Проектирование пищеварочного котла

             

На рисунке:

1 – наружный кожух

2 – тепловая изоляция

3 – воздушный клапан

4 – пароводяная рубашка

5 – крышка

6 – рабочая камера

7 – электроконтактный манометр (элемент арматуры)

8 – двойной предохранительный  клапан (элемент арматуры)

9 – наполнительная  воронка

10 – сливной пробковый  кран

11 – кран уровня

12 – парогенератор

13 – регулируемые по  высоте ножки

Рассмотрим  назначение основных элементов аппарата:

Пищеварочный котел представляет собой двустенный варочный сосуд, расположенный в корпусе, который покрыт кожухом, изготовленным из листов эмалированной стали. Пространство между наружным корпусом и кожухом заполнено тепловой изоляцией. В нижней части наружного котла смонтирован парогенератор. Замкнутое пространство между варочным сосудом и наружным котлом служит пароводяной рубашкой котла. К дну наружного корпуса приварена стальная коробка прямоугольной формы — парогенератор, внутри которого находятся 6 тэнов, кран уровня воды и электрод защиты "сухого хода". На трубопроводах, соединенных с паровой рубашкой, установлены воздушный клапан и контрольно-измерительная и предохранительная арматура — двойной предохранительный клапан, электроконтактный манометр, наполнительная воронка. Для слива содержимого из варочного сосуда предусмотрен сливной кран. Уровень воды в парогенераторе контролируется с помощью крана уровня.

В рабочей камере производится тепловая обработка пищевых продуктов. По форме это цилиндрический сосуд или прямоугольная камера.

Рабочая камера обычно закрывается  дверцей (крышкой), которая устанавливается сверху.

Различают пищеварочные котлы с неподвижной рабочей  камерой и с опрокидывающейся. Стенки рабочей камеры  изготовляются из нержавеющей стали, алюминия, чугуна.

В греющем устройстве происходит превращение различных видов энергии в тепловую и передача ее стенкам рабочей камеры. Греющее устройство может быть различным в зависимости от источника тепла - у электропищеварочных котлов — парогенератор, в котором расположены электронагревательные элементы. Греющее устройство совмещается с рабочей камерой.

Корпус— это основная часть аппарата, на которой монтируются все остальные узлы и детали; изготовляется он различной формы в виде каркаса из уголковой стали.

Теплоизоляция служит для уменьшения потерь тепла аппаратом в окружающую среду и для предохранения обслуживающего персонала от ожогов.

Кожух предохраняет изоляцию от разрушения и придает аппарату хороший внешний вид.

Аппарат устанавливается  на основание, выполненное чаще всего в виде отливки из чугуна различной формы или каркаса из уголковой стали. Сейчас выпускают аппараты, установленные на ножки.

Пуск, остановка, контроль за работой аппарата, регулирование его теплового режима и обеспечение безопасности обслуживающего персонала осуществляются с помощью контрольно-измерительных приборов и арматуры.

Арматура пищеварочных котлов. Пищеварочные котлы с косвенным обогревом снабжены контрольно-измерительной и предохранительной арматурой. На котлах устанавливают: манометр, кран уровня, наполнительную воронку, продувочный кран, двойной предохранительный клапан.

Электроконтактный манометр предназначен для измерения в процессе работы давления в паровой рубашке котла. с помощью него автоматически поддерживается уровень давления в рубашке котла и осуществляется управление тепловым режимом. В электроконтактном манометре имеются три стрелки: одна подвижная, показывающая давление, и две неподвижные, перемещаемые вручную с помощью специального ключа. Неподвижными стрелками перед началом работы котла устанавливают верхний и нижний уровни давления в рубашке. Стрелки электроконтактного манометра включены в электрическую цепь управления котла.

При включении котла  давление пара в его рубашке начинает возрастать. При достижении верхнего заданного уровня давления подвижная стрелка совпадает с неподвижной, с помощью которой задан верхний предел давления, при этом замыкаются их контакты и котел автоматически переключается на 1/6 или 1/9 мощности (режим тихого кипения). Давление в паровой рубашке начинает падать. При совпадении подвижной стрелки с нижней неподвижной стрелкой замыкаются их контакты и котел вновь переключается на максимальную мощность. Таким образом давление в рубашке котла автоматически поддерживается между верхним и нижним пределами давления. При этом тепловой режим котла также автоматически регулируется.

Двойной предохранительный  клапан состоит из двух клапанов — парового и вакуумного, расположенных в общем корпусе. Паровой клапан помещается в верхней части корпуса и прижимается к седлу грузом. При повышении давления в греющей рубашке сверх допустимой величины (150 кПа) пар, преодолевая массу груза, приподнимает клапан над седлом и начинает выходить в атмосферу. Вакуумный клапан помещается в нижней части корпуса в гнезде. Он открывается под давлением наружного воздуха, когда в рубашке образуется вакуум (давление, становится ниже атмосферного). Воздух, проникая через открытый клапан в рубашку, выравнивает давление. Вакуум в рубашке образуется при охлаждении котла в результате конденсации пара, поскольку удельный объем последнего больше удельного объема воды (конденсата). В процессе эксплуатации паровой клапан может прикипеть к седлу и в нужный момент не сработать. Во избежание этого в новых конструкциях двойных предохранительных клапанов предусмотрен рычаг подрыва, с помощью которого клапан следует периодически поднимать над седлом. В. Этой конструкции имеется также воздушный клапан, который служит для выпускания воздуха из пароводяной рубашки котла в период его разогрева. Этот клапан закрывается и открывается вручную поворотом рукоятки-барашка.

Наполнительная  воронка предназначена для заполнения парогенератора водой и выпуска воздуха из пароводяной рубашки в начальный период работы котла (если предохранительный клапан не имеет воздушного клапана). Наполнительная воронка снабжена запорным краном, фильтрующей сеткой и крышкой.

Кран уровня  размещается   в пароводяной рубашке котла на линии предельно допустимого уровня воды. Служит для контроля количества воды в парогенераторе.

2.2 Принципиальные схемы теплообменных аппаратов с рубашкой

Теплообменники предназначены  для переноса теплоты от источников тепловой энергии к обрабатываемым продуктам.

Теплообменники подразделяют на два основных типа: поверхностные теплообменники и теплообменники смешения. В поверхностных теплообменниках теплоперенос осуществляется через разделяющую перегородку.

 

                           

Рис. 6 – схемы теплообменных аппаратов с рубашкой:

а — с водяным обогревом: 1 — патрубок для входа греющей воды; 2— рубашка; 3 — корпус аппарата; 4 — патрубок для выхода греющей воды;

б — с паровым обогревом (рубашка имеет выдавки): 1 — патрубок для входа пара; 2 — рубашка с выдавками; 3 — корпус аппарата; 4—выдавки; 5 — патрубок для выхода конденсата;

в — с пароводяным обогревом: 1—рубашка; 2—корпус аппарата; горелка (для огневого обогрева);

г — с обогревом от высокотемпературного теплоносителя (фритюрница, сковорода): 1—рубашка; 2—корпус аппарата; 3—электронагреватель для нагрева теплоносителя;

д — с централизованным паровым нагревом: 1 — патрубок   для   входа   пара;   2 — отражатель;   3 — корпус   аппарата;

4 — рубашка; 5 — патрубок для выхода конденсата;

е — с паровым обогревом   и   автономным   получением   пара   (электронагревателем):   1 — рубашка; 2—корпус аппарата; 3—парогенератор; 4—электронагреватель (тэн);

ж — с паровым нагревом: 1 — рубашка; 2 — корпус аппарата; 3 — парогенератор;  4 — эмеевиковый   нагреватель;  5 — патрубок  для   выхода конденсата; 6— патрубок для входа пара;

з—с огневым нагревом  (аппарат с панелями):  1 — рубашка; 2 — корпус аппарата; 3 — панели; 4 — горелки;  

и — с   электродным   нагревом:   1 — рубашка;   2—корпус   аппарата;  3 — парогенератор;  4 — электроды; 

к — с  паровым  обогревом   при повышенном   давлении   (автоклав):   1 — патрубок  для   входа   пара;   2 — рубашка; 3 — корпус аппарата;  4— предохранительный клапан; 5 — герметичная крышка; 6 — патрубок для выхода конденсата;

л — с паровым обогревом с пониженным давлением (вакуум-аппарат): 1 — патрубок для входа   пара;   2—рубашка;   3 — герметичная   крышка;   4 — конденсатор; 5  — корпус аппарата; 6 — патрубок для отвода конденсата

2.3 Электрические нагревательные устройства

Основной частью электротепловых аппаратов является электронагреватель - устройство, преобразующее электрическую энергию в тепловую.

В электронагревателях  используется одно из основных свойств  электрического тока — способность нагревать проводники. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в твердых или жидких проводниках.

Все проводники тока могут  быть подразделены на три вида: металлические, неметаллические и жидкостные. В  электротепловых аппаратах широкое  применение нашли металлические нагревательные элементы, которые по конструктивному оформлению подразделяются на три группы: герметически закрытые (без доступа воздуха), закрытые (с доступом воздуха) и открытые.

Металлические проводники должны обладать большим удельным сопротивлением, быть термостойкими (не подвергаться окислению при высоких температурах), жаропрочными (не изменять механических свойств при резких колебаниях температуры) и иметь низкий коэффициент удлинений. Изготовляются они в виде проволок, лент или прутков из специальных сплавов с высоким омическим сопротивлением: нихромов (хромоникелевых) — Х20Н80, Х15Н80, Х20Н80-Н, Х15Н80-Н.

Для предотвращения контакта проводника тока с проводящими элементами корпуса аппарата служит электрическая изоляция — прослойка из диэлектрического материала. Она должна обладать: высокими диэлектрическими свойствами, хорошей теплопроводностью, способностью противостоять резким колебаниям температуры, быть гидрофобной и не содержать веществ, которые при высоких температурax вступают в химические реакции с материалом нагревателей. В качестве изолирующего материала широко применяются электротехническая керамика, окись магния (периклаз), слюда, миканит.

В пищеварочных котлах применяются герметически закрытые трубчатые электронагреватели — тэны. По сравнению с другими нагревателями они отличаются компактностью, механической прочностью, удобством монтажа и эксплуатации.

Тэн (рис. 7) представляет трубку (оболочку), изготовленную из углеродистой стали с антикоррозийным покрытием или из нержавеющей стали, внутри которой запрессована в периклаз (окись магния) нихромовая спираль.

В качестве защитных покрытий используется обычно цинк, но значительно  эффективнее покрывать трубки алюминием, так как при этом срок работы тэнов  в агрессивных средах увеличивается в два раза и более, а на поверхности таких тэнов уменьшается отложение слоя накипи.

Концы спирали запрессовываются в стальных контактных стержнях, свободные концы которых выводятся наружу и при помощи гаек и шайб подключаются к электросети. От корпуса тэна стержни и гайки изолируются фарфоровыми изоляторами. Перед их установкой концы трубки заливают термостойким лаком (герметикой). Делают это для защиты периклаза от проникновения атмосферной влаги, поскольку периклаз является гидрофильным материалом. Общая длина тэна L состоит из длины его активной части, в которой находится нагревательная спираль L_a, и пассивной 2L_K, в которой размещаются два контактных стержня.

Для тепловых аппаратов  предприятий общественного питания тэны выпускаются в следующих исполнениях: воздушные, применяемые для подогрева воздуха в шкафах с принудительной и естественной циркуляцией; водяные — для нагревания воды и водных растворов в пищеварочных котлах, пароварочных и других аппаратах; масляные — применяемые во фритюрницах и жаровнях для подогрева масел и пищевых жиров до температуры 200° С.

Тэны изготовляются  различных длины, диаметра и, а также  различной номинальной мощности.

Максимальная удельная мощность активной части трубки в Вт/см² равна для водяных тэнов -11.

Тэны должны использоваться только в той среде, для которой они предназначены. Монтаж тэнов, работающих в жидкой среде, производится таким образом, чтобы активная часть их полностью находилась в жидкости.

Все токоведущие части  следует защищать от случайного прикосновения.

Электрическое сопротивление  изоляции тэна в холодном состоянии должно быть: после изготовления — не менее 20 МОм, при хранении и эксплуатации — 1 МОм, в рабочем состоянии при номинальной мощности — не менее 0,5 МОм. Если после хранения тэна сопротивление изоляции ниже, то тэн надо просушить в сушильном шкафу при температуре 120° С в течение 2—3 ч.,

                                                

Рис.  7.  Трубчатые электронагреватели:

а — трубчатый электрический  нагреватель (тэн): L — развернутая длина трубки; L_a— активная длина (греющая); L_K — пассивная длина (длина контактных стержней в заделке); d — диаметр тэна; / — оболочка; 2 — контактный стержень; 3 — спираль; 4 — наполнитель — периклаз.; 5 — герметик; 6 — изолятор; 7 — контактное   устройство; 6 — конфигурация   тэнов   московского   завода   «Торгмаш»;   в — блок из  шести тэнов (применяется в проектируемом аппарате.

Электрическая изоляция тэна в холодном состоянии должна выдерживать (без пробоя) в течение 1 мин переменный ток частотой 50 Гц напряжением 1700 В, в рабочем состоянии в течение этого же времени — 1200 В.

Для тепловых аппаратов  могут использоваться как отдельные тэны, так и блоки, состоящие из нескольких тэнов. Последние имеют наибольшее распространение, так как позволяют путем изменения схемы их включения регулировать мощность аппарата в широких пределах и обеспечивать равномерность нагрузки фаз. На рис. 7, в представлен блок из шести тэнов, устанавливаемый в неподвижном пищеварочном котле.

Температура нагрева  поверхности трубки тэна зависит  от ее удельной мощности и вида нагреваемой среды. Для тэна, изготовленного из углеродистой стали, она не должна превышать 450° С в воздушной среде. Изготовляются также высокотемпературные тэны из термостойких трубок с температурой на их наружной поверхности 700—750° С. Передача тепла от такого тэна происходит не только за счет непосредственного соприкосновения, но и за счет излучения, поэтому они называются тэнами инфракрасного излучения или полуизлучающими. В зарубежной практике изготовляются тэны с трубками различных конфигураций и разного сечения: овально-сплюснутые, плоскотреугольные,и др.