Тепловой баланс котла пищеварочного в период разогрева

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Тепловым называют оборудование, предназначенное для тепловой обработки продуктов.

При конструировании и проектировании различных видов теплового оборудования, учитывают различные условия, обеспечивающие наибольшую эффективность производства и эксплуатации этого оборудования.

На предприятиях общественного питания и на предприятиях мясной, молочной и консервной промышленности эксплуатируются котлы различных типов, отличающиеся способом обогрева, вместимостью, формой варочных сосудов и видом энергоносителей.

В зависимости от источника теплоты котел является электрическим.

По способу установки - неопрокидывающийся.

По способу обогрева - котел с косвенным обогревом. В качестве промежуточного теплоносителя в таких котлах используется вода (кипяченая или дистиллированная).

Принцип работы. Вода в парогенераторе нагревается до кипения, образующийся пар поступает в пароводяную рубашку, соприкасается со стенками и дном котла, конденсируется, отдавая теплоту парообразования, за счет которой через дно и стенки котла нагревается его содержимое. Конденсат стекает обратно в парогенератор и снова превращается в пар.

Котел типа с косвенным обогревом имеет наружный корпус из листовой стали и варочный сосуд из нержавеющей стали, соединенные между собой так, что образуется замкнутое герметичное пространство, которое является пароводяной рубашкой. Пароводяная рубашка во время работы котла заполняется водяным паром, который образуется в парогенераторе с помощью трех тэнов. Парогенератор заполняется водой до определенного уровня.

Между наружным корпусом и облицовкой помещена теплоизоляция. Для облицовки применяют стальные листы, покрытые светлой эмалью. Котел установлен на постаменте.

Сверху варочный сосуд закрывается откидной на шарнире двустенной крышкой, между двойными стенками которой находится воздушная прослойка. В пазу нижней части крышки имеется прокладка из термостойкой пищевой резины, с помощью которой обеспечивается плотность прилегания ее к котлу, когда завертываются прижимные болты.

Для слива воды при промывке варочного сосуда в нижней части его предусмотрен сливной кран. Для предохранения крана от засорения внутри котла устанавливается сетка-фильтр из нержавеющей стали.

Каждый котел с косвенным обогревом оснащается контрольно-измерительными приборами и арматурой: клапаном-турбннкой с отражателем, двойным предохранительным клапаном, электроконтактным манометром, наполнительной воронкой с краном, контрольным краном уровня. Манометр, наполнительная воронка и двойной предохранительный клапан смонтированы в один узел.

При закрытой крышке в котлах в процессе кипения избыточное давление должно быть не более 2,5 кПа. Для того чтобы давление не было больше этой величины, в центральной части крышки устанавливают клапан - турбинку.

Электрокотел имеет автоматическое управление тепловым режимом работы котла, и защиту тэнов от «сухого хода». Регулирование нагрева осуществляется с помощью элетроконтактного манометра при изменении величины давления пара в рубашке. Котлы имеют два режима работы. При первом режиме сначала котел работает на полной мощности, после повышения давления в рубашке до заданного верхнего предела переключается на слабый нагрев, когда давление понижается до нижнего заданного предела, котел вновь включается на полную мощность. Этот режим работы используется при варке супов, борщей и других первых блюд.

Защита тэнов от «сухого хода» осуществляется с помощью реле уровня с электродами в парогенераторе. Рядом с котлом находится станция управления, в которой смонтированы электрические аппараты автоматического регулирования и защиты котла.

Конструкции варочных аппаратов должны соответствовать технологическим требованиям конкретного процесса варки пищевого продукта или кулинарного изделия в целом.

Основные технологические требования, предъявляемые к конструкциям варочных аппаратов сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением пищевых (белков, жиров, углеводов), минеральных, экстрактивных веществ, витаминов при минимальных затратах теплоты.

Одной из важнейших технико-экономических характеристик является его производительность. Важную роль играют химические и санитарно-гигиенические свойства материалов.

котел тепло электронагреватель

1. Выбор задания

Задание на проектирование включает в себя исходные данные в соответствии с вариантом заданий.

Разработка конструкции, расчет производительности и тепловой расчет оборудования и электронагревательных элементов производились, пользуясь табличными данными:

Таблица 1.1

Вариант, наименование оборудования	Габаритные размеры, мм	Мощность, кВт	Дополнительные сведения	Наименование блюда
57.Котел пищеварочный	800х900х900	15,00	V вар.емx150 л, фр=40мин	Щи со свежей капустой

2. Основные принципы расчета и проектирование теплового оборудования

Для проведения теплового расчета в задании указана определенная конструкция аппарата и технологический процесс. Конструктивные размеры основных элементов аппарата увязываются затем с данными теплового расчета.

Задачей теплового расчета электрического теплового оборудования является определение максимальной и минимальной мощностей и расчет трубчатых электронагревателей.

Тепловые балансы аппаратов составляются, ориентируясь на прилагаемые методики и пользуясь рекомендуемой литературой. При выполнении курсового проекта недостающие величины принимаются ориентировочно по опыту работы или другим литературным источникам.

2.1 Методика теплового расчета электрического варочного аппарата

При проектировании варочного аппарата для определения часового расхода электрической энергии и расчета электрических нагревательных элементов необходимо составить тепловой баланс аппарата.

Тепловой баланс варочного аппарата для периода разогрева можно выразить следующим равенством:

Q = Q_П+ Q_ср+Q_об,

где Q - подведенное тепло, кДж;

Q_П - полезно используемое тепло, кДж;

Q_ср - потери тепла наружными поверхностями аппарата в окружающую среду, кДж;

Q_об - тепло, расходуемое на нагревание конструкции аппарата, кДж.

2.1.1 Определение полезно используемого тепла

Для определения количества порций приготовляемого блюда, необходимо определить количество отдельных продуктов, загружаемых в котел.

Согласно сборнику рецептур на 1 порцию равную 0,25 кг. Необходимо:

Таблица 2.1 Щи из свежей капусты (ІІІ колонка)

	Сырье	Брутто, кг	Нетто, кг	p, кг/дм3	V, дмм3
g1	Капуста	0,0875	0,07	0,6	0,116
g2	Морковь	0,0125	0,01	0,55	0,018
g3	Петрушка (корень)	0,00325	0,0025	0,55	0,0045
g4	Лук репчатый	0,012	0,01	0,4	0,025
g5	Томатное пюре	0,0015	0,0015	1,1	0,0135
g6	Мука пшеничная	0,0025	0,0025	0,46	0,0054
g7	Кулинарный жир	0,005	0,005	0,9	0,0055
	Вода	0,2	0,2	0,9	0,202
Выход	-	0,25		0,378

n = 212 порций

Режим нагрева (нестационарный)

Для определения полезно используемого тепла при нагреве воды для варки щей со свежей капустой до температуры кипения можно применить следующую формулу:

,

где G_B - количество нагреваемой воды, кг; G_B = V_K;

V_K - объем варочной емкости , м³;

- коэффициент заполнения;

- плотность воды, кг/м³; при температуре воды 60єС равна 971,8 кг/м³;

с_В - теплоемкость воды, кДж/кг⁰С, в интервале температур t_K и t_H; принять равной 4,195 кДж/кгєС;

t_H - начальная температура заливаемой воды, ⁰С, при расчете t_H можно принять 10⁰С;

t_K - конечная температура воды, ⁰С; t_K 100⁰С;

W - количество испарившейся воды в период разогрева до 100⁰С 0,5% от веса жидкости в котле, кг

r = 2258, 2 кДж/кг - скрытая теплота парообразования воды при атмосферном давлении.

G_В = 0,2 212 = 42,4 л

= 42,4 4,195 (100-10) +0,212 2258, 2= 16486,85кДж

Стационарный режим (режим кипения)

Полезно используемое тепло на режим слабого кипения определяется по формуле:

= Wr+G_СМ ^.c_СМ ^.(t_К - t_СМ),

где W - количество влаги, удаляемой в процессе кипения содержимого аппарата, кг.

По опытным данным можно принимать равным 1,5 … 2,0% от веса жидкости в баке.

где G_СМ - общее количество загруженных в варочный котел пищевых продуктов, кг.

G_СМ = g₁+g₂+g₃+…+g_n;

g₁ ,g₂ ,g₃…g_n - количество отдельных продуктов, загружаемых в котел, определяется по нормам раскладки для приготовления данного блюда, кг;

G_СМ = (0,07+0,01+0,0025+0,01+0,0015+0,0025+0,005) 212 = 21,518 кг

с_СМ - средняя теплоемкость смеси загружаемых продуктов в интервале температур t_K и t_H, кДж/кг⁰С.

с₁, с₂, с₃…с_n - теплоемкости отдельных продуктов, кДж/кг⁰С.

с_{СМ =} (4,102+3,5+3,5+3,8+4,02+1,8+1,5)/7=3,175 кДж/кг⁰С.

Теплоемкость отдельных продуктов принимается из таблицы или подсчитывается по формуле:

с_см = ,

а - влажность продукта в процентах по массе;

b - 100-а - сухие вещества, содержащиеся в продукте в процентах по

массе.

1,68 - средняя теплоемкость сухих веществ, кДж/кг⁰С;

t_K - конечная температура загружаемых продуктов (температура

кипения),100 ⁰С;

t_СМ - начальная средняя температура загружаемых продуктов,

определяемая из выражения:

t_СМ = ,

t₁, t₂…t_n - начальная температура отдельных продуктов загружаемых в котел, ⁰С.

t_СМ =

= = 0,125

W=42,2·1,5%=0,633

= 0,633·2258,2+21,518 ·3,175·(100 - 0,125)= 8252,86 кДж

2.1.2 Определение потерь тепла в окружающую среду

Для определения потерь тепла варочного аппарата в окружающую среду при нестационарных и стационарных режимах можно воспользоваться следующей формулой:

,

где - потери тепла через стенки аппарата в окружающую среду, кДж;

- потери тепла через крышку аппарата в окружающую среду, кДж;

- потери тепла через дно аппарата в окружающую среду, кДж.

Теплопотери через дно незначительны, поэтому при расчете не учитываются.

Потери тепла определяются по формуле:

Q₂ = ;

где F - поверхность ограждения (крышка, стенки), м²;

₀ - коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м²час. ⁰С;

t_п - средняя температура поверхности ограждения, ⁰С;

t₀ - температура окружающей среды, ⁰С;

- продолжительность периода варки в часах.

В процессе отдачи тепла ограждением варочного аппарата имеет место теплоотдача конвекцией и лучеиспусканием, поэтому коэффициент теплоотдачи в данном случае определяется по формуле:

₀ = _к + _л,

где _к - коэффициент теплоотдачи конвекцией, кДж/м²час⁰С;

_л - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, кДж/м²час⁰С.

При определении коэффициента теплоотдачи конвекцией прежде всего необходимо выяснить характер теплообмена: происходит ли он при вынужденном или свободном движении воздуха, относительно теплоотдающей поверхности.

Надо помнить, что при вынужденном движении коэффициент теплоотдачи определяется при помощи критерия Рейнольдса Re и Прандтля Pr. Первый из них характеризует динамику потока, второй - физические константы рабочего тела.

Необходимо знать, что отдача тепла стенками аппарата в окружающую среду происходит при свободном движении воздуха, поэтому определяющими являются критерии Грасгофа Gr и Прандтля Pr. Первый характеризует интенсивность конвективных потоков, возникающих вследствие разностей плотностей рабочего тела (воздуха) и перепада температур между ними и стенкой аппарата с учетом геометрической характеристики теплоотдающей поверхности.

На основе определяющих критериев находится критерий Нуссельта Nu, включающий значение коэффициента теплоотдачи конвекцией и характеризующий собой тепловое подобие.

Указанные критерии имеют следующий вид:

Re = ; Pr = ; Gr = ; Nu = ;

где а - коэффициент температуропроводности воздуха, м²/с;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

- коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м⁰С;

- коэффициент объемного расширения воздуха, I/⁰С;

= ,

_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией. Вт/м²⁰С;

l - определяющий геометрический размер, м;

v - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с;

t - перепад температур между ограждением и воздухом

.

При свободной конвекции в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид:

Nu = c(GrPr)ⁿ,

Величины с и n для отдельных областей изменения произведения (GrPr) можно принять из таблицы 2.2.:

Таблица 2.2.

GrPr	с	n
110-3 - 5102	1,18	1/8
5102 - 2107	0,54	ј
2107 - 11013	0,135	1/3

Определяющей температурой является полусумма температур рабочего тела (воздуха) и стенки.

Например, средняя температура одностенной крышки котла к концу разогрева составляла 90⁰С, а начальная температура ее была 20⁰С, тогда средняя температура крышки в период разогрева будет равна:

,

а определяющая температура воздуха вблизи крышки:

0,5(55+20)=37,5⁰С.

По величине определяющей температуры воздуха выбирают по таблице физические параметры воздуха: коэффициент температуропроводности а, коэффициент теплопроводности , коэффициент кинематической вязкости v, затем находят произведение (GrPr), с и n и численную величину критерия Nu

По значению критерия Нуссельта определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией

,

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием _л определяется по формуле Стефана-Больцмана:

_л = ,

где Е - степень черноты полного нормального излучения поверхности, для различных материалов (для стали шлифованной Е=0,58)

С₀ - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м²К⁴); С₀ = 5,67 Вт/(м²К⁴);

t_п - средняя температура теплоотдающей поверхности, ⁰С;

t₀ - температура окружающего поверхность воздуха, ⁰С;

Т_п - абсолютная температура поверхности ограждения, К

Т_п = t_п+273

Т₀ - абсолютная температура окружающей среды, ⁰К

Т₀ = t₀+273

Нестационарный режим.

Для расчета потерь тепла в окружающую среду можно пользоваться формулой:

,

где - время разогрева аппарата, час;

- коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м²час⁰С;

- средняя температура поверхности ограждения за время разогрева, ⁰С

,

t_К -температура поверхности ограждения к концу разогрева, ⁰С;

t_Н - начальная температура поверхности ограждения принимается равной температуре окружающей среды, ⁰С.

Температуру отдельных поверхностей аппарата к концу разогрева можно принять:

а) для стен t_к = 60 - 65⁰С;

б) для крышки t_к = 85 - 90⁰С;

При определении коэффициента теплоотдачи конвекцией определяющая температура для воздуха, окружающего корпус (ограждение) будет равна:

,

1. Потери через крышку (нестационарный режим)

0,5 (55⁰С+20⁰С) = 37,5⁰С - это определяющая температура воздуха вблизи крышки, по ней принимаем следующие величины:

a = 2,395 ^.10³ м/с;

v = 16,72 ^.10⁴ м/с

= 0,0274 Вт/м ^. К=98,64 Дж/м²ч·°С

Pr = 0,6995

Перепад температур между ограждением и воздухом будет равен:

=

Gr = ==

= 0,0002552 ·10⁸=2,5·10⁴

(GrPr)= (2,5·10⁴ · 0,6995) = 0,44 · 10⁴

Nu=0,54 · (0,44 · 10⁴)^1/4= 5,4· 0,44 = 2,376

= ==Дж/м²ч·°С

С₀=5,67Вт(м^2.К⁴) =20412Дж/м^.ч^.К ⁴

_л = = =

= 233,28·(3,28⁴ - 2,93⁴) = 233,28 · 42,04 = 9807,0912 Дж/м^.ч · °С

₀ = _к + _л = 0,285 кДж/м²ч^.0С + 9,807 кДж/м²ч^.0С =10,092 кДж/м²ч^.0С

F_кр= = 3,14·0,4²= 0,5024 м²

= 10,092 кДж/м²ч^.0С ^. 0,5024 м ^2.(55⁰С-20⁰С) ^. 0,6 ч = 106,47 кДж

Стационарный режим

При стационарном режиме потери тепла в окружающую среду определяется:

,

где - коэффициент теплоотдачи при стационарном режиме от поверхности в окружающую среду, кДж/м²час⁰С;

- средняя температура поверхности ограждения при стационарном режиме, ⁰С; const для данной поверхности; принять равной температуре отдельных поверхностей к концу разогрева т_к;

- продолжительность стационарного режима варки, час.

При определении коэффициента теплоотдачи конвекцией, определяющая средняя температура воздуха, соприкасающегося с ограждением, будет равна:

,

При этой температуре для стационарного режима выбираем физические параметры воздуха: коэффициент температуропроводности , коэффициент теплопроводности , коэффициент кинематической вязкости v, затем определяют произведение (GrPr), величины с и n и численную величину критерия Nu.

По значению критерия Nu при стационарном режиме определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией

,

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием _л определяется по формуле Стефана-Больцмана:

=

2. Потери через крышку (стационарный режим)

=90⁰С; , тогда

а =2,635 ^.10³ м²/с;

v =18,46 ^.10⁴ м²/с;

=0,02875 Вт/м^. К =103,5 Дж/ч^.м^{. 0}С;

Pr = 0,697

=

Gr === 0,00038651108·10⁸ =3,8·10⁴

(GrPr) = (3,8 ^. 10^{4 .} 0,697) = 2,6486 ^. 10⁴

Nu=0,54 · (2,6486·10⁴)^1/4= 5,4 · 2,6486 = 14,3

= 3700,125 Дж/м^2.ч^.0С

С₀=5,67Вт(м^2.К⁴)=5,67Дж/с^.м²К⁴=20412Дж/м^.ч^.К⁴

_л = = =

= 116,64 · (3,63⁴ - 2,93⁴ )= 116,64 · 19,76 = 2304,8 Дж/м^.ч · °С

₀ = _к + _л=3,7 кДж/м²ч^.0С+2,3 кДж/м²ч^.0С = 6,0 кДж/мч^.0С

F_кр= = 3,14·0,4²= 0,5024 м²

=6,0 кДж/м·ч^.0С^. 0,5024 м^{2 .} (90⁰С-20⁰С) ^. 0,6 ч =126,6 кДж

1.Потери тепла через стенки (обечайку) при нестационарном режиме

=40⁰С

0,5 (40⁰С+20⁰С)=30⁰С - это определяющая температура воздуха вблизи стенок, по ней принимаем следующие величины:

а=2,29^.10³ м²/с;

v=16^.10⁴ м²/с;

=0,0268 Вт/м^.0С = 96,48Дж/ч^.м^{. 0}С

Pr= 0,701

= = 0,0034

Gr = ===

=0,00189·10⁸=1,8·10⁵

(GrPr)= (1,8^.10^5. 0,701)=12,618 ^. 10⁴

Nu= 0,54 · (12,618 ^. 10⁴)^1/4= 5,4 · 12,618= 68,1372

===7304,3 Дж/м^2.ч^.0С

С₀=5,67Вт(м^2.К⁴)=5,67Дж/с^.м²К⁴=20412Дж/м^.ч^.К⁴

_л = = =

= 136,08 · 22,28 = 3031,8 Дж/м^.ч ·°С

₀ = _к + _л= 7,3 кДж/м²ч^.0С + 3,03 кДж/м²ч^.0С = 10,33 кДж/м²ч^.0С

F_{обечайки =} F₁+F₂+F₃= ((0,8·0,9)-F_кр+(0,8·0,9)·2+(0,9·0,9)·2) = 0,36+1,44+1,62= 3,42 м²

= 10,33 кДж/м²ч^.0С ^. 3,42 м^{2 .}(40⁰С-20⁰С) ^· 0,6ч = 432,94 кДж

2. Потери тепла через стенки (обечайку) при стационарном режиме

=60⁰С; =40°C,

тогда

а = 2,43^.10³ м²/с;

v = 16,96^.10⁴ м²/с;

= 0,0276 Вт/м^{. 0}С = 99,36 Дж/ч^.м^{. 0}С

Pr = 0,699

= = 0,0032

Gr = = 0,00317·10⁸= 3,2 · 10⁵

(GrPr) = (3,2 ^. 10^{5 .} 0,699 ) = 2,23 ^. 10⁵

Nu= 0,54 (2,23 ^. 10⁵)^1/4= 12,042

===1329,4368 Дж/м^2.ч^.0С

С₀=5,67Вт(м^2.К⁴)=5,67Дж/с^.м²К⁴=20412Дж/м^.ч^.К⁴

_л = == 136,08·49,26 = 6703,3008 Дж/м^.ч · °С

₀ = _к + _л=1,32 кДж/м·ч^.0С + 6,7 кДж/м·ч^.0С =8,02 кДж/м·ч^.0С

F_{обечайки =} F₁+F₂+F₃= ((0,8·0,9)-F_кр+(0,8·0,9)·2+(0,9·0,9)·2) = 0,36+1,44+1,62= 3,42 м²

= 8,02 кДж/м·ч^.0С^. 3,42 м^{2 .}(60⁰С-20⁰С) ^· 0,6ч=658,2 кДж

2.1.3 Определение расхода тепла на разогрев конструкции

Для выполнения расчета расхода тепла на разогрев конструкции последней ведется только для нестационарного режима работы аппарата. Надо помнить, что расход тепла на разогрев конструкции котла определяется выражением:

,

где - тепло, расходуемое на нагревание металлических конструкций котла, кДж;

- тепло, расходуемое на нагревание изоляции котла, кДж;

- тепло, расходуемое на нагревание воды в парогенераторе и парообразование в пароводяной рубашке, кДж.

,

где G_mi - масса i-го элемента металлической конструкции (крышка, внутренний котел и т.п.), кг.

Для каждого элемента вес рассчитывается по формуле

,

где V_i - объем элемента i-ой конструкции, м³;

_i - плотность материала элемента конструкции, кг/м³;

c_mi - удельная теплоемкость материала конструкции, кДж/(кг⁰С).

T_mi - средняя конечная температура нагрева металлоконструкции котла, ⁰С.

t₀ - начальная температура металлоконструкции котла, ⁰С.

Конечную температуру по элементам конструкции можно принять:

внутренняя поверхность варочной емкости - 100 ^оС;

внешняя поверхность пароводяной рубашки - 110 ^оС;

крышка котла - 85-90 ^оС;

наружная обечайка (кожух) - 55-60 ^оС;

,

где G_и - вес изоляционной конструкции котла, кг;

- толщина изоляционного слоя, м, определяется по формуле

,

где _и - коэффициент теплопроводности изоляционного материала в зависимости от средней температуры изоляции;

q =бґ₀(t_н.с-t₀), Вт/м², - удельные тепловые потери поверхности изолированного котла;

, Вт/м^{2 о}С - коэффициент теплоотдачи от вертикальной стенки ограждения к окружающему воздуху;

с_и - теплоемкость изоляции, кДж/(кг⁰С).

t_и - средняя температура нагрева изоляции, ⁰С.

t_и = ,

где t_вн - температура частей изоляции, касающихся наружного котла, ⁰С;

t_кож - температура частей изоляции, касающихся кожуха,⁰С

t₀ - начальная температура изоляции, равная температуре окружающей среды, ⁰С.

t_огр - температура ограждения (обечайки), ^оС.^.

где W_пг - вес воды, заливаемой в парогенератор котла, кг; 10кг;

с_в - теплоемкость воды, кДж/(кг^оС); С_в = 4,19 кДж/кг^оС;

t_пг - температура кипения воды, ^оС, зависящая от давления в пароводяной рубашке котла (см. прил. 1);

t₀ - начальная температура воды, ^оС;

G_п - вес пароводяной смеси, кг:

G_п = V_прп,

V_пр - объем пароводяной рубашки котла, м³:

V_пр = Н/4(D²-d²),

где D - диаметр наружного котла, м;

d - диаметр внутреннего котла, м;

Н - высота пароводяной рубашки (от края уровня), м;

_п - плотность пароводяной смеси, кг/м³:

_п = 1/V,

V - удельный объем сухого насыщенного пара, м³/кг, приведен в прил. 1.

= 0,0005024 · 7800 = 3,91872кг

V_кр = ·0,001м = 3,14 · 0,4² · 0,001 = 0,0005024м³

С_кр = 0,462к Дж/кг^.0С

t_кр = 90°С; t₀ =20°С

=126,126 кДж

=0,00342 · 7800 = 26,676 кг

V_об = F_общ · 0,001 м = 3,42·0,001=0,00342м³

F_{общ =} F₁+F₂+F₃= ((0,8·0,9)-F_кр+(0,8·0,9)·2+(0,9·0,9)·2) = 0,36+1,44+1,62=

=3,42 м²

=492,97 кДж

=0,00414 · 7800 = 32,292кг

V_{нар.кот}= F_общ · 0,001м= 0,00414 м³

F_{общ =} F_{дна котла}+F_{нар.кот} =1,13 + 3,01 = 4,14 м²

F_{дна котла} = = 3,14·(0,6)² = 1,13м²

F_{нар.кот} =2 · 0,8 =3,01м²

=1342,7 кДж

=0,00175 · 7800 = 13,7кг

V_{вн.котла} =Fобщ · 0,001м= 1,7684 ·0,001= 0,00175 м³

F_{общ =} F_{дна котла}+F_вн.кот = 0,5024+ 1,256 =1,7584 м²

F_{дна котла} = = 3,14·(0,4)² = 0,5024м²

F_{нар.кот} =2 · 0,5=1,256 м²

=506,352 кДж

W_пг = 10 кг;

С_в = 4,19 кДж/кг°С;

t_пг = 75,89+85,95/2 =80,92 °С;

t₀= 20 °C;

= 0,0314 м² ·0,297кг/м³= 0,0093258 кг

V_пр = Н/4(D²-d²)=0,2 · 3,14/4 ·(0,6² - 0,4²)=0,0314 м²

H= 0,8 - 0,5 - 0,1 = 0,2м;

D²=0,6²= 0,36; d² = 0,4² =0,16;

_п = 1/V= 1/3,3639= 0,297 кг/м³

V=3,9949+2,7329/2= 3,3639 м^3;

r=2319,2+ 2293,7/2 =2306,42 кДж/кг.

=2574,05

Q₃= Q^кр +Q^об+ Q^{нар.кот} + Q^{внут.кот.}+ Q^из+ Q ^пар=

=126,126+492,97+1342,7+506,352+2574,05=5042,198 кДж

3. Результаты расчетов

Полученные результаты расчетов сводим в таблицу 3.1

Таблица 3.1

Расход тепла, кДж (кДж/ч)	Режим разогрева	Стационарный режим	Общий % от всех затрат
Полезно используемое тепло	16486,85	8252,86	79,5
Потери тепла в окружающую среду	539,41	784,8	4,3
Потери тепла на разогрев конструкции и парообразование в пароводяной рубашке	5042,198	-	16,2
Итого	22068,458	9037,66	100

Определяем необходимую мощность по максимальному значению затрат тепловой энергии.

4. Конструирование и расчет электронагревателей

4.1 Конструирование электронагревателей

Конструирование электронагревателей производится с учетом геометрических характеристик рабочей камеры или других узлов, где они устанавливаются. При конструировании необходимо выбрать конфигурацию и месторасположение электронагревателей так, чтобы эффективность теплообмена была максимальной. Основой для конструирования служит чертеж «Схема расположения электронагревателей» (см. прил. 8), который проектируется перед началом расчета электронагревателей

4.2 Расчет электронагревателей

Для выполнения расчета электронагревателя надо знать его мощность, допустимую удельную мощность на поверхности трубки тэна, номинальное напряжение, рабочую температуру и среду, в которой будет работать нагреватель.

Мощность оборудования определяется на основании теплового расчета:

,

где Q - максимальное тепло, подводимое к аппарату за время разогрева Q^I или стационарного режима Q^II (определяется из теплового баланса), Дж;

- время разогрева или стационарного режима, с. Если Q^I или Q^II имеет размерность кДж/ч, то = 3600 с.

Мощность одного тэна Р_э определяется по формуле:

,

где п - количество тэнов в аппарате, обусловленное назначением аппарата и схемой регулирования нагрева. Мощность одного ТЭНа в тепловом оборудовании общественного питания обычно не превышает 3…4 кВт.

При расчете важно правильно выбрать диаметр проволоки. При завышении его потребуется большая длина проволоки, что вызовет перерасход дорогостоящего материала и увеличение габаритов нагревателя, при занижении диаметра - спираль быстрее перегорит.

Для выполнения расчета по таблице 4.1. выбираем допустимую удельную мощность W на поверхности трубки тэна в зависимости от рабочей среды.

Таблица 4.1 Рекомендуемые значения удельной мощности ТЭНов

Рабочая среда	Рекомендуемый материал оболочки тэна	Удельная мощность W, Вт / м2
Вода	Нержавеющая сталь марки Х18Н10Т.	11·104
Жиры пищевые	Ст. 10, Ст. 20 с защитным покрытием.	3·104
Воздух	Ст. 10, Ст. 20 с защитным покрытием.	2,2·104

По чертежу «Схема расположения электронагревателей» определяют полную длину электронагревателя L_полн, а затем активную длину после опрессовки L_a:

_,

где L_n - длина пассивных концов трубки ТЭНа; принимается в пределах 0,04-0,05 м.

Длина активной части тэна до опрессовки L_а1 составляет:

,

где - коэффициент удлинения трубки после опрессовки; принимается равным 1,15.

По известному значению L_a1 определяют диаметр трубки корпуса тэна D:

,

Диаметр трубки ТЭНа для теплового оборудования обычно имеет значения в пределах 8…20 мм. Если по расчету значение D оказалось меньше 8 мм, то его необходимо увеличить до указанных значений. Если D оказался больше 20 мм, то необходимо изменить форму ТЭНа с целью увеличения его длины. Выбранное значение D необходимо согласовать с преподавателем.

Электрическое сопротивление проволоки ТЭНа после опрессовки составляет

,

где U - напряжение сети, U = 220 В.

Сопротивление проволоки ТЭНа до опрессовки составляет

R_o=R•a_r,

где a_r .- коэффициент изменения электрического сопротивления проволоки в результате опрессовки; принимается равным 1,3.

Зная R_o, можно вычислить диаметр и длину проволоки спирали, пользуясь известными зависимостями:

,

где d - диаметр проволоки, м; принимается в пределах от 0,0004 до 0,001 м;

S - сечение проволоки, м²;

L - длина проволоки спирали (активная), м.

Длина проволоки ТЭНа согласно формуле 4.8 будет равна:

,

где d - принятый диаметр проволоки, м;

с - удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре, определяемое по формуле, Омм²:

= с₂₀ [1+а(t-20)], (4.10)

где с₂₀ - удельное сопротивление проволоки при 20 °С; по таблице 3.1.;

а - температурный коэффициент сопротивления; принимается по табл. 4.1;

t - максимальная (предельная) температура нагрева проволоки спирали.

Таблица 4.2 Характеристики электротехнических сплавов

Марка сплава	Удельное сопротивление, при 20 оС, Ом•м	Температурный коэффициент сопротивления, 1/оС	Допустимая температура, оС
			Предельная	Рабочая
Х15Н60	(1,06…1,16) 10-6	0,17•10-3	1000	950
Х20Н80	(1,03…1,13) 10-6	0,15•10-3	1100	1050
Х13Ю4	(1,18…1,34) 10-6	0,15•10-3	1000	900
0Х27Ю5А	(1,37…1,47) 10-6	0,15•10-3	1300	1250

Длина одного витка спирали в среднем составит

l _в=1,07(d_ст+d), м,

где 1,07 - коэффициент, учитывающий пружинность спирали при навивке;

d_ст - диаметр контактного стержня для навивки спирали.

Диаметр контактного стержня должен быть не менее 3 мм. Конкретное значение d_ст определяют исходя из обеспечения условий электроизоляции токоведущих частей ТЭНа с его корпусом. Толщина электроизоляционного слоя между поверхностью проволоки спирали, намотанной на контактный стержень, и внутренней стенкой корпуса ТЭНа должна быть не менее 3 мм.

Число витков спирали составит:

,

Расстояние между витками равняется:

,

Для нормального отвода тепла от спирали необходимо, чтобы расстояние между витками превышало диаметр проволоки спирали в два-три раза. Однако чем больше расстояние между витками, тем лучше условия работы спирали и тем она долговечнее.

Преобразуя формулу 4.13, получим коэффициент шага спирали

= 2…3

Потребное количество проволоки для одного элемента с учетом навивки на концы контактных стержней по 20 витков составит.

,

4.2 Расчет электронагревателей

= 6,13 кВт;

= 2,04 кВт;

L_полн=2·3,14·0,135= 0,847;

= 0,847 - 2 · 0 ,04 = 0,767 м;

= 0,667

= 2,04·10³/3,14·0,667·11·10⁴ =8,85 мм;

= 23,72 Ом;

R_o=R•a_r= 23,72 · 1,3 = 30,84;

=5,67

= с₂₀ [1+а(t-20)]= 1,34· 10^-6 [ 1+ 0,15•10^-3(1000-20) ]= 1,537 ·10^-6;

с₂₀=1,34 · 10^-6; а=0,15•10^-3; t=1000°С.

l _в=1,07(d_ст+d) = 1,07·3,14(0,003 + 0,0006) = 0,012м;

= 472,5 витков

=0,00102 м;

= 2,7;

=6,15 м.

Заключение

В ходе выполнения курсового проектирования, пользуясь данными варианта, был составлен тепловой баланс котла пищеварочного в период разогрева, состоящий из полезно используемого тепла, потерь тепла наружными поверхностями оборудования в окружающую среду, тепла, расходуемого на нагревание конструкции котла.

На основе полученных результатов по тепловому балансу был произведен расчет производительности котла и расчет трубчатых электронагревателей.

На основе произведенных расчетов был разработан чертеж конфигурации и месторасположения электронагревательных элементов оборудования и изображен электронагревательный элемент в разрезе с указанием конструктивных элементов.

Список литературы

Вышелесский А.Н. Тепловое оборудование предприятий общественного питания - М.: Экономика, 1976.-399 с.

Кисимов Б.М., Сторожева Е.Д. Расчет теплового оборудования. Учебное пособие. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2004.

Литвина Л.С., Фролова З.С. Тепловое оборудование предприятий общественного питания - М., : Экономика, 1987.-248 с.

Дорохин В.А. Тепловое оборудование предприятий общественного питания - Киев, 1987 г.

Белобородов В.В., Гордон Л.И. Тепловое оборудование предприятий общественного питания - М.,: Экономика, 1983, - 303.

Гинзбург А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов- М.; Экономика, 1983,-303.

Литвина Л.С, Фролова З.С. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. М.: «Экономика», 1969, - 311с.

Размещено на Allbest.ru

...