Расчет теплового технологического оборудования

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

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

    По  значению критерия Нуссельта определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией

    

     ,

    Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием a_л определяется по формуле Стефана-Больцмана:

    a_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/(м²×К⁴);

 С₀ = 5,67 Вт/(м²×К⁴);

         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 t¢ - время разогрева жира, 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 вертикальных поверхностей t_к = 60 – 65⁰С;

    б) для изолированной крышки жарочного оборудования t_к = 70⁰С;

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

    

, 

1. Потери  через крышку

        Размеры крышки 430*360 

    

     0,5 (90+20)=55⁰С – это определяющая температура воздуха вблизи крышки, по ней принимаем следующие величины:

    а=2,71^.10^-3 м/с; v=18,97^.10^-4 м/с

    l=0,0291 Вт/м^.К

    Pr = 0,696 

    b = = 1/(273+90-20)=0,0029

    Gr =

    (Gr×Pr)= (44000^. 0,696)=30624

    

    Nu=0,54(30624)^1/4=7,8

       Вт/м^{2 .0}С

    С₀=5,67Вт(м^2.К⁴)

    a_л =

    a_л = Вт/м^{2 .0}С

    a₀ =a_к+a_л= 0,529+4,047=4,576 Дж/м^{2 .0}С ∙ 3600=16,474 кДж/м^{2 .0}С

     =   кДж

    

    

    2.Потери тепла через стенки оборудования при нестационарном режиме

    Размеры фритюрницы 700х460х900 

     ⁰С

     0,5 (40+20)=30⁰С – это определяющая температура воздуха вблизи стенок, по ней принимаем следующие величины:

    а=2,29^.10^-3 м/с; v=16^.10^-4 м/с

    l=0,0268 Вт/м^.0С

    Pr=0,701

    b =

    Gr =

    (Gr×Pr)= (189767,8*0,69)=133027,237

    Nu=0,54(133027,237)^1/4=10,3

           Вт/м^2..0С

    С₀=5,67Вт(м^2.К⁴)

    a_л =         

    a_л =    Вт/м^2.0С

    a₀ = a_к + a_л=3,53 Вт/м^2.0С=3,53∙3600=12,474 кДж/м^2.0С

     = кДж          

     = 53,533 + 156,27= 210,8 кДж

    Стационарный  режим

    При стационарном режиме потери тепла в  окружающую среду определяется:

    

,

    где - коэффициент теплоотдачи при стационарном режиме от поверхности в окружающую среду, кДж/м^{2 0}С;

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

        t¢¢ - 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 a, коэффициент теплопроводности l, коэффициент кинематической вязкости v, затем определяют произведение (Gr×Pr), величины с и n и численную величину критерия Nu.

    По значению критерия Nu при стационарном режиме определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией

    

,

    Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием a_л определяется по формуле Стефана-Больцмана: 

     =           
 
 

    1 Потери через крышку

     

      =160⁰С; =0,5(160+20)=90⁰С, тогда 

    а=3,2^.10^-3 м/с; v=22,1^.10^-4 м/с

    l=0,0314 Вт/м^{. 0}С

    Pr = 0,69

    b =

    Gr =

    (Gr×Pr)= (53602,64^. 0,69)=36985,821

    Nu=0,54(36985,821)^1/4=7,489

                 Вт/м^2..0С

    С₀=5,67Вт(м^2.К⁴)

    a_л =

    a_л = Вт/м^2..0С

    a₀ = a_к + a_л=6,173 Вт/м^2.0С=6,173∙3600=22,22 кДж/м^2.0С

     =      кДж/ч

      

    2 Потери тепла через стенки при стационарном режиме

     =60⁰С; =0,5(60⁰С+20⁰С)=40⁰С, тогда

    а=2,43^.10^-3 м/с; v=16,96^.10^-4 м/с

    l=0,0276 Вт/м^{. 0}С

    Pr=0,699 

    b =

    Gr =

    (Gr×Pr)= (317407,776^. 0,698)=221868,035

    Nu=0,54(221868,035)^1/4=11,72

            Вт/м^2..0С

    С₀=5,67Вт(м^2.К⁴)

    a_л =

    a_л = Вт/м^2..0С

    a₀ = a_к + a_л=3,851Вт/м^2.0С=3,851∙3600=13,9 кДж/м^2.0С

     =   кДж 

     =1642,5 кДж

      
 
 
 
 
 

    2.1.3 Определение расхода тепла на разогрев конструкции 
 

    Потери  тепла на нагрев оборудования связаны  с поглощением теплоты конструкционными материалами, прежде всего, металлическими сплавами, из которых изготовлено оборудование. Наибольшему нагреву подвергаются рабочие камеры, в которых происходит тепловая обработка.

    Для выполнения расчета расхода тепла  на разогрев конструкции последней ведется для нестационарного и стационарного режимов работы аппарата.

    При нестационарном режиме расход тепла на разогрев конструкции фритюрницы определяется выражением:

    

,

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

     - тепло, расходуемое на нагревание  изоляции фритюрницы, кДж;

    

,

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

    Для каждого элемента вес рассчитывается по формуле

    

,

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

        r_i – плотность материала элемента конструкции, кг/м³;

         c_mi – удельная теплоемкость материала конструкции, кДж/(кг×⁰С). T_mi – средняя конечная температура нагрева металлоконструкции  котла, ⁰С.

         t₀ – начальная температура металлоконструкции фритюрницы, ⁰С.

    Конечную  температуру по элементам конструкции  можно принять:

• внутренняя поверхность фритюрницы – 170

  0С;

  • крышка фритюрницы – 70⁰С;
  • наружные стены – 55-60⁰С;

      

  ,

      где G_и – вес изоляционной конструкции фритюрницы, кг; 

             – толщина изоляционного  слоя, м, определяется по формуле

           

       ,

      где l_и – коэффициент теплопроводности изоляционного материала в зависимости от средней температуры изоляции;

           q =α´₀(t_н.с-t₀), Вт/м², - удельные тепловые потери поверхности

           изолированной фритюрницы;

           с_и – теплоемкость изоляции, кДж/(кг×⁰С).

           t_и – средняя температура нагрева изоляции, ⁰С.

      t_и =

  ,

      где t_внутр – температура частей изоляции, касающихся жарочной емкости, ⁰С;

           t_н.с – температура частей изоляции, касающихся наружных стен,⁰С

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

      1 Нагревание крышки и горизонтальной поверхности

      Сталь нержавеющая: r=7800кг/м³; с=462Дж/кг⁰С

       =((0,43∙0,36) + 0,1672)^.∙^.0,001∙^.7800кг/м³=2,5 кг

      Q₃ ^к=2,5 ^. 0,462∙(160-20)=161,7кДж

      2 Разогревание корпуса

       =(2∙0,001∙0,7∙0,9+2∙0,001∙0,46∙0,9+0,001∙0,46∙0,7)∙7800 =       14,739 кг

      Q₃ ^корпус=14,739∙ 0,462∙(60-20)=272,375 кДж 
  

      Q₃ ^мет=434,075 кДж 
   
  

      3 Нагрев теплоизоляции корпуса

      l_и=0,53+0,00022^.110=0,5542Вт/(м^.0С)

      α´₀=9,74+0,07∙( t_огр -t₀)=9,74+0,07∙(60-20)=10,2 Вт/ м^2..0С

      

      q =α´₀(t_н.с-t₀)=10,2(60-20)=400,8 Вт/м²

        Вт/(м^.0С)^.

      F_и=1,614м²

       =0,138∙1,614∙30^..=6,68кг

      

       =6,68∙0,9∙(110-20) =541,2кДж

       = 541,2+434,075= 975,3кДж

      Таблица 2.2 – Результаты расчетов

  Расход  тепла, кДж/ч	Режим разогрева	Стационарный режим
  Полезно используемое тепло	=14246	=11543,9
  Потери  тепла в окружающую среду	=707,5	=4282,5
  Потери  тепла на разогрев конструкции	=2972,3	-
  Итого	17925,8	15825,5

   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
  

      3 Методика расчета электронагревателей 
   
  

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

      Мощность  оборудования определяется на основании теплового расчета по формуле

      

  ,

      где Q — максимальное тепло, подводимое к аппарату за время разогрева Q’ или стационарного режима Q” (определяется из теплового баланса), Дж;

           τ— время разогрева или стационарного режима, с.

      Мощность одного тэна Р_э , кВт,определяется по формуле

      

  ,

      где п — количество тэнов в аппарате, обусловленное назначением аппарата и схемой регулирования нагрева.

      

      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 3.1. выбираем допустимую удельную мощность W на поверхности трубки тэна в зависимости от рабочей среды.

      Таблица 3.1– Рекомендуемые значения удельной мощности ТЭНов

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

   
  

      По  чертежу «Схема расположения электронагревателей» (лист 2) определяют полную длину электронагревателя L_полн,, м, а затем активную длину после опрессовки L_а,, м,

      

      где L_n,,  - длина пассивных концов трубки ТЭНа, м, принимается в пределах 0,004-0,004 м.

      Длина активной части тэна до опрессовки  L_а1 составляет

      

  ,

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

      Полная  длина трубки тэна после опрессовки L_полн составляет

      

      где L_nолн—длина пассивных концов трубки тэна; принимается в пределах 0,04—0,05 м.

      По  известному значению L_а1 определяют диаметр трубки корпуса тэна D, м,

      

      

      Электрическое сопротивление проволоки тэна после  опрессовки R, Ом, составляет

      

  ,

      где U—напряжение сети, U=220 В.

      Сопротивление проволоки тэна до опрессовки R, Ом, 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 сопротивления (активная), м.

      Длина проволоки тэна согласно формуле будет равна

      

  ,

      где d—принятый диаметр проволоки, м;

           ρ—удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре, определяемое по формуле, Ом×м²

      r= ρ₂₀ [1+а(t—20)],

      где ρ₂₀ —удельное сопротивление проволоки при 20° С; по таблице 3.1.;

           а —температурный коэффициент сопротивления; принимается по таблице 3.1.

         

      Таблица 3.2 –Характеристики электротехнических сплавов

  Марка сплава	Удельное  сопротивление, при 200С, Ом∙м	Температурный коэффициент сопротивления, 1/0С	Допустимая  температура, 0С
  			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 l _в , м;. в среднем составит

      l _в=1,07p(d_ст+d), м,

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

           d_ст — диаметр стержня для навивки спирали, м.  
  

      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, получим коэффициент шага спирали

      

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

      

  ,

      3.1 Расчет электронагревателей

        кВт

             кВт

      W=3^.10⁴Вт^.м²

      L_полн=1,532м

      L_а= L_nолн – 2L_n= 1,532-2^.0,04=1,452м 
  

           м

      

        

      

      

            Ом

      R_o=R∙a_r, =29,16^.1,3=37,908Ом

       ;                                

      r= ρ₂₀ [1+а(t—20)]=1,1^.10^-6 [1+0,7^.10^-3(950-20)]=

      1,2^.10^-6Ом.м  

         м

      .

      l _в=1,07p(d_ст+d)=1,07^.3,14(0,007+0,001)=0,0202 м       

            витка

      

      

       =14,9+2^.20^.0,0202=15,7 м          
   
   
   
   
   
   
   
   
   
  

      Заключение  
  

      

      

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

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

                               
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
  

      Список  литературы:  
  

      

      

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

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

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

      4. Золин В. П. Технологическое оборудование предприятий общественного питания: Учебник для нач. проф. Образования: Учеб. Пособие для сред. Проф. Образования/Виктор Петрович Золин. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 248 с.

      5. Кисимов Б. М., Сторожева Е. Д.  Расчет теплового оборудования: Учебное пособие. – Челябинск:  Изд-во ЮУрГУ 2006. - 48 c.

      6. Сборник рецептур блюд и кулинарных  изделий для предприятий общественного  питания.-Киев.: Экономика,2003.