Совершенствование конструкций резистивных конфорок электроплит предприятий общественного питания с использованием методов численного имитационного моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Солдусова, Екатерина Александровна

• Солдусова, Екатерина Александровна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Солдусова, Екатерина Александровна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструкций резистивных конфорок электроплит предприятий общественного питания с использованием методов численного имитационного моделирования»

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.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Солдусова, Екатерина Александровна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Солдусова, Екатерина Александровна, 2009 год

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.