Автореферат (Обоснование применения водных растворов пропиленгликоля в качестве универсального теплоносителя в тепловом оборудовании предприятий питания), страница 3

Мощность нагревательного элемента (ТЭНа) (13) котласоставляет 4 кВт. Указанный котел был переоборудован: снабжен тепловой изоляцией идополнительнымиэлементами,позволяющимипроизводитьтермометрическиеикалориметрические измерения. На созданной установке проводились исследования, какстандартного теплоносителя – воды, так и перспективных – чистого пропиленгликоля(концентрация 100%) и его водных растворов.Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2.Исследуемый пищеварочный котел оснащен предохранительным клапаном (7),воронкой (6), через которую осуществляется заливка теплоносителя в рубашку (3), иманометром (5), замеряющим давление в пароводяной рубашке со шкалой измерения от 0,5 до 5 бар и ценой деления 0,1 бар.

Варочный сосуд (1) и стенка рубашки (2) изнержавеющей стали AISI 321 (08Х18Н10Т). Перед началом эксперимента котел безпромежуточного теплоносителя и жидкости в варочном сосуде взвешивался на весах,общая масса котла (варочной емкости, основания и блока управления) составила 22,6 кг.Котел подключался к сети переменного тока напряжением 220В через комплектизмерительных приборов К505 (16), измеряющий силу тока, напряжение и мощность, атакже автоматический регулируемый лабораторный трансформатор TDGC2-5k (19). Навнутренней поверхности варочного сосуда, а также на внешней стенке котла размещалисьхромель-копелевые термопары Т1, Т2…Т10 с диаметром термоэлектрода 0,5 мм (9),термопары на внешней стенке рубашки теплоизолированы.

Кроме того, одна термопарабыла закреплена на кронштейне в центре варочного сосуда. Все термопары подключалиськ самопишущему потенциометру КСП-4 (15) со шкалой измерения 0..150 С и ценойделения 1 С.Для определения начальных условий эксперимента применялись термометрспиртовой (17) со шкалой - 40..+40С и ценой деления 1С и барометр-анероид (14) сошкалой 700..800 мм.рт.ст и ценой деления 1 мм.рт.ст. Для измерения времениэксперимента использовались электронные часы (8) с ценой деления 0,1 с.12Рисунок 2 - Принципиальная схема экспериментальной установки для исследованияперспективных промежуточных теплоносителей:1 – Варочный сосуд; 2 - Внешняя стенка пароводяной рубашки 3 - Внутреннеепространство рубашки котла; 4 - Крышка котла; 5 - Манометр, показывающий давление врубашке котла; 6 - Заливная воронка с краном для выпуска воздуха; 7 Предохранительный клапан.

8 - Секундомер; 9 – горячие спаи хромель-копелевыхтермопар (Т1-Т10); 10 – двухпозиционный кран; 11- тепловая изоляция; 12 Теплоноситель; 13 - Нагревательный элемент (ТЭН); 14 - Барометр-анероид; 15 Автоматический потенциометр-самописец КСП-4; 16 – Комплект измерительныхприборов К505; 17 - Термометр спиртовой; 18 - Холодильник; 19 – Лабораторныйавтоматический трансформатор, регулируемый TDGC2-5k.Методика эксперимента.При проведении эксперимента составлялся тепловой баланс пищеварочного котла,работающего в режиме разогрева. Применялся принцип водяного эквивалента, то естьрабочей средой служила вода, имитирующая пищевой продукт. При испытаниях чистого13пропиленгликоля (концентрация 100%), применяемого в качестве теплоносителя дляжарочного оборудования, в качестве рабочей среды применялось рафинированноеподсолнечное масло марки «Злато».В ходе эксперимента фиксировались значения температур рабочей жидкости(Т1,Т6), стенки варочного сосуда (Т2-Т5), а также ограждений греющей рубашки (Т8-Т10)и пара (Т7) Измерялась продолжительность эксперимента; мощность, подводимая приразогреве, фиксировалась с помощью амперметра и вольтметра.

Во время экспериментовс герметизированной греющей рубашкой фиксировалось так же давление внутри нее.Варочный сосуд заполнялся рабочей средой не менее, чем на 70%. Греющая рубашказаполнялась в зависимости от типа эксперимента либо водой, либо водными растворамипропиленгликоля различной концентрации, либо чистым пропилегликолем. Заполнениерубашки, в зависимости от типа эксперимента, варьировалось в интервале от 0,0015 м3, до0,0035 м3. Заполнение всего объема рубашки теплоносителем позволило проверить егоработоспособность в качестве однофазного теплоносителя, заполнение же рубашкитеплоносителем частично, позволило испытать теплоноситель в качестве двухфазного, сдвузонным изотермическим нагревом. При экспериментах с герметичной рубашкой передгерметизацией рубашки из нее предварительно выпускался воздух.

Для этого передпредохранительным клапаном был установлен кран, который был открыт при включениикотла и закрывался после того, как из крана начинался выход пара. В ряде экспериментовгреющая рубашка котла не герметизировалась и сообщалась с атмосферой в течение всегоэксперимента.Вначалеисследованиябылпроведенбазовыйэксперимент,вкачестветеплоносителя в котором использовалась дистиллированная вода - промежуточныйтеплоноситель, применяющийся сегодня в пищеварочных котлах.При проведении экспериментов, во время которых рубашка котла сообщалась сатмосферой, для предотвращения выкипания теплоносителя, его конденсации и стеканияобратно в рубашку, применялся специально изготовленный холодильник.

Холодильникпредставлял собой медный цилиндр, внутри которого располагалась герметичноприпаянная к цилиндру медная трубка, одним концом плотно прикрепленная к выходномуотверстию рубашки, другой же конец трубки был открыт и сообщался с атмосферой.Между стенками цилиндра и трубки, проходя через отверстие в цилиндре, протекала14холодная вода, поступающая из городского водопровода и уходящая в канализацию черезвторое отверстие в цилиндре по гибкому шлангу.В ряде экспериментов разогрев осуществлялся плавно, при изменении мощности отминимальной до максимальной при помощи включенного в цепь лабораторногорегулируемого автотрансформатора (ЛАТР TDGC2-5k).

В других экспериментах нагревосуществлялся на неизменной мощности в течение всего времени эксперимента.По полученным в ходе эксперимента значениям передаваемой теплоты Q ипоказателям температурных полей, исходя из значений коэффициента теплопередачи оттеплоносителя к нагреваемой среде К, были вычислены коэффициенты теплоотдачи αсм оттеплоносителя к нагреваемой стенкеQ  K  F  t   (1),KQF  t  (2),где F – площадь поверхности греющей рубашки варочного котла, м2; ∆t - средняя повремени разность температур греющего пара и нагреваемой среды; τ - продолжительностьпроцесса, с.K11 см1  ж(3),где αсм – коэффициент теплоотдачи от теплоносителя (пара и кипящей жидкости) к стенкеварочного сосуда, Вт/м2·Кαж - коэффициент теплоотдачи от стенки варочного сосуда к нагреваемой жидкости(пищевой среде), Вт/(м2·К); λ - коэффициент теплопроводности стенки варочного сосуда,Вт/(м.К); δ – толщина стенки, м.Теплообмен между стенкой варочного сосуда и нагреваемой жидкостью подробноизучен (Натепров В.И., Груданов В.Я.

и др.) и с погрешностью не более 5% описываетсякритериальным уравнением подобия Nu = 0,15(Gr*Pr)0,33,где Nu – критерий Нуссельта, Gr – критерий Грасгофа, Pr – критерий Прандтля.По полученным из данного соотношения значениям числа Нуссельта, аналитическиопределялся коэффициента теплоотдачи от стенки варочного сосуда к нагреваемойжидкости (αж)жNu   0,15  Gr  Pr ll1/ 315(4),где l – высота рубашки, м; Gr =gl 3  t c  t 0 2; g — ускорение свободного падения; м/с2;tc — температура поверхности теплообмена, K; t0 — температура теплоносителя, K; ν —коэффициенткинематическойвязкости,м²/с;β—объёмного расширения теплоносителя, 1/К αж ; Ргтемпературныйкоэффициент- число Прандтля; Рr =μ.ср/λ; μ –коэффициент динамической вязкости нагреваемой жидкости, м2/с; cp – удельная изобарнаятеплоемкость нагреваемой жидкости, Дж/кг·К.Коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя (пара) к стенке варочногососуда αсм определялся из соотношения 3 по значениям коэффициента теплопередачи К иαж.

Результаты сравнительного анализа полученных значений К и αсм, позволили сделатьвыводыосопоставимоститеплотехническиххарактеристикпредложенныхтеплоносителей с аналогичными, используемыми в тепловой аппаратуре предприятийобщественного питания, и соответственно, об их работоспособности и эффективности.В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследованияводы и водных растворов пропиленгликоля различной концентрации в качествепромежуточных двухфазных теплоносителей и приведены результаты сравнениетемпературных полей, теплотехнических характеристик, времени разогрева и другихнаиболее важных параметров работы экспериментальной установки в зависимости от типатеплоносителя, давления в рубашки и степени заполнения рубашки теплоносителем.

Былипроведены экспериментальные исследования пяти видов промежуточных теплоносителей:воды, чистого пропиленгликоля (концентрация 100%), а также 48%, 55% и 80%-х водныхрастворов пропиленгликоля. Каждый теплоноситель исследовался как при максимальноймощности нагревательного элемента, так и при постепенном повышении мощности отминимальной до той, при которой пищевая среда в котле закипает.Дляподтверждениядостоверностиэкспериментабылпроведенбазовыйэксперимент с использованием в качестве промежуточного теплоносителя воды.Результаты эксперимента были сопоставлены с результатами, полученными в процессеисследования серийно выпускаемых пищеварочных котлов с косвенным обогревом,выполненного С.В.

Шихалевым. Ниже на рисунках 3-6 представлены зависимоститемпературы жидкости в варочном сосуде, стенки варочного сосуда, жидкоготеплоносителя и пара от продолжительности разогрева для теплоносителей: воды, а также1655%, 80% водных растворов пропиленгликоля и чистого пропиленгликоля (концентрация100%).Рисунок 3 - Зависимости температурыжидкости в варочном сосуде (Т1, Т6),жидкого теплоносителя (Т8, Т10), стенкиварочного сосуда (Т2, Т5) и пара (Т7), отпродолжительностиразогревадлятеплоносителя «вода»Рисунок 4 - Зависимости температурыжидкости в варочном сосуде (Т1, Т6),жидкого теплоносителя (Т8, Т10), стенкиварочного сосуда (Т2, Т5) и пара (Т7), отпродолжительностиразогревадлятеплоносителя «55% водный растворпропиленгликоля»Рисунок 5 - Зависимости температурыжидкости в варочном сосуде (Т1, Т6),жидкого теплоносителя (Т8, Т10), стенкиварочного сосуда (Т2, Т5) и пара (Т7) отпродолжительностиразогревадлятеплоносителя«80%растворпропиленгликоля»Рисунок 6 - Зависимости температурыжидкости в варочном сосуде (Т1, Т6),жидкого теплоносителя (Т8, Т10), стенкиварочного сосуда (Т2, Т5), и пара (Т7), отпродолжительностиразогревадлятеплоносителя «100% пропиленгликоль»17Анализируя зависимости, приведенные на рисунках 4-6, можно сделать вывод о том,что продолжительность разогрева пищевой среды при использовании в качестветеплоносителя как воды, так и водного раствора пропиленгликоля практически неотличается.