124984 (Котел пищеварочный электрический), страница 3

К - отношение высоты сосуда к диаметру по конструктивным

эксплуатационным соображениям. К = 0,3 - 1,2;

К1 - отношение высоты стрелки к диаметру варочного сосуда,

конструктивным и эксплуатационным соображениям К = 0,05 - 0,1.

Тогда высота варочного сосуда и высота стрелки определяются

формулам:

Где η зап - коэффициент заполнения варочного сосуда, η _зап = 0,8 - 0,85;

Затем определяются конструктивные размеры наружного задавшись предварительно диаметром, который должен быть больше диаметра варочного сосуда на 0,1 м, рассчитывается толщена изоляций, определяется диаметр защитного кожуха, высота крышки котла и высота постамента котла. При этом учитывают, что для удобства обслуживания высота котла не должна превышать 1,2 м.

Принимаем:

давление в варочном сосуде - 0 кПа

Коэффициент заполнения варочного сосуда - 80 - 90% от объема(0,82)

Максимальное количество воды в варочном сосуде при принятом коэффициенте заполнения - 205 кг

Варочный сосуд цилиндрической формы с вогнутым дном (К= 0,8, К1 =0,05) выполнен из листовой нержавеющей стали толщиной - S_BH = 2 мм Зазор между стенками варочного сосуда и наружного котла - S_Py6 = 0,05 мм

Найдем высоту варочного сосуда по формуле:

0.743*0.08=0.594 м

Высота заполнения варочного сосуда определяется по формуле:

Hвн= 0,82 (0,8+0,5*0,05)*0,743=0,503 м

Определяем размеры наружного котла, задавшись предварительно его диаметром, который должен быть больше диаметра варочного сосуда на 0,1 это необходимо ля того, чтобы между варочным сосудом и наружным котлом образовалось пространство, представляющее собой рубашку для промежуточного теплоносителя.

Варочный сосуд выполнен из листовой нержавеющей стали толщиной S_BH= 2мм = 0,002м; наружный котел выполнен из углеродистой стали толщиной S_H= Змм = 0,003м, зазор между стенками варочного сосуда и наружного котла равен S_py6 = 0,05 м.

Диаметр наружного котла D_н вычисляем по формуле:

D_H=D_вн +2*( S_руб + S_{вн +}S_н ) = 0,743+2*( 0,005+0,002+0,003) = 0,853 м

Высота выпуклости наружного котла h равна:

H_н =D_н * Кi = 0.853*0.05 = 0.043 м

Устанавливаем толщину изоляции стенок наружного котла, для чего предварительно определяем удельные потери тепла изолированным котлом q коэффициент теплоотдачи а от наружной поверхности котла воздуху для плоской стенки, температуру стенки наружного котла принимаем равной температуре пара (при избыточном давлении 0,4 атм - 140 кПа, t_s 109,3°С), температуру изолируемой стенки t_kk = 60°С, так как температура на поверхности котла не должна превышать 60°С.

где t _в - температура воздуха в помещении, t _воз = 20°С.

а = 9,1 А + 0,07 * (60 - 20) = 12,54 (Вт./(м2°С))

а=12,54 * (60 - 20) = 501,6 (Вт/м²)

Теплоизоляционный материал — альфоль, гофрированная, ее коэффициент теплопроводности λ находим по таблице, он определяется по следующей формуле:

λ= 0,059 + 0,00026 * (ср, (Вт/(м² °С))

t_ср= 0,5 * 109,3 + 60 = 87,7 °С

λ = 0,059 + 0,00026 * 84,7 = 0,081 Вт/(м² °С)

Толщина изоляции D_к определяется по выражению: диаметр защитного кожух будет равен:

0,5 мм = 0,0005 м толщина листа кожуха, выполненного из листовой углеводородистой стали, покрытой светлой малью.

D =0.853+2*(0.008+0.0005)= 0.87 м

Учитывая, что для удобства обслуживания общая высота котла не должна превышать Ноб_Щ <1,2 м, и принимая высоту сферической крышки И_кр = Ь_вн= 0,037м, определяем высоту постамента Н_пост

Н_пост = 1,2 – h_вн – h_н – h_кр = 1,2-0,594-0,043-0,037 = 0,526 м

4.2 Теплотехнический расчет

Расчет теплового баланса котла

Расчет теплового баланса котла на электрообогреве соответственно для нестандартного и стационарного режимов работы производится по формуле:

где - полезно используемое тепло, Дж;

-потери тепла в окружающую среду, Дж;

-потери тепла на разогрев конструкций, Дж.

Полезно используемое тепло определяется для нестационарного, а условно полезно используемое тепло для стационарных режимов работы соответственно по выражениям:

Q₁ = W C ( t_k^вод – t_н^вод ) + W * r

Q ^יּ₁ = Δ Wיּ * r

где W - максимальное количество воды в варочном сосуде при принятом коэффициенте заполнения г| зал ⁼ 0,82, кг;

С - теплоемкость воды, (Дж/(кг°С)), С = 4187 Дж/(кг °С)

( t_н t_k - соответственно начальная и конечная температура воды, °С; количество испарившейся воды, при нестационарном режиме работы котла

r - теплота теплообразования, кДж/кг.

Потери тепла ограждениями котла в окружающую среду рассчитываются для нестационарного и стационарного режимов работы по формуле:

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м" °С);

-площадь >го элемента поверхности аппарата, м²

-температура ^-го элемента поверхности аппарата, С;

т - время работы аппарата, с.

Потери тепла дном котла незначительны, и ими можно пренебречь.

Потери на разогрев конструкции рассчитывают по формуле:

где - масса ] -го элемента аппарата,

- теплоемкость ^-го элемента аппарата, Дж/(кг °С); - конечная и начальная температура соответственно >го аппарата, °С

Полезно используемое тепло при расчете пищеварочных котлов определяется из условий нагревания и кипения воды. Полезно используемое определяется для стационарного, а условно используемое тепло для стационарного режимов работы соответственно по выражениям:

Q₁ = W C ( t_k^вод – t_н^вод ) + W * r

Q _j = Δ W * r

Где pвоз плотность воды, pвоз ~ 1 кг/д³, при температуре t ^вод_н = 20 °С; t ^вод_к - температура кипения, t ^вод_к = 100 °С

- для стационарного режима, - для нестационарного;

г= 2257,5 кДж/кг - теплота парообразования.

• = 205 * 4187 * (100 - 20) = 68,67 * 10⁶ Дж;

• = 2,05 * 2257,2 = 4,63 * 10⁶ Дж

Потери тепла ограждениями котла в окружающую среду определяются нестационарного и стационарного режимов по формуле:

Поверхность стенок кожуха котла определяется как боковая поверхность цилиндра по выражению:

F_k =п*D_к *H_общ

Р_к= 3,14 * 0,870² / 4 = 0,594 ( м²)

Поверхность крышки и верхней горизонтальной поверхности котла определяется приблизительно как площадь круга:

F_кр =п*D² _кр/4

Fкр = 3,14 * 0,870²/ 4 = 0,594 (м²)

Начальная температура ограждений принимается равной температуре воздуха в помещении 1_1К = 1_вод = 20 °С

Коэффициент теплоотдачи, может быть, рассчитал по формуле:

а = 9,74 + 0,07* (I _ср] - (_воз), (Вт/м²°С) — для нестационарного режима,

а' = 9,74 + 0,07 * (I _ку- - 1_в03), (Вт/м^2оС) — для стационарного режима,

Q₅ = [12,36 * 0,594 * (57,5 - 20) +11, 14 * (40-20) * 3,28]*3900 = 3,924 * 10⁶

0'₅= [14,99 * 0,594 * (95-20) + 12,54 * 3,28 * (40-20)]*3600 - 8,327 * 10⁶ (Дж)

Потери тепла дном котла незначительны, и ими можно пренебречь.

Потери на разогрев конструкции определяются по выражению

Потери тепла на разогрев варочного сосуда котла определяем по формуле:

где - соответственно теплоемкость материала, масса, конечная температура варочного сосуда котла.

Объем варочного сосуда определяют по формуле:

Плотность материала, кг/м - 7800.

Масса варочного сосуда, кг –

М _вн = 0,0036 * 7800 = 28,08кг.

Конечная температура, X _ш = 100°С.

Теплоемкость материала элемента, Дж/(кг°С) — 462.

Q^вн₆ = 462 * 28,08 * (100 - 20) = 1037,8 * 10³ Дж

Потери котла на разогрев крышки определяем по формуле:

Где Скр, Мкр, t ккр - соответственно теплоемкость материала, масса, конечная температура крышки котла.

Крышка котла изготовлена из нержавеющей стали.

Теплоемкость нержавеющей стали С_ср = 462 Дж/(кг°С).

Плотность материала, кг/м³ - 7800. Конечная температура, °С X ккр = 95.

Вычислим объем крышки по формуле

Потери котла на разогрев наружного котла с парогенератором определяем по формуле:

где С_н, М_н, 1кн - соответственно теплоемкость материала, масса, конечная температура наружного котла с парогенератором. Наружный котел изготовлен из стали углеродистой.

Теплоемкость стали углеродистой С_н = 462 Дж /(кг°С).

Плотность материала, кг/м³ — 7800.

Конечная температура, 1_н = 109,3 ~ ^

Вычислим объем наружного котла с парогенератором по формуле:

где С_из, М_из, I киз - соответственно теплоемкость материала, масса,

конечная температура теплоизоляционной конструкции.

Материал элемента — асфоль.

Теплоемкость асфоли С_из - 92 Дж/(кг°С).

Плотность асфоли, кг/м³ 20

Конечная температура:

Вычислим объем теплоизоляционной конструкции по формуле:

V= 0,008 * [3,14 * (0,594 + 0,043) * (0,853 + 0,008)] = 0,0138 м³.

Масса теплоизоляционной конструкции, кг

-М_из = 0,0138 * 20 = 0,276 кг.

(Q^И3₆ = 92 * 0,276 * (84,65 - 20) = 1,64 * 10³ Дж

Потери тепла на разогрев кожуха котла определяем по формуле:

Где С_к, М_к, 1кк - соответственно теплоемкость материала, масса, конечная температура кожуха котла.

Материал кожуха котла - сталь углеродистая. Теплоемкость материала - 462 Дж/(кг°С). Плотность материала - 7800 г/м³.

Конечная температура: t_кк=60°С.

Вычислим объем кожуха котла по формуле:

Потери тепла на воду в парогенераторе определяем по формуле:

где С_в, М_в, 1кв - соответственно теплоемкость воды, масса, конечная температура воды в парогенераторе. Материал: вода.

Теплоемкость воды, С_в = 4187 Дж/(кг°С).

Плотность воды - 1000 кг/м³.

Конечная температура: (₃ = 109,3 °С.

Вычислим объем воды в парогенераторе по формуле:

_Vв= 0,2* 0,2* 0,4 = 0,016м³

Масса воды в парогенераторе, кг - М_в = У_в *р_в

М_в= 0,016 * 1000 = 16кг

Потери тепла на разогрев воды в парогенераторе:

^Qв₆ = 4187 * 16 * (109,3 - 20) = 5982,38 * 10³ Дж.

Потери тепла на разогрев каркаса и арматуры котла определяем по формуле:

где С_Кар,М_кар, (ккар - соответственно теплоемкость материала, масса, конечная температура каркаса и арматуры котла.

Материал элемента - сталь углеродистая.

Плотность материала - 7800 кг/м³.

Масса элемента: 250% от массы варочного сосуда,

то есть m = 28,08 * 250/ 100 = 70,2кг

Конечная температура: t _кар= ( t_s +t_k)/2 = (109,3 + 60) / 2 = 84,65 °С

Теплоемкость материала - 462 Дж/(кг°С).

Q^кар₆ = 462 * 70,2 * (84,65 - 20) = 2096,75 * 10³ Дж

Потери на разогрев конструкции составляют:

Q₆=1037,8*10³+324,3*10³+2429,6*10³+1,64*10³+230,63*10³+5982,38 * 10³ + 2096,75 * 10³ = 12103,1 * 10³ Дж

Потери тепла на разогрев постамента не учитываются из-за незначительной величины.

Расход тепла на нестационарный и стационарный режим работы котла соответственно равен:

Q _зат= 68,67 * 10⁶ + 3,924 * 10⁶ + 12,10 * 10⁶ = 84,694 * 10^б Дж

Q^/_зат =4,63 * 10⁶ + 8,327 * 10⁶ = 12,957 * 10⁶ Дж

Расчет поверхности нагрева пищеварочного котла. Расчет необходимой площади нагрева пищеварочного котла определяется по формуле:

где Q – количество тепла, которое надо передать через поверхность нагрева в единицу времени, Вт/(Дж/с);

к - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к нагреваемой среде, Вт/(м^2оС);

Δt^срлог - среднелогарифмическая разность температур, определяется по формуле:

где ^Δtб, ^Δtм - соответственно наибольшая и наименьшая разности между температурой теплоносителя и нагреваемой средой, °С.

Количество тепла, переданное через поверхность нагрева, равно:

ГдеQ-полезно-используемоетепло,Дж;

Q^ВН6 - потери тепла на разогрев варочного сосуда, Дж;

Q^ВН6 - потери тепла на разогрев крышки котла, Дж;

Q^ВН6 - потери тепла кожухом котла в окружающую среду, Дж.

Потери тепла кожухом котла в окружающую среду определяют по формуле:

где а_к, Р_к, *кк - соответственно коэффициент теплоотдачи, площадь поверхности кожуха котла, конечная температура поверхности кожуха котла.

Q^к₅ = 11,14 * 3,28 * (40 - 20) * 3900 = 2850 * 10³ Дж.

Количество тепла, переданное через поверхность нагрева, равна:

Q = 68,67 * 10⁶ + 1037,8 * 10³ + 324,3 * 10³ +2850,0 * 10³ = 72,88 * 10⁶ Дж.

Среднелогарифмическая разность температур равна:

Δt^cp_лог = (109,3 - 20) - (109,3 - 100))/ 2,31g* ((109,3 - 20) /(109,3 - 100)) = 35°С.

Коэффициент теплопередачи для случая передачи тепла от конденсирующихся водяных паров к воде приблизительно равен К = 2900 Вт/(м2°С).

Необходимая поверхность нагрева будет равна:

F = 72,88 * 10⁶/ (2900 * 3900 * 35) = 0,184м²

Фактическая поверхность нагрева рассчитывается о формуле:

F = 3,14 * 0,743 * 0,594+ 3,14 * 0,743² / 4 = 1,819 м²,

то есть значительно больше необходимой.

Расход тепла на нестационарный и стационарный режимы работы котла соответственно равен:

Q₃a_T = 84,694 * 10⁶ Дж,

Q'₃a_T =12,957 * 10⁶ Дж.

Коэффициент полезного действия котла при нестационарном режиме работы равен:

η = 68,67 * 10^б/ 84,694 * 10⁶ = 0,81 или81%

Удельные металлоемкости и расход тепла определяем по формулам

где, М_м - масса металлоконструкции аппарата, кг

где Мп - масса готового продукта или полуфабриката

Найдем массу постамента: она составляет 400% от массы варочного сосуда

М_посг = 28,08 * 400 / 100 = 112,32 кг

М_м= 28,08 + 9,36 + 58,89 + 0,276 + 12,48 + 70,2 + 112,32 = 291,61кг.

Удельная металлоемкость равна

М_м = 291,61 /250 = 1,17 кг/дм³.

Удельный расход тепла

Q = 84,694 * 10⁶ / 205 =413,14 * 10³ Дж/кг

Металлоемкость рассчитываемого аппарата ниже металлоемкости серийно выпускаемых аппаратов, что объясняется некоторыми упрощением его конструкции (одинарная крышка, отсутствие арматуры у варочного сосуда, меньшая масса противовеса крышки и т.д.).

Что касается удельного расхода электроэнергии, то он несколько выше ввиду низкого коэффициента заполнения котла (η_зап ~ 0,82), когда как для серийно выпускаемых аппаратов он принимается равным 0,9.

4.3 энергетический расчет

Мощность нагревательных элементов при нестационарном и стационарных режимах работы соответственно составит:

Р = 84,694 * 10⁶ / 3900 = 21,72 * 10³ Вт = 21,72 кВт

Р' = 12,957 * 10⁶ / 3600 = 3,60 * 10³ Вт = 3,60 кВт

Соотношение мощности котла при нестационарном и стационарном равно:

Р/Р' = 21,72/3,60

Учитывая мощность тэнов принимаем максимальную мощность Р = 24кВт минимальную Р' = 4 кВт. В этом случае время разогрева составит

Траз = 84,694 * 10⁶/24 * 10³ = 3529 ~ 59 мин

Электрические пищеварочные котлы присоединяются к трехфазной сети поэтому с точки зрения равномерной нагрузки фаз тэны целесообразно устанавливать в количестве, кратное трем.

Для рассчитываемого котла максимальную мощность Р целесообразно равной 24 кВт (при параллельно включенных шести тэнах по 4 кВт каждый), а минимальную Р' равной 4 Вт (два последовательно соединенных тэна, один тэн отключен). В этом случае соотношение мощности котла при нестационарном и стационарных режимах: Р/Р' = 24/4 = 6

Заключение

Темой курсового проекта было задание разработать котел электрический пищеварочный типа КПЭ полезной емкостью 250 л.

Разработанный пищеварочный котел с электрообогревом отвечает требованиям технологии приготовления пищи; обеспечивает тепловую обработку продуктов при минимальной затрате энергии, так как у него нет тепла в результате механического и химического недожога и с уходящими газами как у твердотопливных и газовых пищеварочных котлов, удельный расход тепла за счет относительно меньших потерь его в окружающую среду и на разогрев конструкции; обладает высокой степенью надежности, создает оптимальные условия работы для обслуживающего персонала, облегчает их труд; повышает качество приготовления пищи и обслуживания посетителей; повышает производительность и требованиям техники безопасности и производственной санитарии, обеспечивая безопасность обслуживающего персонала.

Список используемой литературы

1)Богданов Г.А. и др. Оборудование предприятий общественного Учебник для сред. проф.-техн. училищ / Г.А. Богданов, З.М. А.М. Богданова. — 3-е изд., перераб. — М.: Экономика, 1991. — 303

2)Гуляев В.А., Иваненко В.П., Исаев Н.И. и др. Оборудование предприятий торговли и общественного питания. Полный курс: Учебник / проф. В.А. Гуляева. — М.: Т4ВФРА, 2004. — 543 с.

3)Золин В.П. Технологическое оборудование предприятий общественного питания. — М.: 14РПО, Академия, 2000. — 256 с.

4) Литвина Л.С, Фролова З.С. Тепловое оборудование предприятий общественного питания: Учебник для мех. отделений техникумов. — 3-е изд, и доп. — М.: Экономика, 1980. — 248 с.

5)Лунин О.Г., Вельтищев В.Н., Калошин Ю.А. и др. Курсовое и дипломное проектирование. — М.: Пищевая промышленность, 1990.

6)Титова А.П., Шляхтина А.М. Торгово-технологическое оборудование: Учебник для технол. отделений техяикумов. — М.: Экономика, 1983.—296 с.

7)Щеглов Н.Г., Гайворонский К.Я. Технологическое оборудование предприятий общественного питания и торговли: Учебник для средних специальных учебных заведений. — М.: Издательский дом «деловая литература», 2001. — 480 с.