Вступительное слово преподавателя (10 мин)



 

Тема сегодняшнего практического занятия: «Тепловой расчет аппаратов»

Целями сегодняшнего практического занятия является:

¨ закрепление теоретических знаний по теме «Тепловой расчет аппаратов»;

¨ изучение методики расчетов основных теплопотерь и технических характеристик теплового оборудования;

¨ овладение методикой расчетов с использованием персонального компьютера и математической программы MathCAD-14;

¨ приобретение профессиональных умений и навыков.

 

Задачами практического занятия является:

¨ приобретение практических навыков при работе с математической программы MathCAD-14;

¨ освоить основные принципы составления теплового баланса при проведение поверочного расчета аппарата.

 

Основными этапами проведения данного занятия является:

– прослушивание основных теоретических моментов по теме «Тепловой расчет аппаратов»;

– поэтапное составление и выполнение теплового расчета аппарата;

– заключительным этапом является составление заключения о правильности и эффективности работы выбранного теплового аппарата.

 

Тепловая обработка продуктов осуществляется в различающихся по виду, устройству, принципу действия и греющим средам теплообменных аппаратах. Поскольку назначение у всех тепловых аппаратов одно и то же – передача теплоты от потока одной рабочей среды (теплоносителя) к потоку другой (термически обрабатываемой) – основные положения теплового расчета для них являются общими. При этом различают два вида расчетов аппаратов – конструкторский (проектный) и поверочный.

Цель конструкторского расчета – определение поверхности теплообмена и конструктивных размеров аппарата. В этом случае предварительно выбирают конструкцию аппарата, а затем тепловым расчетом определяют площадь поверхности теплообмена, конструктивные размеры этой поверхности и основные элементы аппарата. Конструкторский расчет включает также гидравлический и механический (прочностной) расчет аппарата.

Конструкторский расчет осуществляют при проектировании теплообменного аппарата, когда известны расходы теплоносителей и их параметры или производительность и расход теплоты (теплопроизводительность аппарата).

Целю поверочного расчета является выбор условий, обеспечивающих рациональный режим аппарата.

Поверочный расчет выполняется для выявления возможности имеющихся или стандартных теплообменных аппаратов для заданного технологического процесса. При поверочном расчете задаются размеры аппарата и условия его работы, а неизвестной величиной является фактическая производительность теплообменного аппарата. Поверочный расчет необходим также для оценки работы аппарата при режимах, отличных от номинальных (при модернизации, автоматизации или других технических мероприятиях).

Работа любого теплового аппарата как периодического, так и непрерывного действия состоит из периода разогрева и стационарного периода. Период разогрева (неустановившийся, нестационарный режим) характеризуется ростом температур отдельных элементов аппарата до какого-то определенного постоянного значения. Стационарный режим отражает работу аппарата при постоянной температуре всех элементов. В связи с этим тепловой баланс аппарата составляют на нестационарный режим работы (период его разогрева) и на стационарный режим (процесс тепловой обработки).

Тепловые балансы для нестационарного и стационарного режимов работы аппаратов выражаются следующими уравнениями:

 

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

Q/=Q/1+Q/2+Q/3+Q/4+Q/5

 

где Q – теплота, вносимая в аппарат энергоносителем;

Q1 – полезная теплота, необходимая для осуществления технологического процесса;

Q2 – потери теплоты с уходящим продуктами сгорания топлива. Эти потери имеют место в аппаратах, использующих нагрев за счет сгорания твердого, жидкого или газообразного топлива. Потери обусловлены тем, что продукты сгорания топлива выходят из аппарата с температурой, значительно превышающей температуру окружающего воздуха.

Q3 – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива. Эти потери могут быть обусловлены недостатком воздуха в камере сгорания, недостаточным перемешиванием топлива с воздухом, нарушениями температурных режимов горения.

Q4 – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, что обусловлено провалом через колосниковую решетку, выпаданием в шлак и уносом с продуктами сгорания отдельных несгоревших частиц твердого топлива.

Q5 – потери теплоты наружными ограждениями аппарата в окружающую среду. Потери являются следствием превышения температуры наружных ограждений аппарата над температурой окружающей среды. При этом от ограждений имеет место теплоотдача конвекцией и излучением.

Q6 – потери теплоты на разогрев конструкции аппарата. Потери обусловлены необходимостью повышения температуры отдельных элементов конструкции аппарата по отношению к их начальной температуре.

 

Предполагаемая методика составления баланса может с некоторой корректировкой использоваться для всех аппаратов. При этом для составления общего вида теплового баланса аппаратов, работающих на газе, твердом топливе, паре или электроэнергии, следует руководствоваться таблицей 1.

 

Таблица 1

Общий вид теплового баланса аппарата

Вид

энергоносителя

Режим работы аппарата

нестационарный стационарный

Уравнения теплового баланса

Газ, твердое и жидкое топливо Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 Q=Q/1+Q/2+Q/3+Q/4+Q/5
Электричество, пар Q=Q1+Q5+Q6 Q=Q/1+Q/5

 

Индекс «штрих» в таблице 1 и в дальнейших формулах означает, что все статьи теплового баланса соответствуют стационарному режиму работы аппаратов.

 

Количество полезно используемого тепла Q1, кДж, пошедшее на нагревание продукта или жидкости в рабочей камере аппарата при соответствующем режиме работы, определяется по формуле

 

                  (1)

 

где С – удельная теплоемкость жидкости заливаемой в рабочую камеру аппарата, кДж/кг*град;

 W – масса жидкости, заливаемой в рабочую камеру аппарата, кг;

(tк-tн) – разность между начальной и конечной температурой жидкости, заливаемой в рабочую камеру аппарата, град;

– сумма полезно используемого тепла, израсходованного на нагревание продуктов;

  сi – удельная теплоемкость отдельного продукта или составных частей изделия (корочка, мякиш и т.д.), кДж/кг*град;

Мi–масса отдельного продукта или составных частей изделия, кг;

(tкпр-tнпр)i – разность между начальной и конечной температурой отдельного продукта или составных частей изделия, град.

 

Масса продуктов и жидкости для конкретного задания (блюда) определяется по сборнику рецептур блюд и кулинарных изделий для предприятий общественного питания / под ред. Ф.Л. Марчука. – М. 1996. – 615 с.

В качестве примера рассмотрим поверочный расчет котла пищеварочного электрического КПЭ-160, в котором приготовим «Борщ» по рецептуре №109.

Для определения всех теплопотерь необходимо определить количество порций, которые можно будет приготовить в рассматриваемом оборудовании.

 

Количество порций определяем по формуле

                               (2)

где Кзап – коэффициент заполнения (0,8-0,9);

Vк – объем котла, м3;

Vисп – количество испарившейся жидкости, при приготовлении блюда, м3;

Vп  – объем одной порции, м3.

 

 порций.

 

Для определения полезно используемого тепла на нагрев продуктов необходимо определить массу продуктов для приготовления 256 порций борща. Выход одной порции 500 г.

 

Рецептура №109 «Борщ»

Наименование сырья На 1 порцию, г На 256 порций, кг
Свекла 80 20,48
Капуста свежая 60 15,36
Морковь 20 5,12
Петрушка (корень) 5 1,28
Лук репчатый 20 5,12
Томатное пюре 15 3,84
Кулинарный жир 10 2,56
Сахар 5 1,28
Уксус 3 %-ный 8 2,05
Бульон 400 102,00
    159,09

 

Также нам необходимо определить удельную теплоемкость каждого компонента, который входит в состав приготавливаемого блюда. С этой целью воспользуемся таблицей 2, в которой приведены наиболее часто встречающиеся продукты.

 

Таблица 2

Средняя теплоемкость пищевых продуктов от 0 до 100 оС

(по различным источникам)

Наименование продукта Влажность, % Теплоемкость кДж/кг*град
1 2 3
Бульон - 4,11
Бульон концентрированный - 3,10
Вермишель - 2,32
Горох 14 1,85
Капуста белокочанная сырая 90 3,90
Капуста белокочанная варенная 97 4,11
Капуста квашенная 91 3,85
Капуста цветная сырая 90 3,90
Картофель сырой 75 3,52
Картофель варенный 80 3,64

Продолжение таблицы 2

1 2 3
Каша гречневая 70 3,35
Каша манная 80 3,64
Каша пшенная 72 3,64
Кости 50 2,10
Котлеты телячьи жаренные 58 3,10
Котлеты сырые 72 3,44
Крупа пшенная 9-15 1,67
Крупа гречневая 10-14 2,51
Крупа перловая 10-15 2,80
Крупа овсяная 7-12,5 1,88
Крупа манная 14-14,5 1,88
Крупа ячневая 13,5-15 1,85
Лапша 12,5-13,5 1,85
Лук репчатый 80-90 3,76
Лук порей 92 3,99
Макароны 12,5-13,5 1,85
Маргарин 16,0 1,78
Масло сливочное 14-14,5 2,09
Масло топленое 1,0 1,88
Масло растительное - 1,68
Молоко коровье 87 3,83
Морковь сырая 86-90 3,80
Морковь вареная 92 3,78
Мука 12-13,5 1,84
Мясо жирное 51 2,89
Мясо тощее сырое 72 3,43
Мясо тощее вареное 57 3,06
Овощи и зелень 65-95 3,18
Огурцы соленые 97 4,10
Огурцы вареные 97 4,10
Пшено 15 1,85
Рис 10,5-13,5 1,80
Рыба жареная 60 3,02
Рыба свежая 80 3,60
Рыба соленая вяленая 16-20 1,76
Рыба тощая 70 3,30
Сахар - 1,26
Сметана 57-73 3,20
Соль поваренная 1 4,47
Суп гороховый 88 3,86
Суп картофельный 91 3,93
Щи - 3,76

Если в выше приведенной таблице не оказалось необходимых значений, то можно воспользоваться следующей формулой

 

                                                                               (3)

 

где а – влажность продуктов, %;

  Ссв – теплоемкость сухого вещества продукта, кДж/кг*град, (Ссв=1,25÷1,67).

 

Например: определим теплоемкость для томатного пюре

 

 и т.д.

 

В нашем примере конечный результат по определению количества полезно используемого тепла на нагрев продуктов в режиме разогрева (нестационарном) будет иметь следующий вид

 

 

Расход тепла на испарение жидкости , кДж, при соответствующем режиме тепловой обработки продукта рассчитывается по формулам

                                                                                     (4)

где r – полная теплота парообразования, кДж/кг;

ΔW – масса испарившейся жидкости, кг.

 

 кДж.

 

Потери тепла в окружающую среду наружными ограждениями аппарата Q5, кДж, определяется по формулам

                        ,                      (5)

                       ,                 (6)

 

где – сумма потерь тепла наружными элементами ограждения аппарата;

  n – количество элементов ограждения аппарата (обечайка, крышка, постамент и т.д.) i-го элемента поверхности ограждения аппарата;

Fi – площадь элементов ограждения аппарата (обечайка, крышка, постамент и т.д.) i-го элемента поверхности ограждения аппарата, м2;

αi, α/I – коэффициент теплоотдачи элементов ограждения аппарата (обечайка, крышка, постамент и т.д.) i-го элемента поверхности ограждения аппарата, Вт/м2*град;

tсрпов i t/cрпов I – средняя температура элементов ограждения аппарата (обечайка, крышка, постамент и т.д.) i-го элемента поверхности ограждения аппарата, град;

τ – время разогрева аппарата до стационарного режима, ч;

τ/ – время, определяющее стационарный режим работы аппарата, ч;

tв – температура окружающего воздуха, принимается равной 25oС.

 

Для облегчения самого сложного составляющего расчета будем пользоваться специальной математической программой MathCAD 14.

Для дальнейшего расчета необходимо определиться с элементами аппарата, которые будут принимать непосредственное участие в расчете.

Для нашего примера это будут следующие элементы:

 

Далее нам необходимо определить температуры поверхностей котла и окружающего воздуха и ввести в программу.

На основании испытаний аппаратов можно принять следующие значения средней температуры ограждения

 

Вид поверхности tсрпов, оС t/српов, оС
Крышка однослойная 55 90
Крышка двухслойная 45 70
Боковая теплоизоляционная поверхность 40 60
Поверхность остальных ограждений 30 60

 

Для нашего котла это будет следующие параметры:

Для нестационарного режима

Для стационарного режима

 

 

Далее нам необходимо определить физические параметры воздуха, для этого необходимо определить средние температуры ограждающих поверхностей для нестационарного и стационарного режима, то есть

 

 

Для дальнейшего расчета необходимо определить критерий Грасгофа, который для двух режимов (нестационарного и стационарного) рассчитываются по следующим формулам

 

                                                                               (7)

                                                                             (8)

где υ, υ/ – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;

λ, λ/ – коэффициент теплопроводности, Вт/м2*град;

коэффициент температуропроводности, м2/с;

β, β/ – коэффициент объемного расширения, 1/град;

 

                                                                                 (9)

                                                                               (10)

 

Δt, Δt/ – перепад температур между теплоотдающей поверхностью ограждения и воздуха, оС;

l – определяющий геометрический размер аппарата, м.

 

 

 

 

 

Для дальнейшего расчета необходимо определить значения коэффициента кинематической вязкости, которые определяем по ниже приведенной таблице по значениям перепада температур.

Таблица 3

Физические параметры воздуха

tm, оС ρ, Ср, λ, , , Pr
1 2 3 4 5 6 7
0 1,293 1,0048 0,0245 1,88 13,28 0,707
10 1,247 1,0048 0,0252 2,01 14,16 0,705
20 1,205 1,0048 0,0260 2,15 15,06 0,703
30 1,165 1,0048 0,0268 2,29 16,00 0,701
40 1,128 1,0048 0,0276 2,43 16,96 0,699
50 1,093 1,0048 0,0284 2,56 17,95 0,698
60 1,060 1,0048 0,0291 2,71 18,97 0,696
70 1,029 1,0090 0,0297 2,86 20,02 0,694
80 1,000 1,0090 0,0306 3,01 21,09 0,692
90 0,972 1,0090 0,0314 3,20 22,10 0,690
100 0,946 1,0090 0,0322 3,36 23,13 0,688

Продолжение таблицы 3

1 2 3 4 5 6 7
120 0,898 1,0090 0,0335 3,7 25,45 0,686
140 0,854 1,0132 0,0349 4,04 27,80 0,684
160 0,815 1,0174 0,0364 4,40 30,09 0,682

 

Для нашего примера для первой ограждающей поверхности (внутренняя камера) перепад температур для нестационарного режима для этой поверхности составляет «5». В таблице 3 приведены укрупненные показатели, поэтому для определения необходимых параметров округляем в большую сторону, пользуясь правилами математики, то есть для нашего случая коэффициент кинематической вязкости равен 14,16.

 

 

Таким образом, мы определяем все необходимые значения для нестационарного и стационарного режимов и вносим определенные значения в программу.

 

Для определения критерия Грасгофа нам необходимо определить определяющие размеры аппарата. За определяющий геометрический размер « для вертикальной цилиндрической и плоской поверхности принимается – высота аппарата, для горизонтальной цилиндрической поверхности – диаметр аппарата, для горизонтальной плоской поверхности – ширина аппарата.

С этой целью необходимо представить принципиальную схему аппарата с нанесением необходимых геометрических размеров из технической характеристики. В данном случае этого будет выглядеть следующим образом.

Рис.1 – Принципиальная схема котла пищеварочного электрического

КПЭ-160

 

В соответствии с этим рисунком необходимые данные заносим в расчет, то есть:

1. внутренней камере (варочному сосуду) величина «равна 402 мм, так как это вертикальная цилиндрическая поверхность, которой соответствует высота варочного сосуда;

2. наружной камере будет соответствовать размер равный 820 мм, то есть наружная камера имеет цилиндрическую форму, которая расположена вертикально, поэтому за определяющий размер взята величина равная диаметру варочного сосуда + толщина греющей щели;

3. крышке будет соответствовать диаметр крышки – 840 мм;

и т.д.

 

В расчете это будет выглядеть следующим образом:

 

 

 

Далее программа рассчитывает критерий Грасгофа по введенным данным.

 

Для дальнейшего расчета необходимо определить критерий Прандтля. Данный критерий можно определить по выше приведенной таблице 3 по значению перепада температур.

 

 

 

Определяя, таким образом, необходимые значения критерия вводим их в определенной последовательности в программу, то есть:

 

 

Определив критерии Прандтля и Грасгофа, мы можем определить коэффициент теплоотдачи конвекцией, который определяется по критериальному уравнению для свободной конвекции в неограниченном пространстве.

 

                                             (11)

                                                                              (12)

                                                                  (13)

                                                      (14)

 

 

 

 

Значения С и n для отдельных областей изменения произведения  принимаются следующие

 

                            с=1,18                                n=1/8

                            с=0,54                                n=1/4

                           с=0,135                               n=1/3

 

 

Коэффициент теплопроводности также определяем по выше приведенной таблиц 3 по значению перепада температур, то есть

 

и т.д.

 

При введение необходимых числовых значений и присвоения необходимых индексов программа рассчитывает искомые показатели.

 

В процессе отдачи тепла ограждениям аппарата имеет место теплоотдача лучеиспусканием и конвекцией, поэтому результирующий коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения к окружающему воздуху  Вт/м2*град, Вт/м2*град, состоит из двух слагаемых

                                                 (15)

                                             (16)

 

где коэффициент теплоотдачи конвекцией, В/м2*град. Определили уже выше.

 

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формулам

                           (17)

                         (18)

 

где коэффициент лучеиспускания поверхности, Вт/м2*град. Значения  принимаются из таблицы 4;

Таблица 4

Коэффициенты лучеиспускания

Наименование материалов Поверхность , Вт/м24
Бетон Шероховатая 3,58
Вода Спокойная 5,55
Кирпич красный Шероховатая 5,35
Краска масляная - 4,60
Краска эмалевая - 5,15
Метлахские плитки Гладкая 3,82
Металлы: - чугун серый - чугун серый - алюминий - алюминий - сталь листовая - сталь листовая   Шероховатая Окисленная Полированная Шероховатая Черная матовая Оцинкованная Свежепрошабренная     5,08 0,31 0,40 3,94 1,31 1,18
Штукатурка известковая - 4,97

  ξ – степень черноты полного нормального излучения поверхности, см. таблицу 5;

  С0 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/м24, С0=5,67;

  абсолютные температуры ограждения и воздуха, Ко.

 

                                           (19)

                                           (20)

 

Определяем абсолютные температуры ограждения аппарата и окружающего воздуха. Так как эти значения были введены вначале программы, то в конечном итоге получим следующее:

 


Таблица 5

Степень черноты различных материалов

Материал и характер поверхности t, оС ε

Чистые и окисленные металлы

Алюминий полированный 225-575 0,039-0,057
Алюминий окисленный при 600 оС 200-600 0,11-0,19
Железо окисленное гладкое 125-525 0,78-0,82
Железо листовое необработанное 925-1115 0,87-0,95
Сталь листовая шлифованная 940-1100 0,52-0,61
Сталь окисленная шероховатая 40-370 0,94-0,97
Чугун полированный 200 0,21
Чугун шероховатый, сильно окисленный 40-250 0,95
Латунь прокатная с естественной поверхностью 22 0,06
Медь: - продолжительно нагревавшаяся - покрытая толстым слоем окиси   115 25   0,023 0,78
Хромоникель 52-1035 0,64-0,76
Оцинкованное блестящее листовое железо 28 0,228
Оцинкованное серое окисленное железо 24 0,276

Огнеупорные, строительные термоизоляционные и другие материалы

Асбестовый картон 24 0,96
Шамот 1230 0,59
Силикатный кирпич 1230 0,66
Красный кирпич 20 0,93
Стекло 22 0,94
Бумага 20 0,8-0,9
Вода 0-100 0,95-0,96
Дерево строганное 20 0,8-0,9
Резина мягкая, серая, шероховатая 24 0,86
Лак белый 40-95 0,80-0,95
Масляные краски различных цветов 100 0,92-0,96

 

 

 

 

Для определения выше поставленной задачи «Определение потерь тепла в окружающею среду» нам необходимо определить площади поверхностей аппарата, с которых выделяется тепло.

 

 

 

 

Потери тепла на разогрев конструкции аппарата ,кДж, определяются по формуле

                           (21)

 

где – сумма потерь тепла;

  n – число элементов конструкции аппарата;

  сi – удельная теплоемкость, ;

Мi – масса отдельного элемента конструкции, кг;

 – средняя конечная температура, оС;

 – начальная температура, оС.

 

Масса отдельного элемента конструкции  кг, рассчитывается по формуле

                                    (22)

 

где  – объем материала элемента конструкции, м3, определяется по формуле

                                     (23)

 

где  – принимается по чертежу или реальному аппарату.

 

Значения С и ρ приведены в таблице 6.

 

Таблица 6

Теплофизические свойства материалов конструкции и

промежуточных теплоносителей

Наименование материала t, оС ρ, С,
Сталь 20 7900 0,46
Чугун 20 7220 0,50
Алюминий 0 2670 0,90
Дюралюминий 0 2750 0,93
Железо 0 7900 0,64
Кирпич красный 50 920 0,83
Вода 60 983 4,19
Дитолилметан 160 924 1,97
Минеральное масло 200 890 2,43

 

 

 

 

 

 

Результаты расчета теплового баланса проектируемого аппарата сводятся в итоговую таблицу.

Сводная таблица теплового баланса

Статьи теплового

баланса

Режим работы аппарата

нестационарный стационарный

Количество тепла, кДж

50571,39 6978,72
15500,00 4192,00
22490,00 -
Итого 88561,39 11170,72

Конечным результатом проведенных расчетов определим мощность работы аппарата при различных режимах Р, , определяется по формулам

 

                                     (24)

                                         (25)

 

Таким образом, все необходимые значения теплового баланса были определены выше, поэтому мощность теплового аппарата будет иметь следующие значения

 

 

По технической характеристике номинальная мощность котла пищеварочного электрического КПЭ-160 в период разогрева составляет 21,0 кВт, а в период варки – 3,5 кВт. Согласно полученным данным при расчете можно сделать заключение, что тепловой расчет выполнен верно.

 

 

Подведение итогов занятия

При выполнении практического задания студенты направления подготовки 19.03.04 «Технология продукции и организация общественного питания» по дисциплине «Оборудование предприятий общественного питания» закрепили теоретические знания по теме «Тепловой расчет аппаратов», изучили методику расчетов основных теплопотерь как основных составляющих теплового баланса с использованием персонального компьютера и математической программы MathCAD-14, что дает возможность целеноправлено использовать данную методику при выполнении расчетно-пояснительной записки курсового проекта по дисциплине «Оборудование предприятий общественного питания», где основным расчетом является поверочный расчет теплового оборудования с определением теплотерь, что и было рассмотрены в ходе выполнения данного практического занятия.

 


Рекомендуемая литература для выполнения

Практического занятия

Основная литература:

 

1. Оборудование предприятий торговли и общественного питания / Под ред. В.А. Гуляева. – М., 2007. – 542 с.

2. Тепловое и механическое оборудование предприятий общественного питания: Учебное пособие / Н.Т. Улейский, Р.И. Улейская. – Ростов-н/Д. – 2008. – 478 с.

3. Гришина Е.С. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Оборудование предприятий общественного питания» для студентов специальности 260501 Технология продуктов общественного питания очной и заочной формы обучения. – Омск: Изд-во «Прогресс» Омского института предпринимательства и права, 2005. – 67 с.

 

Дополнительная литература:

 

1. Оборудование предприятий общественного питания: В 3-х томах. Т. 3. Тепловое оборудование. / М. И. Беляев. – М. [б.и.], 1990. – 559 с.

2. Вышелесский, А. Н. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. / А. Н. Вышелесский. – М.: Экономика, 1987. – 399 с.

3. Кавецкий, Г.Д. Оборудование предприятий общественного питания. / Г. Д. Кавецкий, О. К. Филатов, Т. В. Шленская. – М. [б.и.], 2004. – 304 с.

4. Кирпичников, В. П. Справочник механика (Общественное питание). / В. П. Кирпичников, Г. Х. Леенсон. – М. [б.и.], 1990. – 320 с.

 


Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 298; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!