Тепловой расчет аппарата

 

Введение

Жизнедеятельность человека неразрывно связана с питанием. Пища необходима для получения энергии, для построения и восстановления тканей, для осуществления физиологических процессов в организме. Основой производства всех видов кулинарной продукции является тепловая обработка, осуществляемая на различном и многообразном оборудовании.

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 зависят многие факторы: время обработки пищи; качество ее приготовления; расход сырья и многое другое. И для того чтобы решить такие поставленные задачи, нужно разрабатывать оборудование более удобное для эксплуатации, качеству обработки пищи и соответствующее определенным техническим требованиям.

При разработке принципиально новых видов аппаратов предусматривается снижение их энерго- и металлоемкости за счет комбинированных способов тепловой обработки, повышение производительности оборудования, упрощение их обслуживания, внедрение систем контроля и автоматического управления, а также унификация отдельных узлов и деталей и повышение надежности.

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.

Исходные данные. Описание конструкции

Таблица 1. Исходные данные

ПараметрыЗначениеЕдиницы измеренияВместимость варочного сосуда100 дм3дм3Форма варочного сосудацилиндрическая-Диаметр варочного сосуда600ммВысота варочного сосуда432ммШирина щели греющей полости рубашки20ммДиаметр кожуха760ммВысота кожуха550ммВысота шейки60ммТолщина стенки крышки2,5ммТолщина стенки варочного сосуда3,0ммТолщина стенки наружного котла3,0ммТолщина стенки кожуха котла1,0ммМаксимальное давление в пароводяной рубашке140кН/м2Максимальное давление в варочном сосуде100кН/м2Сухость пара95%Количество пролетного пара в конденсате5%Начальная температура нагреваемой среды10°СКонченая температура нагреваемой среды100°С

Котел паровой Исходные данные для расчета проектируемого пищеварочного котла приведены в таблице 1.

1. Тепловой баланс. Его составляющие

1. 1Тепловой баланс

Для парового котла уравнение теплового баланса:

Нестационарный режим: Q = Q1 + Q5 + Q6

Стационарный режим: Q' = Q'1 + Q'5

1. 2Рассчет Q1. и Q'1

Количество полезно используемого тепла Q1, затраченного на нагревание продукта или жидкости в рабочей камере аппарата при нестационарном режиме работы, определяется по формуле:

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

1. 3Расчет 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?бi?Fi?(tсрпов i - tв)?фi, кДж (3)

Q'5 = ?3,6?б'i?Fi?(t'српов i - tв)?ф'i, кДж (4)

где ? - сумма потерь тепла наружными элементами ограждения аппарата;

Fi - площадь поверхности, м2;

бi, б'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);

фi - время разогрева аппарата до стационарного режима, ч;

ф'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 поверхностиtсрпов i,°Сt'српов i,°СКрышка однослойная5590Боковая теплоизоляционная поверхность4060

Площадь поверхности:

Fкрышки = 2рr2 = 3,14*0,382 = 0,439 м2;

Fбок = 2рrh = 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:

бi = бiл + бiк, Вт/м2?°С (5)

б'i = б'iл + б'iк, Вт/м2?°С (6)

где бiл, б'iл - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м2?град;

бiк, б'iк - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м2?град.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием соответственно при нестационарном и стационарном режиме определяется по формулам:

бiл = е?С0/(tсрпов i - tв)?[(Тпов i/100)4 - (Тв/100)4], Вт/м2?°С (7)

б'iл = е?С0/(tсрпов i - tв)?[(Т'пов i/100)4 - (Тв/100)4], Вт/м2?°С (8)

где е?С0 - коэффициент лучеиспускания Cs поверхности, Вт/м2?К4 (справочная);

е - 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:

бiк = Nu?л/l = c?(Gr?Pr)n?л/l, Вт/м2?°С (9)

б'iк = Nu'?л'/l = c?(Gr'?Pr')n?л'/l, Вт/м2?°С (10)

Критерий Нуссельта:

Nu = c?(Gr?Pr)n (11)

Nu' = c?(Gr'?Pr')n (12)

Критерий Госгофа:

Gr = в?g?l3??t/v2 (13)

Gr' = в'?g?l3??t'/v2 (14)

Критерий Прадндтля соответственно при нестационарном и стационарном ре-жиме определяется по формулам:

Pr = v/a (15)' = v'/a' (16)

где v, v' - коэффициент кинематической вязкости, м2/с;

л, л' - коэффициент теплопроводности, Вт/м?град;

a, a' - коэффициент температуропроводности, м2/с;

в, в' - 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:

в = l/(273 + tm), 1/?град (17)

в' = 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

вкрышки = l/(273 + 40) = 0,0032 1/К

встенки = l/(273 + 32,5) = 0,0033 1/К

в'крышки = l'/(273 + 57,5) = 0,0030 1/К

в'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

бкрышкак = 135,2?0,0276/0,76 = 4,87 Вт/м2?°С

бстенкак = 80,5?0,0270/0,55= 3,95 Вт/м2?°С

б'крышкак = 163,6?0,0289/0,55 = 6,22 Вт/м2?°С

б'стенкак = 101,8?0,0278/0,55= 5,15 Вт/м2?°С

бкрышка = 0,52 + 4,87 = 5,39Вт/м2?°С

бстенка = 0,48 + 3,95 = 4,43 Вт/м2?°С

б'крышка = 0,62 + 6,22 = 6,84 Вт/м2?°С

б'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

1. 4Рассчет 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+Q6теплоизоляц+Q6кожух, кДж

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?сi, кг (20)

Vi = Fi?дi, м3 (21)

где Vi - объем материала элемента конструкции, м3;

сi - плотность материала элемента конструкции, кг/м3;

Fi - площадь поверхности элемента конструкции (расчет приводится по внутренним размерам конструкции аппарата), м2;

дi - толщина стенки элемента конструкции, м.

Таблица 3. Теплофизические свойства материалов конструкции и промежуточных теплоносителей

Материалс, кг/м3с, кДж/кг?градСталь79000,46Фольга алюминиевая мятая200,92Вода9834,19

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?9,64?(105-25)+10,76?0,46? (110-25) +0,46?10,3? (60-25)+0,92?0,51? (85-25) = 179,46 +354,75+420,72+165,83+28,15 = 36 570,34 кДж

1. 5Тепловой 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

2. Определение расхода энергоносителя

Мощность соответственно при нестационарном и стационарном режиме определяется по формулам:

P = (Q1 + Q5 + Q6)/3600?ф, кВт (22)

P' = (Q'1 + Q'5)/3600?ф', кВт (23)

где ф, ф' - время работы аппарата, ч.

P = 74622,54/3600?0,67 = 30,94 (кВт)

P' = 16 164,5 /3600?0,25 = 17,96 (кВт)

3. 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/р?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/г, мм (27)

где г - 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/с, мм (30)

где d - диаметр проволоки, мм, принимается равным 0,8 мм;

с - удельное сопротивление материала спирали, Ом?мм2/м, для нихрома при 700-900°С, с= 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?р?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)= (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:

= 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 = 3,3 м = 3300 мм

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-2д = 11-2?1.5 = 8 (д=1.5 мм - 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).

4. Расчет парогенератора

Так как длинна активной трубки тена:

Общая длина парогенератора:

Принимаем ширину и высоту парогенератора:

Объем парогенератора:

Объем парогенератора должен вмещать:

5. 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.

л= 0,059 + 0,00026?tср, Вт/м?°К (37)

где tср - средняя температура между температурой на поверхности изолированного котла и температурой изолированной стенки котла, °С, которая находится по формуле:

tср = (t1 + t2)/2,°С (38)

tср = (110 +60)/2 = 85 (°С)

л = 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:

д = л?(t1 - t2) /q, мм (40)

д = 0,0811?(110 - 60) /90,6 = 45 (мм)

То есть 45 мм достаточно для изоляции наружного котла. Примем толщину изоляции равной 50 мм.

6. 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:

теплоемкость изоляция баланс энергоноситель

Проектируемый аппарат:

КПП-100:

7. Определение стоимости тепла

Результаты расчетов технико-экономических показателей представлены в таблице 4.

Таблица 4. Результаты расчетов технико-экономических показателей

ПоказателиОбозначениеРазмерностьРасчетная формулаАппаратПроектируемыйБазовый1) Продолжительность периода разогрева аппаратафч-0,6712) Масса нагреваемой средыМкг-1001003) Удельная теплоемкость нагреваемой средыскДж/кг?град-4,24,24) Начальная температура нагреваемой средыtн°С-10105) Конечная температура нагреваемой средыtк°С-1001006) Количество полезного теплаQ1кДж(1)37 710377107) Номинальная мощностьPкВт(22)30,90,378) Количество подведенного тепла за период разогреваQкДжQ = 3600?P?ф74 530,811329) Тепловой КПДз%(40)50,5357,910) Количество сэкономленного тепла за один период разогрева аппарата?QкДж?Q = Qб - Qп-73398,811) Стоимость единицы энергоносителякруб.принимается1,76Количество рабочих дней в годуnсмена-300Стоимость тепла, используемого в год одним аппаратомCrруб.Cr = ?Q?к?n/3600-10765,16Стоимость тепла, используемого в год 1000 аппаратамиCr1000руб.Cr1000 = Cr?1000-10765160

Выводы

В настоящее время вопросам повышения эффективности производства и качества готовой продукции уделяется большое внимание.

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-гигиенических условий.

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 предприятий общественного питания. - М.: Экономика, 1990;

) Белобородов В.В., Гордон Л.И. Тепловое оборудование предприятий общественного питания - М.: Экономика, 1983;

) «Тепловое оборудование». Отраслевой каталог;

) Расчет себестоимость единицы энергии http://kotelnaya.ru/;

Введение Жизнедеятельность человека неразрывно связана с питанием. Пища необходима для получения энергии, для построения и восстановления тканей, для осу

Больше работ по теме: