Проектирование теплогенерирующего аппарата

где ∑ - сумма потерь тепла, кДж;

n – число элементов конструкции;

с_i – удельная теплоемкость, кДж/кг∙град;

М_i – масса отдельного элемента конструкции, кг;

t_i^к, t_i^н – средняя конечная и начальная температуры,°С

М_i = V_i∙ρ_i, кг     (20)

V_i = F_i∙δ_i, м³     (21)

где V_i – объем материала элемента конструкции, м³;

ρ_i – плотность материала элемента конструкции, кг/м³;

F_i – площадь поверхности элемента конструкции (расчет приводится по внутренним размерам конструкции аппарата), м²;

δ_i – толщина стенки элемента конструкции, м.

Таблица 3

Теплофизические свойства материалов конструкции и промежуточных  теплоносителей

Материал	ρ, кг/м3	с, кДж/кг∙град
Сталь	7900	0,46
Фольга алюминиевая мятая	20	0,92
Вода	983	4,19

 

М_{вар.сосуд} = 0,4069∙7900∙0,003 = 9,64

М_{наруж.котел} = 0,4541∙7900∙0,003 = 10,76

М_крышка = 0,439∙7900∙0,0025 = 8,67

М_{теплоизол.} = 0,57∙20∙0,045 = 0,51

М_кожух = 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

5.  Тепловой 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∙τ, кВт     (22)

P' = (Q'₁ + Q'₅)/3600∙τ', кВт     (23)

где  τ, τ' – 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:

L_a = P₁/π∙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;

L_a = 5 156,7/3,14∙11∙0,11 = 1 360,61 мм

Полная длина трубки после  опрессовки, определяется по формуле:

L = L_a + 2∙L_к, мм…..(26)

где L_к – 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:

L_а.о. = L/γ, мм     (27)

где γ – коэффициент удлинения трубки после опрессовки, принимается равным 1,15.

L_а.о. = 1461/1,15 = 1270 мм

Сопротивление спирали тэна после опрессовки определяется по формуле:

R = U_т/I, Ом     (28)

где U_т – 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 = a_r∙R, Ом     (29)

где a_r – 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/ρ, мм     (30)

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

ρ – удельное сопротивление материала спирали, Ом∙мм²/м, для нихрома при 700-900°С, ρ= 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:

l_в = 1,07∙π∙d_в, м     (31)

где 1,07 – коэффициент, учитывающий увеличение диаметра витка спирали при снятии ее со стержня намотки;

d_в =(d_{стержня} + d) = (4+0,8) = 4,8– средний диаметр витка, мм.

d_{стержня} – диаметр стержня, мм, принимается равным 4 мм.

l_в = 1,07∙3,14∙4,8 = 16,13 мм

Число витков спирали определяется по формуле:

n_в = l*1000/l_в, витков     (32)

n_в = 5,11∙1000/16,13 = 317 витков

Расстояние между витками  находятся по формуле:

L_a = (d+a)(n-1)    (33)

a = (L_a+ 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:

h = 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:

l_потреб = l+(2∙20∙l_b)/1000 = 5,11+(40∙16,13)/1000 = 3,3м = 3300мм

Температура нагрева спирали:

x = d/D_вн = 0,8/8 = 0,1

y = d/ d_в = 0.8/4.8 = 0.17

z = D_вн/ d_в = 8/4.8 = 1.67

где d_в =(d_{стержня} + d) = (4+0,8) = 4,8 мм;

D_вн = D-2δ = 11-2∙1.5 = 8 (δ=1.5мм - 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/L_a, Вт/см     (34)

q = 5156,7/1361 = 38Вт/см

Перепад температур в изоляционном слое определяется по формуле:

∆t_из = [∆t/q_l]∙q_l, °С     (35)

∆t_из = 3,5∙38 = 133°С

Рабочая температура спирали  находится по формуле:

t₁ =  ∆t_из + t_w, °С     (36)

t₁ = 133 + 126 = 259°С

где t_w  - температура поверхности тэна (для кипящей воды при давлении в пароводяной рубашке котла 140 кПа равна 126°С).

4.  Расчет парогенератора

 

При размещении ТЭНов в парогенераторе выбираем конфигурацию их расположения, показанную на рисунке.

 

 

 

 

 

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.

λ= 0,059 + 0,00026∙t_ср, Вт/м∙°К     (37)

где t_ср – средняя температура между температурой на поверхности изолирован-ного котла и температурой изолированной стенки котла, °С, которая находится по формуле:

t_ср = (t₁ + t₂)/2, °С     (38)

t_ср = (110 +60)/2 = 85 (°С)

λ = 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:

δ = λ∙(t₁ - t₂) /q, мм     (40)

δ = 0,0811∙(110 - 60) /90,6 = 45 (мм)

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

 

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:

 

 

Проектируемый аппарат:

 

КПП-100:

 

 

 

 

 

Определение стоимости тепла

Результаты расчетов технико-экономических  показателей представлены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты  расчетов технико-экономических показателей

 

Показатели	Обозначение	Размерность	Расчетная формула	Аппарат
				Проектируемый	Базовый
1	2	3	4	5	6
1)Продолжительность периода разогрева аппарата	τ	ч	-	0,67	1
2)Масса нагреваемой среды	М	кг	-	100	100
3)Удельная теплоемкость нагреваемой среды	с	кДж/кг∙град	-	4,2	4,2
4)Начальная температура нагреваемой среды	tн	°С	-	10	10
5)Конечная температура нагреваемой среды	tк	°С	-	100	100
6)Количество полезного тепла	Q1	кДж	(1)	37 710	37710
7)Номинальная мощность	P	кВт	(22)	30,9	0,37
8)Количество подведенного тепла за период разогрева	Q	кДж	Q = 3600∙P∙τ	74 530,8	1132
9)Тепловой КПД	η	%	(40)	50,53	57,9
10)Количество сэкономленного тепла за один период разогрева аппарата	∆Q	кДж	∆Q = Qб - Qп	-73398,8
11)Стоимость единицы энергоносителя	к	руб.	принимается	1,76
Количество рабочих дней в году	n	смена	-	300
Стоимость тепла, используемого в  год одним аппаратом	Cr	руб.	Cr = ∆Q∙к∙n/3600	-10765,16
Стоимость тепла, используемого в  год 1000 аппаратами	Cr1000	руб.	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;

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

3) «Тепловое  оборудование». Отраслевой каталог;

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

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ  А

Таблица 5

Физические параметры воздуха.

˚C	ρ,кг/м3	Ср, кДж/(кг·◦С)	λ, Вт//(кг·◦С)	а·10-5, м2/с	v·10-6, м2/с	Pr
30	1,165	1,0048	0,0268	2,29	16	0,701
37,5	1,137	1,0048	0,0274	2,395	16,72	0,6995
40	1,128	1,0048	0,0276	2,43	16,96	0,699
55	1,0765	1,0048	0,02875	2,365	18,46	0,697

 

Таблица 6

Размеры парогенератора

Параметр	Единицы измерения	Значение
Длина парогенератора, l	м	0,55
Ширина парогенератора, а	м	0,3
Высота парогенератора, h	м	0,15