автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Обоснование применения водных растворов пропиленгликоля в качестве универсального теплоносителя в тепловом оборудовании предприятий питания

На правах рукописи

0ЯЕ5"

Зиборов Дмитрий Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПРОПИЛЕНГЛИКОЛЯ В КАЧЕСТВЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТЕПЛОВОМ ОБОРУДОВАНИИ ПРЕДПРИЯТИЙ ПИТАНИЯ

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 МАЯ 2015

005569384

Москва-2015

005569384

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова».

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Ботов Михаил Иванович Официальные оппоненты: - Воскобонннков Владимир Александрович

доктор технических наук, профессор кафедры процессы и аппараты перерабатывающих производств ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет МСХА имени К.А. 1имирязева» - Потапов Сергей Викторович кандидат технических наук, доцент кафедры туризма ГАОУ ВПО «Московский государственный институт индустрии туризма имени Ю.А. Сенкевича» Ведущая организация - Государственное научное учреждение

«Научно-исследовательский институт пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии» (ГНУ НИИППиСПТ)

Защита диссертации состоится «19» июня 2015 года в 10 час.00 мин. на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.196.07 при ФГБОУ ВПО «Российский экономический университет им. Г. В. Плеханова» по адресу: 117997, г. Москва, Стремянный пер., д. 36, корп. 3, ауд. 353.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном библиотечном центре имени академика Л.И. Абалкина ФГБОУ ВПО «Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова» и на официальном сайте организации Ьпр//огйз,геа.ги. Автореферат разослан «14» мая 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук

•Шаим

Чалых Татьяна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Производство готовой, полуготовой кулинарной продукции, а гак же полуфабрикатов представляет собой совокупность технологических процессов. Одним из важнейших видов тепловой кулинарной обработки является варка.

Особенностью варочных процессов является доведение жидкой пищевой среды до температуры кипения и последующее выдерживание в кипящей жидкости до состояния готовности, а также варка в среде влажного насыщенного пара. Варка в большом количестве жидкости главным образом реализуется в гшщеварочных аппаратах с рубашкой (пищеварочных котлах).

Теплообменные аппараты с рубашкой представляют собой один из наиболее распространенных типов теплового технологического оборудования, используемого в различных отраслях промышленности. В частности, они нашли широкое применение в тепловом оборудовании предприятий общественного питания, в технологическом оборудовании пищевых производств, в фармацевтической и химической промышленности.

Выпускаемые серийно отечественные и зарубежные пищеварочные котлы и автоклавы имеют косвенный обогрев рабочих емкостей посредством конденсирующегося водяного пара. Использование такого пара в качестве промежуточной греющей среды при абсолютном давлении 150 кПа (1,5 бар) в котлах и 350 кПа (3,5 бар) в автоклавах приводит к перерасходу металла и к необходимости устанавливать запорную и предохранительную арматуру и, кроме того, резко сокращает долговечность греющих рубашек и парогенераторов вследствие интенсивно протекающих коррозионных процессов.

Процессы жарки основным способом (на тонком слое масла) и во фритюре, а также процессы выпечки требуют равномерного нагрева рабочих поверхностей и объемов сковород, фритюрниц, жарочно-пекарных шкафов.

Для решения этой важной проблемы необходимо заменить водяной пар таким теплоносителем, который, обеспечивая технологический процесс

необходимым температурным уровнем, не требовал бы избыточного давления в греющих рубашках при перепадах температур между греющей и нагреваемой средами не более 5-10°С, то есть обеспечил бы реализацию так называемого «мягкого» обогрева стенки рабочей камеры, а так же не оказывал бы коррозионного воздействия на теплообменники.

При использовании косвенного обогрева эта проблема решается посредством промежуточного теплоносителя, температура кипения которого при атмосферном давлении на 5-10°С выше рабочей температуры технологического процесса. Известны случаи применения косвенного обогрева в жарочных и пекарных аппаратах. Так, в универсальных жаровнях типа УЖГ-Г1 и УЖГ-Э1 применяется минеральное масло типа «вапор». Этот теплоноситель может применяться только в виде жидкости и поэтому для обеспечения надлежащей теплоотдачи он должен контактировать с поверхностью нагрева; последнее обстоятельство вызывает потребность в большом количестве теплоносителя, увеличивает расход энергии на нагрев аппарата до рабочей температуры и затраты времени при разогреве аппарата. Образование воздушной прослойки между поверхностью нагрева и уровнем теплоносителя, часто происходящее в эксплуатационных условиях при понижении уровня теплоносителя, приводит к резкому падению полезной теплопроизводителыюсти аппарата. Отсюда следует необходимость применения такого промежуточного высокотемпературного теплоносителя, который мог бы устойчиво работать в двухфазном (жидкость— пар) состоянии, обладая азеотропностью, обусловливающей сохранение его свойств в обеих фазах при многократных фазовых превращениях.

В больших конвейерных жарочных машинах поточных линий по переработке мяса, рыбы и овощей, применяемых в отечественной и зарубежной консервной промышленности, в качестве подобного теплоносителя используется водяной пар при абсолютном давлением 2—2,5 МПа, определяемым необходимым температурным уровнем жарочного процесса (при жарке во фритюре—140-180°С).

Использование водяного пара при указанных давлениях в сравнительно небольших тепловых аппаратах, предназначенных для предприятий общественного питания, привело бы к значительному увеличению их металлоемкости (из-за повышенного давления пара), усложнению конструкции и повышение уровня опасности при эксплуатации.

Отсюда вытекает необходимость применения теплоносителей, обладающих такой температурой кипения, которая при атмосферном давлении, несколько превышала бы температуру технологических процессов. Наиболее приемлемыми для использования в тепловой аппаратуре предприятий общественного питания являются некоторые органические теплоносители: даутерм-А, диарилметаны,— дитолилметан — ДТМ и дикумилметан — ДКМ. Практика использования данных теплоносителей в рубашках фритюрниц непрерывного действия ФНГ-40, сковород, и жарочно-пекарных шкафов подтвердила их эффективность при реализации технологических процессов.

Однако рабочий уровень температур в рабочих камерах технологических аппаратов ниже точки кипения данных теплоносителей и по этой причине их работа в двухфазном состоянии возможна только в условиях абсолютной герметичности и при предварительном вакууммироании греющего объема.

Аналогичны по характеру использования этиленгликоль (С2Н4(ОН)2) и пропиленгликоль (С3Н6(ОН)2), устойчиво работающие как в однофазном, так и в двухфазном состоянии и имеющие температуру кипения, близкую к верхнему уровню режимных значений жарочных технологических аппаратов. Кроме того, использование водных растворов этих теплоносителей позволяет снизить температуру кипения и привести ее в точное соответствие требуемому уровню, и осуществять нагрев без повышения давления в теплообменнике для низкотемпературных варочных аппаратов. Однако, этиленгликоль в процессе нагрева выделяет токсичные для чловека пары, а следовательно не может использоваться в пищевом оборудовании предприятий общественного питания, за исключением полностью герметизированного.

5

Используя данные теплоносители и их растворы, можно значительно снизить давление в греющих рубашках, а в некоторых случаях - полностью избежать необходимости герметизации и вакуумирования теплообменников (за исключением случаев применения растворов этиленгликоля), упростить их конструкцию и значительно снизить материалоемкость.

На мобильных предприятиях питания, в свою очередь, целесообразно использовать один и тот же теплоноситель как в технологическом (варочном и жарочном) оборудовании, так и в системах отопления, что позволило бы значительно оптимизировать материальные и трудозатраты.

Подобный теплоноситель может быть выбран при условии учета особенностей расчета тепловой технологической аппаратуры, используемой на предприятиях общественного питания, и в первую очередь в мобильных комплексах, при использовании водных растворов пропиленгликоля в качестве теплоносителя.

Целью исследования является совершенствование теплового технологического оборудования предприятий общественного питания на основе использования двухфазных промежуточных теплоносителей - водных растворов пропиленгликоля, обеспечивающих устойчивую и эффективную работу при давлениях, близких к атмосферному. В связи с поставленной целью решались следующие взаимосвязанные задачи:

• Анализ существующих промежуточных теплоносителей, применяемых в рубашечных пшцеварочных аппаратах и системах жидкостного отопления и их сравнение.

• Аналитическое исследование теплофизических характеристик перспективных двухфазных теплоносителей на основе водных растворов.

• Экспериментальное исследование теплотехнических свойств перспективных двухфазных теплоносителей и установление

б

функциональных зависимостей теплотехнических параметров от вида теплоносителя и режима работы.

• Обоснование выбора оптимального двухфазного теплоносителя, способного работать в рубашках пищеварочных аппаратов при атмосферном давлении на основе проведенных исследований.

• Подтверждение работоспособности и эффективности выбранного теплоносителя по результатам испытаний пищеварочного котла.

• Определение методов расчета поверхности теплообмена при использовании водных растворов пропиленгликоля

Методы исследования. Использовались теплотехнические, термометрические и калориметрические испытания технологических систем, в которых используется промежуточный двухфазный теплоноситель на экспериментальном стенде, моделирующем рубашки теплообменников на основе электрического пищеварочного котла с косвенным обогревом Groen TDB/6-Ю(США).

При получении аналитических зависимостей применялся метод подобия, использовались критериальные уравнения теплообмена, описывающие процессы, происходящие внутри рубашек и в варочных сосудах пищеварочных аппаратов с

косвенным обогревом.

Для подтверждения теоретических выводов результаты аналитических исследований сравнивались с экспериментальными данными.

Научная новизна работы. Впервые испытан теплоноситель на основе водного раствора пропиленгликоля, способный работать как в рубашках тепловых пищеварочных аппаратов с косвенным обогревом, так и в системах жидкостного отопления мобильных или временных предприятий общественного питания. Определены концентрации водных растворов пропиленгликоля, обеспечивающие оптимальные условия нагрева варочных и жарочных аппаратов предприятий питания, а также при использовании в системах жидкостного отопления в качестве теплоносителя. Исследован теплообмен в рубашечном

7

пространстве и варочной камере электрического пищеварочного котла при использовании в качестве промежуточного теплоносителя водных растворов пропиленгликоля.

Практическая значимость работы.

Водные растворы пропиленгликоля при рекомендуемых концентрациях обеспечивают высокое качество кулинарной продукции, обеспечивая «мягкий» косвенный двухфазный обогрев стенки рабочей камеры варочных и жарочных аппаратов предприятий общественного питания работая при атмосферном давлении, что значительно упрощает конструкцию, устраняет необходимость использования приборов контроля и предохранительной арматуры, снижает металлоемкость, и, как следствие, увеличивает надежность и долговечность оборудования при значительном снижении себестоимости, а так же повышает уровень безопасности персонала предприятий питания.

Апробация работы.

Автором подготовлены и сделаны доклады по основным разделам диссертации на следующих научно-практических конференциях: «Двадцать пятые Международные Плехановские чтения», 10-16 февраля 2012 года; Всероссийская научно-практическая конференция «Липатовские чтения», 27 февраля 2014 года; Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Экономические проблемы внедрения и использования нанопродуктов и нано-технологий», 30 ноября 2011 года; Всеукраинская научно-практическая конференция молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы развития пищевых производств, ресторанного и гостиничного хозяйства и торговли», 25 апреля 2014 года.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в восьми работах, из которых три статьи в изданиях, рекомендованным ВАК РФ, четыре тезиса докладов на международных и всероссийских конференциях.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 120 листах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения,

библиографического списка, включающего 155 наименований и двух приложений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и новизна работы, определяются цель и задачи исследования и практическая значимость работы.

В первой главе приведен обзор информации по научной проблеме, связанной с темой диссертационного исследования, поставлены задачи исследования по определению теплофизических характеристик промежуточных теплоносителей - водных растворов, необходимых для расчета поверхностей нагрева теплообменников при их использовании, рассмотрены основные теплоносители, используемые в тепловых рубашечных варочных и жарочных аппаратах предприятий общественного питания и в системах жидкостного отопления мобильных предприятий общественного питания. Выполнен обзор аналитических методов расчёта теплофизических характеристик водных растворов, необходимых для конструктивного расчета теплообменников.

Во второй главе проведен сравнительный анализ теплоносителей, используемых в системах теплоснабжения предприятий общественного питания, в технологических тепловых кулинарных аппаратах и предложены для использования в качестве двухфазных теплоносителей водные растворы, изменяющие точку кипения при изменении их концентрации. Рассмотрена возможность использования водных растворов солей и щелочей, повышающих точку кипения в результате температурной депрессии. Рассмотрены водные растворы этиленгликоля и пропиленгликоля, в которых понижается температура кипения при уменьшении их концентрации. Приведены концентрации вышеуказанных растворов, обеспечивающие температурные уровни, необходимые для эффективной работы низкотемпературного (варочного) и высокотемпературного (жарочного) теплового кулинарного оборудования.

Для описания теплообмена при конденсации, как и для всех других процессов теплоотдачи, применены общепринятые уравнения теплоотдачи. При расчете теплопередающих поверхностей технологических аппаратов используются уравнения теплопередачи, в которых определяющее значение для коэффициента теплопередачи имеют коэффициенты теплоотдачи со стороны греющего пара к стенке варочного сосуда и от стенки варочного сосуда к нагреваемой жидкости.

Для аналитического расчета определяемых теплофизических характеристик водных растворов, предлагаемых в качестве промежуточных двухфазных теплоносителей, применялись методы, предложенные Е. М. Шадриной и Г.В. Волковой.

Приведены результаты расчетов теплофизических характеристик водных растворов солей и щелочей, рассматриваемых в качестве перспективного универсального двухфазного промежуточного теплоносителя.

Проведена оценка технической и тепловой целесообразности использования водных растворов солей и щелочей, а также этиленгликоля пропиленгликоля (СзНб(ОН)2), с целью их использования в пищеварочных котлах в двухфазном состоянии при температуре 105...110 °С при нормальном атмосферном давлении.

Были рассчитаны теплофизические характеристики этих растворов при концентрациях, обеспечивающих температуру кипения 110 °С. С использованием полученных характеристик была рассчитана и спроектирована прозрачная модель теплообменника тупикового типа, имитирующая работу паровой рубашки пищеварочных котлов. Эксперимент подтвердил работоспособность водных растворов №01, КОН, ЫаОН, СаС12, М^С12, работающие при концентрациях 20. .30%, исходя из условий температурной депрессии. Однако экспериментальные исследования выявлена недопустимо высокая скорость выпадения кристаллов из исследуемых растворов в процессе кипения.

В качестве альтернативных также рассмотрены водные растворы этиленгликоля (С2Н4(ОН)2), и пропиленгликоля (С3Н6(ОН)2). Этиленгликоль давно и хорошо зарекомендовал себя в качестве теплоносителя, он используется в системах отопления зданий и сооружений. Однако он токсичен и не может быть применен в оборудовании для приготовления кулинарной продукции. Близким к нему по химической структуре и теплотехническим свойствам теплоносителем, работающем в двухфазном состоянии, является пропиленгликоль. Этот теплоноситель абсолютно безопасен и сертифицирован в качестве пищевой добавки Е-1520 (СанПиН 2.3.2.560-96 "Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов").

Водный раствор пропиленгликоля также примечателен тем, что на сегодняшний день используется в качестве основы для теплоносителей жидкостных систем отопления.

На сегодняшний день промышленность выпускает широкий спектр теплоносителей, представляющих собой водные растворы пропиленгликоля с некоторыми добавками. Эти теплоносители используются как в быту, так и на предприятиях в отопительных системах, в качестве автомобильных охлаждающих жидкостей (антифризов), антиобледенителей. Помимо пропиленгликоля и воды, в их состав входят антикоррозионные, антипенные, стабилизирующие и другие функциональные добавки.

На рисунке 1 представлена зависимость температуры кипения водного раствора пропиленгликоля в зависимости от концентрации пропиленгликоля. Выделена зона (102..110 °С), показывающая возможность использования водных растворов пропиленгликоля в качестве двухфазных промежуточных теплоносителей, использующихся для косвенного обогрева стенок рабочих камер в варочных аппаратах предприятий общественного питания. Температура кипения чистого (концентрация 100%) пропиленгликоля составляет 189 °С. Высокая температура кипения чистого пропиленгликоля позволяет использовать его в высокотемпературном жарочном оборудовании предприятий

11

общественного питания. Уменьшение концентрации водного раствора пропиленгликояя приводит к снижению температуры кипения до температуры порядка 110°С, необходимой для работы в варочном оборудования предприятий общественного питания.

Концентрация пропилегликоля вводном расгоре, % Рисунок 1 - Зависимость температуры кипения водного раствора пропиленгликоля от концентрации

В третьей главе приведена методика эксперимента и описан экспериментальный стенд.

Экспериментальный стенд.

Для проверки работоспособности предложенных перспективных теплоносителей, а так же для сбора данных о ходе теплообменных процессов в рубашке котла и пищеварочном сосуде, на основе которых можно рассчитать коэффициенты теплопередачи, был создан экспериментальный стенд на основе настольного малогабаритного электрического пищеварочного котла фирмы Groen (США), модели TDB/6-10. На данной установке проводились исследования как стандартного теплоносителя - воды, так и перспективных - чистого пропиленгликоля (концентрация 100%) и его водных растворов.

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2.

Основой экспериментальной установки является малогабаритный электрический пищеварочный котел рубашечного типа (1), вместимостью 0,01 м3. Емкость рубашки составляет 0,0035 м3, площадь рубашки 0,55 м2. Мощность

12

нагревательного элемента (ТЭНа) (5) котла составляет 4 кВт. Котел оснащен предохранительным клапаном (12), через канал которого так же осуществляется заливка рубашки (2) и манометром (13), замеряющим давление в пароводяной рубашке со шкалой измерения от - 0,5 до 5 бар и ценой деления 0,1 бар. Котел изготовлен из нержавеющей стали А181 321 (08Х18Н10Т), дополнительной теплоизоляции не предусмотрено. Перед началом эксперимента котел без промежуточного теплоносителя и жидкости в варочном сосуде был взвешен на весах (11), полная масса котла (варочной емкости, основания и блока управления) равна 22,6 кг.

Котел подключен к сети переменного тока напряжением 220В через комплект измерительных приборов К505 (7), измеряющий силу тока, напряжение и мощность, а также автоматический регулируемый лабораторный трансформатор ТБСС2-5к (19). На внутренней поверхности пищеварочного сосуда, а также на внешней стенке котла размещены хромель-копелевые термопары с диаметром термоэлектрода 0,5 мм (4), термопары на внешней стенке рубашки теплоизолированы. Кроме того, одна термопара закреплена на кронштейне в центре варочного сосуда. Все термопары подключены к самопишущему потенциометру КСП-4 (6), со шкалой измерения 0..150 °С и

ценой деления 1 °С.

Для определения начальных условий эксперимента применялись термометр спиртовой (10) со шкалой - 40..+40°С и ценой деления 1°С и барометр-анероид (14) со шкалой 700..800 мм.рт.ст и ценой деления 1 мм.рт.ст. Для измерения времени эксперимента использовались электронные часы (8) с ценой деления 0,1 с.

Рисунок 2 - Принципиальная схема экспериментальной установки для испытания перспективных промежуточных теплоносителей: 1 - Пищеварочная емкость; 2 - Внешняя стенка пароводяной рубашки 3 -Внутреннее пространство рубашки котла; 4 - Крышка котла; 5 - Манометр, показывающий давление в рубашке котла; 6 - Заливная воронка с краном для выпуска воздуха; 7 - Предохранительный клапан. 8 - Секундомер; 9 - Хромель-капелевые термопары; 10 - Кран для опустошения рубашки; 11- Корпус пищеварочного котла; 12 - Теплоноситель; 13 - Нагревательный элемент (ТЭН); 14 - Барометр-анероид; 15 - Автоматический потенциометр-самописец КСП-4; 16 - Комплект измерительных приборов К505; 17 - Термометр спиртовой; 18 -Холодильник, подключенный к водопроводу и канализации; 19 - Лабораторный автоматический трансформатор регулируемый ТООС2-5к; 20 - двухпозиционный кран; Т1-Т10 - номера термопар.

Методика эксперимента.

При проведении эксперимента составлялся тепловой баланс пищеварочного котла, работающего в режиме разогрева. Применялся принцип водяного

эквивалента, то есть рабочей средой служила вода, имитирующая пищевой продукт. При испытаниях чистого пропиленгликоля (концентрация 100%), применяемого в качестве теплоносителя для жарочного оборудования в качестве рабочей среды применялось рафинированное подсолнечное масло.

В ходе эксперимента фиксировались значения температуры рабочей жидкости (Т1,Т6), стенки пищеварочного сосуда (Т2-Т5), а также ограждений греющей рубашки (Т7-Т10). Измерялось время эксперимента; мощность, затраченная на разогрев, фиксировалась с помощью амперметра и вольтметра. Во время экспериментов с герметизированной греющей рубашкой фиксировалось так же давление внутри нее.

Варочный сосуд заполнялся рабочей средой не менее чем на 70%. Греющая рубашка заполнялась в зависимости от типа эксперимента либо водой, либо водными растворами пропиленгликоля различной концентрации, либо чистым пропилегликолем. Заполнение рубашки, в зависимости от типа эксперимента, варьировалось в интервале от 0,0015 м3, до 0,0035 м3. Заполнение всего объема рубашки теплоносителем позволяет проверить его работоспособность в качестве однофазного теплоносителя, заполнение же рубашки стандартным объемом теплоносителя позволяет испытать теплоноситель в качестве двухфазного. При экспериментах с герметичной рубашкой перед герметизацией рубашки из нее предварительно выпускался воздух. Для этого перед предохранительным клапаном был установлен кран, который был открыт при включении котла и закрывался после того, как из крана начинался выход пара. В ряде экспериментов греющая рубашка котла не герметизировалась и сообщалась с атмосферой в течение всего эксперимента.

В начале исследования был проведен базовый эксперимент, в качестве теплоносителя в котором использовалась дистиллированная вода промежуточный теплоноситель, применяющийся сегодня в пищеварочных котлах.

При проведении экспериментов, во время которых рубашка котла сообщалась с атмосферой, для предотвращения выкипания теплоносителя, его конденсации и стекания обратно в рубашку, применялся специально изготовленный холодильник. Холодильник представляет собой себя медный цилиндр, внутри которого проходит герметично припаянная к цилиндру медная трубка, одним концом плотно крепящаяся к выходному отверстию рубашки, другой же конец трубки открыт и сообщается с атмосферой. Между стенками цилиндра и трубки, проходя через отверстие в цилиндре, протекает холодная вода, поступающая из городского водопровода и уходящая в канализацию через второе отверстие в цилиндре по гибкому шлангу.

В ряде экспериментов разогрев осуществлялся плавно, от минимальной мощности до максимальной, переключение на более высокую мощность производилось при помощи включенного в цепь лабораторного регулируемого автотрансформатора (ЛАТР ТООС2-5к). В других экспериментах нагрев осуществлялся на одной мощности в течение всего времени эксперимента.

По полученным в ходе экспериментам показателям температурных полей были вычислены коэффициенты теплоотдачи а" для различных случаев.

д = К Г-А( т (1),

Где К - коэффициент теплопередачи от пара к нагреваемой воде, Вт/(м -К); Р - площадь поверхности греющей рубашки варочного котла, м2; Д1 - средняя по времени разность температур греющего пара и нагреваемой среды; т -продолжительность процесса, с.

а.» а.

Где К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К)

— коэффициент теплоотдачи от пара к стенке варочного сосуда,

Вт/м'К

а» - коэффициент теплоотдачи от стенки варочного сосуда к пищевой среде, Вт/(м2К)

Полученные в ходе экспериментов коэффициенты теплоотдачи сопоставлялись с коэффициентами теплоотдачи, вычисленными аналитически.

Где N11 - критерий Нуссельта, № = 0,15(Сг*Рг)оп, вг - критерий Грасгофа, Рг -критерий Прандтля,

с - коэффициент, зависящий от режима течения жидкости X - коэффициент

ускорение свободного падения, м/с2, ¡с— температура поверхности теплообмена, К; — температура теплоносителя, К; V — коэффициент кинематической вязкости, м2/с; /? — температурный коэффициент объёмного расширения теплоносителя, 1/К

Результаты сравнительного анализа позволили сделать выводы о работоспособности и эффективности перспективных промежуточных теплоносителей и соответствии аналитических расчетов практически полученным результатам.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования воды и водных растворов пропиленгликоля различной концентрации в качестве промежуточных двухфазных теплоносителей и проведено сравнение температурных полей, теплотехнических характеристик, времени разогрева и других наиболее важных параметров работы экспериментальной установки в зависимости от типа теплоносителя, давления в рубашки и степени заполнения рубашки теплоносителем.

Были проведены экспериментальные исследования пяти видов промежуточных теплоносителей: воды, чистого пропиленгликоля (концентрация

Ыи-Л _ с(Сг■ Рг)" • Л I I

(4),

р1

теплопроводности, Вт/м-°С, / - высота рубашки, м & - —

, где g —

100%), а также 48%, 55% и 80%-х водных растворов пропиленгликоля. Каждый теплоноситель исследовался как при максимальной мощности нагревательного элемента, так и при постепенном повышении мощности с минимальной до той, при которой пищевая среда в котле закипает.

Для подтверждения достоверности эксперимента был проведен базовый эксперимент с использованием в качестве промежуточного теплоносителя воды. Результаты эксперимента были сопоставлены с результатами, полученными в процессе исследования серийно выпускаемых пищеварочных котлов с косвенным обогревом, выполненного C.B. Шихалевым.

Ниже на рисунках 3-6 представлены зависимости температуры жидкости в варочном сосуде, стенки варочного сосуда, жидкого теплоносителя и пара от времени разогрева для теплоносителей вода, а так же 55%, 80% водных растворов пропиленгликоля и чистого пропиленгликоля (концентрация 100%).

Рисунок 3 - Зависимости температуры жидкости в варочном сосуде, жидкого теплоносителя, стенки варочного сосуда и пара от времени разогрева для

теплоносителя «вода»

Рисунок 4 - Зависимости температуры жидкости в варочном сосуде, жидкого теплоносителя, стенки варочного сосуда, и пара от времени разогрева для

теплоносителя «55% водный раствор пропиленгликоля»

Рисунок 5 - Зависимости Рисунок б - Зависимости температуры жидкости в варочном температуры жидкости в варочном сосуде, жидкого теплоносителя, сосуде, жидкого теплоносителя, стенки варочного сосуда и пара от стенки варочного сосуда и пара от времени разогрева для времени разогрева для

теплоносителя «80% водный теплоносителя «100%

раствор пропиленгликоля» пропиленгликоль

В пятой главе приведено сопоставление зависимостей коэффициентов теплоотдачи от пара к стенке асм и величины теплового потока я от температуры жидкости в пищеварочном сосуде а так же зависимостей величины теплового потока я от разности температур пара и стенки греющего сосуда М для базового эксперимента и эксперимента, выполненного при исследовании серийно выпускаемых котлов.

Тепловой поток определялся из уравнения теплового баланса, по выражению

д=-——-,(/)

^■Дг

Где: в - масса продукта, кг, с - удельная теплоемкость продукта, Дж/кг, Р -площадь поверхности теплопередающей стенки, м2, Дт- временной интервал, с, /,м -температура продукта в конце временного интервала, К, - температура продукта в начале временного интервала, К, £>„от- потери тепла аппаратом за временной интервал Дг5 Вт, б„,» •('»■».«> , где средний

коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности котла в окружающую среду

19

за время Дг> - площадь теплоотдающей поверхности котла, * - средняя температура теплопередающей поверхности котла за время Ат г - средняя температура окружающей среды за время Д т

Коэффициенты теплопередачи К, теплоотдачи от греющего пара к стенке варочного сосуда ««,,, и от стенки варочного сосуда к жидкости ажт определялись по следующим соотношениям:

К =-(8)

гДе 'с»,г > 'ж.г > К - соответственно температура основной массы пара и содержимого варочной емкости на временном интервале с.

«„, (9)

сн,г ех

где , К - температурное поле внутренней поверхности варочной емкости на интервале Д г с.

(Ю)

где , К - температурное поле наружной поверхности варочной емкости на интервале Дг ^ с.

Зависимости, полученные при сопоставлении результатов вышеупомянутых исследований с результатами установочного эксперимента, представлены на рисунках 7-9.

о 20 ю 60 80 100

Рисунок 7 - Зависимость коэффициента теплоотдачи от пара к стенке варочного сосуда асм от температуры жидкости в пищеварочном сосуде гждля теплоносителя «вода»: асмз - результат установочного эксперимента, асмш -результат исследования вышеупомянутого автора

с 12000 .................... / 5 1

С7 / —ЯШ

4000 Г

2000 ----------4~ -

0 20 40 60 »»•с 80 100

Рисунок 8 - Зависимость величины теплового потока д от температуры жидкости в пищеварочном сосуде ¡ж для теплоносителя «вода»: д3- результат установочного эксперимента, дш-результат исследования вышеупомянутого

автора

Рисунок 9 - Зависимость величины теплового потока q от разницы температур парогазовой меси и стенки варочного сосуда Д/ для теплоносителя «вода»: -результат установочного эксперимента, - результат исследования

вышеупомянутого автора Из приведенных на рисунках 7-9 зависимостей видно, что коэффициенты теплоотдачи и величины теплового потока весьма близки к совпадению, как в вышеупомянутом исследовании, так и в установочном эксперименте. Расхождение зависимостей не превышает 5%, что сопоставимо с погрешностью эксперимента. Схожесть значений зависимостей этих величин позволяет сделать вывод, что данные, полученные в ходе установочного эксперимента, в котором в качестве промежуточного теплоносителя использовалась дистиллированная вода, достоверны.

При применении указанной выше расчетной методики, получены зависимости коэффициентов теплоотдачи от пара к стенке асм и величины теплового потока ц от температуры жидкости в пищеварочном сосуде а также зависимости величины теплового потока q от разности температур пара и стенки греющего сосуда Д1 для эксперимента, в котором в качестве промежуточного теплоносителя был использован 55% водный раствор пропиленгликоля. На рисунках 10-12 представлены сопоставленные зависимости указанных выше величин для установочного эксперимента и эксперимента, в котором в качестве промежуточного теплоносителя был использован 55% водный раствор пропиленгликоля.

Рисунок 10 - Зависимость коэффициента теплоотдачи от пара к стенке варочного сосуда асм от температуры жидкости в пищеварочном сосуде гждля теплоносителей <<вода»(асме) и «55% раствор пропиленгликоля»(асмп)

Рисунок 11 - Сравнительные зависимости величины теплового потока д от температуры жидкости в пищеварочном сосуде ¡ждля теплоносителей «вода»^в) и «55%раствор пропиленгликоля»^^

температур парогазовой меси и стенки варочного сосуда Дг для теплоносителей «вода»(де) и «55% раствор пропиленгликоля» (д,) Зависимости на рисунках 10-12, полученные для коэффициентов теплоотдачи и тепловых потоков для теплоносителей «вода» и «55% раствор пропиленгликоля» сохраняют совпадающие тенденции и близки по абсолютным значениям. По сравнительным кривым можно сделать вывод о применимости приведенной методики для расчетрв коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи а также величины тепловых потоков для теплоносителей на основе водных растворов пропиленгликоля. Исходя из схожести абсолютных значений коэффициентов теплоотдачи и величин тепловых потоков в сопоставленных экспериментах, можно сделать положительный вывод о возможности применения водных растворов пропиленгликоля в качестве промежуточных двухфазных теплоносителей в тепловом технологическом оборудовании предприятий общественного питания.

Также приведены расчеты коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, величин теплового потока при использовании чистого пропиленгликоля в качестве однофазного теплоносителя в жарочном оборудовании предприятий питания с косвенным обогревом. Представлены результат технологических испытаний и рассчитан экономический эффект от применения водных растворов пропиленгликоля в качестве промежуточных двухфазных теплоносителей в рубашечном тепловом оборудовании предприятий общественного питания.

24

---------

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ теплового кулинарного оборудования с косвенным обогревом, используемого на предприятиях общественного питания. Анализ показывает необходимость создания мягкого косвенного обогрева при относительно интенсивном нагреве нижней части рабочей камеры и менее интенсивном нагреве ее стенок, для чего предлагается использовать водные растворы, работающие в условии температурной депресии.

2. Рекомендованы концентрации водных растворов пропиленгликоля для варочного (концентрация 48-55%) и жарочного (концентрация 80-100%) оборудования, аналитически определены теплоемкость, теплопроводность, кинематическая вязкость, температуры кипения и кристаллообразования и их зависимости от температуры для данных теплоносителей.

3. Исследован теплообмен в рубашке электрического пищеварочного котла и получены расчетные значения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи от греющего пара к стенке пищеварочного сосуда и от стенки пищеварочного сосуда к рабочей жидкости в зависимости от величины теплового потока и температуры для указанных водных растворов пропиленгликоля.

4. Экспериментально подтверждена возможность использования существующей методики расчета водяных паровых теплообменников для расчета поверхности нагрева теплообменников, использующих в качестве промежуточного теплоносителя водные растворы пропиленгликоля.

5. Проведены технологические испытания, подтвердившие работоспособность теплового технологического оборудования с применением в качестве промежуточного теплоносителя водных растворов пропиленгликоля, при сохранении высоких органолептических качеств приготовленной на этом оборудовании пищевой продукции.

6. Определена экономическая эффективность применения теплоносителей на основе водных растворов пропиленгликоля в оборудовании предприятий общественного питания, вызванная сокращением материалоемкости, снижением сложности изготовления теплового оборудования, возможностью использования одного технологическою аппарата как для варки, так и для жарки во фритюре в зависимости от концентрации промежуточного теплоносителя, а следовательно возможностью приготовления более широкого ассортимента блюд, а также повышением уровня безопасности персонала предприятий питания.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Зиборов. Д.М. Совершенствование мобильных предприятий питания. Статья. Журнал «Наука и бизнес: пути развития». - 2014 -№ 9, с. 67-70

2. Зиборов Д.М. Экономический эффект от совершенствования мобильных предприятий питания. Статья. Журнал «Вестник РЭУ». - 2014 - №9, с. 114122

3. Зиборов Д.М. Обоснование методики расчета теплотехнических характеристик перспективных универсальных теплоносителей. Статья. Журнал Наука и бизнес: пути развития». - 2014 - №10, с. 33-37

Тезисы докладов на научно-практических конференциях

1. Зиборов Д.М. Возможность использования водных растворов в теплообменной аппаратуре предприятий общественного питания. Двадцать пятые Международные Плехановские чтения. 10-16 февраля 2012 г. : тезисы докладов аспирантов. - М.: ФГБОУ ВПО «РЭУ им. Г.В. Плеханова, 2012. - 240с.

2. Зиборов Д.М. Пропиленгликоль и его водные растворы - перспективный универсальный двухфазный промежуточный теплоноситель. Акту ал ьш проблеми розвигку харчових виробництв, ресторанного та готельного господарств 1 торпшп : Тези доповщей всеукрашсьюм науково-практично1 конференцп молодих учеиих I студештв (25 квпня 2013 року) Ч. 1,- Харьков: ХДУХТ, 2013

3. Зиборов Д.М., Богов М.И. Пропиленгликоль и его водные растворы -перспективный универсальный двухфазный промежуточный теплоноситель. Липаговские чтения. Сборник трудов кафедры технологических машин и оборудования - М.: Изд-во. РЭУ им. Г.В. Плеханова, 2014. - 153 с.

4. Зиборов Д.М. Расчет теплотехнических характеристик растворов некоторых веществ. Экономические проблемы внедрения и использования нанопродуктов и нано-технологий : сб. тез. докл. Участников. Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием; 30 ноября 2011 года.- М.: Изд-во РЭУ им. Г. В. Плеханова, 2012

Статьи

1. Ботов М.И., Зиборов Д.М. Расчет теплотехнических характеристик растворов некоторых веществ. Труды инженерно-экономического факультета. Выпуск 7. М.: Изд-во. Россельхозакадемии, 2012. -353 с.

Подписано в печать 12.05.2015 г. Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ № 56-з.

ФГБОУ ВПО «Российский экономический университет имени Г. В. Плеханова». 117997, Москва, Стремянный пер., 36. Напечатано в ФГБОУ ВПО «РЭУ им. Г. В. Плеханова».