаметр которого равен или среднему диаметру спирали [28, 35] или её наружному диаметру [80]. Затем вводятся корректирующие множители [80] или слагаемые [6, 35], учитывающие фактическую геометрию спирали. Зависимости корректирующих величин от параметров геометрии получены методом электротеплоаналогии. В [80] разность температур представлена в виде где к — коэффициент, учитьшающий влияние замены спирали охватывающим её цилиндром; Р - мощность элемента, Вт; Dti — внутренний диаметр металлической трубки, м; D — внешний диаметр спирали, м; 1сп — длина спирали, м; Я — коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/м-К. Эксперименты, проведенные с электрическими моделями ТЭНов; показали [80], что к зависит, прежде всего, от коэффициента шага спирали где h шаг витка спирали, м; d — диаметр проволоки, м. При Kh 6 результаты испытаний хорошо аппроксимируются следующей формулой: Упрощенная линеаризованная зависимость также дает достаточно точные результаты. Альтернативная зависимость была предложена Лободзинским [80] Как видим, в (2.26) учитывается также влияние соотношения диаметров проволоки и спирали. Результаты расчетов по уравнению (2.26) становятся практически равными данным расчетов по формулам (2.23) и (2.25) при D/d = 10. В [35] для определения разности температур получены следующие зависимости и de - средний диаметр витка спирали, м. Рассмотрим теперь для решения задачи стационарной теплопроводности круглого ТЭНа применение метода конечных элементов. Основной предпосылкой при моделировании является то, что изменение температуры ТЭНа на длине в один шаг спирали считается пренебрежимо малым. Это позволяет принять условие циклической симметрии и ограничиться - спирали. Выполненные расчеты показали, что по толщине спирали достаточно расположить 6 узлов, 10 тетраэдральных конечных элементов. На рис. 2.2.3 представлена конечно-элементная модель витка спирали. Используется свободное разбиение, так как виток имеет сложную форму. Применение регулярного разбиения с использованием конечных элементов в форме параллелепипеда в данном случае не представляется возможным.
Моделирование работы электрических резистивных конфорок в условиях нестационарного теплового процесса и экспериментальная проверка предлагаемой методики
Разрабатываемый подход эффективен для стационарных и нестационарных задач теплопроводности конфорок электрических плит. В данном разделе анализируются результаты нестационарных расчётов. Их достоверность проверяется путём сопоставления со специально выполненными замерами температуры на рабочей поверхности конфорок плит ПЭ-0,51 СП. Плиты этого типа оборудованы тремя конфорками [22]. Их расположение показано на рис. 3.1.
Для измерения температуры использовался портативный цифровой инфракрасный термометр TES-1322. Измерение температуры происходит с помощью инфракрасного лазера. Диапазон измерений для данного прибора от -20 С до +500 С, погрешность составляет ±3% от измеренного значения.
Одна из рассмотренных плит изготовлена в ОАО «Завод «Проммаш», г. Саратов в 2005 году. Находится в эксплуатации в комбинате питания ГОУВПО «Самарский государственный технический университет» с 2006 года. Замеры проводились на средней и правой конфорке мощностью 4 кВт в девяти точках рабочей поверхности. Во время проведения замеров была включена только одна конфорка. Схема расположения точек на рабочей поверхности конфорок, в которых проводились измерения, представлена на рис. 3.1 и 3.2.
Средняя конфорка была включена на максимальный режим и нагревалась в течение 30 минут. В конце этого периода в точке 5 температура превысила 500 С. После этого конфорка была выключена, измерения температуры в процессе остывания выполнялись в течение 45 минут. Изменение измеренных в точках 5 и 2 температур показаны на рис. 3.3 и 3.4 розовым цветом. Этот же режим нагрева и остывания был затем реализован на правой конфорке.
Изменение температуры в точках 5 и 2 этой конфорки показаны на рис. 3.3 и 3.4 жёлтым цветом. Нестационарная задача теплопроводности конфорки исследуемой модели плиты была решена методом конечных элементов для того же режима нагрева и остывания. На рис. 3.3 и 3.4 температуры точек 5 и 2 показаны синим цветом.
Распределение расчетных и замеренных в эксперименте температур вдоль продольной линии конфорки от точки 2 до точки 4 представлено на рис. 3.5. На рис. 3.6 показано распределение температуры по поперечной оси конфорки от точки 5 до точки 6 для расчетного и экспериментального случая средней конфорки. Все данные соответствуют 27 минуте нагрева.
Нестационарный процесс нагревания и остывания с практическим выходом на стационарный режим на обеих ступенях рассмотрен для случая, когда выдержка на каждой ступени составляла 3 часа. График зависимости
Распределение температуры по рабочей поверхности конфорки после трёх часов нагревания показан на рис. 3.8. Поле температур, полученное при решении задачи стационарной теплопроводности при тех же граничных условиях, приведено на рис. 2.5.6. Сравнение этих двух полей выполнено в таблице 3.1.
Можно отметить близкое значение результатов, полученных в обоих расчётах; причём температуры в нестационарном расчёте оказываются несколько ниже. Это свидетельствует о том, что стационарное решение действительно является асимптотическим для нестационарного и подтверждает корректность используемых моделей.
Также были произведены замеры рабочей поверхности конфорки новой промышленной плиты ПЭ-0,51 СП на заводе-производителе ОАО «Завод «Проммаш» г. Саратов. Схема расположения точек замера и конфорок в плите та же что на рис. 3.1 и 3.2. Измерения проводились на средней конфорке при выключенных соседних конфорках. Была возможность провести измерения после длительного — свыше трёх часов — нагрева, то есть практически на стационарном режиме. К конфорке подводилась мощность 2,4 кВт. Для сопоставления была решена задача стационарной теплопроводности при той же мощности. Результаты замеров и данные расчета представлены в виде графиков нарис. 3.9 и3.10.
Результаты сопоставления расчётных и экспериментальных данных показывают, что использование численных методов решения задач теплопроводности конфорок электрических плит в соответствии с предлагаемой методикой позволяет получать достаточно точные результаты как для стационарных так и для нестационарных условий распределения температур. Это позволяет рекомендовать применение развиваемого подхода и для анализа в дальнейшем задач взаимного влияния работающих конфорок [10], нагрева и остывания конфорок с наплитной посудой и других важных практических задач.
Оценка эффективности параметрической оптимизации и учет влияния температур дна наплитной посуды на эффективность теплового кулинарного процесса
Исходной предпосылкой выравнивания температурного поля рабочей поверхности является то, что при этом уменьшится градиент температур по дну наплитной посуды. Для проверки этого были вьшолнены расчеты полей температур для всех рассмотренных выше вариантов конструкции с установленной на плите посудой при кипячении воды. Условия кипячения более значительно изменяют теплоотвод с поверхности конфорки по сравнению с другими способами приготовления пищи. Поэтому важно именно для этого случая получить подтверждение указанной выше исходной предпосылки. Никакие виды воздушных зазоров не учитывались. Влияние на температурное поле дна кастрюли фактически оказывают только зазоры между дном посуды и поверхностью конфорки. Однако их расположение является случайным, представляет собой характеристику кастрюли, а не конфорки.
Рассматривались следующие, схематически представленные на рисунке 4.2.1, варианты расстановки посуды. Толщина днища посуды 4 мм, стенок 2 мм, материал — алюминиевый сплав.
Условия теплообмена для конфорки и установленной на ней посудой были рассмотрены в п. 2.6. На рис. 4.2.2 — 4.2.5 показаны поля температур на внутренней поверхности дна кастрюль при исходной геометрии конфорки. В таблице 4.2.1. приводятся наибольшие значения перепада температур по дну наплитной посуды. Из приведенных рисунков видно, что заметные градиенты температур наблюдаются вблизи краев в связи с дополнительным отводом тепла в стенки посуды и в местах расположения спиралей. Воздействие первого фактора может быть уменьшено за счет изменения конструкции посуды и в данной работе не рассматривается.
Результаты расчетов показывают, что по мере выравнивания температуры поверхности конфорки на холостом ходу, одновременно в загруженном состоянии имеет место уменьшение температурного перепада и по дну кастрюли. Причем, чем меньше температурный градиент на рабочей поверхности при холостом режиме, тем меньше изменение температуры и по дну посуды.
При приготовлении пищи в нескольких кастрюлях, установленных одновременно на одну и ту же конфорку, в них реализуются более близкие значения температур, что способствует получению одинаковой по качеству пищевой продукции.
Как уже указывалось, на величину перепада температур по дну кастрюли помимо конструктивного исполнения конфорки влияют конструкция и материал посуды, плоскостность её дна и другие факторы. Поэтому, чтобы выделить влияние конструкции конфорки были выполнены расчеты для «идеальной» конфорки: предполагалось, что вся удельная мощность тепловыделения равномерно распределена в плане. Геометрическая форма корпуса «идеальной» конфорки показана на рис 4.2.18. Её габаритные размеры и материалы те же, что и у корпуса конфорки плиты ПЭ-0,51СП. Расположение в «идеальной» конфорке резистивного элемента и электроизоляционной массы представлено на рис. 4.2.19. Поле температур на рабочей поверхности в холостом режиме показано на рисунке 4.2.20, распределения температур по дну кастрюль при кипячении приводятся в таблице 4.2.1 и на ранее представленных диаграммах (рис. 4.2.14 - 4.2.17).
В настоящей работе разработана эффективная методика использования метода конечных элементов для определения температурных полей конфорок универсальных электрических плит и проведено исследование практических аспектов применения этой методики. Весь комплекс исследований связан с решением ряда актуальных практических задач повьппения качества приготовления пищевой продукции и долговечности оборудования. Существенным представляется то, что использованный в настоящей диссертации подход опирается на современные достижения информационных технологий в области численного моделирования задач с распределёнными параметрами.
На основании изложенных в настоящей диссертационной работе исследований могут быть сформулированы следующие основные результаты и выводы: 1. Обосновано введение иерархической схемы конечно-элементного моделирования конфорки. В соответствии с ней сначала решается глобальная задача, в которой используются упрощения, влияющие главным образом на поле температур в нагревателе и в примыкающей к нему области. Результатом решения здесь является распределение температуры на рабочей поверхности конфорки и в наплитной посуде, усреднённое значение температуры термонагревательного элемента и исходные данные для последующего локального анализа. На этапе решения локальной задачи детально описывается внутренняя геометрия: зазоры и форма спирали отдельной подконструкции — ячейки, толщина которой равна шагу спирали.
