Практическое занятие 9
По ОП.7 Технологическое оборудование
Тема: Расчет затрат тепла на проведение теплового процесса.
Цель: произвести расчет затрат тепла.
Общие сведения по изучаемой теме
Теплообменными аппаратами называют устройства, в которых происходит передача теплоты от одного тела к другому. Тела, которые отдают или принимают теплоту, называют теплоносителями. Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных в технике процессов.
По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Выделяются еще теплообменные устройства, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляется за счет внутренних источников теплоты.
Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой.
Регенераторы - такие теплообменные аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости.
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 |
600 |
мм |
|
Высота варочного сосуда |
432 |
мм |
|
Ширина щели греющей полости рубашки |
20 |
мм |
|
Диаметр кожуха |
760 |
мм |
|
Высота кожуха |
550 |
мм |
|
Высота шейки |
60 |
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 |
140 |
кН/м2 |
|
Максимальное давление в варочном сосуде |
100 |
кН/м2 |
|
Сухость пара |
95 |
% |
|
Количество пролетного пара в конденсате |
5 |
% |
|
Начальная температура нагреваемой среды |
10 |
°С |
|
Конченая температура нагреваемой среды |
100 |
°С |
|
Котел паровой Исходные данные для расчета проектируемого пищеварочного котла приведены в таблице 1.
1. Тепловой баланс. Его составляющие
1. 1 Тепловой баланс
Для парового котла уравнение теплового баланса:
Нестационарный режим: Q = Q1 + Q5 + Q6
Стационарный режим: Q' = Q'1 + Q'5
1. 2 Рассчет Q1. 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(tк - tн) + ?Wr, кДж (1)
где с - удельная теплоемкость воды, кДж/кг•град;
W - количество нагреваемой воды, кг;
tн, tк - 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 Q5. 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•бi•Fi•(tсрпов i - tв)•фi, кДж (3)
Q'5 = ?3,6•б'i•Fi•(t'српов i - tв)•ф'i, кДж (4)
где ? - сумма потерь тепла наружными элементами ограждения аппарата;
Fi - площадь поверхности, м2;
бi, б'i - коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения к воздуху соответственно при нестационарном и стационарном режиме, Вт/м2•град;
tсрпов i, t'српов i - средняя температура поверхностей наружных ограждений соответственно при нестационарном и стационарном режиме,°С (табл. 2);
фi - время разогрева аппарата до стационарного режима, ч;
ф'i - время, определяющее стационарный режим работы аппарата, ч;
tв - 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 |
55 |
90 |
|
Боковая теплоизоляционная поверхность |
40 |
60 |
|
Площадь поверхности:
Fкрышки = 2рr2 = 3,14*0,382 = 0,439 м2;
Fбок = 2рrh = 2*3,14*0,38*0,55 = 1,312 м2.
Температура поверхностей:
Тпов i = 273 + tсрпов i,°К (5)
Т'пов i = 273 + t'српов i,°К (6)
Ткрышки= 273 + 55 = 328К
Тстенки= 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:
бi = бiл + бiк, Вт/м2•°С (5)
б'i = б'iл + б'iк, Вт/м2•°С (6)
где бiл, б'iл - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м2•град;
бiк, б'iк - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м2•град.
Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием соответственно при нестационарном и стационарном режиме определяется по формулам:
бiл = е•С0/(tсрпов i - tв)•[(Тпов i/100)4 - (Тв/100)4], Вт/м2•°С (7)
б'iл = е•С0/(tсрпов i - tв)•[(Т'пов i/100)4 - (Тв/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;
Тпов i, Т'пов i - абсолютные температуры ограждений, К;
Тв - температура воздуха, К.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией определяется по критериальному уравнению для свободной конвекции в неограниченном пространстве по формулам:
бiк = Nu•л/l = c•(Gr•Pr)n•л/l, Вт/м2•°С (9)
б'iк = 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)
Pr' = 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 + tm), 1/•град (17)
в' = l'/(273 + t'm), 1/•град (18)
где l - определяющий геометрический размер поверхности ограждения, м;
tm, t'm - средняя температура пограничного воздуха около поверхности ограждения, которая определяется по формулам,°С.
tm = (tсрпов i+ tв)/2,°С (19)
t'm = (t'српов i + tв)/2,°С (20)
tm крышки = (55+ 25)/2 = 40°С
tm стенки = (40+ 25)/2 = 32,5°С
t'крышки = (90 + 25)/2 = 57,5°С
t'стенки = (60 + 25)/2 = 42,5°С
вкрышки = l/(273 + 40) = 0,0032 1/К
встенки = 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
бкрышкак = 135,2•0,0276/0,76 = 4,87 Вт/м2•°С
бстенкак = 80,5•0,0270/0,55= 3,95 Вт/м2•°С
б'крышкак = 163,6•0,0289/0,55 = 6,22 Вт/м2•°С
б'стенкак = 101,8•0,0278/0,55= 5,15 Вт/м2•°С
бкрышка = 0,52 + 4,87 = 5,39Вт/м2•°С
бстенка = 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 = ?сi•Мi•(tiк - tiн), кДж (19)
В свою очередь Q6 делится на составляющие, которые представлены в формуле:
Q6 = Q6вар. сос.+ Q6наруж.котел.+Q6вода в парогенерат+Q6крышка+Q6теплоизоляц+Q6кожух, кДж
где ? - сумма потерь тепла, кДж;
n - число элементов конструкции;
сi - удельная теплоемкость, кДж/кг•град;
Мi - масса отдельного элемента конструкции, кг;
tiк, tiн - средняя конечная и начальная температуры,°С
Мi = Vi•сi, кг (20)
Vi = Fi•дi, м3 (21)
где Vi - объем материала элемента конструкции, м3;
сi - плотность материала элемента конструкции, кг/м3;
Fi - площадь поверхности элемента конструкции (расчет приводится по внутренним размерам конструкции аппарата), м2;
дi - толщина стенки элемента конструкции, м.
Таблица 3. Теплофизические свойства материалов конструкции и промежуточных теплоносителей
Материал |
с, кг/м3 |
с, кДж/кг•град |
|
Сталь |
7900 |
0,46 |
|
Фольга алюминиевая мятая |
20 |
0,92 |
|
Вода |
983 |
4,19 |
|
Мвар.сосуд = 0,4069•7900•0,003 = 9,64
Мнаруж.котел = 0,4541•7900•0,003 = 10,76
Мкрышка = 0,439•7900•0,0025 = 8,67
Мтеплоизол. = 0,57•20•0,045 = 0,51
Мкожух = 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
1. 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
Порядок выполнения работы
1Изучить данную методическую разработку.
2 Выполнить расчеты
3 Ответить на контрольные вопросы
4 Написать вывод о проделанной работе.
Материалы на данной страницы взяты из открытых источников либо размещены пользователем в соответствии с договором-офертой сайта. Вы можете сообщить о нарушении.