|
|
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 электрической макароноварки
При проектировании электрических макароноварки для определения часового расхода электрической энергии и расчета электрических нагревательных элементов необходимо составить тепловой баланс аппарата.
Тепловой баланс электрического макароноварки для периода разогрева можно выразить следующим равенством:
Q = Q1+Q2+Q3, (2.1.1.)
где Q – подведенное тепло, кДж;
Q1 – полезно используемое тепло, кДж;
Q2 – потери тепла наружными поверхностями макароноварки в окружающую среду, кДж;
Q3– тепло, расходуемое на нагревание конструкции макароноварки и на парообразование в пароводяной рубашке, кДж.
2.1.1. Определение полезно используемого тепла
Режим нагрева (нестационарный)
Для определения полезно используемого тепла при нагреве воды для варки пельменей до температуры кипения можно применить следующую формулу:
, (2.1.2.)
где GB – количество нагреваемой воды, кг; GB = VK×j×r;
VK – объем варочной емкости макароноварки, л;
j - коэффициент заполнения макароноварки;
r - плотность воды, кг/м3; при температуре воды 60ºС равна 971,8 кг/м3;
сВ – теплоемкость воды, кДж/кг0С, в интервале температур tK и tH; принять равной 4,195 кДж/кгºС;
tH – начальная температура заливаемой воды, 0С, при расчете tH можно принять 100С;
tK – конечная температура воды, 0С; tK » 1000С;
DW¢ - количество испарившейся воды в период разогрева до 1000С 0,5% от веса жидкости в макароноварке, кг
r = 2258,2 кДж/кг – скрытая теплота парообразования воды при
атмосферном давлении.
Для определения количества отдельных продуктов, загружаемых в котел, необходимо определить количество порций приготовляемого блюда.
Количество порций п, шт., определяется по формуле:
п= , (2.1.3.)
где j - коэффициент заполнения котла; 85%;
VK – общий объем котла, л;
Vп – объем одной порции, л;
Vисп – объем испаряемой жидкости в период разогрева и кипения приготовляемого блюда, л.
Количество влаги, удаляемой в процессе варки отдельных блюд, зависит от времени варки и определяется по материальному балансу процесса варки, т.е.
Vисп = Gсм + W – Gгп, (2.1.4.)
где Gгп – вес готовой продукции (блюд), кг
W – общее количество жидкости, загружаемой в макароноварку, кг
Плотность фарша 0,9.103 кг/м3;
Плотность теста 0,6.103 кг/м3
На один пельмень приходится 7гр фарша
6гр теста
V1=0,007кг/0,9.103кг/м3=7,8.10-6м3
V2=0,006кг/0,6.103кг/м3=1.10-5м3, следовательно объем одного пельменя равен:
7,8.10-6м3+1.10-5м3=17,8.10-6м3
Тогда объем 1 кг пельменей составляет 17,8.10-6м3.77=13,7.10-4м3=1,37л
Gгп=1кг.1,08=1,08кг, так как привар в пельменях равен 8%
Vисп = Gсм + W – Gгп,=1кг+4кг-1,08кг=3,92кг
п= =0,85.(40л-3,92л)/5,48=5.6 порции
V=5.6.5,48л=30.68л
j=30.68.100/40=70,6%=0,76
GB = VK×j×r = 0,040 м3. 0,76. 971,8 кг/м3 = 29,5 кг
DW¢=29,5кг.0,5%/100% = 0,14кг
Q1¢=29,5кг.4,195.103Дж/кгºС.(1000С-100С)+0,14кг.2258,2.103кДж/кг =11453873Дж=11453,8 кДж
Стационарный режим (режим кипения)
Полезно используемое тепло на режим слабого кипения определяется по формуле:
= DW¢¢×r+GСМ .cСМ .(tК – tСМ), (2.1.5.)
где DW¢¢ - количество влаги, удаляемой в процессе кипения содержимого котла, кг.
По опытным данным можно принимать равным 1,5 … 2,0% от веса жидкости в баке.
где GСМ – общее количество загруженных в варочный котел пищевых продуктов, кг.
GСМ = g1+g2+g3+…+gn; (2.1.6.)
g1 ,g2 ,g3…gn - количество отдельных продуктов, загружаемых в котел, определяется по нормам раскладки для приготовления данного блюда, кг;
сСМ – средняя теплоемкость смеси загружаемых продуктов в интервале температур tK и tH, кДж/кг0С.
с1, с2, с3…сn – теплоемкости отдельных продуктов, кДж/кг0С.
Теплоемкость отдельных продуктов принимается из таблицы или подсчитывается по формуле:
ссм = , (2.1.7.)
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;
tK – конечная температура загружаемых продуктов (температура
кипения), 0С;
tСМ – начальная средняя температура загружаемых продуктов,
определяемая из выражения:
tСМ = , (2.1.8.)
t1, t2…tn – начальная температура отдельных продуктов загружаемых в котел, 0С.
DW¢¢=17кг.0,02=0,34кг
Общее количество загруженных одновременно в макароноварку пельменей.
Среднюю теплоемкость смеси, т.е. пельменей можно принять равной 1,68 кДж/кг0С
tСМ – начальная средняя температура загружаемых пельменей составляет –180С
п= =0,85.(40-3,92)/1,37=22,38
GСМ=13порций.1кг=13кг
Q1¢¢ =22,38кг.1,68.103Дж/кг0С(1000С+180С)+0,34кг.2258,2.103 Дж/кг =3344908Дж=3344,91кДж
2.1.2. Определение потерь тепла в окружающую среду
Для определения потерь тепла макароноварки в окружающую среду при нестационарных и стационарных режимах можно воспользоваться следующей формулой:
, (2.1.9.)
где - потери тепла через стенки макароноварки в окружающую
среду, кДж;
- потери тепла через крышку макароноварки в окружающую
среду, кДж;
- потери тепла через дно макароноварки в окружающую среду, кДж.
Теплопотери через дно незначительны, поэтому при расчете не учитываются.
Потери тепла определяются по формуле:
Q2 = ; (2.1.10.)
где F – поверхность ограждения (крышка, стенки), м2;
a0 – коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м2час. 0С;
tп – средняя температура поверхности ограждения, 0С;
t0 – температура окружающей среды, 0С;
t - продолжительность периода варки в часах.
В процессе отдачи тепла ограждением котла имеет место теплоотдача конвекцией и лучеиспусканием, поэтому коэффициент теплоотдачи в данном случае определяется по формуле:
a0 = aк + aл, (2.1.11.)
где aк – коэффициент теплоотдачи конвекцией, кДж/м2час0С;
aл – 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;
l - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м0С;
b - коэффициент объемного расширения воздуха, I/0С;
b = , (2.1.12.)
aк – коэффициент теплоотдачи конвекцией. Вт/м2×0С;
l – определяющий геометрический размер, м;
v – коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с;
Dt – перепад температур между ограждением и воздухом
. (2.1.13.)
При свободной конвекции в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид:
Nu = c(Gr×Pr)n, (2.1.14.)
Величины с и n для отдельных областей изменения произведения (Gr×Pr) можно принять из таблицы 2.1.:
Таблица 2.1.
Gr×Pr
с
п
1×10-3 - 5×102
5×102 - 2×107
2×107 - 1×1013
1,18
0,54
0,135
1/8
¼
1/3
Определяющим геометрическим размером при этом может являться диаметр котла или высота ограждения.
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 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
, (2.1.15.)
Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием aл определяется по формуле Стефана-Больцмана:
aл = , (2.1.16.)
где Е – степень черноты полного нормального излучения поверхности, для различных материалов
С0 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м2×К4); С0 = 5,67 Вт/(м2×К4);
tп – средняя температура теплоотдающей поверхности, 0С;
t0 – температура окружающего поверхность воздуха, 0С;
Тп – абсолютная температура поверхности ограждения, К
Тп = tп+273
Т0 – абсолютная температура окружающей среды, 0К
Т0 = t0+273
Нестационарный режим.
Для расчета потерь тепла в окружающую среду можно пользоваться формулой:
, (2.1.17.)
где t¢ - время разогрева аппарата, час;
- коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м2час0С;
- средняя температура поверхности ограждения за время разогрева, 0С
, (2.1.18.)
tК –температура поверхности ограждения к концу разогрева, 0С;
tН – начальная температура поверхности ограждения принимается равной температуре окружающей среды, 0С.
Температуру отдельных поверхностей макароновареи к концу разогрева можно принять:
а) для стен tк = 60 – 650С;
б) для одностенной крышки макароноварки tк = 85 – 900С;
в) для двухстенной крышки макароноварки tк = 70 –750С.
При определении коэффициента теплоотдачи конвекцией определяющая температура для воздуха, окружающего корпус (ограждение) будет равна:
, (2.1.19.)
1. Потери через крышку
0,5 (550С+200С)=37,50С – это определяющая температура воздуха вблизи крышки, по ней принимаем следующие величины:
а=2,43.10-3 м/с; v=16,96.10-4 м/с
Страницы: 1, 2
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.