Определение расхода энергоносителя

Введение

 

Жизнедеятельность человека неразрывно связана с питанием. Пища необходима для получения энергии, для построения и восстановления тканей, для осуществления физиологических процессов в организме. Основой производства всех видов кулинарной продукции является тепловая обработка, осуществляемая на различном и многообразном оборудовании.

Варка - один из основных видов тепловой обработки пищевых продуктов. Электрические котлы предназначены для варки бульонов, приготовления супов, каш, гарниров, сладких блюд, кипячения молока и других процессов. Применяются котлы периодического действия, работа которых основана на кипячении соответствующих продуктов в жидкой среде: воде, молоке или бульоне. Варка в жидкой среде основана на физико-химических превращениях веществ, входящих в состав продукта, которые протекают под воздействием теплоты и влаги, часто на закономерностях экстрагирования (извлечения) питательных веществ из твердой фазы в жидкую. Пищеварочные котлы могут быть с непосредственным и косвенным обогревом.

От качества и конструкции аппаратов зависят многие факторы: время обработки пищи; качество ее приготовления; расход сырья и многое другое. И для того чтобы решить такие поставленные задачи, нужно разрабатывать оборудование более удобное для эксплуатации, качеству обработки пищи и соответствующее определенным техническим требованиям.

При разработке принципиально новых видов аппаратов предусматривается снижение их энерго- и металлоемкости за счет комбинированных способов тепловой обработки, повышение производительности оборудования, упрощение их обслуживания, внедрение систем контроля и автоматического управления, а также унификация отдельных узлов и деталей и повышение надежности.

Одновременно с этим расширяется номенклатура оборудования, применяемого, а именно, используются аппараты специального и универсального назначения.

Одной из разновидностей тепловых специализированных аппаратов являются пищеварочные котлы с различной емкостью варочного сосуда и различными способами обогрева рабочей камеры.

 

 

 

Исходные данные. Описание конструкции

 

Таблица 1. Исходные данные

Параметры	Значение	Единицы измерения
Вместимость варочного сосуда	100 дм3	дм3
Форма варочного сосуда	цилиндрическая	-
Диаметр варочного сосуда		мм
Высота варочного сосуда		мм
Ширина щели греющей полости рубашки		мм
Диаметр кожуха		мм
Высота кожуха		мм
Высота шейки		мм
Толщина стенки крышки	2,5	мм
Толщина стенки варочного сосуда	3,0	мм
Толщина стенки наружного котла	3,0	мм
Толщина стенки кожуха котла	1,0	мм
Максимальное давление в пароводяной рубашке		кН/м2
Максимальное давление в варочном сосуде		кН/м2
Сухость пара		%
Количество пролетного пара в конденсате		%
Начальная температура нагреваемой среды		°С
Конченая температура нагреваемой среды		°С

 

Котел паровой Исходные данные для расчета проектируемого пищеварочного котла приведены в таблице 1.

 

Тепловой баланс. Его составляющие

 

Тепловой баланс

 

Для парового котла уравнение теплового баланса:

 

Нестационарный режим: Q = Q₁ + Q₅ + Q₆

Стационарный режим: Q^' = Q^'₁ + Q^'₅

 

1. 2 Рассчет Q_1. и Q^'₁

 

Количество полезно используемого тепла Q₁, затраченного на нагревание продукта или жидкости в рабочей камере аппарата при нестационарном режиме работы, определяется по формуле:

 

Q₁ = cW(t_к - t_н) + ∆Wr, кДж (1)

 

где с - удельная теплоемкость воды, кДж/кг^∙град;

W - количество нагреваемой воды, кг;

t_н, t_к - начальная и конечная температура воды,°С;

∆W - количество воды, испарившейся при нестационарном режиме работы аппарата, кг.

Количество тепла Q^'₁ при стационарном режиме определяется по формуле:

 

Q^'₁ = ∆W^'r, кДж (2)

 

где ∆W^' - количество воды, испарившейся при стационарном режиме работы аппарата, кг;

r - скрытая теплота парообразования воды, кДж/кг.

Q₁ = 4,19∙100∙(100 - 10) = 37 710 (кДж)

Q^'₁ = 0,07·100∙2256 = 15 792 (кДж).

Q₁˃ Q^'₁

1. 3 Расчет Q_5. и Q^'₅

 

Расчет потерь тепла в окружающую среду наружными ограждениями Q₅, Q^'₅ соответственно при нестационарном и стационарном режиме производится по формулам:

 

Q₅ = ∑3,6∙б_i∙F_i∙(t^ср_{пов i} - t_в)∙ф_i, кДж (3)

Q'₅ = ∑3,6∙б'_i∙F_i∙(t^'ср_{пов i} - t_в)∙ф'_i, кДж (4)

 

где ∑ - сумма потерь тепла наружными элементами ограждения аппарата;

F_i - площадь поверхности, м²;

б_i, б'_i - коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения к воздуху соответственно при нестационарном и стационарном режиме, Вт/м²∙град;

t^ср_{пов i}, t^'ср_{пов i} - средняя температура поверхностей наружных ограждений соответственно при нестационарном и стационарном режиме,°С (табл. 2);

ф_i - время разогрева аппарата до стационарного режима, ч;

ф'_i - время, определяющее стационарный режим работы аппарата, ч;

t_в - температура окружающего воздуха, принимается равной 25°С.

 

Таблица 2. Средняя температура поверхностей наружных ограждений соответственно при нестационарном и стационарном режиме

Вид поверхности	tсрпов i,°С	t'српов i,°С
Крышка однослойная
Боковая теплоизоляционная поверхность

 

Площадь поверхности:

 

F_крышки = 2рr² = 3,14*0,38² = 0,439 м²;

F_бок = 2рrh = 2*3,14*0,38*0,55 = 1,312 м².

 

Температура поверхностей:

 

Т_{пов i} = 273 + t^ср_{пов i},°К (5)

Т'_{пов i} = 273 + t^'ср_{пов i},°К (6)

 

Т_крышки= 273 + 55 = 328К

Т_стенки= 273 + 40 = 313К

Т'_крышки = 273 + 90 = 363К

Т'_стенки = 273 +60 = 333К

Коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения к воздуху соответственно при нестационарном и стационарном режиме определяется по формулам:

 

б_i = б_i^л + б_i^к, Вт/м²∙°С (5)

б'_i = б^'_i^л + б^'_i^к, Вт/м²∙°С (6)

 

где б_i^л, б^'_i^л - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м²∙град;

б_i^к, б^'_i^к - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²∙град.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием соответственно при нестационарном и стационарном режиме определяется по формулам:

 

б_i^л = е∙С₀/(t^ср_{пов i} - t_в)∙[(Т_{пов i}/100)⁴ - (Т_в/100)⁴], Вт/м²∙°С (7)

б'_i^л = е∙С₀/(t^ср_{пов i} - t_в)∙[(Т'_{пов i}/100)⁴ - (Т_в/100)⁴], Вт/м²∙°С (8)

 

где е∙С₀ - коэффициент лучеиспускания Cs поверхности, Вт/м²∙К⁴ (справочная);

е - степень черноты полного нормального излучения поверхности;

С₀ - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела;

Т_{пов i}, Т'_{пов i} - абсолютные температуры ограждений, К;

Т_в - температура воздуха, К.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией определяется по критериальному уравнению для свободной конвекции в неограниченном пространстве по формулам:

 

б_i^к = Nu∙л/l = c∙(Gr∙Pr)ⁿ∙л/l, Вт/м²∙°С (9)

б'_i^к = Nu'∙л'/l = c∙(Gr'∙Pr')ⁿ∙л'/l, Вт/м²∙°С (10)

 

Критерий Нуссельта:

 

Nu = c∙(Gr∙Pr)ⁿ (11)

Nu^' = c∙(Gr'∙Pr')ⁿ (12)

 

Критерий Госгофа:

 

 

Gr = в∙g∙l³∙∆t/v² (13)

Gr^' = в^'∙g∙l³∙∆t'/v² (14)

 

Критерий Прадндтля соответственно при нестационарном и стационарном ре-жиме определяется по формулам:

 

Pr = v/a (15)' = v'/a' (16)

 

где v, v' - коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

л, л' - коэффициент теплопроводности, Вт/м∙град;

a, a' - коэффициент температуропроводности, м²/с;

в, в^' - коэффициент объемного расширения, 1/м∙град;

∆t, ∆t' - перепад температур между теплоотдающей поверхностью ограждения и воздухом,°С

Коэффициент объемного расширения соответственно при нестационарном и стационарном режиме определяется по формулам:

 

в = l/(273 + t_m), 1/∙град (17)

в' = l'/(273 + t^'_m), 1/∙град (18)

 

где l - определяющий геометрический размер поверхности ограждения, м;

t_m, t^'_m - средняя температура пограничного воздуха около поверхности ограждения, которая определяется по формулам,°С.

 

t_m = (t^ср_{пов i}+ t_в)/2,°С (19)

t'_m = (t'^ср_{пов i} + t_в)/2,°С (20)

 

 

t_{m крышки} = (55+ 25)/2 = 40°С

t_{m стенки} = (40+ 25)/2 = 32,5°С

t'_крышки = (90 + 25)/2 = 57,5°С

t'_стенки = (60 + 25)/2 = 42,5°С

в_крышки = l/(273 + 40) = 0,0032 1/К

в_стенки = l/(273 + 32,5) = 0,0033 1/К

в'_крышки = l'/(273 + 57,5) = 0,0030 1/К

в'_стенки = l'/(273 + 42,5) = 0,0032 1/К

Gr∙Pr_{(крышка)} = 14,37∙10⁸∙0,699 = 10,04∙10⁸

Gr∙Pr_{(стенка)} = 3,05∙10⁸∙0,697 = 2,12∙10⁸

Gr'∙Pr'_{(крышка)} =23,94∙10⁸∙0,743 = 17,79∙10⁸

Gr'∙Pr'_{(стенка)} = 6,15∙10⁸∙0,699 = 4,29∙10⁸

Т.к. Gr и Pr в пределах 2∙10⁷-1∙10¹³, то с=0,135, n=1/3

Nu_{(крышка)} = 0,135∙(10,04∙10⁸) ^1/3 = 135,18

Nu_{(стенка)} = 0,135∙(2,12∙10⁸) ^1/3 = 80,5

Nu^'_{(крышка) =} 0,135∙(17,79∙10⁸) ^1/3 = 163,6

Nu^'_{(стенка) =} 0,135∙(4,29∙10⁸) ^1/3 = 101,8

б_крышка^к = 135,2∙0,0276/0,76 = 4,87 Вт/м²∙°С

б_стенка^к = 80,5∙0,0270/0,55= 3,95 Вт/м²∙°С

б'_крышка^к = 163,6∙0,0289/0,55 = 6,22 Вт/м²∙°С

б'_стенка^к = 101,8∙0,0278/0,55= 5,15 Вт/м²∙°С

б_крышка = 0,52 + 4,87 = 5,39Вт/м²∙°С

б_стенка = 0,48 + 3,95 = 4,43 Вт/м²∙°С

б'_крышка = 0,62 + 6,22 = 6,84 Вт/м²∙°С

б'_стенка = 0,53 + 5,15 = 5,68Вт/м²∙°С

Q₅ = 3,6∙4,87 ∙0,439∙(55 - 25)∙0,67+ 3,6∙3,95∙1,312∙(40-25)∙0,67 = 342,2 кДж

Q'₅ = 3,6∙6,22∙0,439∙(90 - 25)∙0,25+3,6∙5,15∙1,31∙(60-25) ∙0,25=372,5 кДж

 

1. 4 Рассчет Q₆

 

Расчет потерь тепла на разогрев конструкции аппарата Q₆ производится по формулам:

 

Q₆ = ∑с_i∙М_i∙(t_i^к - t_i^н), кДж (19)

 

В свою очередь Q₆ делится на составляющие, которые представлены в формуле:

 

Q₆ = Q₆^{вар. сос.}+ Q₆^{наруж.котел.}+Q₆^{вода в парогенерат}+Q₆^крышка+Q₆^{теплоизоляц}+Q₆^кожух, кДж

 

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∙с_i, кг (20)

V_i = F_i∙д_i, м³ (21)

 

где V_i - объем материала элемента конструкции, м³;

с_i - плотность материала элемента конструкции, кг/м³;

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

д_i - толщина стенки элемента конструкции, м.

 

Таблица 3. Теплофизические свойства материалов конструкции и промежуточных теплоносителей

Материал	с, кг/м3	с, кДж/кг∙град
Сталь		0,46
Фольга алюминиевая мятая		0,92
Вода		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

 

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

 

Определение расхода энергоносителя

 

Мощность соответственно при нестационарном и стационарном режиме определяется по формулам:

 

P = (Q₁ + Q₅ + Q₆)/3600∙ф, кВт (22)

P' = (Q'₁ + Q'₅)/3600∙ф', кВт (23)

 

где ф, ф' - время работы аппарата, ч.

P = 74622,54/3600∙0,67 = 30,94 (кВт)

P' = 16 164,5 /3600∙0,25 = 17,96 (кВт)