Практическая работа специальности 15.02.01.

  • docx
  • 26.11.2022
Публикация на сайте для учителей

Публикация педагогических разработок

Бесплатное участие. Свидетельство автора сразу.
Мгновенные 10 документов в портфолио.

Иконка файла материала Практическое занятие 9.docx

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/кгград;

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 = 2рr= 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 iК (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•1081/3 = 135,18

Nu(стенка) = 0,135•(2,12•1081/3 = 80,5

Nu'(крышка) = 0,135•(17,79•1081/3 = 163,6

Nu'(стенка) = 0,135•(4,29•1081/3 = 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 + Q= 37 710+342,2+36 570,34 = 74 622,54 кДж

Стационарный режим: Q' = Q'1 + Q'= 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.