Исходные данные.

Криоморозильный аппарат для замораживания антрекотов посредством азота имеет производительность G = 300 кг/ч = 0,083 кг/с. Начальная температура продукта t_нач = 20 °С, конечная t_кон =-20 °С. Размеры антрекотов: l_ант = 0,2 м, b_ант = 0,1 м, δ_ант = 0,02 м.

Цель расчета.

Определить продолжительность замораживания антрекотов, вместимость аппарата и его габаритные размеры, скорость движения ленты транспортера, тепловую нагрузку на аппарат, полный и удельный расход жидкого азота, подобрать циркуляционный вентилятор по объемному потоку и развиваемому напору, выбрать отсасывающий вентилятор.

Методика расчета.

Рассчитываем аппарат с тремя зонами:

• предварительного охлаждения;

• замораживания;

• выравнивания температур.

В первой зоне аппарата теплоотводящей средой служит газообразный азот, нагревающийся до t_y = -30 °С.

Общая продолжительность нахождения продукта в аппарате складывается из продолжительности обдува τ_I + τ_II и продолжительности орошения τ_III:

τ = τ_I + τ_II + τ_III = 385 + 105 = 490 c = 8,2 мин.

Тогда вместимость аппарата

М = Gτ = 0,083 · 490 ≈ 40 кг.

Плотность загрузки продуктом, отнесенная к 1 м² площади ленты конвейера при ширине ленты b_конв = 0,6 м и укладке антрекотов длинной стороной вдоль ленты, составит g_f= 10 кг/м². Длина ленты конвейера

Скорость движения ленты конвейера

Габариты аппарата принимаем с учетом следующих соображений. Длина с учетом диаметра барабана конвейера (0,4 м), размеров двух зазоров (2 · 0,1 м) и толщины теплоограждающей конструкции (2 · 0,3 м), а также зоны выравнивания температуры (1,2 м) составит:

L_ап = 6,5 + 0,4 + 2 · 0,1 + 2 · 0,3 + 1,2 = 9,2 м.

Ширина аппарата

В_ап = 0,6 + 2 · 0,1 + 2 · 0,3 = 1,5 м.

Высота аппарата зависит от конструктивных особенностей, удобства обслуживания, размеров вентиляторов и необходимости создания расчетной скорости движения азота вдоль конвейера.

Расход азота М_аз = 1,18 кг на 1 кг замораживаемого продукта. Тогда расход жидкого азота

G_аз = GМ_аз = 0,083 · 1,18 = 0,098 кг/с.

Объемный поток газообразного азота в зоне обдува

где ρ_аз.ср - плотность азота при среднелогарифмической температуре в зоне обдува t ≈ -90 °С (см. приложение); ρ_аз.ср = 1,8 кг/м³.

Необходимое сечение канала для циркуляции азота определяем из уравнения сплошности:

где w_аз.ср - скорость азота, м/с; принимаем w_аз.ср = 10 м/с.

Порозность укладки продукта

где ρ_ант - плотность мяса, кг/м³.

Живое сечение для прохода азота в слое продукта

S_ж = b_конвδ_антε = 0,6 · 0,02 · 0,5 = 0,006 м².

Необходимая высота канала

В связи с тем что h_кан ≈ δ_ант, следует уменьшить ширину ленты, принимая b_конв = 0,4 м. При высоте канала h_кан ≥ 0,03 м получим сечение канала S_кан = b_конвh_кан = 0,4 · 0,03 = 0,012 м². Антрекоты в количестве трех штук займут площадь S_кан = 3 · 0,1 · 0,02 = 0,006 м², а живое сечение для прохода азота при этом останется S_ж = 0,006 м². Тогда действительная скорость движения азота в зоне предварительного охлаждения будет равна

Длина более узкой ленты конвейера

Сечение канала в этой зоне орошения составит S_кан = S_ж + S_ант = 0,006 + 0,006 = 0,012 м², а высота канала будет равна

Конструктивная схема аппарата приведена на рис. 1.

Рис.1. Криоморозильный аппарат:
1 - участок загрузки; 2-грузовой конвейер; 3 - перегородка; 4 - коллектор с форсунками;
5 - трубопровод для подачи жидкого азота; 6 - вентилятор; 7 - участок разгрузки

Аэродинамическое сопротивление (Па) движению азота в зоне замораживания состоит из потерь напора на трение у антрекотов ∆p_ТР, потерь напора на поворотах ∆p_пов, потерь напора на входе в вентилятор ∆р_ВХ:

∆р = 1,1(∆p_тр + ∆p_пов + ∆р_ВХ).

Потери напора (Па) при движении азота в канале у антрекотов

где ζ_ант - коэффициент местного сопротивления у продукта;

z_ант - число антрекотов на пути движения азота (в зоне замораживания на длине ленты можно разместить 12 антрекотов); ρаз = 1,8 кг/м³ плотность пара азота.

Тогда

Потери напора на трех поворотах

где ζ_пов - коэффициент местного сопротивления поворота; n_пов - число поворотов; n_пов = 3; w_пов - скорость азота на поворотах, м/с;

S_пов - сечение поворота, м²; S_пов = (h_кан - δ_ант) b_конв = (0,03 - 0,02) · 0,4 = 0,004 м².

Принимаем к установке центробежный вентилятор Ц4-70 № 2,5. Аэродинамическое сопротивление канала для удаления азота принимаем равным 50 Па (при длине канала около 30 м).

Скорость во входном окне вентилятора (d_ВХ = 0,25 м) составляет:

где V_аз.кон - объем азота при температуре -30 ·С, м³/с; V_аз.кон = 0,076 м³/с.

Тогда

При объемной подаче, равной 0,076 м³/с, и развиваемом напоре ∆р = 1,1 (∆p_тр + ∆p_пов + ∆р_ВХ) = 1,1(270 + 7,4 + 0,8) = 306 Па принятый к установке вентилятор имеет коэффициент полезного действия η = 0,35, а потребляемая его электродвигателем мощность составляет:

Суммарная мощность, потребляемая двумя вентиляторами, составляет 0,0665 · 2 = 0,133 кВт.