Тепловой баланс. Тепловой баланс для пищеварочного котла составляется на самый энергоемкий режим – нагревание и кипячение воды

Тепловой баланс для пищеварочного котла составляется на самый энергоемкий режим – нагревание и кипячение воды. Затрачиваемое количество теплоты для периода разогрева (Q ) и стационарного (Q ) режимов работы котла определяют по формулам

Q = Q_пол + Q_исп + Q_раз + Q

Q = Q_исп + Q

1. Полезное количество теплоты (Q_пол) в период разогрева – это количество теплоты затраченной на нагревание воды в варочном сосуде.

= cּmּ(t_к – t_н) = 4,19ּ100ּ(100 – 10) = 37710 кДж;

где с – теплоемкость воды, 4,19 кДж/(кгּК);

m – масса заливаемой воды в варочный сосуд, кг;

t_к, t_н – соответственно конечная и начальная температуры воды, ºС

2. Потери теплоты на испарение (Q_исп) с уходящим из котла паром определяются по формуле

Q_исп = ΔWּr кДж,

где ΔW – количество испарившейся воды, кг;

r – теплота парообразования, 2256 кДж/кг.

Количество испарившейся воды за час работы котла с негерметизированной крышкой принимаем, на основание экспериментальных данных, равным в период разогрева 0,5 %, а в процессе варки – 1,5% от массы воды в варочном сосуде. Тогда потери теплоты на испарение составят

Q = 100ּ0,005ּ ּ2256 = 940 кДж.

Q = 100ּ0,015ּ2256 = 3384 кДж.

3. Потери теплоты на разогрев конструкции котла (Q_раз) состоят из потерь теплоты на нагревание металла (Q ), изоляции (Q ), воды в парогенераторе (Q ) и заполнение паром пароводяной рубашке (Q )

Q_раз = Q + Q + Q + Q .

Масса котла принимается 195 кг как среднее значение исходя из масс серийных котлов КПЭ и КПЭ-НГ аналогичной емкости варочного сосуда [5]. Принятая масса состоит из металла и изоляции.

Для определения массы изоляции необходимо ее объем умножить на ее плотность 250 кг/м³ (табл. 6.7).

m_из = V_изּρ_из = ּН_Кּρ_из = ּ0,4ּ250 = 1,4 кг.

Соответственно масса металлических конструкций составит 195 – 1,4 = 193,6 кг, из которых варочный сосуд из нержавеющей стали толщиной 3 мм составляет примерно третью часть (64,5 кг) от общей массы и нагревается до температуры 100 °С.

Остальные элементы конструкции изготовлены из обычной стали и имеют массу 129,1 кг. Они представляют собой рубашку и парогенератор из стали толщиной 4 мм и нагревающиеся до 110 °С, кожух и постамент из стали толщиной 1,5 мм и нагревающийся до температуры 60 °С и 45 °С соответственно, трубопроводы и арматуру практически не нагреваются, контрольно-измерительные приборы нагревающиеся примерно до 100 °С, основание – до 30 °С. Принимаем среднюю конечную температуру всех этих элементов конструкции 80 °С.

Потери теплоты на разогрев металлических конструкции (Q ) котла определяется по формуле (6.37) при этом теплоемкость стали c_c = 0,46 кДж/(кгּК), а нержавеющей стали c_н = 0,50 кДж/(кгּК) (табл. 6.2).

Q = m_c ּ c_c ּ (t – t ) + m_н ּ c_н ּ (t – t ) = 129,1ּ0,46ּ(80 – 20) + 64,5ּ0,50ּ(100 – 20) = 6143 кДж.

При стационарном режиме изоляция будет иметь температуру со стороны наружной стенки 60 °С, а со стороны рубашки котла – 110 ºС. Соответственно средняя конечная температура изоляции составит (110 + 60)/2 = 85 °С. Теплоемкость шлаковаты составляет 0,862 кДж/(кгּК) (табл. 6.6). Соответственно потери теплоты на нагревание изоляции (Q ) составят

Q = m_из ּ c_из ּ (t – t ) = 1,4 ּ 0,862ּ(85 – 20) = 78,4 кДж.

Принимаем объем воды, заливаемой в парогенератор 10 л по аналогии с котлом типа КПЭ-100 [5]. Тогда потери теплоты на нагревание воды в парогенераторе составят

Q = m_вּc_вּ(t – t ) = 10ּ4,19ּ(110 – 10) = 4190 кДж.

Для определения количества теплоты расходуемой на заполнение паром пароводяной рубашке (Q ) необходимо массу пара умножить на его теплосодержание при давлении 0,045 МПа (i" = 2692 кДж/кг [2]).

Q = m_пּ i" = 0,03ּ2692 = 80,7 кДж,

где масса пара в пароводяной рубашке определяется как его объем умноженный на удельный вес (ν) при давлении 0,045 МПа (ν = 0,83 кг/м³ [2])

m_п = V_пּν = = = 0,03 кг

Потери теплоты на разогрев конструкции котла составят

Q_раз = Q + Q + Q + Q = 6143 + 78,4 + 4190 + 80,7 =

10492,1 кДж.

4. Потери теплоты в окружающую среду наружными ограждениями котла (Q ) состоят из потерь теплоты кожухом (Q ), постаментом (Q ), неизолированной шейкой (Q ), крышкой (Q ), дном котла и парогенератора (Q ).

Q = Q + Q + Q + Q + Q .

Потери теплоты определяются по формуле

Q = αּF_огрּ(t_огр – t_окр)ּτ.

Площадь теплоотдающей поверхности (F):

кожуха F_кож = πּD_КּH_К = 3,14ּ0,719ּ0,40 = 0,90 м²;

постаментом F_пос = πּD_КּН_П = 3,14ּ0,719ּ0,42 = 0,95 м²;

шейки определяется как произведение образующей на полусумму длин окружностей

F_шей = =

= 0,1 м^2;

крышки F_кр = = = 0,33 м²;

дна F_дн = = = 0,39 м².

Среднее значение температур теплоотдающих поверхностей:

для периода разогрева:

кожуха t_кож = = = 40 ºС;

постамента ввиду того, что температура по высоте постамента распределяется не равномерно – верхняя часть нагревается до 60 ºС, а нижняя до 30 ºС и разогрев его происходит быстро принимаем среднюю температуру постамента для периода разогрева и кипения одинаковой t = 45 ºС;

шейки t_шей = = = 60 ºС;

крышки t_кр = = = 60 ºС;

дна ввиду того, что температура парогенератора быстро поднимается до 100 ºС, а затем в конце периода разогрева поднимается до 110 ºС принимаем для периода разогрева t = 105 ºС.

для стационарного режима: t_кож = 60 ºС; t = 45 ºС; t_шей = 100 ºС; t_кр = 100; t = 110 ºС.

Коэффициент теплоотдачи для вертикальной поверхности (кожуха и постамента) определяется по формуле (6.36):

для периода разогрева

= 9,76 + 0,07ּ(40 – 20) = 11,16 Вт/(м²ּºС);

= = 9,76 + 0,07ּ(45 – 20) = 11,51 Вт/(м²ּºС);

для стационарного режима

= 9,76 + 0,07ּ(60 – 20) = 12,56 Вт/(м²ּºС).

Коэффициент теплоотдачи для горизонтальной поверхности (крышки и шейки) вверх определяется по этой же формуле, но полученное значение увеличивается на 30 %.

= = 1,3 [9,76 + 0,07ּ(60 – 20)] = 16,33 Вт/(м²ּºС);

= = 1,3 [9,76 + 0,07ּ(100 – 20)] = 19,97 Вт/(м²ּºС).

Коэффициент теплоотдачи для горизонтальной поверхности (дна котла и парогенератора) вниз определяется по этой же формуле, но полученное значение уменьшается на 30 %.

= 0,7ּ[9,76 + 0,07ּ(105 – 20)] = 11,0 Вт/(м²ּºС);

= 0,7ּ[9,76 + 0,07ּ(110 – 20)] = 11,24 Вт/(м²ּºС).

Учитывая, что теплоотдача от дна котла и парогенератора вниз к полу помещения происходит через замкнутое постаментом воздушное пространство, то теплопередача будет существенно ограничена. На основании экспериментальных данных для стационарных котлов подобного типа количество теплоты теряемой вниз принимается 0,16 от расчетной величины.

Время разогрева проектируемого пищеварочного котла 50 мин (3000 с). Тогда потери теплоты наружными ограждениями котла в период разогрева составят:

= Q + Q + Q + Q + Q = 11,16ּ0,90ּ(40 – 20)ּ3000 + 11,51ּ0,95ּ(45 – 20)ּ3000 + 16,33ּ0,1ּ(60 – 20)ּ3000 + 16,33ּ0,33ּ(60 – 20)ּ3000 + 0,16ּ[11,0ּ0,39ּ(105 – 20)ּ3000] = 2440387 Дж = 2440,4 кДж

в период стационарного режима (за один час) –

= Q + Q + Q + Q + Q = 12,56ּ0,90ּ(60 – 20)ּ3600 + 11,51ּ0,95ּ(45 – 20)ּ3600 + 19,97ּ0,1ּ(100 – 20)ּ3600 + 19,97ּ0,33ּ(100 – 20)ּ3600 + 0,16ּ[11,24ּ0,39ּ(110 – 20)ּ3600] = 5312212 Дж = 5312,2 кДж

5. Общее количество теплоты затрачиваемое на процесс равно:

для периода разогрева

Q = Q_пол + Q_исп + Q_раз + Q = 37710 + 940 + 10492,1 + 2440,4 = 51582,5 кДж;

для стационарного режима

Q = Q_исп + Q = 3384 + 5312,2 = 8696,2 кДж.

6. Мощность нагревательных элементов пищеварочного котла, кВт:

для периода разогрева

P_раз = = = 17,19 кВт;

для периода стационарного режима

P_ст = = = 2,42 кВт.

Мощность нагревательных элементов (тэнов) для пищеварочного котла принимается исходя из большей мощности, т. е. для периода разогрева. Для обеспечения равномерной нагрузки по фазам принимаем шесть тэнов. Тогда мощность одного тэна

P₁ = 17,19: 6 = 2,86 кВт.

Дата добавления: 2015-06-30