Проектирование теплогенерирующего аппарата
Содержание
Введение 3
Конструктивный раздел 5
1 Тепловой баланс. Его составляющие. 6
1. 1 Тепловой баланс. 6
1. 2 Рассчет Q1. и Q'1. 6
1. 3 Расчет Q5. и Q'5 7
1. 4 Рассчет Q6 11
1. 5 Тепловой баланс 12
2 Определение расхода энергоносителя 13
3 Расчет теплогенерирующего устройства 13
4 Расчет парогенератора 16
5 Расчет тепловой изоляции 16
Эксплуатационно-экономический раздел 18
Выводы 22
Список используемой литературы 23
ПРИЛОЖЕНИЕ А 24
Введение
Жизнедеятельность
человека неразрывно связана с питанием.
Пища необходима для получения энергии,
для построения и восстановления
тканей, для осуществления
Варка - один из основных видов тепловой обработки пищевых продуктов. Электрические котлы предназначены для варки бульонов, приготовления супов, каш, гарниров, сладких блюд, кипячения молока и других процессов. Применяются котлы периодического действия, работа которых основана на кипячении соответствующих продуктов в жидкой среде: воде, молоке или бульоне. Варка в жидкой среде основана на физико-химических превращениях веществ, входящих в состав продукта, которые протекают под воздействием теплоты и влаги, часто на закономерностях экстрагирования (извлечения) питательных веществ из твердой фазы в жидкую. Пищеварочные котлы могут быть с непосредственным и косвенным обогревом.
От качества
и конструкции аппаратов
При разработке
принципиально новых видов
Одновременно с этим расширяется номенклатура оборудования, применяемого, а именно, используются аппараты специального и универсального назначения.
Одной из разновидностей тепловых специализированных аппаратов являются пищеварочные котлы с различной емкостью варочного сосуда и различными способами обогрева рабочей камеры.
Конструктивный раздел
Тепловой расчет аппарата
Исходные данные. Описание конструкции.
Параметры |
Значение |
Единицы измерения |
Вместимость варочного сосуда |
100 дм3 |
дм3 |
|
Форма варочного сосуда |
цилиндрическая |
- |
Диаметр варочного сосуда |
600 |
мм |
Высота варочного сосуда |
432 |
мм |
Ширина щели греющей полости рубашки |
20 |
мм |
Диаметр кожуха |
760 |
мм |
Высота кожуха |
550 |
мм |
Высота шейки |
60 |
мм |
Толщина стенки крышки |
2,5 |
мм |
Толщина стенки варочного сосуда |
3,0 |
мм |
Толщина стенки наружного котла |
3,0 |
мм |
Толщина стенки кожуха котла |
1,0 |
мм |
Максимальное давление в пароводяной рубашке |
140 |
кН/м2 |
|
Максимальное давление в варочном сосуде |
100 |
кН/м2 |
|
Сухость пара |
95 |
% |
Количество пролетного пара в конденсате |
5 |
% |
Начальная температура нагреваемой среды |
10 |
°С |
Конченая температура |
100 |
°С |
Котел паровой Исходные данные для расчета проектируемого пищеварочного котла приведены в таблице 1.
Таблица 1
Исходные данные
Тепловой баланс. Его составляющие.
Тепловой баланс.
Для парового котла уравнение теплового баланса:
Нестационарный режим: Q = Q1 + Q5 + Q6
Стационарный режим: Q' = Q'1 + Q'5
Рассчет Q1. и Q'1.
Количество полезно
Q1 = cW(tк – tн) + ∆Wr, кДж (1)
где с – удельная теплоемкость воды, кДж/кг∙град;
W – количество нагреваемой воды, кг;
tн, tк – начальная и конечная температура воды, °С;
∆W – количество воды, испарившейся при нестационарном режиме работы аппарата, кг.
Количество тепла Q'1 при стационарном режиме определяется по формуле:
Q'1 = ∆W'r, кДж (2)
где ∆W' – количество воды, испарившейся при стационарном режиме работы аппарата, кг;
r – скрытая теплота парообразования воды, кДж/кг.
Q1 = 4,19∙100∙(100 – 10) = 37 710 (кДж)
Q'1 = 0,07·100∙2256 = 15 792 (кДж).
Q1˃ Q'1
Расчет Q5. и Q'5
Расчет потерь тепла в окружающую среду наружными ограждениями Q5, Q'5 соответственно при нестационарном и стационарном режиме производится по формулам:
Q5 = ∑3,6∙αi∙Fi∙(tсрпов i – tв)∙τi, кДж (3)
Q'5 = ∑3,6∙α'i∙Fi∙(t'српов i – tв)∙τ'i, кДж (4)
где ∑ - сумма потерь тепла наружными элементами ограждения аппарата;
Fi – площадь поверхности, м2;
αi, α'i – коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения к воздуху соответственно при нестационарном и стационарном режиме, Вт/м2∙град;
tсрпов i, t'српов i – средняя температура поверхностей наружных ограждений соответственно при нестационарном и стационарном режиме, °С (табл. 2);
τi – время разогрева аппарата до стационарного режима, ч;
τ'i – время, определяющее стационарный режим работы аппарата, ч;
tв – температура окружающего воздуха, принимается равной 25°С.
Таблица 2
Средняя температура поверхностей наружных ограждений соответственно при нестационарном и стационарном режиме
Вид поверхности |
tсрпов i, °С |
t'српов i, °С |
Крышка однослойная |
55 |
90 |
Боковая теплоизоляционная поверхность |
40 |
60 |
Площадь поверхности:
Fкрышки = 2πr2 = 3,14*0,382 = 0,439 м2;
Fбок = 2πrh = 2*3,14*0,38*0,55 = 1,312 м2.
Температура поверхностей:
Тпов i = 273 + tсрпов i, °К (5)
Т'пов i = 273 + t'српов i, °К (6)
Ткрышки= 273 + 55 = 328К
Тстенки= 273 + 40 = 313К
Т'крышки = 273 + 90 = 363К
Т'стенки = 273 +60 = 333К
Коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения к воздуху соответственно при нестационарном и стационарном режиме определяется по формулам:
αi = αiл + αiк, Вт/м2∙°С (5)
α'i = α'iл + α'iк, Вт/м2∙°С (6)
где αiл, α'iл – коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м2∙град;
αiк, α'iк – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м2∙град.
Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием соответственно при нестацио-нарном и стационарном режиме определяется по формулам:
αiл = ε∙С0/( tсрпов i – tв)∙[(Тпов i/100)4 – (Тв/100)4], Вт/м2∙°С (7)
α'iл = ε∙С0/( tсрпов i – tв)∙[(Т'пов i/100)4 – (Тв/100)4], Вт/м2∙°С (8)
где ε∙С0 – коэффициент лучеиспускания Cs поверхности, Вт/м2∙К4 (справочная);
ε – степень черноты полного нормального излучения поверхности;
С0 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела;
Тпов i, Т'пов i - абсолютные температуры ограждений, К;
Тв – температура воздуха, К.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией определяется по критериальному уравнению для свободной конвекции в неограниченном пространстве по формулам:
αiк = Nu∙λ/l = c∙(Gr∙Pr)n∙λ/l, Вт/м2∙°С (9)
α'iк = Nu'∙λ'/l = c∙(Gr'∙Pr')n∙λ'/l, Вт/м2∙°С (10)
Критерий Нуссельта:
Nu = c∙(Gr∙Pr)n (11)
Nu' = c∙(Gr'∙Pr')n (12)
Критерий Госгофа:
Gr = β∙g∙l3∙∆t/v2 (13)
Gr' = β'∙g∙l3∙∆t'/v2 (14)
Критерий Прадндтля соответственно при нестационарном и стационарном ре-жиме определяется по формулам:
Pr = v/a (15)
Pr' = v'/a' (16)
где v, v' – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;
λ, λ' – коэффициент теплопроводности, Вт/м∙град;
a, a' – коэффициент температуропроводности, м2/с;
β, β' – коэффициент объемного расширения, 1/м∙град;
∆t, ∆t' – перепад температур между теплоотдающей поверхностью ограждения и воздухом, °С
Коэффициент объемного расширения соответственно при нестационарном и стационарном режиме определяется по формулам:
β = l/(273 + tm), 1/∙град (17)
β' = l'/(273 + t'm), 1/∙град (18)
где l – определяющий геометрический размер поверхности ограждения, м;
tm, t'm – средняя температура пограничного воздуха около поверхности ограждения, которая определяется по формулам, °С.
tm = (tсрпов i+ tв)/2, °С (19)
t'm = (t'српов i + tв)/2, °С (20)
tm крышки = (55+ 25)/2 = 40 °С
tm стенки = (40+ 25)/2 = 32,5 °С
t'крышки = (90 + 25)/2 = 57,5 °С
t'стенки = (60 + 25)/2 = 42,5 °С
βкрышки = l/(273 + 40) = 0,0032 1/К
βстенки = l/(273 + 32,5) = 0,0033 1/К
β'крышки = l'/(273 + 57,5) = 0,0030 1/К
β'стенки = l'/(273 + 42,5) = 0,0032 1/К
Gr∙Pr(крышка) = 14,37∙108∙0,699 = 10,04∙108
Gr∙Pr(стенка) = 3,05∙108∙0,697 = 2,12∙108
Gr'∙Pr'(крышка) =23,94∙108∙0,743 = 17,79∙108
Gr'∙Pr'(стенка) = 6,15∙108∙0,699 = 4,29∙108
Т.к. Gr и Pr в пределах 2∙107-1∙1013, то с=0,135, n=1/3
Nu(крышка) = 0,135∙(10,04∙108) 1/3 = 135,18
Nu(стенка) = 0,135∙(2,12∙108) 1/3 = 80,5
Nu'(крышка) = 0,135∙(17,79∙108) 1/3 = 163,6
Nu'(стенка) = 0,135∙(4,29∙108) 1/3 = 101,8
αкрышкак = 135,2∙0,0276/0,76 = 4,87 Вт/м2∙°С
αстенкак = 80,5∙0,0270/0,55= 3,95 Вт/м2∙°С
α'крышкак = 163,6∙0,0289/0,55 = 6,22 Вт/м2∙°С
α'стенкак = 101,8∙0,0278/0,55= 5,15 Вт/м2∙°С
αкрышка = 0,52 + 4,87 = 5,39Вт/м2∙°С
αстенка = 0,48 + 3,95 = 4,43 Вт/м2∙°С
α'крышка = 0,62 + 6,22 = 6,84 Вт/м2∙°С
α'стенка = 0,53 + 5,15 = 5,68Вт/м2∙°С
Q5 = 3,6∙4,87 ∙0,439∙(55 – 25)∙0,67+ 3,6∙3,95∙1,312∙(40-25)∙0,67 = 342,2 кДж
Q'5 = 3,6∙6,22∙0,439∙(90 – 25)∙0,25+3,6∙5,15∙1,31∙(60-25) ∙0,25=372,5 кДж
Рассчет Q6
Расчет потерь тепла на разогрев конструкции аппарата Q6 производится по формулам:
Q6 = ∑сi∙Мi∙(tiк – tiн), кДж (19)
В свою очередь Q6 делится на составляющие, которые представлены в формуле:
Q6
= Q6вар. сос.+ Q6наруж.котел.+Q6вода
в парогенерат+Q6крышка+Q6теплоиз
где ∑ - сумма потерь тепла, кДж;
n – число элементов конструкции;
сi – удельная теплоемкость, кДж/кг∙град;
Мi – масса отдельного элемента конструкции, кг;
tiк, tiн – средняя конечная и начальная температуры,°С
Мi = Vi∙ρi, кг (20)
Vi = Fi∙δi, м3 (21)
где Vi – объем материала элемента конструкции, м3;
ρi – плотность материала элемента конструкции, кг/м3;
Fi – площадь поверхности элемента конструкции (расчет приводится по внутренним размерам конструкции аппарата), м2;
δi – толщина стенки элемента конструкции, м.
Таблица 3
Теплофизические свойства материалов конструкции и промежуточных теплоносителей
Материал |
ρ, кг/м3 |
с, кДж/кг∙град |
Сталь |
7900 |
0,46 |
Фольга алюминиевая мятая |
20 |
0,92 |
Вода |
983 |
4,19 |
Мвар.сосуд = 0,4069∙7900∙0,003 = 9,64
Мнаруж.котел = 0,4541∙7900∙0,003 = 10,76
Мкрышка = 0,439∙7900∙0,0025 = 8,67
Мтеплоизол. = 0,57∙20∙0,045 = 0,51
Мкожух = 1,31∙7900∙0,001 = 10,03
Q6=0,46∙8,67∙(70-25)+0,46∙9,
Тепловой баланс
Нестационарный режим: Q = Q1 + Q5 + Q6 = 37 710+342,2+36 570,34 = 74 622,54 кДж
Стационарный режим: Q' = Q'1 + Q'5 = 15 792+372,5 = 16 164,5 кДж
Определение расхода энергоносителя
Мощность соответственно при нестационарном и стационарном режиме определяется по формулам:
P = (Q1 + Q5 + Q6)/3600∙τ, кВт (22)
P' = (Q'1 + Q'5)/3600∙τ', кВт (23)
где τ, τ' – время работы аппарата, ч.
P = 74622,54/3600∙0,67 = 30,94 (кВт)
P' = 16 164,5 /3600∙0,25 = 17,96 (кВт)
Расчет теплогенерирующего устройства
Принимаем количество n=6.
Мощность одного тэна, а значит, мощность одной спирали определяется по формуле:
P1 = P/n, кВт…..(24)
где P – мощность суммы всех тэнов в аппарате, кВт;
n – количество установленных тэнов, шт., принимается равным 4 шт.;
P1 = 30 940/6 156,7= 5 кВт;
Длина активной части трубки находится по формуле:
La = P1/π∙D∙W, мм…..(25)
где D – наружный диаметр трубки тэна, мм, принимается равным 11 мм;
W – удельная поверхностная мощность, Вт/см2, принимается равной 11 Вт/см2;
La = 5 156,7/3,14∙11∙0,11 = 1 360,61 мм
Полная длина трубки после опрессовки, определяется по формуле:
L = La + 2∙Lк, мм…..(26)
где Lк – длина контактного стержня в трубке, мм, принимается равным 50 мм
L = 1360,61 + 2∙50 = 1461 мм;
Длина активной части трубки до опрессовки находится по формуле:
Lа.о. = L/γ, мм (27)
где γ – коэффициент удлинения трубки после опрессовки, принимается равным 1,15.
Lа.о. = 1461/1,15 = 1270 мм
Сопротивление спирали тэна после опрессовки определяется по формуле:
R = Uт/I, Ом (28)
где Uт – номинальное напряжение, В.
I = P1/U = 5156,7/220 = 23,44 А
R = 220/23,44 = 9,39 Ом
Сопротивление проволоки до опрессовки тэна находится по формуле:
R0 = ar∙R, Ом (29)
где ar – коэффициент уменьшения сопротивления проволоки в результате опрессовки, в зависимости от диаметра проволоки, принимается равным 1,3.
R0 = 1,3∙9,39 = 12,21 Ом
Длина активной части проволоки определяется по формуле:
l = 0,785∙R0∙d2/ρ, мм (30)
где d – диаметр проволоки, мм, принимается равным 0,8 мм;
ρ – удельное сопротивление материала спирали, Ом∙мм2/м, для нихрома при 700-900°С, ρ= 1,2 Ом∙мм2/м.
l = 0,785∙12,21∙(0,8)2/1,2 = 5,11 мм
Длина одного витка спирали находится по формуле:
lв = 1,07∙π∙dв, м (31)
где 1,07 – коэффициент, учитывающий увеличение диаметра витка спирали при снятии ее со стержня намотки;
dв =(dстержня + d) = (4+0,8) = 4,8– средний диаметр витка, мм.
dстержня – диаметр стержня, мм, принимается равным 4 мм.
lв = 1,07∙3,14∙4,8 = 16,13 мм
Число витков спирали определяется по формуле:
nв = l*1000/lв, витков (32)
nв = 5,11∙1000/16,13 = 317 витков
Расстояние между витками находятся по формуле:
La = (d+a)(n-1) (33)
a = (La+ d-nd)/n-1 = (1 360,61+0.8-317∙0.8)/ 317-1 = 3,5 мм
Коэффициент шага спирали (или плотность навивки спирали) определяется по формуле:
k = a+d/d = 3,5+0,8/0,8 = 5,4
Шаг витка проволочной спирали:
h = kd = 5,4∙0,8 = 4,3
Потребное количество проволоки для одного тэна с учетом необходимой навивки на концы контактного стержня из расчета 20 витков спирали на конец стержня находим по формуле:
lпотреб = l+(2∙20∙lb)/1000 = 5,11+(40∙16,13)/1000 = 3,3м = 3300мм
Температура нагрева спирали:
x = d/Dвн = 0,8/8 = 0,1
y = d/ dв = 0.8/4.8 = 0.17
z = Dвн/ dв = 8/4.8 = 1.67
где dв =(dстержня + d) = (4+0,8) = 4,8 мм;
Dвн = D-2δ = 11-2∙1.5 = 8 (δ=1.5мм - толщина стенки после опрессовки).
По номограмме находим перепад температур в изоляционном слое тэна на единицу теплового потока. Коэффициент теплопроводности для периклаза принимается равным 0,022 Вт/см∙°С.
Удельный тепловой поток на единицу длины тэна находится по формуле:
q = P1/La, Вт/см (34)
q = 5156,7/1361 = 38Вт/см
Перепад температур в изоляционном слое определяется по формуле:
∆tиз = [∆t/ql]∙ql, °С (35)
∆tиз = 3,5∙38 = 133°С
Рабочая температура спирали находится по формуле:
t1 = ∆tиз + tw, °С (36)
t1 = 133 + 126 = 259°С
где tw - температура поверхности тэна (для кипящей воды при давлении в пароводяной рубашке котла 140 кПа равна 126°С).
Расчет парогенератора
При размещении ТЭНов в парогенераторе выбираем конфигурацию их расположения, показанную на рисунке.
Так как длинна активной трубки тена:
Общая длина парогенератора:
Принимаем ширину и высоту парогенератора:
Объем парогенератора:
Объем парогенератора должен вмещать:
Расчет тепловой изоляции
Тепловая изоляция наружных стенок аппаратов производится с целью снижения их температуры и уменьшения потерь теплоты в окружающую среду. Последнее способствует уменьшению удельных расходов энергоносителя, повышению КПД аппарата, улучшению санитарно-гигиенических условий труда работников производства.
В качестве изоляционного материала используется алюминиевая фольга мятая, температура на поверхности изолированного котла t1 составляет не более 60 °С, температура изолированной стенки котла t2 равна 110 °С, коэффициент теплопроводности изоляционного материала в зависимости от средней температуры изоляции равна 0,059 Вт/м∙°К.
λ= 0,059 + 0,00026∙tср, Вт/м∙°К (37)
где tср – средняя температура между температурой на поверхности изолирован-ного котла и температурой изолированной стенки котла, °С, которая находится по формуле:
tср = (t1 + t2)/2, °С (38)
tср = (110 +60)/2 = 85 (°С)
λ = 0,059 + 0,00026∙85 = 0,0811 (Вт/м∙°К)
Количество теплоты, передаваемой через слой теплоизоляции, определяется по формуле:
q = 0, 46∙ t1 + 40, Вт/м2 (39)
q = 0, 46∙ 110 + 40 = 90,6 (Вт/м2)
Толщина изоляционного слоя определяется по формуле:
δ = λ∙(t1 - t2) /q, мм (40)
δ = 0,0811∙(110 - 60) /90,6 = 45 (мм)
То есть 45 мм достаточно для изоляции наружного котла. Примем толщину изоляции равной 50 мм.
Эксплуатационно-экономический раздел
Коэффициент полезного действия
КПД проектируемого аппарата:
КПД КПП-100:
Удельная рабочая теплоёмкость рабочей камеры:
Проектируемый аппарат:
КПП-100:
Видимое тепловое напряжение поверхности нагрева рабочей камеры:
Проектируемый аппарат:
КПП-100
Действительное тепловое напряжение поверхности нагрева рабочей камеры:
Проектируемый аппарат:
КПП-100:
Удельная теплоёмкость аппарата:
Проектируемый аппарат:
КПП-100:
Определение стоимости тепла
Результаты расчетов технико-экономических показателей представлены в таблице 4.
Таблица 4
Результаты
расчетов технико-экономических
Показатели |
Обозначение |
Размерность |
Расчетная формула |
Аппарат | |
Проектируемый |
Базовый | ||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
1)Продолжительность периода разогрева аппарата |
τ |
ч |
- |
0,67 |
1 |
2)Масса нагреваемой среды |
М |
кг |
- |
100 |
100 |
3)Удельная теплоемкость нагреваемой среды |
с |
кДж/кг∙град |
- |
4,2 |
4,2 |
4)Начальная температура нагреваемой среды |
tн |
°С |
- |
10 |
10 |
5)Конечная температура нагреваемой среды |
tк |
°С |
- |
100 |
100 |
6)Количество полезного тепла |
Q1 |
кДж |
(1) |
37 710 |
37710 |
7)Номинальная мощность |
P |
кВт |
(22) |
30,9 |
0,37 |
8)Количество подведенного тепла за период разогрева |
Q |
кДж |
Q = 3600∙P∙τ |
74 530,8 |
1132 |
9)Тепловой КПД |
η |
% |
(40) |
50,53 |
57,9 |
10)Количество сэкономленного тепла за один период разогрева аппарата |
∆Q |
кДж |
∆Q = Qб - Qп |
-73398,8 | |
11)Стоимость единицы энергоносителя |
к |
руб. |
принимается |
1,76 | |
Количество рабочих дней в году |
n |
смена |
- |
300 | |
Стоимость тепла, используемого в год одним аппаратом |
Cr |
руб. |
Cr = ∆Q∙к∙n/3600 |
-10765,16 | |
Стоимость тепла, используемого в год 1000 аппаратами |
Cr1000 |
руб. |
Cr1000 = Cr∙1000 |
-10765160 | |
Выводы
В настоящее время вопросам
повышения эффективности
Применительно к торговле
и общественному питанию эти
требования должны найти свое отражение
в сокращении продолжительности
технологических процессов, снижении
удельного расхода энергии, уменьшении
потерь сырья при его обработке,
повышении качества готовой продукции,
улучшению санитарно-
Успешному решению поставленных задач будет во многом способствовать проектирование, производство и использование современного высокоэффективного оборудования.
В результате расчета технико-экономических
показателей проектируемого аппарата
выяснили, что данный аппарат экономически
не выгоден, т.к. у него большая потребляемая
мощность. Вследствие этого, больше энергопотребление
и, следовательно, сумма денежных единиц
уплаченных за необходимое количество
энергии.
Список используемой литературы
1) Беляев М.И.
Тепловое оборудование
2) Белобородов
В.В., Гордон Л.И. Тепловое
3) «Тепловое
оборудование». Отраслевой
4) Расчет себестоимость
единицы энергии http://
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Таблица 5
Физические параметры воздуха.
˚C |
ρ,кг/м3 |
Ср, кДж/(кг·◦С) |
λ, Вт//(кг·◦С) |
а·10-5, м2/с |
v·10-6, м2/с |
Pr |
30 |
1,165 |
1,0048 |
0,0268 |
2,29 |
16 |
0,701 |
37,5 |
1,137 |
1,0048 |
0,0274 |
2,395 |
16,72 |
0,6995 |
40 |
1,128 |
1,0048 |
0,0276 |
2,43 |
16,96 |
0,699 |
55 |
1,0765 |
1,0048 |
0,02875 |
2,365 |
18,46 |
0,697 |
Таблица 6
Размеры парогенератора
Параметр |
Единицы измерения |
Значение |
Длина парогенератора, l |
м |
0,55 |
Ширина парогенератора, а |
м |
0,3 |
Высота парогенератора, h |
м |
0,15 |