Промисловий водонагрівач

Завдання

Спроектувати водонагрівач електричний безперервної дії продуктивністю 135 кг гарячої води на годину.

Вступ

Ми вже звикли до гарячої води у своєму побуті настільки, що сприймаємо її як дещо само собою зрозуміле, від чого ніхто не схотів би відмовитися. Ми отримуємо гарячу воду у достатній кількості і потрібної температури. Але звідки ж вона береться? Найбільш комфортний для споживача варіант - централізована подача гарячої води чи то з місцевих котельних, чи то з найближчої ТЕЦ. Коли немає жодного з цих варіантів доводиться звертатися до автономних водонагрівальних систем.

Якщо у повсякденному житті та побуті ще можна обійтися без гарячої води, то в харчовій промисловості це питання є критичним, а постачання гарячої води має бути безперервним. Втім, для підприємства є важливим також і економічні аспекти використання водонагрівальної апаратури. Особливо це твердження справедливо для тієї ситуації, в якій опинилася вітчизняна харчова промисловість, і яка характеризується зниженням технологічного рівня виробництва, спрацюванням знарядь праці, скороченням обсягів і асортименту продукції, погіршенням її якості, затуханням інвестиційного та інноваційного процесів, витісненням вітчизняних харчових продуктів з внутрішнього й зовнішнього ринків продовольчих товарів, зменшенням обсягів надходження до бюджету та валютних надходжень у країну від експортних операцій галузі тощо.

Саме тому слід розглядати проблему забезпечення харчового виробництва устаткуванням комплексно, не тільки з технічного, але й з економічного боку, а також зважати на його екологічність.

1.      Аналітичний огляд існуючих видів водонагрівачів

Взагалі водонагрівачі бувають періодичної й безперервної дії, тобто проточні та ємкісні. У проточних водонагрівачах вода, що нагрівається, безперервно протікає через апарат. Ємкісні водонагрівачі подають гарячу воду до місця розбирання після закінчення часу, необхідного для нагрівання води до певної температури.

За видом енергоносія, що забезпечує функціонування апарату, водонагрівачі поділяються на електричні, газові і твердопаливні. За умови однакового енергоносія, водонагрівачі відрізняються один від одного продуктивністю та конструктивними рішеннями.

Оптимальний для певного підприємства вид водонагрівача обирається в залежності від наявних умов. А саме, безперервність роботи роботи апарату визначається циклічностью виробництва та його потребою у гарячій воді. Так само обирається і вид енергоносія для живлення апарату, бо не завжди електричні водонагрівачі є економічно доцільними, а інколи доводиться використовувати менш ефективні в економічному плані, але більш зручні та мобільні твердопаливні апарати.

Найбільш популярними у наш час є електричні водонагрівачі, що зумовлено такими їх перевагами:

         використання електроенергії майже у повному об’ємі, без втрат;

         мінімальні витрати електроенергії на підтримку постійної температури;

         немає прив’язки до димаря;

         можлива робота від електропостачальників, що працюють на нетрадиційних джерелах енергії;

         високий ККД на протязі всього року.

Саме через високу популярність електричних водонагрівачів спостерігається різноманіття конструкцій та моделей цих апаратів від великої кількості виробників.

2. Обгрунтування конструкції проектованого апарата

Згідно з завданням курсового проекту розглянемо конструкцію та принцип роботи електричного водонагрівача безперервної дії.

Водонагрівач електричний використовується для нагрівання води у складі інших машин і як самостійний апарат для безперервного приготування гарячої води із заданою температурою. Водонагрівач являє собою циліндричний сталевий резервуар, герметично закритий кришкою. Усередині резервуару на кришці змонтовані трубчасті електронагрівачі. Резервуар встановлений усередині запобіжного кожуха, виготовленого зі сталі і покритого зовні світлою емаллю. Між кожухом і резервуаром розміщена теплоізоляція, частіше за все, мінеральна вата.

Для подачі до водонагрівача води із водопровідної мережі і розбирання гарячої води резервуар має два патрубки, один з яких знаходиться у нижній його частині, другий - у верхній.

На водонагрівачі під знімним захисним кожухом закріплена шафа із пусковою апаратурою і приладами автоматики.

Автоматичне регулювання температури води здійснюється термосигналізатором і магнітним пускачем. Датчик термосигналізатора змонтований на кришці разом з ТЕНами, а його чутливий патрон знаходиться у верхній частині водонагрівача. У водонагрівача передбачений захист ТЕНів від «сухого ходу», тобто роботи апарата без відповідної кількості води у резервуарі.

Під час роботи апарата вода у резервуарі нагрівається і піднімається у його верхню частину. Об’єм води збільшується, оскільки гарячій воді відкритий вихід через трубопровід. Коли температура води у верхній частині резервуара досягає верхньої заданої межі, ТЕНи вимикаються, а подача холодної води у водонагрівач припиняється. Після розбирання гарячої води температура у резервуарі знижується і при досягненні температури нижньої заданої межі ТЕНи вмикаються.

3. Розрахунок конструкції проектованого апарата

.1 Розрахунок основних геометричних розмірів проектованого апарату

Дійсна виробнича потужність водонагрівача:

д=Dст* 80 / (tк - tпоч)

де Dст - стандартна виробнича потужність водонагрівача, кг/год;к - температура на виході, 0С;поч - температура на вході, 0Сд= 180 кг/год

Співвідношення висоти водогрійного резервуара Hв.р. до його диаметру dв.р. (приймається в межах 1,5 .. 2):в.р./ dв.р. = 1,5

Розраховуємо об’єм водогрійного резервуара:

Vк.р. = Dн*/

де: Dд - дійсна продуктивність водонагрівача, кг/годд =180 кг/год

 - час розігріву, год

 = 0,25 год

- густина води при 1000 С, кг/дм3

=0,985 кг/дм3к.р. = 0,045 м3

Діаметр водогрійного резервуара:

в.р.= (4Vк.р./(1,5*))1/3=    0,341 м

Тоді висота водогрійного резервуара:в.р. = 0,511 м

Розраховуєм товщину теплової ізоляції.

У якості теплової ізоляції у водонагрівачеві використовується паперолит. ( = 0,07 Вт/м*К) приймаємо hп.к.= 0,1 м.

із. = із.*(t1-tп.)/((9,77+0,07*(tп.-tв.))*(tп.-tв.))

де: із. - коефіцієнт теплопровідності ізоляції, Вт/м*К;, tп., tв. - відповідно температури гріючого середовища (гарячої води), зовнішньої поверхні ізоляції і навколишнього повітря, оС= 800 оСп.= 30 оСв. = 20 оС

із. =0,033 м

Розраховуємо зовнішний діаметр і висоту водонагрівача:

к. = dв.р.+2м+2із. +2м

де: м - товщина стінок водонагрівача, м

м = 0,008 мв.= 0,408 м

в. = hв.р.+ 2із.+hз.+ 4м

де: hз. - висота зазору між кришкою водогрійного резервуара і кришкою водонагрівача, м

приймаємо hз.=0,05 мв. = 0,631 м

Розраховуємо масу окремих елементів водонагрівача за формулою:= Fi*i*i

де: Fi - площина і-го елемента конструкції, м2;

i - товщина і-го елемента конструкції, м;

i - густина і-го елемента конструкції, кг/м3.

Розрахунок маси елементів зводимо в таблицю 3.1

Таблиця 3.1 Розрахунок маси конструктивних елементів апарату

Приймаємо, що всі елементи конструкції водонагрівача виконуються з нержавіючої сталі ( = 7900 кг/м3). В звязку з тим, що при розрахунку загальної маси водонагрівача не враховувались маси ТЕНів, водопроводної труби, блоку автоматики керування і регулювання, елементів кріплення і монтажу, збільшуємо масу водонагрівача на 20%, тобто mв = 18,46 кг.

3.2 Тепловий розрахунок

Розрахунок складових для нестаціонарного режиму роботи водонагрівача:

= Q1 + Q5 + Q6

де: Q1 - корисно використане тепло, кДж;- втрати тепла зовнішними стінками водонагрівача в навколишнє середовище, кДж;- втрати тепла на розігрів конструкцій водонагрівача, кДж;

Розрахунок корисно використаного тепла здійснюється за формулою:

Q1 = Gв*cв*(tк-tп)

де: Gв - маса води у водогрійному резервуарі, кг,в =45,0 кг

св - теплоємність води,

св = 4,19 кДж/кг*оСк - кінцева температура води у водогрійному резервуарі,к=80 оСп - початкова температура води,п=10 оС= 11313 кДж

Розрахунок втрат тепла в навколишнє середовище стінками водонагрівача здійснюється за формулою:

Q5 = і*Fі*(tп.і-tпов.)*

де: tп.і - середня розрахункова температура і-ї дільниці поверхні тепловіддачі, оС

п.і = (tп.п.і + tк.п.і)/2, оС

п.п.і , tк.п.і - відповідно початкова і кінцева температури і-ї дільниці поверхні, оС

і - коефіцієнт тепловіддачі в навколишнє середовище даною дільницею поверхні, Вт/(м2*оС)

і = к.і + в.і

к.і ,в.і - коефіцієнти тепловіддачі конвекцією і випромінюванням, Вт/(м2*оС);

З достатньою для наближених розрахунків точністю коефіцієнт тепловіддачі конвекцією к.і при вільному русі повітря визначаємо за формулами:

а) для вертикальної циліндричної поверхні

к.і = 5,88*С*( tп.і - tпов.)/d

де: d - діаметр циліндра, м= 0,408 м

С - коефіцієнт, що залежить від висоти циліндра;

б) для горизонтальної плоскої поверхні

к.і = 3,42*(tп.і. - tпов.)0,25

в.і - коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням визначають за формулою Стефана - Больцмана

в.і = (і*C0/(tп.і.-tпов.))*(((tп.і.+273)/100)4-((tпов.+273)/100)4), (5.15)і - поверхня тепловіддачі і-ї дільниці, м2;

 - час роботи апарату, с.

Поверхню водонагрівача умовно розділяємо на 4 ділянки (ділянка постаменту, ділянка водогрійного резервуара і збірника гарячої води, ділянка поживної коробки і кришка). Дані з кінцевих температур ділянок беремо з практичного експерименту. Розрахунок Q5 зводимо в таблицю 3.2

Таблиця 3.2 Розрахунок втрат тепла в навколишнє середовище при нестаціонарному режимі поверхнею водонагрівача.

=0,43 - ступінь чорноти тепловіддаючої поверхні;

С0= 5,7 Вт/(м2*К4) - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла

Розрахунок втрат тепла на розігрів конструкції водонагрівача здійснюється за формулою:

= *ci*(tк.і.-tп.і.)

де: Gi - маса і-го елемента конструкції апарата, кг;

сі - теплоємність і-го елемента конструкції апарата, кДж/(кг*К);к.і., tп.і. - кінцева і початкова температури і-го елемента конструкції апарата, оС.

Розрахунок втрат тепла на розігрів конструкцій зводимо в таблицю 3.3

Таблиця 3.3 Розрахунок втрат тепла на розігрів конструкцій водонагрівача

В звязку з тим, що в розрахунку втрат тепла на розігрів конструкцій не враховувались втрати тепла на розігрів розборного крану, елементів монтажу, кріплення, керування і автоматики та інших, збільшуємо втрати тепла на розігрів конструкцій на 20%:=334,167 кДж

Отож, загальні втрати тепла водонагрівача при нестаціонарному режимі: Q = 11743,74 кДж

Розрахунок складових для стаціонарного режиму роботи водонагрівача за формулою:

’ = Q’1 + Q’5

Розрахунок корисно використаного тепла здійснюємо за формулою:

Q’1 = D*c*(tв.к.-tв.поч.)*

де: D - продуктивність водонагрівача, кг/год;

с - теплоємність води, с = 4,19 кДж/(кг*К);в.к., tв.поч. - температура води на виході і вході водонагрівача, оС,в.к.=10 оС; tв.поч.=80 оС

 - час роботи водонагрівача, год., =1 год’1=45252 кДж

Розрахунок втрат тепла стінками водонагрівача в навколишнє середовище розраховуємо за формулою:

’5=і*Fі*(tп.і-tпов.)*

Розрахунок заносимо в таблицю 3.4

Таблиця 3.4 Втрати тепла в навколишнє середовище при стаціонарному режимі роботи

Загальні втрати тепла при стаціонарному режимі водонагрівача складають:’ = 46538,3 кДж

ККД водонагрівача при нестаціонарному режимі становить:

= 96,3 %

= 97,2 %

3.3 Розрахунок теплогенеруючого пристрою

Потужність ТЕНів при нестаціонарному режимі:

Р=Q/(3600*) =13,05 кВт

Потужність ТЕНів при стаціонарному режимі:

Р’=Q’/(3600*) =12,93 кВт

З урахуванням неврахованих втрат тепла приймаємо потужність ТЕНів:

Р = 12,93 кВт

Потужність одного ТЕНу:

Р1 = Р/n

де: n - кількість ТЕНів у водонарівачу, приймаємо= 6 шт.

Р1 = 2,155 кВт

Активну довжину ТЕНу розраховуємо за формулою:

а = P1 / (*D*W)

де: D - зовніншний діаметр трубки ТЕНу (від 6*10-3 до 16*10-3 м)

приймаємо D = 0,009 м- питома поверхнева потужність, Вт/м2,

приймаємо W = 110000 Вт/м2а = 0,693 м

Повна довжина ТЕНу після опресування з урахуванням пасивних кінців:

= Lа + 2*Lп

де: Lп - довжина пасивного кінця ТЕНу, м,

приймаємо: Lп = 0,05 м

Обираємо найблищий за розмірами та потужністю ТЕН з ряду, виробляємого промисловістю: L = 0,85 м (ТЕН-85)

Опір спіралі визначаємо за формулою:

= U2 / P1

де: U - напруга електричної мережі, В,

приймаємо: U = 220 В= 22,4641 Ом

Довжину дроту спіралі розраховуємо за формулою:

= (*d2*R1)/ (4*)

де: d - діаметр дроту спіралі, м, (від 0,4*10-3 до 1,2*10-3 м),

приймаємо d = 0,0005 м

 - питомий опір матеріалу спіралі, Ом*м,

приймаємо =0,00000115 Ом*м= 3,833547 м

Зовнішний діаметр витку спіралі розраховуємо за формулою:

сп. = D-2*ст.-2*із.

де: ст. - товщина стінки трубки ТЕНу (від 0,5*10-3 до 2*10-3 м),

приймаємо ст. = 0,005 м

із. - товщина шару периклазу (не менше 2*10-3 м),

приймаємо із. = 0,002 мсп. = 0,004 м

Діаметр стрижню для намотування спіралі розраховуємо за формулою:

ст. = dсп. /1,07 - 2d

ст. = 0,003238 м

Довжину витку спіралі розраховуємо за формулою:

в. = 1,07**(dст.+d)

в. = 0,01256 м

Число витків спіралі розраховуємо за формулою:

n = l / lв

= 305,2 шт.

Шаг намотки витків спіралі розраховуємо за формулою:

= La / n

= 0,002271 м

Коефіцієнт густини намотки розраховуємо за формулою:

= h / d

К = 4,5416

Відстань між витками розраховуємо за формулою:

= d * (K - 1)

а = 0,0018 м

Для забезпечення нормального відводу тепла від спиралі відстань між витками повинна бути у 2-3 рази більше діаметра дроту спіралі, що в нашому випадку витримується.

Внутрішний діаметр трубки ТЕНу розраховуємо за формулою:

в = D - 2*ст.

в = 0,008 м

Розраховуємо геометричні характеристики спіралі за формулами:

= d / Dв; Y = d / dв; Z = Dв / dв; K = h / d

Х = 0,0625 м; Y =0,125 м; Z = 2 м; К = 4,541

Перепад температур в ізоляційному шарі на одиницю теплового потоку [t/ql]при відомій величині коефіцієнту теплопровідності ізоляційної маси(для периклаза l = 0,022 Вт/(м*оС) визначаємо за номограмою:

[t/ql] = 4,3 cм*оС/Вт

Питомий тепловий потік на одиницю довжини спіралі дорівнює:

= P1 / La *100

= 31,086 Вт/см

Перепад температур в ізоляційному шарі розраховуємо за формулою:

t = [t/ql] * ql

Робоча температура спіралі ТЕНу розраховуємо за формулою:

сп. = 1,3 * t + tр.п.

де: 1,3 - коефіцієнт, що враховує перепад температур у контактному

шарі поверхня дроту - ізоляційна маса;р.п. - температура робочої поверхні ТЕНа, оС;

В зв`язку з тим, що температура робочої поверхні ТЕНа не перевищує 108-110 оС, приймаємо tр.п.= 108 оСсп. = 281,77 оС

.4 Розрахунок показників ефективності роботи спроектованого апарата

Енергоємність водонагрівача:

Еуд. = 0,09576 кВт*год/кг

Металоємність кип`ятильнику:

Мпит. = 0,13672 кг*год/кг

ККД кип`ятильнику:

= 97,24 %

4. Опис спроектованого апарата

Спроектований апарат є пристроєм, що забезпечує безперервне постачання гарячої води заданої температури з розрахунковою продуктивністю 135 кг води на годину. Апарат підключається безпосередньо до водопроводу і не вимагає постійного ручного долива води. Принцип дії водонагрівача заснований на нагріві води трубчастими електронагрівачами. Апарат обладнаний блоком автоматики, що захищає його від включення при відсутності води та дозволяє вчасно вмикатися та вимикатися для підтримання постійної температури води.

Даний пристрій має електричне живлення від трифазної мережі змінного струму та потужність 13 кВт. Апарат призначений для експлуатації на підприємствах харчової промисловості.

водонагрівач електричний безперервний година

5. Правила безпечної експлуатації спроектованого апарата

Під час експлуатації апарату слід дотримуватися вимог та норм, перелічених у Правилах технічної експлуатації електроустановок споживачів, затверджених наказом № 258 від 25.07.2006 Міністерства палива та енергетики України.

6. Технічні характеристики спроектованого апарата

Питома напруга трьохфазної мережі - 380 В

Частота току в мережі - 50 Гц

Потужність - 13 кВт

Кількість ТЕНів - 6 шт.

Клас електроізоляції - Н

Продуктивність - 135 кг/год

Час розігріву до 80 оС - 15 хв.

ККД кип`ятильнику - 97,24 %

Висновок

Таким чином, під час виконання курсового проекту був виконаний загальний огляд існуючих типів та конструкцій водонагрівачів, проаналізовано їх переваги. Згідно з завданням роботи був розроблений водонагрівач електричний безперервної дії продуктивністю 135 кг гарячої води на годину. Під час проектування був виконаний розрахунок основних геометричних розмірів апарата, тепловий розрахунок, розрахунок теплогенеруючого пристрою (на елементній базі, забезпеченій вітчизняною промисловістю) та розрахунок показників ефективності роботи апарата.

Проектування відбувалося на базі рекомендацій, даних у джерелах, вказаних у переліку використаної літератури.

Перелік використаної літератури

1) Курсове проектування обладнання підприємств харчування. Розрахунки і проектування теплового обладнання: Навчальний посібник / Дорохін В.О., Греман Н.В., Шеляков О.П. - Полтава: РВЦ ПУСКУ, 2005. - 134 с.

) Дорохін В.О., Греман Н.В., Шеляков О.П. Теплове обладнання підприємств харчування: - Полтава: РВЦ ПУСКУ, 2005. - 585 с.

) Лунин О.Г и др. Курсовое и дипломное проектирование технического оборудования пищевых производств . - М.: Агропромиздат, 1990. - 269 с.

) Дорохин В.А. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. - К.: Вища школа, 1987. - 407 с.

) Единая система конструкторской документации. Основные положения. - М.: Госкомитет СССР по управлению качесвом продукции и стандартам, 1991. - 201 с.

) Единая система конструкторской документации. Общие правила выполения чертежей. - М.: Госкомитет СССР по управлению качесвом продукции и стандартам, 1991. - 240 с.