автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование конструкций резистивных конфорок электроплит предприятий общественного питания с использованием методов численного имитационного моделирования

На правах рукописи

Солдусова Екатерина Александровна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ РЕЗИСТИВНЫХ КОНФОРОК ЭЛЕКТРОПЛИТ ПРЕДПРИЯТИЙ ОБЩЕСТВЕННОГО ПИТАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.18.12 - "Процессы и аппараты пищевых производств"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009

□03470032

003470032

Диссертация выполнена на кафедре "Торгово-технологическое оборудование" Российской экономической академии им. Г.В. Плеханова и на кафедре "Механика" Самарского государственного технического университета.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Ботов Михаил Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Семенов Евгений Владимирович; - кандидат технических наук Золотин Александр Юрьевич

Защита состоится 18 июня 2009 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.196.07 при Российской экономической академии имени Г.В. Плеханова по присуждению ученой степени кандидата технических наук по адресу: 115998, г. Москва, Стремянный переулок, дом 36, корпус 2, аудитория 128, тел. (495) 237-94-97

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российской экономической академии им. Г.В. Плеханова

Автореферат разослан 18 мая 2009 г.

Ученый секретарь

Ведущая организация - Открытое акционерное общество

«Термоторгмаш» (г. Москва)

диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Елисеева Л. Г.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Значительная часть тепловых кулинарных процессов реализуется на предприятиях общественного питания за счет использования электрических плит. Основным нагревательным элементом плит служат рези-стивные 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 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 резистивных электрических конфорок и конструкции самих плит, увеличить ресурс их работы, снизить энергозатраты и потери сырья.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является совершенствование конструкций резистивных 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-0,51 СП 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 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.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на:

- Поволжской региональной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сервиса в Поволжском регионе», Самара, 2002;

- Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 2002;

- Региональной научно-технической конференции «Легкая промышленность. Сервис. Научные исследования аспирантов и молодых ученых вузов Приволжского федерального округа», Самара, 2003;

- Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сервиса: образование, управление, технологии», Самара, 2004;

- Липатовских чтениях в РЭА им. Г.В. Плеханова, Москва, 2005;

- Всероссийской научно-технической конференции «Легкая промышленность. Сервис. Научные исследования аспирантов и молодых ученых», Самара, 2005;

- Второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2006;

- Третьей Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи», Самара, 2006;

- Четвёртой Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи», Самара, 2007;

- Пятой Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи», Самара, 2008.

Работа прошла конкурсный отбор и была поддержана грантом для молодых учёных Самарской области в 2004 году по теме «Разработка методики, программных средств анализа теплопроводности и механического состояния конфорок электроплит».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, список которых приведён в конце автореферата, в том числе одна работа в журнале списка ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 129 листах машинописного текста и состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, включающего 101 наименование и приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, излагаются научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дан подробный обзор литературы по научным проблемам, связанным с темой диссертационной работы.

Повышение качества кулинарной продукции, полученной в результате тепловой обработки, является основной задачей большого числа работ, посвященных совершенствованию процессов и аппаратов пищевых производств.

В данной главе проанализированы основные виды классификаций кулинарного оборудования, предложенных в работах А.Н. Вышелесского, H.H. Липатова, М.И. Ботова, Ю.Р. Муратова и др. Универсальные электрические плиты относятся к основным аппаратам, предназначенным для тепловой обработки пищевых продуктов.

В процессе тепловой обработки продукт приобретает характеристики, определяющие качество готовых кулинарных изделий. Все они в значительной степени зависят от условий нагрева и температуры, поддерживаемой при обработке пищевого продукта. Изучением характера таких превращений занимались многие учёные: М. И. Беляев, A.M. Бражников, А.Н. Вышелесский, Е.П. Козь-мина, A.B. Лыков, A.A. Покровский, Е.И. Якубович и др.

В зависимости от исходного состава пищевых продуктов и требуемых свойств изделия необходимо обеспечить определённые термические условия, основными из которых являются условие равномерности температурного поля греющей поверхности и сохранение пищевой ценности и витаминов, содержащихся в исходном сырье. Это возможно только при минимально необходимых температурах и кратчайших сроках тепловой обработки.

Обзор литературных источников подтверждает вывод о том, что для повышения качества приготавливаемой пищи необходимо продолжить совершенствование технологического оборудования, включая электрические плиты. В связи с этим проанализирована конструкция электронагревателя закрытого типа с чугунным корпусом, выделены основные требования к конструкции нагревателя, сформулированы предложения для повышения эксплуатационных свойств конфорок.

Заметный прогресс достигнут в определении полей температур в экспериментальных исследованиях и с использованием метода электротеплоанало-гии. Несколько расчётных методов, которые широко применялись в середине двадцатого столетия, даны в работах отечественных и зарубежных учёных, таких как М.И. Беляев, М.И. Ботов, А.Н. Вышелесский, В.П. Кирпичников, H.H. Липатов, Г.Р. Миндин, Д.Ф. Фатыхов, Т. Hegbom и др. Использованные подходы имеют те или иные существенные ограничения. Расчётные методы позволяли получать лишь осредненную оценку температуры рабочей поверхности и нагревательного элемента. Для усовершенствования конструкций конфорок электрических плит необходимо иметь детальную картину поля температур с точ-

ной локализацией максимальных и минимальных значений. Это может быть реализовано с применением современных методов численного моделирования.

С компьютерным моделированием и применением МКЭ связаны последние достижения в разных отраслях техники. Для рассмотренного нами круга задач важно, что МКЭ позволяет моделировать сложные тепломассообменные, тепловые кулинарные процессы и работу электронагревателя в реальных условиях. Использованию МКЭ для решения прикладных задач посвящены многочисленные работы О. Зенкевича, Л. Сегерлинда, К. Моргана, Я.М. Клебанова и многих других авторов.

По результатам анализа литературных источников сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрено применение численного моделирования к расчёту процесса разогрева и стационарного периода работы конфорки электрической плиты на основе метода водяного эквивалента. Смоделировано температурное поле трубчатых электронагревательных элементов (ТЭНов) и конфорок электрических плит с учётом реальной тепловой нагрузки.

Численные методы расчета температурных полей деталей и узлов технических средств в отличие от классических аналитических и эмпирических методов позволяют не только учитывать сложность их геометрической формы. Они делают возможным учёт неоднородности теплофизических свойств, нелинейных граничных условий. При реализации численных процедур решается система уравнений задачи теплопроводности. Основное дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид

'д2Т д2Т д2ТЛ

5?

■> +—^ + ? дх2 ду2 ду2

0)

где р - плотность материала, кг/м3; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); Т -поле температур в объеме, занимаемом телом, К; № - удельная объемная мощность теплоисточников, зависящая от пространственных координат, Вт/м3; Л -коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К), ? - физическое время, с.

В соответствии с законом теплопроводности Фурье поток тепла по нормали к границе поверхности описывается равенством

9 =-Я?. (2)

дп

где п - внешняя нормаль к поверхности.

Если тепловой поток на части границы тела ^ определяется условиями конвективного теплообмена, то

<?5, ~Те\ (3)

где а - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м2 'К); Т5> - температура на соответствующей поверхности тела, К; Те - температура окружающей среды, К;

При радиационном теплообмене с поверхностью другого тела или с окружающей средой

=С0£

100

112, 100

(4)

где С0 - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, Вт/(м2 К4); е - относительная степень черноты поверхности; Т$1 - температура поверхности другого твёрдого тела или температура окружающей среды (в этом случае

т5г=тв), к.

Для решения ряда задач, где теплообмен на поверхности происходит с окружающей средой и включает и конвекцию и радиацию, его удобно условно рассматривать как только конвективный, но с приведённым коэффициентом теплообмена апр, Вт/(м2-К), учитывающим оба вида:

(5)

■а,

Д^, -Тв),

где

а„р=а + С0е

/ т Ч1 2 + | 'Т.)2

100 100,

1

100'

(6)

/

........

Рл.....

\ V, — | //

Часть входящих в приведённые уравнения констант в общем случае зависит от температуры, а коэффициент теплообмена определяется с помощью критериев подобия. Для численной реализации эти зависимости должны вводиться в соответствующие базы данных в виде таблиц. В работе такие таблицы были составлены применительно к материалам, применяемым для изготовления элементов конфорок электроплит. Эти таблицы могут быть использованы и другими исследователями и конструкторами.

—В качестве тестовой рассмотрена задача численного моделирования теплопроводности цилиндрического ТЭНа (рис. 1). Это позволило верифицировать основные элементы указанных процедур, связанные с дискретизацией конструкции, заданием свойств материалов и граничных условий. Конструкция ТЭНов состоит из тех же основных компонент, что и чугунная конфорка электроплит. В экспериментальных исследованиях с использованием метода электротеплоаналогии получены многочисленные данные о распределении в ТЭНах температурных полей, которые можно использовать для проверки численных решений. Ещё одним обстоятельством, повлиявшим на выбор ТЭНов в качестве первого из рассмотренных объектов, явилась их большая практическая важность. Основной предпосылкой при моделировании является то, что разность температур в двух поперечных сечениях ТЭНа с расстоянием между сечениями в один шаг спирали считается пренебрежимо малой. Это позволяет ограничиться рассмотрением фрагмента ТЭНа, толщина которого равна одному шагу встроенной спирали и принять для него равенства температурных полей на первом и втором торцах. На наружной кольцевой поверхно-

Рис.:

/

, Модель фрагмента ТЭНа.

сти задается приведенный коэффициент теплообмена, а по объему витка спирали - удельная объёмная мощность тепловыделения.

Результаты моделирования сравнивались с расчётами по полуэмпирическим зависимостям Г.Р. Миндина, Т. 1-^Ьот, А. ЬоЬосЫпБкл для разных значений коэффициента шага спирали - отношения шага к диаметру проволоки (рис. 2). Эти зависимости получены с использованием метода электротепловой аналогии. Результаты конечно-элементного моделирования достаточно близки к расчетным по известным зависимостям. При этом следует иметь в виду, что формулы содержат некоторое осреднение по тем геометрическим параметрам, которые в них не представлены. В этой связи конечно-элементное решение даёт более точные результаты.

Применение метода электротеплоаналогии для решения задачи теплопроводности круглых ТЭНов позволило решить ряд практических задач по совершенствованию их конструкций. Использование этого метода для задач теплопроводности конфорок электрических плит весьма сложно, требует больших затрат времени и средств и на практике не применяется. Поэтому для совершенствования конструкции конфорок на основе детального анализа температурных полей в диссертации был использован метод численного моделирования.

Разрабатываемый подход был сначала распространён на задачи теплопроводности ячейки конфорки электрической плиты. Ячейка - это плоский повторяющийся фрагмент конструкции конфорки, толщина которого равна одному шагу спирали (рис. 3). Для анализа температурных полей нескольких видов ячейки была рассмотрена задача в двух постановках: плоской и объёмной.

Результаты расчёта цилиндрического ТЭНа ясно показывают, что температурное поле на некотором расстоянии от спирали мало зависит от шага спирали. Поэтому, последняя может быть представ-

1 2 3 4 5

Отношение шага спирали к диаметру проволоки

Р и с. 2. Разности температур между спиралью и трубкой, полученные МКЭ (показано сплошной линией с точками), по формулам Т. 1^Ьот, А. ЬоЬосИпэк! и Г.Р. Миндина показано сплошной, пунктирной и штрихиунктир-ной линиями соответственно.

Корпус

Р и с. 3. Объёмная геометрическая модель ячейки.

лена сплошной трубкой при той же, что и у спирали мощности тепловыделения с единицы длины резистивного элемента. Полагаем, что это справедливо и для конфорки.

При расчёте ячейки принимаем следующие граничные условия:

• нижняя поверхность является изолированной;

• по боковым сторонам задаются условия изоляции, предполагающие отсутствие перетекания теплоты из ряда в ряд;

• на рабочей поверхности имеет место теплообмен конвекцией и излучением;

• на передней и задней поверхностях задаются условия циклической симметрии, т. е. равенства полей температур.

При замене спирали трубкой тепловое состояние ячейки становится плоским и последнее условие является излишним. Внешний и внутренний диаметры трубки совпадают с соответствующими диаметрами спирали.

Результаты выполненных расчётов подтверждают, что поля температур в плоской и объемной ячейке действительно становятся всё более близкими по мере удаления от нагревательного элемента. В приведённом на рис. 4 примере значение максимальной температуры спирали объёмной ячейки почти на 19 градусов выше, чем в плоской. Как и ожидалось, эта разность зависит от шага спирали и других геометрических размеров ячейки. Поскольку решение объемной задачи даёт более точный результат, то из полученных решений следует, что именно объёмную модель следует использовать для окончательной оценки температуры нагревательного элемента.

552.97 570.69

515.08 Э37.22 554.92 515,07 538,35 556.97 550.43 563.1 573.22

а б в

Р и с. 4. Поле температур в ячейке: а - температура в плоской ячейке, "С\ б- температура в объёмной ячейке с отношением шага спирали к диаметру проволоки равным 10, "С; в - температура в резистивном элементе объёмной ячейки, "С.

Кроме описанной ячейки в диссертации рассматриваются ячейки и другой формы.

Весьма актуальным при проектировании конфорок электрических плит является вопрос учёта влияния зазоров на долговечность и эксплуатационные свойства конструкции. В диссертационной работе изучалось влияние как зазоров внутри конфорки: между спиралью и электроизоляцией, электроизоляцией

и корпусом, так и зазоров между наплитной посудой и рабочей поверхностью. При численном моделировании тепловые процессы в зазорах учитываются специальными конечными элементами.

В реальной конструкции расположение зазоров относительно спирали носит произвольный характер и неоднородно по длине проволоки. В работе были выполнены расчёты с расположением воздушных зазоров между проволокой и изоляцией с внешней стороны спирали и с внутренней стороны. Влияние остальных зазоров носит промежуточный характер.

Изучено влияние сочетаний различных по своей величине зазоров, диапазон их значений составлял от 0 до 0,5 мм. Проведённые расчёты показали, что зазор до 5 мкм практически не влияет на разность температур контактирующих поверхностей и может не учитываться при моделировании. Температура рабочей поверхности конфорки пренебрежимо мало зависит от наличия и величины зазоров в конфорке. Вместе с тем, даже небольшой зазор между спиралью и электроизоляцией приводит к заметному повышению температуры спирали. Зазор с внешней стороны проволоки увеличивает температуру спирали на величину примерно в два раза большую, чем такой же зазор с её внутренней стороны. Полученные данные согласуются с предложением М.И. Беляева увеличивать разность температур рабочей поверхности и спирали для учёта влияния зазоров между спиралью и электроизоляцией в 1,3 раза.

При плоской постановке задачи теплопроводности в ячейке зазор между трубкой и изоляционной массой рассматривали в форме кольца, И при плоской и при объёмной постановке влияние зазоров на распределение полей температур качественно одинаково. В большинстве случаев решение плоской задачи оказывается и количественно близким к более точному объёмному решению. Одновременно можно отметить, что зазоры мало влияют на температуру точек конструкции, находящихся на удалении от нагревателя и, в частности, на рабочей поверхности и боковых поверхностях ячеек.

Изложенные выше результаты сделали возможным моделирование всей конструкции конфорки. Реализовывался иерархический процесс конечно-элементного моделирования конфорки, состоящий из двух этапов. Первый этап - это решение глобальной задачи, при этом зазоры не учитываются. На этом этапе спираль представляется в виде сплошной трубки. Результатом решения является распределение температуры по рабочей поверхности конфорки, приближенное значение температуры вдоль спирали и исходные данные для осуществления корректного локального анализа. Второй этап - это решение локальной задачи с помощью метода подконструкций. На этом этапе на глобальной модели выделяется участок конструкции конфорки, подлежащий более тщательному исследованию. Таким участком является, в частности, место расположения максимальной температуры спирали. На этот участок "накладывается" подконструкция, имеющая ту же геометрическую форму, что и объёмная ячейка. Нагревательный элемент моделируется в виде витка реальной спирали, учитываются необходимые зазоры, используется более мелкая конечно-элементная сетка. В качестве граничных условий используются результаты решения глобальной задачи.

Стандартная процедура подконструкций предполагает задание по всей поверхности подмодели граничных условий, соответствующих решению глобальной модели. Она не может быть применена в связи с описанной выше заменой в глобальной модели спирали трубкой. Поэтому было обосновано и реализовано оригинальное решение, состоящее в том, что во внутренних узлах торцевых поверхностей подмодели задаются условия равенства полей температур. Результатом решения на втором этапе становится уточнённое значение максимальной температуры резистивного элемента и распределение температуры в примыкающей к нему области.

В работе подробно исследована конструкция конфорки электроплиты ПЭ-0,51 СП. Она имеет достаточно сложную форму; в силу симметрии моделирование осуществляли только для половины конфорки (рис. 5). Рассматривались регулярный и нерегулярный способы разбиения на конечные элементы. Получение регулярного разбиения рассматриваемой конструкции - достаточно длительная "ручная" процедура. Создание нерегулярной сетки требует небольшого подготовительного времени. Выполненные расчёты показали, что способ разбиения на конечные элементы практически не влияет на результаты моделирования. Поэтому в дальнейшем при реализации параметрической оптимизации применялось нерегулярное моделирование (рис. 6). При решении задаются следующие граничные условия: по поверхностям рабочей поверхности и по бортикам прикладывался приведённый коэффициент теплоотдачи, зависящий от температуры в соответствии с (6). В трубках, имитирующих нагревательные спирали, задаётся необходимая мощность тепловыделения.

Р и с. 5. Вид на конфорку снизу, электроизоляция и нагревательные элементы не показаны.

Резнстивный ' S элемент

угунный корпус

Р и с. 6. Увеличенная часть модели конфорки, полученная нерегулярным способом. Вид со стороны электроизоляционной массы (электроизоляция не показана).

На рис. 7 в качестве иллюстрации показано стационарное решение, полученное для конфорки плиты ПЭ-0,51 СП при отсутствии наплитной посуды и мощности 4 кВт, что соответствует мощности с единицы площади рабочей поверхности конфорки 2,1 Вт/см2. Из рисунка видно, что максимальная температура резистивного элемента, равная 1064 К, располагается на внешней спирали в центральной части конфорки. Это говорит о том, что при заданной мощности тепловыделения и без наличия воздушных зазоров температура спирали находится в пределах рекомендуемой рабочей температуры согласно нормативам, приведённым в работах М.И. Ботова В.П. Кирпичникова, H.H. Липатова, Ю.Р.

Муратова, C.B. Некрутмана. Далее на это место конфорки «накладывается» подмодель.

782.26 927.49 873.69 1010^

761.52 '"'86125^48.24 828.4 964.26 1032

а б

Р и с. 7. Распределение температур (К) в конфорке электрической плиты ПЭ-0,51 СП: я - по рабочей поверхности (разность температур по поверхности составляет 186,7 К); б - по нагревательным элементам.

С помощью подмодели проанализирована температура электронагревательного элемента без зазоров и при наличии воздушных зазоров между спиралью и изоляцией, между корпусом и изоляцией. Были рассмотрены разные значения мощности конфорки. При мощности 6 кВт и отсутствии зазоров температура проволоки из нихрома Х20Н80 составляет 1363,8 К. Это значение превышает рекомендуемую рабочую температуру на 41 К. При появлении воздушных зазоров температура дополнительно возрастает.

Развиваемый в данной работе подход даёт возможность учитывать влияние свойств материалов корпуса, отдельных геометрических параметров конструкции и режима работы конфорки электрической плиты на её технические характеристики. Используя рассмотренный выше подход можно достаточно точно определять температуру нагревательной спирали и учитывать её при проектировании рассматриваемого вида теплового оборудования. Данный подход может быть эффективно использован на стадии конструирования конфорок для повышения их качества, как с точки зрения максимального соответствия технологии приготовления пищи, так и с позиций увеличения надёжности и долговечности конфорки.

Существенное влияние на качество приготовления пищи оказывает зазор между рабочей поверхностью конфорки и дном наплитной посуды. В работе подробно рассмотрена вогнутая форма дна наплитной посуды. Непосредственный контакт поверхностей осуществляется по полосе, размеры которой определяются размерами и формой дна посуды. Во внутренней части образуется замкнутый воздушный зазор. Теплопередача осуществляется теплопроводностью между контактирующими частями дна посуды и конфорки, а в зазоре - теплопроводностью слоя воздуха и излучением между жарочной поверхностью конфорки и дном посуды. На внутренних поверхностях посуды задаются условия конвекции с кипящей водой, а на внешних стенках - конвекция и излучение. По внутренней поверхности дна кастрюли задавался коэффициент конвективного теплообмена с кипящей водой в соответствии с кривой кипения Нукияма.

Для анализа влияния зазоров моделировались условия стационарной теплопроводности для различных сочетаний величин всех трёх видов зазоров.

Анализ проведённых расчётов позволяет сделать следующие выводы:

• наличие воздушного зазора рассмотренного вида между рабочей поверхностью конфорки и дном наплитной посуды уменьшает разность температур по дну внутри посуды, увеличивая при этом температуру спирали под кастрюлей и максимальную температуру рабочей поверхности по сравнению со случаем, когда указанный зазор отсутствует;

• появление воздушного зазора между спиралью и электроизоляцией также снижает разность температур по внутренней поверхности дна посуды. Зазор между корпусом и электроизоляционной массой практически не влияет на указанный перепад температур;

• имеет место достаточно сложное влияние сочетания зазоров, как на температуру спирали, так и на температуру рабочей поверхности конфорки под наплитной посудой. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выполнять соответствующие расчеты. Наиболее неблагоприятным случаем для долговечности спирали является сочетание максимальных значений воздушных зазоров внутри конфорки. Вместе с тем, следует отметить, что стационарная максимальная температура спирали загруженной конфорки заметно ниже по сравнению с холостым ходом.

Поскольку теплообмен при кипении растворов характеризуется теми же закономерностями, что и теплообмен при кипении чистых жидкостей, то сделанные заключения справедливы и для случая кипения водных растворов.

В третьей главе рассмотрена нестационарная задача теплопроводности конфорок и экспериментальная проверка предлагаемой методики. Разрабатываемый подход эффективен и для стационарных и для нестационарных задач теплопроводности конфорок электрических плит. Для проверки достоверности выполняемых расчётов их результаты были проверены путём сопоставления со специально проведёнными замерами температуры на рабочей поверхности конфорок плит ПЭ-0,51СП. Плиты этого типа оборудованы тремя конфорками. Для измерения температуры использовался портативный цифровой инфракрасный термометр ТЕ8-1322.

Одна из рассмотренных плит изготовлена в 2005 г. в ОАО «Завод «Пром-маш», г. Саратов. Замеры проводились на средней и правой конфорке при мощности 4 кВт в девяти точках рабочей поверхности. Схема расположения точек на рабочей поверхности конфорок, в которых проводились измерения, представлена на рис. 8. Во время проведения замеров включали только одну конфорку.

Изменение замеренной температуры в отдельных точках и её распределение для фиксированных моментов времени сравнивались с данными расчёта. Можно отметить их хорошее совпадение.

Также в работе были произведены замеры температуры рабочей поверхности конфорки новой промышленной плиты ПЭ-0.51СП в лаборатории завода-производителя ОАО «Завод «Проммаш». К конфорке подводилась мощность 2,4 кВт. Измерения проводились после длительного - свыше трёх часов - нагрева, то есть практически на стационарном режиме. Для сопоставления была

решена задача стационарной теплопроводности при той же мощности. Некоторые результаты замеров и данные расчета представлены в виде графика на рис. 9.

Таким образом, предлагаемая методика даёт возможность получать достаточно точные результаты как для стационарных, так и для нестационарных условий распределения температур. Это позволяет рекомендовать применение развиваемого подхода и для анализа задач взаимного влияния работающих конфорок, нагрева и остывания конфорок с наплитной посудой и других важных практических задач.

Р и с. 8. Схема расположения точек замера температуры на рабочей поверхности конфорки плиты ПЭ-0,51 СП.

500 -.-,-,-,-,-!

150 200 250 ЗСО 350 400 450 Координат! по оси г, им

Р и с. 9. Температура стационарного режима по продольной линии конфорки от т. 2 до т. 8: серым цветом представлены расчетные данные, треугольными точками - экспериментальные.

В четвёртой главе разработана и реализована итеративная процедура параметрической оптимизации конструкции конфорки электрической плиты. Её целью является минимизация разности температур по поверхности конфорки и уменьшение наибольшей температуры в спирали.

При оптимизации конструкции конфорки плиты ПЭ-0,51СП увеличивали расстояние между спиралями в зоне наибольшего нагрева и уменьшали в местах относительно низкой температуры, уменьшили до конструктивно допустимой величины радиус закругления внешней спирали, варьировали расстояние от спиралей до бортика корпуса. Рекомендуемая геометрия была получена в результате трех последовательных итераций.

В результате оптимизации максимальная температура по рабочей поверхности снизилась на 25,1 К, разность температур по поверхности уменьшилась на 35,8 К, максимальная температура спирали на 33 К.

За счет выравнивания температурного поля рабочей поверхности уменьшается градиент температур по дну наплитной посуды. Для проверки этого были выполнены расчеты полей температур для всех вариантов конструкции конфорки с установленной на них посудой при кипячении воды. Результаты расчетов показывают, что по мере выравнивания температуры рабочей поверхности без установленной посуды одновременно уменьшается температурный перепад и на дне кастрюли. Причем, чем больше выравнивается температурный гради-

ент на рабочей поверхности при холостом режиме, тем больше он выравнивается и по дну посуды, установленной на оптимизированную конструкцию.

Для определения эффективности оптимизации конструкции конфорки были выполнены расчеты для «идеальной» конфорки: предполагалось, что вся удельная мощность тепловыделения равномерно распределена в плане. Такой вариант конфорки показывает, по существу, предельные возможности выравнивания температуры при условии равномерного тепловыделения в нагревательном элементе. Её габаритные размеры и материалы те же, что и у корпуса конфорки плиты ПЭ-0,51. Сопоставление характеристик полей температур по дну посуды для исходной и оптимизированной геометрии с условно идеальной показывает, что в результате оптимизации удаётся заметно приблизиться к распределению температуры в «идеальной» конфорке, используя все резервы, которые заложены в конструкции со спиральным нагревательным элементом.

Таким образом, выравнивание поля температур рабочей поверхности при холостом ходе оказывается целесообразным даже для универсальной конфорки, где расположение наплитной посуды носит случайный, произвольный характер. Очевидно, что такая оптимизация тем более важна для такого оборудования, как жарочные сковороды и сплошные жарочные поверхности, где передача тепла приготовляемой пище постоянно осуществляется по всей рабочей поверхности.

Полученные рекомендации по оптимизации конфорки плиты ПЭ-0,51 переданы одному из производителей - ОАО «Завод «Проммаш», где изготовлен вариант конфорки. С этим предприятием имеется договорённость о проведении оптимизации всей линейки их продукции с электрическими нагревателями.

Основные результаты диссертационной работы

В настоящей работе впервые разработана и применена эффективная методика использования метода конечных элементов для моделирования тепловых кулинарных процессов и исследования работы электронагревателей, применяемых в тепловой аппаратуре предприятий общественного питания. Построены температурные поля конфорок универсальных электрических плит и проведено исследование работы конфорок в реальных условиях, связанных с нагревом пищевых продуктов и возможными конструктивными изменениями нагревателей. Весь комплекс исследований связан с решением ряда актуальных практических задач повышения качества приготовления пищи 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 диссертационной работе исследований могут быть сформулированы следующие основные результаты и выводы:

1. Обосновано введение иерархической схемы конечно-элементного моделирования работы электрической конфорки при реализации тепловых кули-

тарных процессов. 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 является распределение температуры на рабочей поверхности конфорки и в на-плитной посуде, усреднённое значение температуры термонагревательного элемента и исходные данные для последующего локального анализа. На этапе решения локальной задачи детально учитывается внутренняя геометрия: зазоры и форма спирали отдельной подконструкции - ячейки, толщина которой равна шагу спирали. Это позволяет с необходимой точностью определять температуру в нагревательном элементе и вокруг него для рассматриваемой зоны конфорки.

2. Выполнено сопоставление полученных с использованием предлагаемого подхода количественных результатов с экспериментальными данными, полученными в данной работе, а также с известными в литературе данными, полученными методом электротепловой аналогии. Это сопоставление подтвердило эффективность разработанной методики численного моделирования, и точность при решении задач определения температурных полей оборудования для приготовления пищи.

3. Исследовано влияние внутренних зазоров в конфорке, возникающих в процессе эксплуатации в результате повторно-переменных термических нагрузок: между нагревательными элементами и электроизоляцией, между электроизоляцией и корпусом конфорки. Показано, что эти зазоры существенно влияют на температуру нагревателя сопротивления, а их влияние на температуру рабочей поверхности и рёбер корпуса при отсутствии наплитной посуды весьма незначительно.

4. Проведено численное исследование влияния зазора между рабочей поверхностью и дном наплитной посуды на поля температур в конфорке и в посуде при кипячении в зависимости от сочетания величин внутренних зазоров. Показано, в частности, что появление воздушных зазоров в теле конфорки может способствовать уменьшению разности температур по внутренней поверхности дна посуды.

5. Выполнено решение практически важной задачи параметрической оптимизации конструкции конфорки электрической плиты модели ПЭ-0.51СП. Достигнуто снижение наибольшей температуры спирали на 33 градуса, перепада температур на рабочей поверхности при отсутствии наплитной посуды на 36 градусов, на 25-46% по отношению к «идеальной» конструкции конфорки уменьшен перепад температуры по дну наплитной посуды. Показано, что выравнивание температуры рабочей поверхности конфорки на холостом ходу снижает перепад температуры по дну наплитной посуды при произвольном месте её установки

Публикация по теме диссертационной работы в журнале списка ВАК

1. Солдусова Е.А., Клебанов Я.М., Ботов М.И. Анализ влияния воздушных зазоров между спиралью и электроизоляцией на температурное поле конфорок электрических плит // Вестник Самарского Государственного Технического университета. Научный журнал. Серия Технические науки, 2007. - №1(19) -С. 123-130.

Список других публикаций по теме диссертации

2. Солдусова Е.А. Анализ термонапряжённого состояния и проектирования элементов машин и аппаратов коммунального хозяйства и бытового обслуживания // Сост. и перспективы развития сервиса в Поволжском регионе: Тез. докл. Поволжской региональной научно-практической конференции - Самара: СФ МГУС, 2002. - С. 55.

3. Солдусова Е.А. Компьютерное моделирование электрических конфорок // Актуальные проблемы современной науки: Тр. 3-й Международной конференции молодых ученых и студентов. Ч. 1. - Самара: СамГТУ, 2002. - С. 66 - 67.

4. Солдусова Е.А. Проблемы проектирования нагревательных элементов электрических плит // Легкая промышленность. Сервис. Научные исследования аспирантов и молодых ученых вузов Приволжского фед. округа: Тез. докл. Региональной научно-технической конф. - Самара: СФ МГУС, 2002. - С. 47 - 48.

5. Солдусова Е.А. Компьютерное моделирование нагревательных элементов электрических плит // Философские, технические, методические и социальные аспекты преподавательской, научной и произв. деятельности в сфере сервиса: Межвузовский сборник научных трудов. - Выпуск 9. - Самара: СФ МГУС, 2004.-С. 268-275.

6. Солдусова Е.А. Конечно-элементное моделирование теплопроводности закрытых электронагревателей // Состояние и перспективы развития сервиса: образование, управление, технологии: Сб. докл. Всерос. научно-практической конф. - Самара: СФ МГУС, 2004. - С. 95 - 101.

7. Клебанов Я.М., Солдусова Е.А. Особенности сеток конечных элементов иерархических моделей конфорок электрических плит // Легкая промышленность. Сервис. Науч. исследования аспирантов и молодых ученых: Сб. мат-лов Веер. Науч.-технич. конф. - Самара: СФ МГУС, 2005. - С. 54 - 55.

8. Солдусова Е.А. Численное моделирование задачи теплопроводности конфорок электрических плит // Исследование, разработка и применение высоких технологий в пр-ти: Сб. тр. Второй междунар. науч.-практической конф. - Т.6: Высокие технологии, фунд-ные и прикладные исследования, образование. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. - С. 372 - 373.

9. Солдусова Е.А. Иерархическое моделирование задач теплопроводности конструкций сложной формы // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды третьей Всероссийской научной конференции. Ч. 1. - Самара: СамГТУ, 2006. - С. 207 - 209.

10. Ботов М.И., Клебанов Я.М., Солдусова Е.А. Применение расчетного метода конечных элементов к анализу теплового состояния конфорок электроплит // Тр. Инженерно-экономического факультета. Выпуск 5. / Под общ. ред. В. А. Колоколова - М.: Изд-во Россельхозакадемии, 2006. - С. 707 - 717.

11. Клебанов Я.М., Ботов М.И., Солдусова Е.А. Моделирование процессов теплопроводности в конфорках электрических плит // Мат. моделирование и краевые задачи: Тр. четвертой Всерос. науч. конф. с международным участием. Ч. 1. - Самара: СамГТУ, 2007. - С. 125 - 128.

12. Солдусова Е.А. Параметрическая оптимизация конструкции конфорки электрич. плиты // Мат. моделирование и краевые задачи: Тр. пятой Всерос. науч. конф. с междун. участием. Ч. 1. - Самара: СамГТУ, 2008. - С. 281 - 284.

Личный вклад автора. Работы [2 - 6, 8, 9, 12] выполнены автором лично. В работах [1, 7, 10, 11] в рамках сформулированной научным руководителем проблемы автор разработал необходимые для теоретического анализа и численных расчётов модели соотношения и провёл необходимые вычисления.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность за консультации при выполнении диссертационной работы доктору технических наук, профессору Клебанову Я. М. и кандидату технических наук, доценту Ботову М. И.

Отпечатано в типографии ГОУ ВПО «Российской экономической академии имени Г. В. Плеханова». Тираж 100 экз. Заказ № 51

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Характеристика основных тепловых кулинарных процессов и теплового оборудования.

1.2 Анализ влияния параметров греющей среды на особенности тепловой кулинарной обработки пищевых продуктов.

1.3 Особенности использования электрических плит как универсального аппарата для реализации тепловых кулинарных процессов.

1.4 Анализ особенностей конструкции резистивных конфорок закрытого типа с чугунным корпусом.

1.5 Обзор научных методов исследования теплового поля конфорок электрических плит.

2 НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В РЕЗИСТИВНЫХ КОНФОРКАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛИТ.

2.1 Формализация задачи теплопередачи для расчета температурных полей конфорок электрических плит.

2.2 Численное моделирование процесса нагрева цилиндрического трубчатого электронагревателя.

2.3 Построение модели расчета электрической резистивной конфорки закрытого типа с использованием плоской и объемной базовой ячейки

2.4 Математическое моделирование расчета температурных полей с учетом термических зазоров, возникающих в конфорке и в зоне контакта с наплнтной посудой.

2.5 Расчет температурных полей резистивной конфорки закрытого типа электрической плиты ПЭ-0,51СП.

2.5.1 Расчет температурных полей процесса нагрева конфорки плиты на основе глобальной конечно-элементной модели.

2.5.2 Расчет нагревательном спирали резпетпвпой конфорки па основе использования метода подконструкций.i.

2.6 Расчет температурных полей конфорки при использовании для нагрева продукта наплитной посуды.

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗИСТИВНЫХ КОНФОРОК В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПРЕДЛАГАЕМОЙ МЕТОДИКИ.

4 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ РЕЗИСТИВНЫХ КОНФОРОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛИТ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

4.1 Разработка предложений по увеличению ресурса работы резистивных конфорок на основе минимизации температурных градиентов рабочей поверхности при холостом режиме работы.

4.2 Оценка эффективности параметрической оптимизации и учет влияния температур дна наплнтной посуды на эффективность теплового кулинарного процесса.

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 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 резистивных электрических конфорок и конструкции самих плит, увеличить ресурс их работы, снизить энергозатраты и потери сырья.

Цель и задачи исследования. Цель работы — совершенствование конструкций резистивных 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 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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 повышения 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.

2. Выполнено сопоставление полученных с использованием предлагаемого подхода количественных результатов с известными в литературе данными, полученными методом электротепловой аналогии, и данными проведённых экспериментальных замеров, подтвердившее точность и эффективность разработанной методики численного имитационного моделирования при решении задач определения температурных полей оборудования для приготовления пищевой продукции.

3. Исследовано влияние внутренних зазоров в конфорке: между нагревательными элементами и электроизоляцией, между электроизоляцией и корпусом конфорки. Показано, что эти зазоры существенно влияют на температуру нагревателя сопротивления, а их влияние на температуру рабочей поверхности и рёбер корпуса при отсутствии наплитной посуды весьма незначительно.

4. Проведено численное исследование влияния зазора между рабочей поверхностью и дном наплитной посуды на поля температур в конфорке и в посуде при кипячении в зависимости от сочетания величин внутренних зазоров. Показано, в частности, что появление воздушных зазоров в теле конфорки может способствовать уменьшению разности температур по внутренней поверхности дна посуды.

5. Выполнено решение практически важной задачи параметрической оптимизации конструкции конфорки электрической плиты модели ПЭ-0,51 СП. Достигнуто снижение наибольшей температуры спирали на 33 градуса, перепада температур на рабочей поверхности при отсутствии наплитной посуды на 36 градусов, на 25-46% по отношению к «идеальной» конструкции конфорки уменьшен перепад температуры по дну наплитной посуды. Показано, что выравнивание температуры рабочей поверхности конфорки на холостом ходу снижает перепад температуры по дну наплитной посуды при произвольном месте её установки.

1. Алфёров Б.И., Соколов Ю.Н. Теплообмен деталей станков с воздухом цеха // Станки и инструмент. — 1968. — № 9.

2. Ананьев В. И. Исследование влияния режима тепловой обработки на качество запеченных мясопродуктов: Автореф. дис. . канд. техн. наук / В. И. Ананьев М.: ВНИИМП, 1974. - 22 с.

3. Асмаев М. П., Корнилов Ю. Г. Моделирование процессов пищевых производств. — М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1982. — 176 с.

4. Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов. Частные требования к электрическим кухонным плитам, шкафам и конфоркам для предприятий общественного питания: ГОСТ 27570.34-92. — Введ. 25.08.92. — М.: Издательство стандартов, 1992. — 22 с.

5. Белова А. П., Кирпичников В. П., Некрутман С. В. Исследование деформации рабочей поверхности конфорок электроплит // Оборудование предприятий общественного питания: Сб. науч. тр. — М.: МИНХ им. Г. В. Плеханова, 1976. С. 38 - 44.

6. Беляев М. И. Оборудование предприятий общественного питания: В 3-х т. Т.З. Тепловое оборудование / М. И. Беляев: Учеб. для технол. фак. торг. вузов. — М.: Экономика, 1990. — 559 с.

7. Беляев М. И. Тепловые процессы и качество продукции в общественном питании. М.: Экономика, 1979. — 136 с.

8. Беляев Н. М. Основы теплопередачи: Учебник. — К.: Вьпца шк. Головное изд-во, 1989. 343 е.: ил.

9. Бражников А. М. и др. Аналитические методы исследования процессов термической обработки мясопродуктов / А. М. Бражников, В. А. Карпычев, А. И. Пелеев. — М.: Пищевая промышленность, 1974. — 234 с.

10. Букапов И. Г., Кирпичников В. П., Некрутман С В. Температурный режим конфорки плиты ПЭСМ-4 // Оборудование предприятийобщественного питания: Сб. науч. тр. — М.: МИНХ им. Г. В. Плеханова, 1976.-С. 112-124.

11. И.Вышелесский А. Н. Тепловое оборудование предприятий общественного питания: Учеб. для технол. фак. торг. вузов. — изд. 5-е, перераб. и доп. — М.: Экономика, 1976. — 399 с.

12. Трошев А. И.у Сайкин А. М.у Худаско В» В. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении в большом объеме с периодическим энерговыделением // Кипение и конденсация. — Рига: 1989. — С.53-57.

13. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике.-М.: Мир, 1975.-541 с.

14. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация / Перевод с анг. Б. И. Квасова, под ред. Н. С. Бахвалова. — М.: Мир, 1986. — 318 е.: ил.

15. Зиновьев В. Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: Справочник. -М.: Металлургия, 1989 — 382 с.

16. Ильин И. И, Турлайс Д. П. О механизме взаимодействия кипящей жидкости с поверхностью теплообмена // Тепломассообмен — VII: Материалы VII Всесоюз. конф. по тепломассообмену. Т. 4, ч. 2. — Минск: 1984.-С. 85-90.

17. Кавецкий Г. Д., Королёв А. В. Процессы и аппараты пищевых производств. — М.: Агропромиздат, 1991. — 343 с.

18. Каплун А. 2». ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. — М.: Едиториал УРСС, 2003.-272 с.

19. Кирпичников В. П., Леенсон Г. X, Справочник механика общественного питания. — М.: Экономика, 1990. — 234 е.: ил.

20. Козин Н. И. Товароведение пищевых жиров, молока и молочных продуктов. —М.: Экономика, 1968. — 479 е.: ил.

21. Козьмина Е. П. Технология производства изделий из теста в общественном питании. М.: Экономика, 1969. — 151 е.: ил.25 .Козьмина Е. П. Технология производства продуктов общественного питания. -М.: Экономика, 1975.

22. Лыков А. В. Теория теплопроводности / Учеб. пособие для теплотехн. специальностей вузов. — М.: Высшая школа, 1967 — 599 с.

23. Ъ2Лыков А. В. Тепломассообмен: Справочник. — 2-е изд., перераб и доп. — М.: Энергия, 1978.-480 е.: ил.33Лыков А. В. Теплопроводность нестационарных процессов. — М.—Л.: Госэнергоиздат, 1948. 232 с.

24. ЗЛЛыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория тепло- и массопереноса. — М—Л.: Госэнергоиздат, 1963. —535 с.35 .Миндин Г. Р. Электрические трубчатые элементы // Библиотека электротермиста, вып. 2. — М—Л.: Государственное энергетическое издательство, 1960. — 80 с.

25. Ъв.Миндин ГР. Электрические трубчатые элементы. 2-е изд., перераб. и доп. // Библиотека электротермиста, вып. 23. - М.-Л.: Энергия, 1965 — 112 с.

26. Ъ1.Минухин Л. А. Расчёты сложных процессов тепло- и массообмена в аппаратах пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1986. -175 е.: ил.

27. Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. — 2-е изд., стереотип. — М.: Энергия, 1977. 343 е.: ил.

28. Михеев М. А., Михеева М. И. Краткий курс теплопередачи. — Л.:Госэнергоиздат, 1960.— 208 е.: ил.

29. Некрутман С. В., Кирпичников В. П. Электрическое оборудование предприятий общественного питания: Учеб. для мех. фак. торг. вузов. — М.:Экономика, 1981. —256 с.

30. Неугодов Е. В. Курсовое проектирование электротепловых аппаратов // Методические указания. — М.: Редакционно-издательский отдел Московского ордена Трудового Красного Знамени института народного хозяйства им. Г. В. Плеханова, 1965. — 168 с.

31. Неугодов Е. В. Определение основных параметров электрических плит на предприятиях общественного питания // Повышение эффективности оборудования предприятий общественного питания: Труды института. Выпуск 50. М.: МИНХ им. Г. В. Плеханова. - С. 61 - 77.

32. Оборудование пищевых производств. Материаловедение: Учеб. для вузов / Ю. П. Солнцев, В. JT. Жавнер, С. А. Вологжанина, Р. В. Горлач. — СПб.: Профессия, 2003. — 526 с.

33. Патанкар С. В. Современные численные методы расчёта теплообмена // Современное машиностроение, серия А, 1989. — № 6. — С. 1 — 12.

34. Пищевая химия / А. П. Нечаев, С. Е. Траубенберг, А. А. Кочеткова и др.; под ред. А. П. Нечаева. СПб.: ГИОРД, 2001. - 592 с.

35. Повышение долговечности оборудования пищевой промышленности / Н. П. Раменский и др.. — Киев: Урожай, 1989. — 160 с.

36. Покровский А. А. О биологической ценности продуктов питания / А. А. Покровский // Вопросы питания, 1975. — № 3.

37. Лопов В. М. Теплообмен в зоне контакта разъёмных и неразъёмных соединений. — М.: Энергия, 1971. —216 е.: ил.

38. Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия: ГОСТ 12766.1.90. — Введ. 01.01.91. — М.: Издательство стандартов, 1990. — 18 с.

39. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов / Перевод с англ. к. физ.-мат. наук А. А. Шестакова, под ред. д. физ.-мат. наук Б. Е. Победри. М.: Мир, 1979. - 392 с.

40. Современные методы компьютерного моделирования процессов деформирования конструкций: Учеб. пособ. / Я. М. Клебанов, В. Г. Фокин, А. Н. Давыдов. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2004. — 100 с.

41. Справочник по машиностроительным материалам в четырёх томах. Чугун. Т. 3 / Под ред. Г. И. Погодина-Алексеева. — М.: Машгиз, 1959. — 359 е.: ил.

42. Справочник технолога общественного питания / А. И. Мглинец, Г. Н. Ловачева, JL М. Алешина и др. М.: Колос, 2000. - 416 с.

43. Теплотехнический справочник. Т. 1 / Под ред. В. Н. Юренева и П. Д. Лебедева. В 2-х т. — 2-е изд., перераб. — М.: Энергия, 1975. — 744 е.: ил.

44. Теплотехнический справочник. Т. 2 / Под ред. В. Н. Юренева и П. Д. Лебедева. В 2-х т. — 2-е изд., перераб. — М.: Энергия, 1976. 896 е.: ил.

45. Теплофизические свойства воды при атмосферном давлении / А. А. Александров, М. С. Трахтенгерц. — М.: Изд-во стандартов, 1977. — 100 с.

46. Тетельбаум И. М. Электрическое моделирование. — М.: Физматгиз, 1959.

47. Толубинский В. И. Теплообмен при кипении. — Киев: Наук, думка, 1980.-316 с.

48. Федоткин И. М. Интенсификация тегоюобменных процессов в аппаратах пищевых производств: автореф. дис. докт. техн. наук / И. М. Федоткин. -Киев, 1969.-54 с.

49. Фёдоров В. Т. Теилометрия в пищевой промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1974. — 176 с.

50. Филиппов Л. П. Исследование теплопроводности жидкостей. — М.: Издательство МГУ, 1970. 239 с.

51. Фуре И. Н. Технология производства продукции общественного питания: Учеб. пособие / И. Н. Фуре. -Мн.: Новое знание, 2002. 799с.: ил.

52. Введ. 01.01.87. — М.: Издательство стандартов, 1985. — 6 с. 69.Чугун: Справочное издание / Под ред. А. Д. Шермана и А. А. Жукова. —

53. М.: Металлургия, 1991. — 576 с. Ю.Шлыков Ю. П. Контактное термическое сопротивление / Ю. П. Шлыков,

54. DIN 44874 1, 1973, Electrical Tubular Heating Elements of 6,5 and 8,5. Dimensions and rating input, 1973.

55. DIN 44874 3, 1980, Electrical Metal Sheathed Tubular Heating Elements 6,5 mm and 8,5 mm Diameter; Determination of Ageing and Overload, 1980.

56. DIN 44875, 1986, Electrical Metal Sheathed Tubular Heating Elements, Use, 1986.

57. Engineering properties of foods / Ed. M. A. Rao, S. S. H. Rizvi New York: Marcel Dekker, 1994. - 153 p.

58. Fryer P. J.y Robbins P. T. Heat transfer in food processing: ensuring product quality and safety I I Applied Thermal Engineering, 2005. — Vol. 25. — Pp. 2499-2510.

59. Huang X. C., Bartsch G. Comparison of different heating methods for the temperature-controlled measurement of convective transition boiling // Numerical Heat Transfer, 1994. Part A, Vol. 25. - Pp. 409 - 425.

60. ЯЗ.Какад S., Yener Y. Heat conduction. — Washington: Hemisphere Pub. Corp., 1993.-363 p.

61. Khalifa A.-J. N. Natural convective heat transfer coefficient a review. I. Isolated vertical and horizontal surfaces // Energy Conversion and Management, 2001. - Vol. 42. - Pp. 491 - 504.

62. Meaden G. T. Electrical resistance of metals. — New York: Plenum Press, 1965.-218 p.

63. S9.Moulson A. J., Herbert J. M. Electroceramics: materials, properties, applications. — London, New York: Chapman & Hall, 1990. — 464 p.

64. Pantpuch R. Constitution and properties of ceramic materials. — New York: Elsevier Science Pub. Co., 1990. 460 p.

65. Richerson D. W. Modern ceramic engineering: properties, processing, and use in design. — New York: Marcel Dekker, 1992. — 860 p.

66. Siegel R.t Howell J. R. Thermal radiation heat transfer, 4th ed. — New York: Taylor & Francis, 2002. 868 p.

67. Stone H. L. Iterative solution of implicit approximation of multidimensional partial differential equation // SLAM Journal of Numerical Analysis, 1968. — Vol. 5.-Pp. 530-558.

68. UL 1030, Standard for Sheathed Heating Elements, Underwriters Laboratories Inc., 1991.

69. Unterweiser P.M., Penzenik M. Worldwide guide to equivalent irons and steels, ASM Engineering Handbook. — Metals Park, OH: American Society for Metals.-1979.-575 p.