Котлы пищеварочные

Нагрев варочного  сосуда парового котла осуществляется за счет теплоты парообразования. Пар, попадая в рубашку котла, соприкасается  с холодными стенками варочного  сосуда и наружного котла и  конденсируется. При этом выделяется скрытая теплота парообразования, которая идет на нагрев содержимого  котла.

Паровые котлы  обладают целым рядом преимуществ  перед другими типами котлов. Использование  централизованно приготовленного  пара как теплоносителя позволяет  упростить конструкцию котлов (отсутствие парогенератора). Коэффициент теплоотдачи  от конденсирующего пара довольно высок, что также повышает эксплуатационные показатели парового котла.

 

3. Тепловой расчет  котла

Исходные данные

Расчет производится для режима нагревания до кипения  и режима тихого кипения содержимого  котла.

Полезная емкость  котла 250 л.

Диаметр защитного  кожуха (от наружных стенок) D_зк=760 мм.

Диаметр наружного  котла  (от внутренних стенок) D_нк=655 мм.

Диаметр внутреннего  котла  (от внутренних стенок) D_вк=605 мм.

Высота постамента, Н_п=500 мм.

Высота расчетная  наружного котла, Н_нк=530 мм.

Высота кожуха котла, Н_зк=505 мм.

Высота внутреннего  котла, Н_вк=510 мм.

Толщина стенки внутреннего котла, 3 мм.

Толщина стенки наружного котла, 4 мм.

Толщина стенки кожуха котла, 1,5 мм.

Рабочее давление пара в пароводяной рубашке котла, 0,5 атм.

Изоляция  теплоизолирующего кожуха – мятая алюминиевая фольга.

Тепло, выделенное нагревателями котла, расходуется  на следующие статьи:

Q=Q₁+ Q₂+ Q₃+ Q₄+ Q₅,

Где Q₁ –  тепло, идущее на разогрев воды во внутреннем котле, кДж;

Q₂ – тепло, израсходованное на нагревание конструкции котла, кДж;

Q₃ – тепло, расходуемое на парообразование в пароводяной рубашке, кДж;

Q₄ – тепло, расходуемое на испарение воды содержимого котла, кДж;

Q₅ –  потери тепла наружными поверхностями котла в окружающую среду, кДж.

Определяем полезно  использованное тепло:

Q₁=СG·(t_к - t_н)=49406,6 кДж;

Где С=4,187 – теплоемкость жидкого содержимого котла кДж/(кг°С);

G=125 кг – вес  содержимого котла, кг;

t_к , t_н – конечная и начальная температура содержимого котла, °С.

В процессе слабого  кипения (варки) тепло расходуется  только на испарение содержимого  при кипении и на потери в окружающую среду.

3.1 Определяем расход тепла на разогрев конструкций, парообразование в пароводяной рубашке, и на испарение содержимого   котла.

Q₂= Q₂^м+ Q₂^из,

Где Q₂^м – тепло, затраченное на нагревание металлоконструкций котла, кДж;

Q₂^м=СG(t_к - t_н)

Где С=0,5 – теплоемкость металлоконструкций котла, кДж/(кг°С);

G=125 кг – вес  металлоконструкций котла, кг;

t_к=100°С – средняя температура нагрева металлоконструкций котла, °С 

t_н=20°С – начальная температура металлоконструкций котла, °С.

Q₂^м=5024,4 кДж.

Определяем расход тепла на нагревание изоляции:

Q₂^из=С_из G_из (t_к - t_н)

Где С_из – теплоемкость изоляции, С_из=0,2кДж/(кг°С);

G_из – вес изоляции, G=2 кг (по опытным данным);

t_к =( t_вн + t_кож)/2,

t_вн – температура частей изоляции, касающихся наружного котла;

t_кож – температура частей изоляции, касающихся кожуха;

t_к =( 100 + 50)/2=75 °С;

t_н – начальная температура альфоли, равная температуре окружающей среды, t_н =20 °С;

Q₂^из=11,5 кДж.

Q₂= Q₂^м+ Q₂^из=5037 кДж.

Расход  тепла на парообразование  в пароводяной  рубашке

Тепло, израсходованное  на нагревание воды в парогенераторе до кипения:

Q_п=С G (t_к - t_н)=3977  кДж.

Объем пароводяной  рубашки:

V=0,07 м³.

Удельный вес  пароводяной смеси: g=0,8 кг/м³, тогда вес пароводяной смеси:

G₃=V·g=0,07·0,8=0,056 кг.

Теплосодержание пара при давлении 0,5 атм  i^”=2692,6 кДж/кг.

Расход тепла  на парообразование и нагревание воды:

Q₃’=G₃·i^’’=146,5кДж;

Q₃= Q_п+ Q₃’=4124,2кДж.

Расход  тепла на испарение  содержимого котла

А) в процессе разогрева:

Количество испарившейся воды принимаем, по опытным данным, равным 0,5% от веса воды в котле

М_исп=125·0,5/100=0,625 кг/час

Q_нагр= М_исп·r=1423,6 кДж/час

В) в процессе варки:

Количество испарившейся воды принимаем, по опытным данным, равным 1,5% от веса воды в котле

М_кип=125·1,5/100=1,88 кг/час

Q_кип= М_кип·r=4270,7 кДж/час

Определение потерь тепла в  окружающую среду

Потери тепла  происходят с боковой поверхности  кожуха, неизолированной шейки котла, крышки, нижней части кожуха, дна  котла и парогенератора.

Отдача тепла  воздуху происходит конвекцией и  лучеиспусканием.

3.2 Потери тепла в  окружающую среду

Определяем размеры  боковой поверхности кожуха котла:

F_кож=3,14·D_зк·H_зк=3,14·0,76·0,5= 12м², а также t_ст –

Среднюю расчетную  температуру кожуха, которая в  начале нагревания была 20 °С, а в момент кипения 50°С:

t_ст =(50+20)/2=35 °С.

Перепад температур при нагревании и кипении, равен  при нагревании:

Dt₁ = t_ст- t_в=35-20=15 °С.

При кипении:

Dt₂ = t_ст- t_в=50-20=30 °С.

определяем коэффициент  отдачи тепла лучеиспусканием:

С – коэффициент  пропорциональности, С=4,9;

e – коэффициент черноты эмалированной стали, e=0,88;

t_ст – средняя температура стенки кожуха, °С;

t_в  – температура окружающего воздуха, °С;

a_{л нагр}=20,8кДж/м³час°С,

a_{л кип}=22 кДж/м³час°С

Определяем коэффициент  теплоотдачи конвекцией: средняя  температура воздуха, соприкасающегося с автоклавом:

t_{расч нагр} =( t_ср + t_в)/2=(35+20)/2= 27,5 °С,

t_{расч кип}  =( 50 + 20)/2=35 °С.

Имеем коэффициенты теплопроводности для воздуха:

l=9,2·10^-2 кДж/м час, °С, при t°=27,5 °С и

l=9,4·10^-2 кДж/м час, °С, при t°=35 °С.

Соответственно  коэффициент кинематической вязкости:

n=16,3·10^-6 м²/сек при t°=27,5 °С и

n=17,1·10^-6 м²/сек, при t°=35 °С.

Для определения  коэффициента теплоотдачи конвекцией необходимо знать величины критериев  Прандтля, Грасгофа и Нуссельта.

Критерий Прандтля (Pr) является безразмерным физическим параметром теплоносителя, в данном случае воздуха. Величина этого параметра зависит от физической природы, температуры и давления воздуха.

Для температуры 25-35 °С принимают Pr=0.722.

Критерий подобия  Грасгофа (Gr) является критерием кинематического подобия для процессов теплоотдачи при свободном движении воздуха.

Критерий Нуссельта (Nu) содержит искомую величину коэффициента теплоотдачи и является критерием теплового подобия.

Gr=(gbd³Dt)/n²,

Где g – ускорение силы тяжести, g=9,81 м/сек²;

b – коэффициент объемного расширения воздуха, 1/°С.

b=1/( t_ст+273)= 1/( 35+273)=1/308 для периода кипения;

b=1/( t_ст+273)= 1/( 50+273)=1/300,5 для периода нагрева.

Dt = t_ст - t_в – разность температур стенок кожуха и воздуха;

d³=D_зк³=0,76³ – наружный диаметр котла, м.

Gr_нагр=(9,81·1·0,76³·15)/(300,5·(16,3·10^-6)²)=8,1·10⁸,

Gr_кип=(9,81·1·0,76³·30)/(308·(17,1·10^-6)²)=14,3·10⁸.

Для определения  коэффициента теплоотдачи конвекцией определяем критерий Нуссельта:

Nu=C(Pr·Gr)ⁿ,

Где С=0,135 – коэффициент пропорциональности; 

n=1/3 – показатель  степени;

Pr·Gr_нагр=0,722· 8,1·10⁸=584·10⁶,

Pr·Gr_кип=0,722· 14,3·10⁸=1030·10⁶, тогда

Коэффициент отдачи тепла конвекцией:

a_{к нагр}=Nu·l_к/D_{з к}=13,7 кДж/м³час°С,

a_{к кип}=Nu·l_к/D_{з к}=17 кДж/м³час°С.

Отсюда потери тепла в окружающую среду кожухом:

Q_{5 зк нагр}=(a_л +a_к)·F_кож·Dt=598,7 кДж

Q_{5 зк кип}=(a_л +a_к)·F_кож·Dt=1398,4 кДж.

Потери  тепла в окружающую среду шейкой котла

Боковая поверхность  шейки котла

F_ш=0,42 м².

За период нагрева  от комнатной температуры до кипения  температура шейки в среднем:

t_ш=(100+20)/2=60 °С, в период кипения t_ш=100 °С.

Перепад температуры  между t_ш и температурой воздуха для периода нагревания:

Dt=60-20=40 °С,  а в период кипения Dt=100-20=80 °С.

Расчетная температура  воздуха, соприкасающегося с шейкой котла:

В период нагревания:  t°_р=(60+20)/2=40 °С;

В период кипения:  t°_р=(100+20)/2=60 °С.

Коэффициент теплоотдачи  лучеиспусканием от шейки котла:

a_{л нагр}=13,5 кДж/м³час°С,

a_{л кип}=16,3 кДж/м³час°С.

Определяем коэффициент  отдачи тепла конвекцией от шейки  котла. При нагревании: 

l=9,5·10^-2 кДж/м час °С;

n=17,6·10^-6 м²/сек;

Pr=0.722   b=1/313.

При кипении:

l=10,1·10^-2 кДж/м час °С;

n=19,6·10^-6 м²/сек;

Pr=0.722   b=1/383.

Gr=(gbDt d_ш³)/n²,

Gr_нагр=(9,81·40·0,62³·10¹²)/(313·(17,6²)=970·10⁶,

Gr_кип=(9,81·80·1,0·0,62³·10¹²/(383·(19,6²)=1460·10⁶, отсюда:

Коэффициент отдачи тепла: