2. Тепловой баланс.

Потребное количество теплоты для нестационарного и стационарного режимов работы аппаратов определяют по формулам, кДж:

Q=Q¹+Q⁵⁺Q⁶ ,

Q'=Q'₁+Q'₅;

1. теплоты на нагрев жира в процессе разогрева аппарата- по формуле Q₁=v*ρ*c*Δt=20*10^-3*903*1.93*(180-20)=5576.9кДж

2. теплоты на жарку картофеля

где z- выход готового продукта, кг/кг;

ε_r- коэф. фазового превращения, равный отношению количества испарившейся влаги к общей потере влаги продуктом ε_r 1. Для выпечки ε_r=1, для жарки ε_r=0,6…0,7.

Δt – среднеобъемное изменение температуры продукта за время процесса, ⁰С.

Δt_V = t_V-t_O

где t_V- среднеобъемная температура продукта к концу процесса, ⁰С.

; т.е. полусумма температур (конечных) на поверхности и в центре изделия, ⁰С.

Q₁=12{3.6*0.5*87.5+(1-0.5)*2256*0.7}=11365 кДж

t_V=(130+85)/2=107,5⁰С; Δt_V=107,5-20=87,5⁰С;

3. потери теплоты стенками аппарата в окружающую среду определяют по формулам

а). Величины теплоотдающих поверхностей :

четыре боковые стенки

F_c =2(в_ф*Н_ф)+2(l_ф*Н_ф)=2(0,8*0,85)+2(0,327*0,85)=1,92 м²

поверхность стола

F_cт=2(0,8*0,03)+(0,03+0,267)+(0,156*0,267)=0,098 м²

поверхность жира в рабочей камере ("зеркало жира")

F_зж=0,6*0,238=0,17 м²

поверхность крышки рабочей камеры

F_кр=0,62*0,303=0,18 м²

б). Средние расчетные температуры теплоотдающих поверхностей:

для нестационарного режима

боковые стенки

поверхность стола

крышка

для стационарного режима

при стационарном режиме крышка в основном открыта и потерями ее пренебрегаем. Физические константы, входящие в критерии подобия, принимаются при средней расчетной температуре t_Р пограничного слоя воздуха у теплоотдающей поверхности

в). средние расчетные температуры пограничного слоя воздуха

для нестационарного режима

у боковых стенок

у поверхности стола

у поверхности крышки

для стационарного режима

у боковых стенок

у поверхности стола

у "зеркала" жира (крышка открыта):

г). определяем произведение GrPr и постоянные С и n.

для нестационарного режима

для боковых стенок

для стола

для крышки

для стационарного режима

для боковых стенок

для стола

для "зеркала" жира

д). Определяем критерий Нуссельта и коэф. теплоотдачи конвекцией

Nu=C(GrPr)ⁿ ;α_k =Nu*λ/l,

где Nu- число Нуссельта; λ - коэф. теплопроводности; l – определяющий геометрический размер.

для нестационарного режима

для боковых стенок

для стола

для крышки

для стационарного режима

для боковых стенок

для стола

для "зеркала" жира (крышка открыта)

е). Определяем коэф. теплоотдачи излучением

для нестационарного режима

для боковых стенок

для стола

для крышки

для стационарного режима

для боковых стенок

для "зеркала" жира (крышка открыта)

ж). Суммарный коэф. теплоотдачи.

для нестационарного режима

для боковых стенок

для стола

для крышки

для стационарного режима

для боковых стенок

для стола

для "зеркала" жира (крышка открыта)

з). Теплопотери в окружающую среду

для нестационарного режима (τ=0,3ч)

для боковых стенок Q₅=1.92*9.85(40-20)*1080=4.08*10⁵Дж.

для стола Q₅=0,098*18,6(50-20)*1080=5,9*10⁴Дж

для крышки Q₅=0,188*17,1(64-20)*1080=1,53*10⁵Дж

для стационарного режима (τ'=3600с)

для боковых стенок Q'₅=1.92*19,1(60-20)*3600=5.3*10⁶Дж.

для стола Q'₅=0.098*21.9(80-20)*3600=4.6*10⁵Дж.

для "зеркала" жира (крышка открыта) Q'₅=0.17*32,7(175-20)*3600=3.1*10⁶Дж.

и). Общие теплопотери в окружающую среду

для нестационарного режима

Σ Q₅ =(4.08*10⁵ +5,9*10⁴+1,53*10⁵)*10^-3 =6,2*10² кДж.

для стационарного режима

ΣQ'₅=(5.3*10⁶+ 4.6*10⁵+3.1*10⁶)*10^-3 =4,29*10³ кДж.

4. Потери теплоты на разогрев конструкции аппарата, Q₆:

Q₆=GC(t_к-t_н),кДж.

Масса элементов конструкции аппарата:

G=F*ρ*δ.

• боковые стенки (материал Ст3, покрытая белой эмалью (δ=1,5*10^-3м), ρ=7900 кг/м³, =0,46кДж/кг*град

G=1,92*1,5*10^-3*7900=22,76кг.

• стол (материал Сталь нержавеющая 12Х18НТ10Т δ=1,0*10^-3м)

G=0,098*1,5*10^-3*7980=1,2кг.

- крышка (материал Сталь нержавеющая 12Х18Н10Т δ=1,5*10^-3м)

G=0,188*1,5*10^-3*7980=2,25кг.

Теплоизоляция

G=F*ρ*δ=1,92*2,2*10^-3*40=0,165 кг.

рабочая камера (материал Сталь нержавеющая 12Х18НТ10Т δ=2*10^-3м);

G=F*ρ*δ=(0,283*0,158)*2+(0,6*0,158)*2+(0,5*0,6*0,118)*2+(0,5*0,283*0,118)*2*2,0*10^-3*7980=5,5кг.

Потерями теплоты на разогрев остальных элементов конструкции аппарата можно пренебречь

Q_в=22,76*0,46(60-20)+1,2*0,468(80-20)+2,25*0,468(108-20)+0,165*0,9(120-20)+5,5*0,468(175-20)=958,6 кДж.

5. Расход теплоты, кДж:

a) для нестационарного режима

Q=Q₁+Q₅+Q₆=5576+620+958.6=7154.6 кДж

б) для стационарного режима

Q'= Q'₁+ Q'₅=11365+4290=15655 кДж.

6. Мощность нагревательных элементов:

a) для нестационарного режима

б) для стационарного режима

Для обеспечения равномерной нагрузки фаз принимаем три ТЭНа. Мощность одного ТЭНа:

P=6624/3=2208Вт.

ТЕМА ЛЕКЦИ№7.: Тепловой расчет при создании новых аппаратов, работающих на различных видах топлива

План лекции:

1. Общие понятия о конструктивном и поверочном расчётах.

2. Тепловой баланс для аппаратов, работающих на различных энергоносителях.

3. Тепловой баланс для тепловых аппаратов, работающих на твердом топливе.

4. Особенности расчета электротепловых аппаратов.

5. Особенности расчета паровых аппаратов.

6. Пути нахождения коэффициента теплоотдачи для конкретных условий.

Несмотря на большое разнообразие тепловых аппаратов назначение их одно и тоже - передача тепла от теплоносителя к нагреваемой среде.

Поэтому основы теплового расчета для всех тепловых аппаратов являются общими.

Различают два расчета:

1. конструктивный расчет (прямая задача)

2. проверочный расчет (обратная задача)

Конструктивный расчет производится при проектировании новых аппаратов, когда по заданной производительности определяют основные размеры аппарата, режим его работы, поверхность нагрева. Затем конструируют аппарат или подбирают готовый.

Проверочный расчет производят для существующего аппарата с целью определения основных технико-экономических показателей. Определяется расход энергии, мощность, КПД.

Тепловой баланс (равенство)

В основе его лежит закон сохранения и превращения энергии.

Q_затр = Q_полезн + Q_потерь

Q_затр - общее количество затраченного тепла в аппарате;

Q_полезн - полезно используемое тепло;

Q_потерь - сумма потерь тепла;

Тепловой баланс твердотопливного аппарата

Q_ЗАТР = Q₁ + Q₂ + Q₃+ Q₄+ Q₅+ Q₆ [Дж]

Q_ЗАТР - тепло, внесенное в топку топливом (без учета физического тепла топлива и воздуха, поступающего в топку);

Q₁- полезное тепло, которое необходимо получить в аппарате;

Q₂- потери тепла с уходящими продуктами сгорания;

Q₃- потери тепла от химической неполноты сгорания топлива;

Q₄- потери тепла от механического недожога топлива (провал, унос, выгреб)

Q₅- потери тепла наружными ограждениями аппарата в окружающую среду;

Q₆- потери тепла на разогрев конструкции аппарата при его нестационарном режиме.

Тепловой баланс для газовых аппаратов

Q_ЗАТР = Q₁ + Q₂ + Q₅ + Q₆, [Дж]

Q₄  0; Q₄= 0

Для электротепловых и паровых аппаратов

Q_затр = Q₁ + Q₅ + Q₆ [Дж]

Для аппаратов па твердом, жидком и газовом топливе

Q_затр = BQ^p_н [Дж]

т.е. зная Q_затр можно определить В

В- расход топлива [кг] или [м³]

Q^p_Н - низшая теплота сгорания [Дж/кг] или [Дж/м³]

Для паровых аппаратов

Q_затр Д(і_Х-і_К) [Дж],

где Д- количество пара, кг

i_x- энтальпия влажного насыщенного пара при входе в паровую рубашку [Дж/кг]; і_К- энтальпия конденсата на выходе из паровой рубашки [Дж/кг]

Для электрических аппаратов

О_затр = Р

Р- мощность электронагревателя, [кВт] 1 кВт^.час = 3600 кДж

 - время работы аппарата, [час] 1 Вт = 3,6 кДж/ч – мощность

Теоретический расход тепла на процесс варки загруженных в котел

продуктов в режиме разогрева

Q₁'=G_CMC_СМ(t_k-l_н.ср)+WC(t_кипrt_н)+W'r [Дж]

G_CM- общий вес смеси продуктов за! ружейных в котел [кг];

С_см - теплоемкость смеси продуктов [Дж/кг^.град];

W- количество залитой жидкости (воды, бульона, молока) [кг];

С-теплоемкость этой жидкости [Дж/кг^.град];

W - количество выкипевшей влаги [кг];

r - скрытая теплота парообразования (зависит от Р, определяется по таблицам) при атмосферном давлении r =2258 [кДж/кг]

G_CM=q₁+q₂+q₃+ +q_n [кг]

Масса продуктов на одну порцию определяется по сборнику рецептур

Количество порций в котле

[порций]

К- 0,8 -0,9 - коэффициент заполнения;

V_K - объём котла, л;

V_П - объём одной порции, л;

V_ИСП - объём испарившейся влаги = W, определяется из уравнения материального баланса;

W для котла равно 5-7% от V_K^.0,9 за 1 час кипения;

W для нестационарного режима, для негерметичных котлов

W  0,5% от V_K^.0,9.

Теплоемкость - количество тепла, которое необходимо для изменения температуры 1кг вещества на 1 градус.

[Д_Ж/_КГ град]

Теплоемкость отдельных продуктов принимаем из таблиц справочников, или, зная влажность «а», можно определить с

[Дж/кг град]

а - влажность в %;

в- сухой остаток в %

1,68- средняя теплоемкость сухих веществ, [Дж/кг град];

;

Иногда начальную температуру можно принять равной 20^оС.

t_к - конечная температура нагрева зависит от Р в аппарате (например 2ати=3ата  t^о  133^оС процесс варки в автоклаве )

W= 0,9V_k_ж - G_CM

_ж- удельный вес жидкости, кг/дм";

С - теплоёмкость жидкости принимаем по таблице (для воды 4,187 [КДж/кг град]);

r-количество тепла, идущее на парообразование 2 режима:

а) разогрев (нестационарный режим)

- негерметичная крышка Q₁=G_СМC_CM(t_k-t_н.cp)+WC(t_KИП – t_H)+W'r; [Дж]

- герметичная крышка Q₁ =G_СMC_СM(t_k-t_Н^СР) + WC(t_КИП – t_H) ;

б) кипение (стационарный режим) Q₁ = Wr