Теплотехнический расчет

4.2 Теплотехнический расчет

 

Расчет теплового баланса котла

Расчет теплового баланса котла на электрообогреве соответственно для нестандартного и стационарного режимов работы производится по формуле:

где- полезно используемое тепло, Дж;

 -потери тепла в окружающую среду, Дж;

 -потери тепла на разогрев конструкций, Дж.

Полезно используемое тепло определяется для нестационарного, а условно полезно используемое тепло для стационарных режимов работы соответственно по выражениям:

Q₁ = W C ( t_k^вод – t_н^вод ) + W * r

Q ^יּ₁ = Δ Wיּ * r

где W - максимальное количество воды в варочном сосуде при принятом коэффициенте заполнения г| зал ⁼ 0,82, кг;

С - теплоемкость воды, (Дж/(кг°С)), С = 4187 Дж/(кг °С)

( t_н t_k - соответственно начальная и конечная температура воды, °С; количество испарившейся воды, при нестационарном режиме работы котла

r - теплота теплообразования, кДж/кг.

Потери тепла ограждениями котла в окружающую среду рассчитываются для нестационарного и стационарного режимов работы по формуле:

где- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м" °С);

 -площадь >го элемента поверхности аппарата, м²

 -температура ^-го элемента поверхности аппарата, С;

т - время работы аппарата, с.

Потери тепла дном котла незначительны, и ими можно пренебречь.

Потери на разогрев конструкции рассчитывают по формуле:

где - масса ] -го элемента аппарата,

 - теплоемкость ^-го элемента аппарата, Дж/(кг °С); - конечная и начальная температура соответственно >го аппарата, °С

 Полезно используемое тепло при расчете пищеварочных котлов определяется из условий нагревания и кипения воды. Полезно используемое определяется для стационарного, а условно используемое тепло для стационарного режимов работы соответственно по выражениям:

Q₁ = W C ( t_k^вод – t_н^вод ) + W * r

Q _j= Δ W * r

 

Где pвоз плотность воды, pвоз ~ 1 кг/д³, при температуре t ^вод_н = 20 °С; t ^вод_к - температура кипения, t ^вод_к = 100 °С

 - для стационарного режима,- для нестационарного;

г= 2257,5 кДж/кг - теплота парообразования.

        = 205 * 4187 * (100 - 20) = 68,67 * 10⁶ Дж;

        = 2,05 * 2257,2 = 4,63 * 10⁶ Дж

Потери тепла ограждениями котла в окружающую среду определяются нестационарного и стационарного режимов по формуле:

Поверхность стенок кожуха котла определяется как боковая поверхность цилиндра по выражению:

 F_k =п*D_к *H_общ

Р_к= 3,14 * 0,870² / 4 = 0,594 ( м²)

Поверхность крышки и верхней горизонтальной поверхности котла определяется приблизительно как площадь круга:

F_кр =п*D²_кр/4

Fкр = 3,14 * 0,8702/ 4 = 0,594 (м2)

Начальная температура ограждений принимается равной температуре воздуха в помещении 11К = 1вод = 20 °С

Коэффициент теплоотдачи, может быть, рассчитал по формуле:

а = 9,74 + 0,07* (I ср] - (воз), (Вт/м2°С) — для нестационарного режима,

а' = 9,74 + 0,07 * (I ку- - 1в03), (Вт/м2оС) — для стационарного режима,

Q5 = [12,36 * 0,594 * (57,5 - 20) +11, 14 * (40-20) * 3,28]*3900 = 3,924 * 106

0'5= [14,99 * 0,594 * (95-20) + 12,54 * 3,28 * (40-20)]*3600 - 8,327 * 106 (Дж)

 

Потери тепла дном котла незначительны, и ими можно пренебречь.

Потери на разогрев конструкции определяются по выражению

Потери тепла на разогрев варочного сосуда котла определяем по формуле:

где- соответственно теплоемкость материала, масса, конечная температура варочного сосуда котла.

Объем варочного сосуда определяют по формуле:

Плотность материала, кг/м - 7800.

Масса варочного сосуда, кг –

 

М вн = 0,0036 * 7800 = 28,08кг.

Конечная температура, X ш = 100°С.

Теплоемкость материала элемента, Дж/(кг°С) — 462.

Qвн6 = 462 * 28,08 * (100 - 20) = 1037,8 * 103 Дж

Потери котла на разогрев крышки определяем по формуле:

Где Скр, Мкр, t ккр - соответственно теплоемкость материала, масса, конечная температура крышки котла.

Крышка котла изготовлена из нержавеющей стали.

Теплоемкость нержавеющей стали Сср = 462 Дж/(кг°С).

Плотность материала, кг/м3 - 7800. Конечная температура, °С X ккр = 95.

Вычислим объем крышки по формуле

Потери котла на разогрев наружного котла с парогенератором определяем по формуле:

где Сн, Мн, 1кн - соответственно теплоемкость материала, масса, конечная температура наружного котла с парогенератором. Наружный котел изготовлен из стали углеродистой.

Теплоемкость стали углеродистой Сн = 462 Дж /(кг°С).

 Плотность материала, кг/м3 — 7800.

Конечная температура, 1н = 109,3 ~ ^

Вычислим объем наружного котла с парогенератором по формуле:

где Сиз, Миз, I киз - соответственно теплоемкость материала, масса,

конечная температура теплоизоляционной конструкции.

Материал элемента — асфоль.

Теплоемкость асфоли Сиз - 92 Дж/(кг°С).

Плотность асфоли, кг/м³ 20

Конечная температура:

Вычислим объем теплоизоляционной конструкции по формуле:

V= 0,008 * [3,14 * (0,594 + 0,043) * (0,853 + 0,008)] = 0,0138 м3.

Масса теплоизоляционной конструкции, кг

-Миз = 0,0138 * 20 = 0,276 кг.

(QИ36 = 92 * 0,276 * (84,65 - 20) = 1,64 * 103 Дж

Потери тепла на разогрев кожуха котла определяем по формуле:

Где Ск, Мк, 1кк - соответственно теплоемкость материала, масса, конечная температура кожуха котла.

Материал кожуха котла - сталь углеродистая. Теплоемкость материала - 462 Дж/(кг°С). Плотность материала - 7800 г/м3.

Конечная температура: t_кк=60°С.

Вычислим объем кожуха котла по формуле:

Потери тепла на воду в парогенераторе определяем по формуле:

где Св, Мв, 1кв - соответственно теплоемкость воды, масса, конечная температура воды в парогенераторе. Материал: вода.

Теплоемкость воды, Св = 4187 Дж/(кг°С).

Плотность воды - 1000 кг/м3.

Конечная температура: (3 = 109,3 °С.

Вычислим объем воды в парогенераторе по формуле:

Vв= 0,2* 0,2* 0,4 = 0,016м3

Масса воды в парогенераторе, кг - Мв = Ув *рв

Мв= 0,016 * 1000 = 16кг

Потери тепла на разогрев воды в парогенераторе:

 

Qв6 = 4187 * 16 * (109,3 - 20) = 5982,38 * 103 Дж.

Потери тепла на разогрев каркаса и арматуры котла определяем по формуле:

где СКар,Мкар, (ккар - соответственно теплоемкость материала, масса, конечная температура каркаса и арматуры котла.

Материал элемента - сталь углеродистая.

Плотность материала - 7800 кг/м3.

Масса элемента: 250% от массы варочного сосуда,

то есть m = 28,08 * 250/ 100 = 70,2кг

Конечная температура: t _кар= ( t_s+t_k)/2 = (109,3 + 60) / 2 = 84,65 °С

Теплоемкость материала - 462 Дж/(кг°С).

 

Qкар6 = 462 * 70,2 * (84,65 - 20) = 2096,75 * 103 Дж

Потери на разогрев конструкции составляют:

Q₆=1037,8*103+324,3*103+2429,6*103+1,64*103+230,63*103+5982,38 * 103 + 2096,75 * 103 = 12103,1 * 103 Дж

Потери тепла на разогрев постамента не учитываются из-за незначительной величины.

Расход тепла на нестационарный и стационарный режим работы котла соответственно равен:

Q _зат= 68,67 * 106 + 3,924 * 106 + 12,10 * 106 = 84,694 * 10б Дж

Q^/_зат =4,63 * 106 + 8,327 * 106 = 12,957 * 106 Дж

 

Расчет поверхности нагрева пищеварочного котла. Расчет необходимой площади нагрева пищеварочного котла определяется по формуле:

где Q – количество тепла, которое надо передать через поверхность нагрева в единицу времени, Вт/(Дж/с);

к - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к нагреваемой среде, Вт/(м2оС);

Δtсрлог - среднелогарифмическая разность температур, определяется по формуле:

где Δtб, Δtм - соответственно наибольшая и наименьшая разности между температурой теплоносителя и нагреваемой средой, °С.

Количество тепла, переданное через поверхность нагрева, равно:

ГдеQ-полезно-используемоетепло,Дж;

QВН6 - потери тепла на разогрев варочного сосуда, Дж;

QВН6 - потери тепла на разогрев крышки котла, Дж;

QВН6 - потери тепла кожухом котла в окружающую среду, Дж.

Потери тепла кожухом котла в окружающую среду определяют по формуле:

где ак, Рк, *кк - соответственно коэффициент теплоотдачи, площадь поверхности кожуха котла, конечная температура поверхности кожуха котла.

 

Qк5 = 11,14 * 3,28 * (40 - 20) * 3900 = 2850 * 103 Дж.

Количество тепла, переданное через поверхность нагрева, равна:

Q = 68,67 * 106 + 1037,8 * 103 + 324,3 * 103 +2850,0 * 103 = 72,88 * 106 Дж.

Среднелогарифмическая разность температур равна:

 

Δtcpлог = (109,3 - 20) - (109,3 - 100))/ 2,31g* ((109,3 - 20) /(109,3 - 100)) = 35°С.

Коэффициент теплопередачи для случая передачи тепла от конденсирующихся водяных паров к воде приблизительно равен К = 2900 Вт/(м2°С).

Необходимая поверхность нагрева будет равна:

 

F = 72,88 * 106/ (2900 * 3900 * 35) = 0,184м2

Фактическая поверхность нагрева рассчитывается о формуле:

F = 3,14 * 0,743 * 0,594+ 3,14 * 0,7432 / 4 = 1,819 м2,

то есть значительно больше необходимой.

Расход тепла на нестационарный и стационарный режимы работы котла соответственно равен:

 

Q3aT = 84,694 * 106 Дж,

Q'3aT =12,957 * 106 Дж.

Коэффициент полезного действия котла при нестационарном режиме работы равен:

η = 68,67 * 10б/ 84,694 * 106 = 0,81 или81%

Удельные металлоемкости и расход тепла определяем по формулам

где, Мм - масса металлоконструкции аппарата, кг

где Мп - масса готового продукта или полуфабриката

Найдем массу постамента: она составляет 400% от массы варочного сосуда

 

Мпосг = 28,08 * 400 / 100 = 112,32 кг

Мм= 28,08 + 9,36 + 58,89 + 0,276 + 12,48 + 70,2 + 112,32 = 291,61кг.

Удельная металлоемкость равна

 

Мм = 291,61 /250 = 1,17 кг/дм3.

Удельный расход тепла

 

Q = 84,694 * 106 / 205 =413,14 * 103 Дж/кг

Металлоемкость рассчитываемого аппарата ниже металлоемкости серийно выпускаемых аппаратов, что объясняется некоторыми упрощением его конструкции (одинарная крышка, отсутствие арматуры у варочного сосуда, меньшая масса противовеса крышки и т.д.).

Что касается удельного расхода электроэнергии, то он несколько выше ввиду низкого коэффициента заполнения котла (ηзап ~ 0,82), когда как для серийно выпускаемых аппаратов он принимается равным 0,9.

4.3 энергетический расчет

Мощность нагревательных элементов при нестационарном и стационарных режимах работы соответственно составит:

Р = 84,694 * 106 / 3900 = 21,72 * 103 Вт = 21,72 кВт

Р' = 12,957 * 106 / 3600 = 3,60 * 103 Вт = 3,60 кВт

Соотношение мощности котла при нестационарном и стационарном равно:

Р/Р' = 21,72/3,60

Учитывая мощность тэнов принимаем максимальную мощность Р = 24кВт минимальную Р' = 4 кВт. В этом случае время разогрева составит

 

Траз = 84,694 * 106/24 * 103 = 3529 ~ 59 мин

Электрические пищеварочные котлы присоединяются к трехфазной сети поэтому с точки зрения равномерной нагрузки фаз тэны целесообразно устанавливать в количестве, кратное трем.

Для рассчитываемого котла максимальную мощность Р целесообразно равной 24 кВт (при параллельно включенных шести тэнах по 4 кВт каждый), а минимальную Р' равной 4 Вт (два последовательно соединенных тэна, один тэн отключен). В этом случае соотношение мощности котла при нестационарном и стационарных режимах: Р/Р' = 24/4 = 6

Заключение

Темой курсового проекта было задание разработать котел электрический пищеварочный типа КПЭ полезной емкостью 250 л.

Разработанный пищеварочный котел с электрообогревом отвечает требованиям технологии приготовления пищи; обеспечивает тепловую обработку продуктов при минимальной затрате энергии, так как у него нет тепла в результате механического и химического недожога и с уходящими газами как у твердотопливных и газовых пищеварочных котлов, удельный расход тепла за счет относительно меньших потерь его в окружающую среду и на разогрев конструкции; обладает высокой степенью надежности, создает оптимальные условия работы для обслуживающего персонала, облегчает их труд; повышает качество приготовления пищи и обслуживания посетителей; повышает производительность и требованиям техники безопасности и производственной санитарии, обеспечивая безопасность обслуживающего персонала.

Список используемой литературы

1)Богданов Г.А. и др. Оборудование предприятий общественного Учебник для сред. проф.-техн. училищ / Г.А. Богданов, З.М. А.М. Богданова. — 3-е изд., перераб. — М.: Экономика, 1991. — 303

2)Гуляев В.А., Иваненко В.П., Исаев Н.И. и др. Оборудование предприятий торговли и общественного питания. Полный курс: Учебник / проф. В.А. Гуляева. — М.: Т4ВФРА, 2004. — 543 с.

3)Золин В.П. Технологическое оборудование предприятий общественного питания. — М.: 14РПО, Академия, 2000. — 256 с.

4) Литвина Л.С, Фролова З.С. Тепловое оборудование предприятий общественного питания: Учебник для мех. отделений техникумов. — 3-е изд, и доп. — М.: Экономика, 1980. — 248 с.

5)Лунин О.Г., Вельтищев В.Н., Калошин Ю.А. и др. Курсовое и дипломное проектирование. — М.: Пищевая промышленность, 1990.

6)Титова А.П., Шляхтина А.М. Торгово-технологическое оборудование: Учебник для технол. отделений техяикумов. — М.: Экономика, 1983.—296 с.

7)Щеглов Н.Г., Гайворонский К.Я. Технологическое оборудование предприятий общественного питания и торговли: Учебник для средних специальных учебных заведений. — М.: Издательский дом «деловая литература», 2001. — 480 с.