Расчет пищеварочного электрического котла

Двойной предохранительный клапан состоит из двух клапанов - парового и вакуумного, расположенных в общем корпусе. Паровой клапан помещается в верхней части корпуса и прижимается к седлу грузом. При повышении давления в греющей рубашке сверх допустимой величины (150 кПа) пар, преодолевая массу груза, приподнимает клапан над седлом и начинает выходить в атмосферу. Вакуумный клапан помещается в нижней части корпуса в гнезде. Он открывается под давлением наружного воздуха, когда в рубашке образуется вакуум (давление, становится ниже атмосферного). Воздух, проникая через открытый клапан в рубашку, выравнивает давление. Вакуум в рубашке образуется при охлаждении котла в результате конденсации пара, поскольку удельный объем последнего больше удельного объема воды (конденсата). В процессе эксплуатации паровой клапан может прикипеть к седлу и в нужный момент не сработать. Во избежание этого в новых конструкциях двойных предохранительных клапанов предусмотрен рычаг подрыва, с помощью которого клапан следует периодически поднимать над седлом. В. Этой конструкции имеется также воздушный клапан, который служит для выпускания воздуха из пароводяной рубашки котла в период его разогрева. Этот клапан закрывается и открывается вручную поворотом рукоятки-барашка.

Наполнительная воронка предназначена для заполнения парогенератора водой и выпуска воздуха из пароводяной рубашки в начальный период работы котла (если предохранительный клапан не имеет воздушного клапана). Наполнительная воронка снабжена запорным краном, фильтрующей сеткой и крышкой.

Кран уровня размещается в пароводяной рубашке котла на линии предельно допустимого уровня воды. Служит для контроля количества воды в парогенераторе.

2.2 Принципиальные схемы теплообменных аппаратов с рубашкой

Теплообменники предназначены для переноса теплоты от источников тепловой энергии к обрабатываемым продуктам.

Теплообменники подразделяют на два основных типа: поверхностные теплообменники и теплообменники смешения. В поверхностных теплообменниках теплоперенос осуществляется через разделяющую перегородку.



Рис. 6 - схемы теплообменных аппаратов с рубашкой: а - с водяным обогревом: 1 - патрубок для входа греющей воды; 2 - рубашка; 3 - корпус аппарата; 4 - патрубок для выхода греющей воды; б - с паровым обогревом (рубашка имеет выдавки): 1 - патрубок для входа пара; 2 - рубашка с выдавками; 3 - корпус аппарата; 4-выдавки; 5 - патрубок для выхода конденсата; в-с пароводяным обогревом: 1-рубашка; 2-корпус аппарата; горелка (для огневого обогрева); г - с обогревом от высокотемпературного теплоносителя (фритюрница, сковорода): 1-рубашка; 2-корпус аппарата; 3-электронагреватель для нагрева теплоносителя; д - с централизованным паровым нагревом: 1 - патрубок для входа пара; 2 - отражатель; 3 - корпус аппарата; 4 - рубашка; 5 - патрубок для выхода конденсата; е - с паровым обогревом и автономным получением пара (электронагревателем): 1 - рубашка; 2-корпус аппарата; 3-парогенератор; 4-электронагреватель (тэн); ж - с паровым нагревом: 1 - рубашка; 2 - корпус аппарата; 3 - парогенератор; 4 - эмеевиковый нагреватель; 5 - патрубок для выхода конденсата; 6 - патрубок для входа пара; з-с огневым нагревом (аппарат с панелями): 1 - рубашка; 2 - корпус аппарата; 3 - панели; 4 - горелки; и - с электродным нагревом: 1 - рубашка; 2-корпус аппарата; 3 - парогенератор; 4 - электроды; к - с паровым обогревом при повышенном давлении (автоклав): 1 - патрубок для входа пара; 2 - рубашка; 3 - корпус аппарата; 4 - предохранительный клапан; 5 - герметичная крышка; 6 - патрубок для выхода конденсата; л - с паровым обогревом с пониженным давлением (вакуум-аппарат): 1 - патрубок для входа пара; 2-рубашка; 3 - герметичная крышка; 4 - конденсатор; 5 - корпус аппарата; 6 - патрубок для отвода конденсата

2.3 Электрические нагревательные устройства

Основной частью электротепловых аппаратов является электронагреватель - устройство, преобразующее электрическую энергию в тепловую.

В электронагревателях используется одно из основных свойств электрического тока - способность нагревать проводники. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в твердых или жидких проводниках.

Все проводники тока могут быть подразделены на три вида: металлические, неметаллические и жидкостные. В электротепловых аппаратах широкое применение нашли металлические нагревательные элементы, которые по конструктивному оформлению подразделяются на три группы: герметически закрытые (без доступа воздуха), закрытые (с доступом воздуха) и открытые.

Металлические проводники должны обладать большим удельным сопротивлением, быть термостойкими (не подвергаться окислению при высоких температурах), жаропрочными (не изменять механических свойств при резких колебаниях температуры) и иметь низкий коэффициент удлинений. Изготовляются они в виде проволок, лент или прутков из специальных сплавов с высоким омическим сопротивлением: нихромов (хромоникелевых) - Х20Н80, Х15Н80, Х20Н80-Н, Х15Н80-Н.

Для предотвращения контакта проводника тока с проводящими элементами корпуса аппарата служит электрическая изоляция - прослойка из диэлектрического материала. Она должна обладать: высокими диэлектрическими свойствами, хорошей теплопроводностью, способностью противостоять резким колебаниям температуры, быть гидрофобной и не содержать веществ, которые при высоких температурax вступают в химические реакции с материалом нагревателей. В качестве изолирующего материала широко применяются электротехническая керамика, окись магния (периклаз), слюда, миканит.

В пищеварочных котлах применяются герметически закрытые трубчатые электронагреватели - тэны. По сравнению с другими нагревателями они отличаются компактностью, механической прочностью, удобством монтажа и эксплуатации.

Тэн (рис. 7) представляет трубку (оболочку), изготовленную из углеродистой стали с антикоррозийным покрытием или из нержавеющей стали, внутри которой запрессована в периклаз (окись магния) нихромовая спираль.

В качестве защитных покрытий используется обычно цинк, но значительно эффективнее покрывать трубки алюминием, так как при этом срок работы тэнов в агрессивных средах увеличивается в два раза и более, а на поверхности таких тэнов уменьшается отложение слоя накипи.

Концы спирали запрессовываются в стальных контактных стержнях, свободные концы которых выводятся наружу и при помощи гаек и шайб подключаются к электросети. От корпуса тэна стержни и гайки изолируются фарфоровыми изоляторами. Перед их установкой концы трубки заливают термостойким лаком (герметикой). Делают это для защиты периклаза от проникновения атмосферной влаги, поскольку периклаз является гидрофильным материалом. Общая длина тэна L состоит из длины его активной части, в которой находится нагревательная спираль L_a, и пассивной 2L_K, в которой размещаются два контактных стержня.

Для тепловых аппаратов предприятий общественного питания тэны выпускаются в следующих исполнениях: воздушные, применяемые для подогрева воздуха в шкафах с принудительной и естественной циркуляцией; водяные - для нагревания воды и водных растворов в пищеварочных котлах, пароварочных и других аппаратах; масляные - применяемые во фритюрницах и жаровнях для подогрева масел и пищевых жиров до температуры 200°С.

Тэны изготовляются различных длины, диаметра и, а также различной номинальной мощности.

Максимальная удельная мощность активной части трубки в Вт/см² равна для водяных тэнов -11.

Тэны должны использоваться только в той среде, для которой они предназначены. Монтаж тэнов, работающих в жидкой среде, производится таким образом, чтобы активная часть их полностью находилась в жидкости.

Все токоведущие части следует защищать от случайного прикосновения.

Электрическое сопротивление изоляции тэна в холодном состоянии должно быть: после изготовления - не менее 20 МОм, при хранении и эксплуатации - 1 МОм, в рабочем состоянии при номинальной мощности - не менее 0,5 МОм. Если после хранения тэна сопротивление изоляции ниже, то тэн надо просушить в сушильном шкафу при температуре 120° С в течение 2-3 ч.,

Электрическая изоляция тэна в холодном состоянии должна выдерживать (без пробоя) в течение 1 мин переменный ток частотой 50 Гц напряжением 1700 В, в рабочем состоянии в течение этого же времени - 1200 В.

Для тепловых аппаратов могут использоваться как отдельные тэны, так и блоки, состоящие из нескольких тэнов. Последние имеют наибольшее распространение, так как позволяют путем изменения схемы их включения регулировать мощность аппарата в широких пределах и обеспечивать равномерность нагрузки фаз. На рис. 7, в представлен блок из шести тэнов, устанавливаемый в неподвижном пищеварочном котле.



Рис. 7. Трубчатые электронагреватели: а - трубчатый электрический нагреватель (тэн): L - развернутая длина трубки; L_a - активная длина (греющая); L_K - пассивная длина (длина контактных стержней в заделке); d - диаметр тэна; / - оболочка; 2 - контактный стержень; 3 - спираль; 4 - наполнитель - периклаз.; 5 - герметик; 6 - изолятор; 7 - контактное устройство; 6 - конфигурация тэнов московского завода «Торгмаш»; в-блок из шести тэнов (применяется в проектируемом аппарате

Температура нагрева поверхности трубки тэна зависит от ее удельной мощности и вида нагреваемой среды. Для тэна, изготовленного из углеродистой стали, она не должна превышать 450° С в воздушной среде. Изготовляются также высокотемпературные тэны из термостойких трубок с температурой на их наружной поверхности 700-750° С. Передача тепла от такого тэна происходит не только за счет непосредственного соприкосновения, но и за счет излучения, поэтому они называются тэнами инфракрасного излучения или полуизлучающими. В зарубежной практике изготовляются тэны с трубками различных конфигураций и разного сечения: овально-сплюснутые, плоскотреугольные, и др.

2.4 Тепловой расчет аппарата

2.4.1 Исходные данные

Котел пищеварочный электрический КПЭСМ-40 с цилиндрической формой варочного сосуда ёмкостью 40 дм³

для варочного сосуда:
общая высота	Нс = 378 мм
диаметр	Дс = 420 мм
для кожуха:
длина	Lк = 750 мм
высота	Вк = 465 мм
диаметр	-
в.ч. высота ножек	Нножек = 150 мм
ширина щели греющей полости рубашки	z = 14 мм
время разогрева	фраз = 42 мин = 0,7 ч
толщина стенки:
крышки	1,5
варочного сосуда	2,0
наружного котла	2,0
кожуха	1,0
максимальное давление:
в пароводяной рубашке	140 кН/м3
в варочном сосуде	100 кН/м3
для нагреваемой среды:
начальная температура	tн = 20 0С
конечная температура	tк = 95 0С
вид:	суп из овощей
время варки супа	60 мин
для промежуточного теплоносителя:
начальная температура	tнач теплонос = 10 0С
конечная температура	tкон теплонос = 109,32 0С
вид:	вода
количество воды в парогенераторе	Gв = 10 дм3 = 0,01 м3
напряжение электрической сети	3~220 В

2.2 Тепловой баланс аппарата и определение составляющих баланса

Тепловой баланс для нестационарного режима работы аппарата:

Для стационарного режима:

,

где Q', Q - общее количество теплоты, подведенной к пищеварочному котлу для стационарного и нестационарного режимов соответственно, кДж;

Q₁^', Q₁ - теплота, пошедшая на разогрев содержимого рабочей камеры для стационарного и нестационарного режимов соответственно, кДж;

Q₅^', Q₅ - потери теплоты наружными ограждениями аппарата в окружающую среду для стационарного и нестационарного режимов соответственно, кДж,

Q₆ - потери теплоты на разогрев элементов конструкции аппарата, кДж.

Q₁ = cW(t_к - t_н) + ДWr, кДж,

где с=4,2 кДж/кг*град - удельная теплоемкость жидкости, заливаемой в рабочую камеру аппарата (вода);

W - масса, кг;

(t_к - t_н) - разность между начальной и конечной температурой, град;

?W - масса испарившейся жидкости определяется по уравнению материального баланса технологического процесса варки. Примем, что в процессе закипания испаряется около 1,5% воды от общей ее массы в час, при этом испарение воды длится всего около 10 мин.

r=2257,97 кДж/кг - удельная теплота парообразования.

?W=W•ф_{закипания}•0,015 = 40•(10/60)•0,015 = 0,1 кг

Q₁ =8696,46 + 0,1•2257,97 =8696,46+225,79=8922,25 кДж

',

где ?W' - масса испарившейся жидкости, кг. В серийно-выпускаемых котлах испаряется около 3-4% воды от ее объема в час при «бурном» кипении и 1,5% воды в час при «тихом». Примем для стационарного режима 2,5% воды в час.

?W'= W•ф•0,025 = 19,39•1,0•0,025 = 0,48 кг

Q'₁ = 0,48 • 2257,97=1094,55 кДж

кДж,

где У - сумма потерь тепла наружными элементами ограждения аппарата;

n - число элементов ограждения аппарата;

F_i - площадь, м²;

б_i - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²*град;

t^ср_повi - средняя температура, ⁰С;

ф - время разогрева аппарата до стационарного режима, ч;

t_в - температура окружающего воздуха. В расчете принимаем равной 25°С.

В процессе отдачи тепла ограждениями аппарата имеет место теплоотдача лучеиспусканием и конвекцией, поэтому результирующий коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения к окружающему воздуху состоит из двух слагаемых:

, Вт/м²град;

где - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м²град;

, - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²град.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формулам:

б_i^л = (C_s / (t^ср_повi - t_в))*[(Т_повi/100)⁴ - (Т_в/100)⁴], Вт/м²град

где С_s - коэффициент лучеиспускания поверхности, Вт/м²град. Для стали С_s принимается равной 1,31 Вт/м²К⁴, для стали, покрытой белой эмалью С_s = 5,15 Вт/м²К⁴.

T_повi, T_в - абсолютные температуры ограждения и воздуха

Т_в = 273+25 = 298 К

Коэффициент теплоотдачи конвекций определяется по критериальному уравнению для свободной конвекции в неограниченном пространстве:

Критерии Грасгофа - Gr и Прандтля - Pr рассчитываются по следующим формулам:

где н - коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

л - коэффициент теплопроводности, Вт/м град;

a - коэффициент температуропроводности, м²/с;

в - коэффициент объемного расширения, 1/град;

l - определяющий геометрический размер поверхности ограждения, м;

Дt - перепад температур между теплоотдающей поверхностью ограждения и воздухом;

t_m - средняя температура пограничного слоя воздуха, ⁰С;

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

Критерий Грасгофа для поверхностей:



Gr•Pr=0,035•10⁹•0,701=0,024•10⁹ С=0,135; n=1/3.

Gr•Pr=0,0002•10⁹•0,7=0,00014•10⁹ С=0,135; n=1/3.

Gr•Pr=0,216•10⁹•0,7=0,15•10⁹ С=0,135; n=1/3.

Gr•Pr=0,002•10⁹•0,702=0,0014•10⁹ С=0,135; n=1/3.

	tm, 0С	в, 1/град	l, м	л, Вт/м град	н? 10-6, м2/с	Pr	Gr•109	Pr*Gr•109
Боковая поверхность кожуха	32,5	3,273	0,378	0,0270	16,25	0,701	0,035	0,024
Борт	35,0	3,247	0,045	0,0272	16,48	0,700	0,0002	0,00014
Крышка двухслойная	35,0	3,247	0,448	0,0272	16,48	0,700	0,216	0,15
Постамент	27,5	3,221	0,15	0,0266	15,78	0,702	0,002	0,0014

F₁ = l•h=(0,75•2,41)=1,81 м²

F₂ = (S_k² - S_kp²) =3,14•0,232²-3,14•0,224²=0,011 м²

F₃ = 0,157 м²

F₄ = h_пост•l_пост=0,15•2,41=0,36 м²

Элемент конструкции	, т/м2град	блi, Вт/м2град	бi, Вт/м2град	Fi, м2	(tсрповi - tв), 0С	Q5i, кДж
Боковая поверхность кожуха	5,9	3,15	9,05	1,81	15	2229,05
Борт	1,5	4,16	5,66	0,011	20	11,29
Крышка двухслойная	1,5	4,34	5,84	0,157	25	207,94
Постамент	4,3	2,63	6,93	0,36	5	113,16
Итого						2561,46

кДж,

где б_i' - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²*град;

t'^ср_повi - средняя температура, ⁰С;

ф' - время, определяющее стационарный режим работы аппарата, ч; t_в - температура окружающего воздуха, принимается равной 25°С.

, Вт/м²град;

где - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м²град;

- коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²град.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формулам:

б_i^л' = (Cs / (t'^ср_повi - t_в))*[(Т'_повi/100)⁴ - (Т_в/100)⁴]

где Т'_повi - абсолютная температура ограждения

Коэффициент лучеиспускания от поверхностей:

Коэффициент теплоотдачи конвекций определяется по критериальному уравнению для свободной конвекции в неограниченном пространстве:

б_i^к' = Nu'*л' / l,

Критерии Грасгофа - Gr и Прандтля - Pr рассчитываются по следующим формулам:

Элемент конструкции	Материал	Сs, Вт/м2К4	tсрповi, 0С	tв, 0С	Tповi, К	tв, К	бiл, Вт/м2град
Боковая поверхность кожуха	Сталь листовая, покрытая белой эмалью	5,15	60	25	333	298	6,5
Борт	Сталь листовая	1,31	70	25	343	298	1,7
Крышка двухслойная	Сталь нержавеющая	1,31	70	25	343	298	1,7
Постамент	Сталь листовая, покрытая белой эмалью	3,94	40	25	313	298	4,5

в' = 1 / (273, + t'_m), 1 / К,

где н' - коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

л' - коэффициент теплопроводности, Вт/м град;

a' - коэффициент температуропроводности, м²/с;

в' - коэффициент объемного расширения, 1/град;

Дt' - перепад температур между теплоотдающей поверхностью ограждения и воздухом;

t'_m - средняя температура пограничного слоя воздуха, ⁰С.

Критерий Грасгофа для поверхностей:

Gr•Pr=0,198•10⁹•0,699=0,138•10⁹ С=0,135; n=1/3.

Gr•Pr=0,0004•10⁹•0,698=0,00027•10⁹ С=0,135; n=1/3.

Gr•Pr=0,39•10⁹•0,698=0,27•10⁹ С=0,135; n=1/3.

Gr•Pr=0,006•10⁹•0,701=0,004•10⁹ С=0,135; n=1/3.



t'm, 0С	в', 1/град	l, м	л', Вт/м град	a'*10-5, м2/с	н'* 10-6, м2/с	Pr'	Gr'*109	Pr'*Gr'*109
42.5	3,170	0,378	0,0278	2.46	17.21	0.699	0,198	0,138
47.5	3,120	0,045	0,0282	2.53	17.70	0.698	0,0004	0,00027
47.5	3,120	0,448	0,0282	2.53	17.70	0.698	0,39	0,27
32.5	3,273	0,15	0,0270	2.33	16.25	0.701	0,006	0,004

Коэффициента теплоотдачи конвекцией i-той поверхности:

Элемент конструкции	Nu	, Вт/м2град	блi, Вт/м2град	бi, Вт/м2град	Fi, м2	(tсрповi - tв), 0С	Q5i, кДж
Боковая поверхность кожуха	69,66	6,5	5,12	11,62	1,81	35	6678,14
Борт	8,74	1,7	8,74	10,44	0,011	45	46,88
Крышка двухслойная	87,21	1,7	5,48	7,18	0,157	45	460,19
Постамент	21,46	4,5	3,86	8,36	0,36	15	409,54
Итого							7594,76

Потери тепла на разогрев конструкции аппарата определяются по формуле:

кДж,

где У - сумма потерь тепла;

n - число элементов конструкции аппарата;

c_i - удельная теплоемкость, кДж/кг•град; М_i - масса, кг;

t_i^н - средняя конечная температура,°С;

t_i^к - средняя начальная температура,°С.

Масса отдельного компонента конструкции рассчитывается по формуле

, кг,

где - объем материала элемента конструкции, м³;

д_i - принимается по чертежу.

Элемент конструкции	Fi, м2	дi, м	с, кг/м3	Vi, м3	Мi, кг	сi, кДж/кг *град	,°С	,°С	, кДж
Боковая поверхность кожуха	1,09	0,001	7900	0,0018	14,30	0,46	25	60	230,23
Бортовая поверхность	0,011	0,001	7900	0,0000	0,09	0,46	25	70	1,86
Крышка	0,157	0,003	7900	0,0005	3,72	0,46	25	70	77,00
Постамент	0,36	0,001	7900	0,0004	2,84	0,46	25	40	19,60
Варочный сосуд	0,49	0,0015	7900	0,0007	5,81	0,46	25	104	211,14
Наружный котел	0,57	0,002	7900	0,0011	9,01	0,46	25	109,3	349,39
Изоляция	0,57	0,045	40	0,0257	1,03	0,09	25	85	5,56
Арматура					92	0,46	25	40	63,41
Итого					128,8				958,19

Потери теплоты на разогрев промежуточного теплоносителя:

Q₆₉ = c_вMДt_в = 4,18•6•(109,32-10) = 2490,9 кДж

Q₆ =3449,1 кДж

Масса арматуры рассчитывается в процентном соотношении к массе варочного сосуда (250%) и включает в себя все элементы арматуры, каркас, парогенератор с нагревательными и крепежными элементами.

Сводная таблица теплового баланса

Статьи теплового баланса	Режим работы аппарата
	нестационарный	стационарный
	Количество тепла, кДж
Q1	8922,25	1094,55
Q5	2561,46	7594,76
Q6	3449,1
ИТОГО	14932,81	8689,31

2.3 Определение расхода энергоносителя

Р =14932,81/3600•0,7=5,92 кВт

Р' =8689,31/3600•1,0=2,41 кВт

2.3.1 Расчет ТЭНов

Определение длины трубки тэна

Электрические пищеварочные котлы присоединяются к трехфазной сети, поэтому с точки зрения равномерной нагрузки фаз, тэны целесообразно устанавливать в количестве, кратном трем. Для расчета берется блок из шести тэнов.

Мощность одного тэна:



Р_ТЭН = 5,92/3=1,97 кВт

Трубчатый электронагреватель работает в воде, тогда W_тэн = 11 Вт/см²,

примем диаметр трубки тэна D = 10 мм

Активная длина трубки:

L_a = 1973 / (3,14•1,0•11) = 57,1 см

Длина контактного стержня в трубке

Тогда полная длина трубки

L = 57,1+ 2•5 =67,1 см

Примем полную длину трубки ТЭНа 68 см.

Сопротивление спирали

Сопротивление спирали ТЭНа после опрессовки:

R = U_н² / Р_тэн

R = 220² / 1973 = 24,53 Ом

Сопротивление проволоки до опрессовки тэна:

R₀ = a_r * R

где a_r =1,3 - коэффициент учитывающий уменьшение сопротивления спирали в результате опрессовки;

R₀ = 1,3 • 24,53 = 31,88 Ом

Характеристики спирали

Задаемся диаметром проволоки d = 0,6 мм и определяем ее длину

l_пров = 0,785•R₀ •d² /с

l_пров = 0,785 • 31,88 • (0.6)² / 1,2 = 7,5 м

Определим характеристики спирали. Принимается диаметр стержня для намотки спирали d_c = 6 мм и находим длину одного витка, а так же количество их в спирали:

L_витка = 1,07•рd_в,

где d_в-диаметр витка, мм.

d_в= d_c+d.

d_в= 6+0,6=6,6 мм

Шаг намотки витков

h = 571/339 =1,68 мм

Коэффициент плотности намотки

k = 1,68/0,6 = 2,8.

Полученная величина плотности намотки соответствует допустимой k = 2-4.

Определение температуры нагрева спирали

Характеристики спирали:

где

d_в = 0,6 + 6 = 6,6 мм

D_вн = 10 - 2 * 0,5 = 9 мм

где - толщина стенки трубки после опрессовки; принимается равной 0,5 мм.

Тогда:

x = 0,07

y = 0,09

z = 1,36

По номограмме находим перепад температур в изоляционном слое тэна на единицу теплового потока (коэффициент теплопроводности для периклаза принимается равным 0,022 Вт/см*⁰С) [4]

Дt/q_l = 3,5 см•⁰С / Вт

Определяем удельный тепловой поток на единицу длины тэна:

q_l = 1973/57,1=34,55 Вт/см

Перепад температур в изоляционном слое:

Дt_изол = 3,5 • q_l

Дt_изол = 3,5 • 34,55 = 120,9⁰С

Температура поверхности тэна, для кипящей воды при давлении равном 140 кПа принимается равной 121 ⁰С:

t_w = 121 ⁰C

Рабочая температура спирали:

t =121+118=239⁰С.

2.3.2 Расчет геометрических размеров парогенератора

Длина

· диаметр трубки тэна D=10 мм,

· расстояние между тэнами принимаем 20 мм,

Тогда длина парогенератора с учетом размещения тэнов (30 мм между стенками парогенератора и тэнами)

L= 30 мм+30 мм+ 2D•3+20•2, мм

L = 30+30 + 20 • 3 + 20•2 = 60+60+40=160 мм

Ширина

Диаметр витка тэна:

D_витка = 10 см=100 мм

Прямая часть активной длины трубки тэна:

L_a=2•l_пр+0.5рD, см

Тогда: l_пр = (La-0.5рD)/2, см

l_пр = (67,1-0,5•3,14•10)/2=25,7 см

С учетом размещения тэнов в парогенераторе

B = l_пр +1/2D_витка + 40 мм, мм

B = 257 + ?•100 + 20 = 327 мм.

Принимаем ширину парогенератора 330 мм.

Высота

Диаметр трубки тэна D=10 мм

Высота парогенератора с учетом размещения тэнов (10 мм между стенками парогенератора и тэнами, 30 мм над поверхностью тэнов):

H= D+ D_витка+10+30, мм

H= 100+ 10+10+30= 150 мм

Рассчитаем объем парогенератора и объем тэнов.

V_тэн= 3 • (рD²/4)• La, см³

V_тэн= 3 • (3,14•1²/4) 67,1=351 см³

V_{пар.ген}= L•B•H, см³

V_{пар.ген}= 16•33•15=7920 см³

Объем воды в парогенераторе:

V_в= V_{пар.ген} - V_тэн, см³

V_в=7920-352?7500 см³ (примерно совпадает с принятым)

3. Эксплуатационно-экономический раздел

3.1 Требования к эксплуатации оборудования

3.1.1 Установка и монтаж аппарата

Котел устанавливают непосредственно на полу и встраивают в модульную технологическую линию. Затем осуществляют соединением корпуса аппарата с заземляющим контуром, подвод трубопровода горячего и холодного водоснабжения, включение аппарата в сеть. После чего аппарат вводится в эксплуатацию.

3.1.2 Эксплуатация и уход

Правила эксплуатации. Перед началом работы проверяют санитарное состояние варочного сосуда, наличие заземления, уровень воды в пароводяной рубашке. Для проверки уровня воды открывают контрольный кран и, если через него не пойдет вода, то добавляют в парогенератор через наполнительную воронку дистиллированную или кипяченую воду до появления ее из крана.

После этого рычагом подрыва открывают паровой и вакуумный клапан двойного предохранительного клапана, для того чтобы не допустить их прикипания.

Для выпуска воздуха из пароводяной рубашки открывают воздушный клапан и кран наполнительной воронки. Как только из воздушного клапана и наполнительной воронки пойдет пар, краны закрывают. Наличие воздуха в рубашке снижает теплоотдачу от пароводяной смеси к стенкам котла и увеличивает время его разогрева.

Затем проверяют работоспособность клапана-турбинки, приподняв турбину за кольцо вверх, и двойной предохранительный клапан, нажав несколько раз на рычаг. Потом проверяют воздушный клапан или запорный кран воронки. Специальным ключом устанавливают на манометре верхний и нижний пределы необходимого давления пара в пароводяной рубашке котла.

Потом в варочный сосуд загружают продукты и закрывают крышкой. Заполнять продуктами и водой пищеварочный котел нужно не превышая предельного уровня 8-10 см ниже кромки котла. Устанавливают тумблер на работу нужного режима и включают котел в работу нажатием кнопки «Пуск». Процесс тепловой обработки продуктов осуществляется автоматически. При необходимости корректируют положение верхнего и нижнего пределов давления на электроконтактном манометре в процессе варки. Во время работы котла контролируют состояние клапана-турбинки, двойного предохранительного клапана, манометра и сигнальных ламп.

После окончания работы отключают котел от электросети при помощи красной кнопки «Стоп».

После выгрузки готовой продукции, остывший варочный сосуд и крышку промывают горячей водой и протирают снаружи сухой чистой тканью.

Надо помнить, что использование котла с загрязненным или неисправным клапаном-турбинкой всегда приводит к аварийным случаям, с травмированием и ожогами обслуживающего персонала. При работе с пищеварочными котлами нужно строго выполнять правила техники безопасности и безопасность труда. При неисправности предохранительных и запорных устройств котел запрещается использовать. [2]

Таблица 9 - Возможные неисправности и способы их устранения

Неисправности	Возможные причины	Способы устранения
При нажатии на кнопку «Пуск» котел не включается	Сгорели предохранители	Заменить предохранители
Котел включен, но долго не нагревается	Сгорел один или два тэна	Заменить сгоревшие тэны
Котел не переключается на автоматическую работу	Неисправно реле или электроконтактный манометр	Зачистить контакты реле и манометра или заменить их в случае необходимости
При работе котла загорается красная лампа «сухой ход»	Нет воды в парогенераторе	Залить воду в парогенератор через воронку
Давление на манометре свыше 0,55 атм. Предохранительный клапан не срабатывает.	Неисправен предохранительный клапан	Выключить котел, разобрать клапан, промыть и очистить его от накипи

Правильная эксплуатация теплового оборудования, хорошая тепловая изоляция аппаратов, повышение коэффициента использования отдельных аппаратов, максимальная экономия электроэнергии - все это обеспечивает снижение удельных расходов и повышение рентабельности предприятий. Например, при повторном использовании пищеварочного котла для варки снижение удельных расходов энергии составляет до 20%. Хорошая изоляция тепловых аппаратов сокращает время их разогрева и снижает удельные расходы тепла на единицу готовой продукции. Поэтому при эксплуатации тепловых аппаратов большое внимание должно быть уделено вопросам рационального использования энергоресурсов и загрузки аппаратов. [6]

3.1.3 Требования техники безопасности

Безопасные условия эксплуатации пищеварочных аппарата в значительной мере обеспечиваются установленной на них арматурой: двойным предохранительным клапаном, клапаном-турбинкой, электроконтактным манометром и др.

Обеспечение электробезопасности достигается надежным соединением корпусов аппаратов с заземляющий контуром, хорошим состоянием контактных соединений, пусковой аппаратуры, защитой электропроводов от механических повреждений, установкой плавких предохранителей и т.п.

Если при работе котла возникает необходимость открыть его герметично, закрытую крышку, то приблизительно за 5 мин до этого следует выключить тэны, благодаря чему небольшое избыточное давление в варочном сосуде упадет.

Опрокидывающиеся котлы поворачиваются лишь после их отключения.

В процессе эксплуатации пищеварочных аппаратов нужно следить за исправной работой арматуры, в частности за тем, чтобы в клапане-турбинке, пароотводе и сливном кране не скапливались частички пищи. [2]

3.1.4 Санитарные требования

Своевременная очистка (мытье) рабочих камер аппаратов должна выполняться при смене продуктов особенно при их несовместимости. Например, после варки рыбного супа варка молочного супа должна начинаться только после тщательного мытья варочного сосуда. В данном аппарате целесообразно приготовлять по возможности один и тот же вид изделий. При этом происходит существенная экономия теплоты и отпадает необходимость в частом мытье рабочих камер.

После каждого использования варочный котел промывают специальными моющими средствами, просушивают, а с внешней стороны протирают мягкой тканью.

В процессе эксплуатации нужно следить за тем, чтобы в сливном кране не скапливались остатки пищи.

3.2 Технико-экономические показатели

Основным методом определения экономической эффективности проектируемого аппарата является сравнительный анализ, т.е. сопоставление его с аппаратом, выбранным в качестве базового варианта.

Выбор базового варианта имеет решающее значение для результатов анализа и оценки, так как в его качестве используется наиболее прогрессивный и максимально соответствующий технологическому назначению аппарат. [2]

Проектируемый аппарат

1) Коэффициент полезного действия - это отношение полезно используемой теплоты ко всей затрачиваемой и рассчитывается по формуле

Чем выше КПД аппарата, тем он более совершенен. На показатели работы котлов оказывают влияние изменение режима работы и правильная их эксплуатация. С уменьшением степени заполнения котла к.п.д. его уменьшается. Ориентировочно можно считать, что при снижении емкости котла на один литр КПД его уменьшается на 0,5%.

При увеличении количества воды в пароводяной рубашке сверх установленной нормы КПД котла уменьшается, а время нагрева его содержимого увеличивается. В среднем можно считать, что на каждый лишний литр количества воды, залитой в рубашку, КПД котла уменьшается на 1,7%, а время закипания его содержимого увеличивается на 1,5-2 мин.

Существенное влияние на показатели работы котла оказывает начальное тепловое состояние конструкции (нагрев от горячего или холодного состояния).

В процессе длительной эксплуатации КПД может снижаться по причине отложения накипи на тэнах. Поэтому в парогенераторы варочных аппаратов рекомендуется заливать только кипяченую воду (или дистиллированную).

з = (Q₁ / Q)•100%

з = (8922,25/14932,81)•100=59,7%

2) Удельная объемная тепломощность рабочей камеры

b = Q / V_k • ф_раз

где V_k - объем рабочей камеры, м³.

B = 14932,81/0,04•0,7=43917,5 кДж/м³ч

3) Удельный расход тепла

q = Q/m

где Q - подведенное тепло, кДж;

т - производительность аппарата, кг/ч.

m = W / ф_раз

m = 40/0,85 =47 кг/ч

q = 14932,81/47=317,7 кДж•ч/кг

4) Видимое тепловое напряжение поверхности нагрева рабочей камеры

где F - площадь поверхности нагрева рабочей камеры, м²

Т_в = 14932,81/(0,49•0,85)=35851,1 кДж /м²ч

5) Действительно тепловое напряжение поверхности нагрева рабочей камеры

где F - площадь поверхности нагрева рабочей камеры, м²

Т_g = 8922,25/(0,49•0,85)=21421,96 кДж /м²ч

6) Удельная металлоемкость аппарата

g = M / V_л

где М - масса аппарата, кг;

V_к - объем рабочей камеры, м³.

g = 128,8/ 0,04=3220 кг / м³

Базовый аппарат

Номинальная мощность базового аппарата Р = 8 кВт

Нормальная производительность КПЭ-40:

где _раз - время разогрева содержимого варочного сосуда, час (для КПЭ-40 равно 1,0 час);

m_н =40/1,0=40 кг/ч

Производительность при начальной температуре нагреваемой среды t_н=20 ⁰С и конечной t_к= 95 ⁰С:

m = 40•90/(95 - 20)=48 кг / ч

Тогда время разогрева:

ф_раз =40/48 =0,83 ч

Количество подведенного тепла за период разогрева:

Q = Р • ф_раз • 3600

Q = 8 • 0,83 • 3600 = 23904 кДж

1) Коэффициент полезного действия

з = Q₁ / Q • 100%

з = 8922,25 / 23904 • 100 = 37,32%

2) Удельная объемная тепломощность рабочей камеры

b = Q / V_k • ф_раз

где V_k - объем рабочей камеры, м³.

b = 23904/(0,04 • 0,83) = 720000 кДж / м³ч

3) Удельный расход тепла

q = Q /m

где Q - подведенное тепло, кДж;

т - производительность аппарата, кг/ч.

q = 23904/48=498 кДж•ч/кг

4) Видимое тепловое напряжение поверхности нагрева рабочей камеры

где F - площадь поверхности нагрева рабочей камеры, м²

Т_в = 23904 / 0,5 • 0,83 = 57600 кДж/м²ч

5) Действительно тепловое напряжение поверхности нагрева рабочей камеры



Т_g = 8922,25 / 0,5 • 0,83 = 21500 кДж/м²ч

6) Удельная металлоемкость аппарата

g = M / V_к

где М = 80 - масса аппарата, кг;

V_к - объем рабочей камеры, м³.

G = 80/0,04 =2000 кг / м³

3.2.1 Экономия тепла, полученная за счет сокращения времени разогрева аппарата

Результаты расчета экономии тепла, полученной за счет сокращения времени разогрева аппарата сводятся в таблицу 10.

Таблица 10 - Результаты расчета технико-экономических показателей

Показатели	Обозначение	Размерность	Расчетная формула	Аппарат
				проектируемый	базовый
Продолжительность периода разогрева аппарата		ч	-	0,7	0,83
Масса нагреваемой среды	М	кг	-	40
Удельная тепло-емкость нагреваемой среды	С	кДж/кг град	-	4,19
Начальная температура нагреваемой среды	tн	0С	-	20
Конечная температура нагреваемой среды	tк	0C	-	95
Количество полезного тепла	Q1	кДж	-	8922,25
Номинальная мощность	P	кВт	-	6	8
Количество подведенного тепла за период разогрева	Q	кДж	Q=3600P	14900	23900
Тепловой КПД		%	=Q1100/Q	59,7	37,3
Количество сэкономленного тепла за один период разогрева аппарата	Q	кДж	Q=QП-QБ	9000
Стоимость единицы энергоносителя	К	руб.	-	2,21
Количество рабочих смен в году	n	смена	-	300
Стоимость тепла, сэкономленного в год одним аппаратом	Cr	руб.		1657,5
Стоимость тепла, сэкономленного в год 1000 аппаратами	Cr1000	тыс. руб.	Cr1000= Cr1000	1657,5

Выводы

В работе выполнен аналитический обзор и сделан краткий сравнительный анализ существующих аппаратов. Установлено, что наибольшими преимуществами обладает электрический пищеварочный котел с прямоугольной формой рабочего сосуда. Распространенной формой варочных сосудов является вертикальный цилиндр со сферическим днищем. Однако в теплотехническом отношении цилиндрическая форма варочного сосуда не является оптимальной. По опытным данным прямоугольные котлы имеют более оптимальную форму, так как прямоугольная форма варочного сосуда соответствует принципу модулирования и позволяет разработать унифицированный типоразмерный ряд пищеварочных котлов.

Для курсового проекта был выбран электрический пищеварочный котел с прямоугольной формой варочного сосуда. Разработана конструктивная схема и проведен расчет теплового баланса. На основании полученных результатов была рассчитана мощность и выбраны тэны, также рассчитаны технико-экономические показатели.

Спроектированный аппарат будет удобен в использовании, достаточно экономичный, модульный.

Список источников

1. Арустамов Э.А. Оборудование предприятий (торговля).- М.: Издательский Дом «Дашков и К⁰», 2000

2. Беляев М.И. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. - М.: Экономика, 1990

3. Вышелесский А.Н. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. - М: Экономика, 1976

4. Дорохин В.А. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. - Киев; Вища школа, 1987

5. Жуков В.И. Процессы и аппараты пищевых производств.-Новосибирск: Издат-во НГТУ, 2003

6. Кирпичников В.П., Леенсон Справочник механика.-М.: Экономика, 1990

7. Липатов Н.Н, Ботов М, И., Муратов Ю.Р. Тепловое оборудование предприятий общественного питания, - М.: Колос, 1994

8. Технология производства общественного питания.-М.: Экономика, 1975

Размещено на Allbest.ru