теплообменник

Формула изобретения

Теплообменник, представляющий собой теплоизолированную камеру, внутри которой расположено транспортирующее устройство, отличающийся тем, что в качестве транспортирующего устройства используется транспортер с тонкой газовой прослойкой, состоящий из демпфирующего и тормозящего участков, с отверстиями в несущей поверхности для создания под опорной поверхностью изделия тонкой прослойки газа, играющего роль теплохладагента, при этом поверхность демпфирующего участка обеспечивает безударность объекта транспортирования и угол наклона демпфирующего участка в месте загрузки вычисляется по формуле



где m - масса изделия, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Р₀ - усредненное давление под опорной поверхностью полуфабриката, Па;

S - площадь опорной поверхности изделия, м²,

радиус закругления R несущей поверхности этого участка



где t - продолжительность движения изделия по демпфирующему участку, с;

- угол наклона участка торможения, рад,

при этом величину последнего можно определить численными методами из выражения



где G - вес изделия, Н;

G₀ - массовый расход продукта, кг/с;

c₁ и c₂ - соответственно теплоемкость продукта в начале и конце процесса, кДж/(кгК);

Т₁ и Т₂ - соответственно начальная и конечная температура продукта; К;

L - расход теплоносителя, м³/с;

I_н и I_к - энтальпия теплохладагента соответственно на входе и выходе теплообменника, кДж/кг;

v₀ - начальная скорость падения изделия, м/с,

а длина тормозящего участка



где l_из - половина длины изделия, м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к хлебопекарной и кондитерской промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является морозильный аппарат Крайо-Куих, представляющий собой многосекционный туннель прямоугольного сечения, внутри которого расположен ленточный транспортер. Лента транспортера изготовлена из стальной проволоки и имеет направляющие элементы из нейлона. Замораживание осуществляется при контакте продукта с распыленным с помощью форсунок жидким азотом /Замораживание хлебобулочных изделий сжиженными газами. Обзор. М.: ЦНИИТЭИпищепром, 1974/.

Недостатки: наличие ленточного транспортера, сложность изготовления ленты, а также примерзание продукта к ленте, возникающее в процессе замораживания, что приводит к необходимости использования дополнительных операций, связанных с отделением полуфабриката (использование виброустройств и/или устройств для подогрева ледяной пленки на поверхности продукта).

Технической задачей изобретения является устранение контакта продукта с несущей поверхностью транспортера.

Техническая задача достигается тем, что в предложенном теплообменнике, представляющем собой теплоизолированную камеру, внутри которой расположено транспортирующее устройство, новым является то, что в качестве транспортирующего устройства используется транспортер с тонкой газовой прослойкой, состоящий из демпфирующего и тормозящего участков, с отверстиями в несущей поверхности для создания под опорной поверхностью изделия тонкой прослойки газа, играющего роль теплохладагента, при этом поверхность демпфирующего участка обеспечивает безударность объекта транспортирования и угол наклона демпфирующего участка в месте загрузки вычисляется по формуле



где m - масса изделия, кг; g - ускорение свободного падения, м/с²; P₀ - усредненное давление под опорной поверхностью полуфабриката, Па; S - площадь опорной поверхности изделия, ²,

и радиус закругления R несущей поверхности этого участка



где t - продолжительность движения изделия по демпфирующему участку, с; - угол наклона участка торможения, рад, при этом величину последнего можно пределить численными методами из выражения



где G - вес изделия, Н; G₀ - массовый расход продукта, кг/с; с₁ и c₂ - соответственно теплоемкость продукта в начале и конце процесса, кДж/(кгК); T₁ и T₂ - соответственно начальная и конечная температура продукта, К; L - расход теплоносителя, м³/с; I_н и I_к - интальпия теплохладагента соответственно на входе и выходе теплообменника, кДж/кг; v₀ - начальная скорость падения изделия, м/с; а длина тормозящего участка



где l_из - половина длины изделия, м.

Технический результат выражается в устранении контакта продукта с несущей поверхностью транспортирующего устройства за счет создания под опорной поверхностью продукта тонкой прослойки газа.

Теплообменник, изображенный на чертеже, представляет собой теплоизолированную камеру 1, внутри которой помещено транспортер с тонкой прослойкой газа, состоящий из демпфирующего участка 2 и тормозящего участка 3, с отверстиями 4 в несущей поверхности для создания под опорной поверхностью изделия тонкой прослойки газа, играющего роль теплохладагента, пневмомагистраль с патрубками 5 и 6 соответственно для ввода и вывода теплохладагента. Восстановление теплохладагентом после взаимодействия с продуктом своей рабочей температуры происходит в промежуточном теплообменнике (на чертеже не показан). Для обеспечения герметизации теплообменника в качестве загрузочного 7 и разгрузочного 8 устройств используются поворотные затворы.

Принцип действия теплообменника основан на непосредственном контакте теплохладагента и изделия. Загрузка изделий осуществляется под действием собственной силы тяжести через поворотный затвор 7. Поворотный затвор настраивается таким образом, чтобы после загрузки изделия через определенное время _пр затвор 8 был открыт. Изделие поступает на прослойку газа, создаваемую под его опоркой поверхностью за счет истечения газообразного теплохладагента через 4 в несущей поверхности демпфирующего участка 2, угол наклона демпфирующего участка в месте загрузки обеспечивает безударность объекта транспортирования.

Приближенное значение угла вычисляется по формуле



где m - масса изделия, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

P₀ - усредненное давление под опорной поверхностью полуфабриката, Па;

S - площадь опорной поверхности изделия, м².

По мере движения по демпфирующему участку изделие разгоняется под действием силы тяжести. При этом прослойка газа играет роль идеальной смазки. Далее изделие поступает на тормозящий участок 3, расположенный под углом , позволяющим снизить скорость изделия в зоне выгрузки, над поворотным затвором 8, до 0 м/с. Разгрузка изделий осуществляется под действием собственной силы тяжести.

Теплохладагент в теплообменник подводится по пневмомагистрали через патрубки 5 и отверстия 4 демпфирующего и тормозящего участков. Отработанный теплохладагент отводится через патрубок 6 и направляется по пневмомагистрали в промежуточный теплообменник, где теплохладагент восстанавливает свою температуру после взаимодействия с продуктом. Восстановленный теплохладагент подводится обратно в питающие камеры.

Транспортирование изделий осуществляется на тонкой прослойке газа за счет следующих факторов. Удержание изделия на тонкой прослойке газа обеспечивается за счет определенного расхода теплохладагента через отверстия 4 (при расходе теплохладагента на демпфирующем и на тормозном участке соответственно L_d и L_m).

Необходимый для удержания изделия на прослойке газа на демпфирующем участке транспортера расход теплохладагента, м³/с:

L_d=n_d1L_d1+n_d0L_d0, (2)

где n_d1, n_d0 - количество отверстий, находящиеся соответственно под изделием и открытые;

n_dl= _dN_d, n_d0= (1-_d)N_d, (3)

N_d - общее количество отверстий;

коэффициент, равный отношению площади опорной поверхности изделия S к площади несущей поверхности демпфирующего участка транспортера S_d;

L_d1 и L_d0 - расход теплохладагента, истекающего из одного отверстия, соответственно находящегося под изделием и открытого, м³/c:





h₀ - толщина прослойки газа, м;

h₀= h_a+ h, (6)

h_а - абсолютный зазор, м;

h - интегральный показатель качества поверхности, то есть неровность опорной поверхности изделия, вызванная воздействием струи, м;

G - вес изделия, Н;

- некоторый постоянный коэффициент, определяемый экспериментально;

- динамическая вязкость газа, Пас,

- коэффициент расхода газа;

r - радиус выходного отверстия питающих сопел, м;

P_d - давление в камере демпфирующего участка транспортера, Па;



P_a - атмосферное давление, Па;

- коэффициент разложения;

_a- плотность воздуха, кг/м³.

Необходимый для удержания изделия на прослойке газа на тормозящем участке транспортера расход теплохладагента, м³/с:

L_m=n_m1L_m1+n_m0L_m0, (8)

где n_m1, n_m0 - количество отверстий, находящихся соответственно под изделием и открытые;

n_m1= _m N_m, n_m0= (1-_m)N_m, (9)

N_m - общее количество отверстий;

_m- коэффициент, равный отношению площади опорной поверхности изделия S к площади несущей поверхности тормозящего участка транспортера S_m;

L_m1 и L_m0 - расход теплохладагента, истекающего из одного отверстия, соответственно находящегося под изделием и открытого, м³/с:





P_m - давление в камере тормозящего участка транспортера, Па;



Движение изделия происходит за счет разгона на демпфирующем участке и торможения на тормозящем участке.

Общий расход теплохладагента, необходимый для транспортировки изделия на тонкой газовой прослойке, м³/с:

L_mp=L+L_m. (13)

Необходимый для протекания процесса теплообмена расход теплохладагента, м³/с:



где G₀ - массовый расход продукта, кг/с;

c₁ и c₂ - соответственно теплоемкость продукта в начале и конце процесса, кДж/(кгК);

T₁ и Т₂ - соответственно начальная и конечная температура продукта, К;

F - площадь внутренней поверхности камеры, м²;

k - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К):



₁- коэффициент теплоотдачи от газа к стенке, Вт/(м²К);

₂- коэффициент теплоотдачи от наружной стенки к воздуху, Вт/(м²К);

₁ и ₂- соответственно толщина металлической стенки и изоляционного слоя, м;

₁ и ₂- соответственно коэффициент теплопроводности металлической стенки и изоляционного слоя, Вт/(мК);

T = (T_к- T_н)- разность внутренней температуры в камере и температуры окружающего воздуха, К;

Q_k - количество теплоты, идущее на нагрев (охлаждение) устройства, происходящий при повороте затворов, кДж;

- плотность теплохладагента, кг/м³;

I_н и I_к - интальпия теплохладагента соответственно на входе и выходе теплообменника, кДж/кг.

Длительность протекания процесса теплообмена, с:



где L - расход теплоносителя, наибольшее значение из L_mp и L_np, м³/с;

Из выражения



где v₀ - начальная скорость падения изделия, м/с;

одним из численных методов определяется угол наклона тормозящего участка.

Продолжительность движения изделия по демпфирующему участку, _d, с:



Радиус закругления несущей поверхности демпфирующего участка, R, м:



Продолжительность движения изделия по тормозящему участку, _m, с:



Длина тормозящего участка



где l_из - половина длины изделия, м.

Преимуществом теплообменника с тонкой прослойкой газа, образованной под опорной поверхностью изделия за счет истечения газообразного теплохладагента через отверстия, является отсутствие контакта полуфабрикатов с рабочими поверхностями, а также отсутствие сложного механического транспортирующего устройства. Пневмоустановки обладают рядом достоинств: отсутствие движущихся механических частей, простота управления движением изделий, например, за счет изменения давления в пневматической камере. Они имеют высокие динамические характеристики и, как следствие этого, большую пропускную способность. Это вызвано, в первую очередь, тем, что воздушная прослойка играет роль идеальной смазки. Ремонт пневмоустановок прост и не требует квалифицированной рабочей силы, их использование позволяет уменьшить уровень шума в производственных помещениях, а также улучшить санитарно-гигиенические условия труда.