Определение размеров кипятильника

Непрерывного действия

Пример расчета электрического кипятильника

Исходные данные

Действительная производительность, кг/ч 37,5

Начальная температура воды, ºС 16

Конечная температура воды, ºС 100

Температура кожуха (облицовки), ºС 55

Температура воздуха в помещении, ºС 20

Напряжение сети, В 3N~50 Гц, 380

Материал всех частей кипятильника Нержавеющая сталь

В основном существующие кипятильники имеют цилиндрическую форму. Поэтому принимаем форму проектируемого кипятильника цилиндрической. Кипятильники типа КНЭ производительностью 25, 50 кг/ч настольного исполнения, а кипятильник КНЭ-100 и КНЭ-100МН производительностью 100 кг/ч напольного исполнения. Кипятильники типа ЭКГ все настольного исполнения.

Определяем нормальную производительность по формуле (11.1)

D_н = 37,5ּ = 35 кг/ч.

Соответственно по конструктивному исполнению он будет настольным, а в качестве базовой конструкции используем кипятильник КНЭ-25.

Основные конструктивные параметры кипятильника представлены на рис. 11.19. Принимаем диаметр сборника кипятка (D_с) 0,18 м, а его объем 7,6 л аналогично кипятильнику КНЭ-25.

Учитывая, что диаметр переливной трубы составляет 0,03 м, а коэффициент заполнения сборника кипятка 0,8 найдем высоту сборника кипятка (H_с) по формуле

H_с = = = 0,385 м

где V – объем сборника кипятка (0,0076), м³;

d – диаметр переливной трубы, м

Высота свободного объема над поверхностью воды в сборнике кипятка составит 0,2Н_с, т. е. 0,2ּ0,385 = 0,077 м (77 мм). С учетом того, что минимальный уровень воды в переливной трубе и соответственно питательной коробке составляет 60 мм от верхней кромки переливной трубы, принимаем расстояние между верхней частью сборника кипятка и крышкой 15 мм. При этом общая высота от дна сборника кипятка до крышки (Н_о) составит 0,4 м.

Расстояние между верхней кромкой переливной трубы и верхней частью сборника кипятка в существующих кипятильниках находится в пределах 10…15 мм. Принимаем это расстояние 15 мм. С учетом максимально допустимого уровня воды в переливной трубе от ее верхней кромки (80 мм) минимальный уровень воды в питательной коробке от крышки составит (15+15+80) 110 мм.

Для надежной работы поплавкового клапана при поддержании этого минимального уровня необходим слой воды толщиной 20 мм. Соответственно высота питательной коробки (Н_п) составит 130 мм.

Высота водогрейного резервуара (Н_в) выбирается из расчета высоты тэна с учетом образования слоя накипи. Высота тэна размещаемого в водогрейном резервуаре определяется из предварительного расчета. При этом ориентировочная мощность проектируемого кипятильника определится исходя из производительности (25 кг/ч) и мощности аналога равной 3 кВт

P = = 4,2 кВт.

Для обеспечения равномерной нагрузки по фазам принимаем три тэна. Тогда мощность одного тэна (P₁) составит

P₁ = 4,2: 3 = 1,4 кВт

Активная длина (L_а) трубки тэна определяется по формуле

L_а = = = 40 см (400 мм),

где D_т – диаметр трубки тэна после опрессовки (принимаем 1,4 см), см;

ω_т – удельная поверхностная мощность на трубке тэна, Вт/см². (Для тэнов работающих в воде (табл. 4.4) допускается до 14 Вт/см². Принимаем 8 Вт/см²).

Исходя из диаметра водогрейного резервуара 180 мм принимаем расстояние между осями (F) U-образного тэна (рис. 11.19) 115 мм. Тогда длина изогнутой части (дуги) тэна составит 3,14ּ115/2 = 180 мм, а длина прямолинейных участков тэна (400 – 180)/2 = 110 мм. Соответственно общая высота тэна в водогрейном резервуаре с учетом контактных стержней, выходящих в водогрейный резервуар на 10 мм и половина диаметра тэна (7мм), составит 10 + 110 + 115/2 + 7 = 185 мм.

Соответственно высота водогрейного резервуара (Н_в) с учетом образования слоя накипи (20 мм) составит 205 мм. После составления теплового баланса аппарата и расчета тэна высота водогрейного резервуара корректируется.

Объем водогрейного резервуара определяется по формуле

V = = = 0,0052 м³ (5,2 кг).

Объем воды находящейся в переливной трубе (V_тр) определяется из расчета ее не полного заполнения (примерно на 70 мм). Высота трубы составляет h = Н_с – 15 = 385 – 15 = 370 мм, а высота в ней столба воды h_c = 370 – 70 = 300 мм (0,3 м). Соответственно

V_тр = = 0,3 = 0,0002 м³ (0,2 кг).

Наружный диаметр кожуха кипятильника (D_с) принимаем аналогичным прототипу (КНЭ-25) – 303 мм. Массу кипятильника примем исходя из технической характеристики кипятильника КНЭ-25 [5] несколько большей чем у аналога – 17,5 кг. Общая высота (Н) проектируемого кипятильника будет складываться из высоты от дна сборника кипятка до крышки (Н_о), высоты водогрейного резервуара (Н_в) и 85 мм запаса для коммутации электропроводки.

Н = 400 + 205 + 85 = 690 мм

Сборник кипятка, водогрейный резервуар и переливная труба обычно изготавливаются из нержавеющей стали толщиной 0,8 мм. Остальные элементы – из нержавеющей сталь толщиной 0,5 мм.

В качестве теплоизоляции в кипятильнике использован воздух. Толщина прослойки воздуха (δ_из) принята по конструктивным соображениям и составляет

δ_из = = = 61 мм (0,061м).

Поэтому необходимо выполнить поверочный расчет, из которого определяется реальная температура на поверхности облицовки. При этом реальная температура не должна быть выше заданной. Толщина изоляции определяется по формуле

δ_из = .

Из этой формулы после несложных преобразований определяется температура на поверхности облицовки

t_нар = ,

где λ_из – теплопроводность воздуха (при средней температуре изоляции

= 77,5 ˚С, 0,03 Вт/(м ºС);

t_вн – температура внутренней стенки, 100 ºС;

t_нар – температура наружной стенки, 55 ºС;

t_окр – температура окружающего воздуха, 20 ºС;

α – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки к воздуху, Вт/(м²ּºС).

Коэффициент теплоотдачи с достаточной степенью точности может быть определен по эмпирической формуле (6.36)

α = 9,76 + 0,07 (t_нар– t_окр) = 9,76 + 0,07 (55–20) = 12,21 Вт/(м²ּК).

Подставив приведенные значения получим

t_нар = = 45,16 ºС.

Полученная реальная температура поверхности облицовки (кожуха) кипятильника (45,16 ºС) ниже заданной (55 ºС). Соответственно принятая по конструктивным соображениям толщина изоляции соответствует предъявляемым требованиям.

Дата добавления: 2015-06-30