Как найти теплоту в окружающую среду

Определение потерь тепла в окружающую среду

Потери в окружающую среду при работе теплового оборудования в основном связаны с теплообменными процессами, происходящими между окружающей средой и внешним ограждением (корпусом) оборудования.

Для определения потерь в окружающую среду при нестационарных и стационарных режимах можно воспользоваться следующей формулой:

, (2.20)

где – потери тепла через вертикальное ограждение (вертикальные поверхности корпуса) в окружающую среду, кДж;

– потери тепла через крышку оборудования в окружающую среду, кДж;

– потери тепла через дно оборудования в окружающую среду, кДж. Теплопотери через дно незначительны, так как тепловые потоки, как правило, направлены снизу вверх. Поэтому при расчетах ими часто пренебрегают.

Потери тепла в окружающую среду через отдельные элементы поверхности оборудования определяются по формуле:

Q_ср = ; (2.21)

где F – площадь поверхности теплообмена (крышка, обечайка и т.д.), м 2 ;

a₀ – коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м 2 час о С;

t_п – средняя температура поверхности ограждения, о С;

t₀ – температура окружающей среды, о С;

t – продолжительность периода тепловой обработки в часах.

В процессе отдачи тепла ограждением в окружающую среду имеет место теплоотдача конвекцией и лучеиспусканием, поэтому коэффициент теплоотдачи в данном случае определяется по формуле:

где a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, кДж/м 2 час 0 С;

a_л – коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, кДж/м 2 час 0 С.

При определении коэффициента теплоотдачи конвекцией прежде всего необходимо выяснить характер теплообмена: происходит ли он при вынужденном или свободном движении воздуха относительно теплоотдающей поверхности.

Надо помнить, что при вынужденном движении коэффициент теплоотдачи определяется при помощи критерия Рейнольдса Re и Прандтля Pr. Первый из них характеризует динамику потока, второй – физические константы рабочего тела.

Необходимо знать, что отдача тепла стенками аппарата в окружающую среду происходит при свободном движении воздуха, поэтому определяющими являются критерии Грасгофа Gr и Прандтля Pr. Первый характеризует интенсивность конвективных потоков, возникающих вследствие разностей плотностей рабочего тела (воздуха) и перепада температур между ними и стенкой аппарата с учетом геометрической характеристики теплоотдающей поверхности.

На основе определяющих критериев находится критерий Нуссельта Nu, включающий значение коэффициента теплоотдачи конвекцией и характеризующий собой тепловое подобие.

Указанные критерии имеют следующий вид:

Re = ; Pr = ; Gr = ; Nu = ;

где ω – скорость движения конвективной среды, м/с;

v – коэффициент кинематической вязкости воздуха, м 2 /с;

l – определяющий геометрический размер, м; Определяющим геометрическим размером при этом выбирается наибольший линейный размер (обычно высота) или диаметр (для поверхностей круглой формы) ограждения.

а – коэффициент температуропроводности воздуха, м 2 /с;

g – ускорение силы тяжести, м/с 2 ;

l – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м о С;

b – коэффициент объемного расширения воздуха, 1/ о С;

b = , (2.23)

a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м 2 × о С;

Dt – перепад температур между ограждением и воздухом

. (2.24)

Физические параметры для сухого воздуха при Р_в = 760мм.рт.ст.=1,01×10 5 Па приведены в прил. 1.

При свободной конвекции в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид:

Величины с и n для отдельных областей изменения произведения (Gr×Pr) можно принять из таблицы 2.2.

Определяющей температурой является полусумма температур рабочего тела (воздуха) и стенки.

Например, если средняя температура одностенной крышки пищеварочного котла к концу разогрева составляла 90 о С, а начальная температура ее была 20 о С, то средняя температура крышки в период разогрева будет равна:

,

а определяющая температура воздуха вблизи крышки:

0,5(55+20)=37,5 0 С.

В условиях стационарного режима работы оборудования за определяющую температуру принимают предельную (конечную) температуру нагрева соответствующей поверхности ограждения.

За температуру отдельных поверхностей оборудования к концу разогрева и при стационарном режиме работы можно принять:

а) для вертикальных поверхностей t_к = 60 – 65 0 С;

б) для крышек варочного оборудования t_к = 85 – 90 0 С;

в) для крышек жарочного оборудования t_к = 160 – 180 0 С.

По величине определяющей температуры воздуха по таблице прил. 1 выбирают физические параметры воздуха: коэффициент температуропроводности а, коэффициент теплопроводности l, коэффициент кинематической вязкости v, затем находят произведение (Gr×Pr), с и n и численную величину критерия Nu

По значению критерия Нуссельта определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией:

, (2.26)

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием a_л определяется по формуле Стефана-Больцмана:

a_л = , (2.27)

где Е – степень черноты полного нормального излучения поверхности, для различных материалов определяется по данным прил. 2.

С₀ – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м 2 ×К 4 ); С₀ = 5,67 Вт/(м 2 ×К 4 );

t_п – средняя температура теплоотдающей поверхности, о С;

t₀ – температура окружающего поверхность воздуха, о С;

Т_п – абсолютная температура поверхности ограждения, К

Т₀ – абсолютная температура окружающей среды, К

Расчет потерь в окружающую среду при работе жарочных и пекарных шкафов в стационарном режиме имеет некоторые особенности. Это связано с тем, что помимо теплообмена с ограждением происходят дополнительные потери на излучение и нагрев вентиляционного воздуха при открывании дверцы камеры шкафа во время загрузки и выгрузки продукции. Расчеты ведут на 1 кг продукции.

Потери тепла в окружающую среду при стационарном режиме работы рабочей камеры следует определять из выражения:

, (2.28)

первое слагаемое – потери тепла в окружающую среду четырьмя вертикальными и одной верхней горизонтальной стенками шкафа.

Второе слагаемое – потери тепла на нагрев вентиляционного воздуха.

Третье слагаемое – потери тепла излучением через дверцу.

При стационарном режиме потери тепла в окружающую среду через ограждения определяется:

, (2.29)

где — коэффициент теплоотдачи при стационарном режиме от поверхности i-того элемента ограждения в окружающую среду, кДж/м 2 час о С;

— температура поверхности ограждения при стационарном режиме, о С; »const для данной поверхности; принять равной температуре отдельных поверхностей к концу разогрева t_к;

F_i – площадь поверхности элемента ограждения, м 2 ;

Потери тепла на нагрев вентиляционного воздуха имеют место вследствие значительной разности температуры парогазовой среды пекарной камеры (180 – 300 о С) и температуры окружающего воздуха (20-25 о С) и происходят при открывании дверцы и через вентиляционное отверстие.

Расход тепла на нагрев вентиляционного воздуха можно рассчитать, пользуясь приближенной формулой:

, (2.30)

где v_n – количество пара, образующегося при выпечке за счет испарения, влаги из выпекаемого изделия (упек), кг/кг;

Д – количество пара, поступающего в пекарную камеру для увлажнения кг/кг. Так как увлажнение паром в жарочно-кондитерских шкафах не производится, то Д = 0;

d_n – влагосодержание воздуха (т.е. количество кг влаги, содержащейся в 1 кг сухого вентиляционного воздуха) при выходе из пекарной камеры, кг/кг.
d_n определяется для влажного воздуха по заданным температуре среды пекарной камеры и ее относительной влажности;

d_о – влагосодержание воздуха, поступающего в пекарную камеру, кг/кг. Определяется для влажного воздуха и по заданным или принятым температуре воздуха и его относительной влажности.

При температуре воздуха, поступающего в камеру равной 20 о С и его относительной влажности 70 % значение влагосодержания

При температуре воздуха, выходящего из камеры, равной 180 о С и его относительной влажности 40 % величина влагосодержания будет

с_в – средняя весовая удельная теплоемкость воздуха, равная 1,005 кДж/кг о С;

t₂ – температура влажного воздуха на выходе из камеры, о С; t₂ = 180-200 о С;

t_х – температура воздуха, поступающего в пекарную камеру, t_х = 20-25 о .

Потери тепла излучением имеют место при открывании дверцы шкафа. Потери излучением через открытую дверцу следует определять, используя уравнение

(2.31)

где e – степень черноты излучающего отверстия, определяется по данным прил. 2;

Со – коэффициент изучения абсолютно черного тела; Вт/ (м 2 .к 4 );
С₀ = 5,67 Вт/(м 2 ×К 4 );

F – площадь излучаемой поверхности, м 2 ;

а – горизонтальный размер дверцы камеры шкафа, м;

g – угловой коэффициент излучения, можно принять g = 0,76;

j – количество камер, из технических характеристик оборудования;

t – время, в течение которого отверстие (дверца шкафа) открыто, ч;

Т₂ – абсолютная температура среды камеры шкафа, К;

Т_о – абсолютная температура окружающего воздуха, К;

М – производительность шкафа, кг/ч.

Часовая производительность шкафа M (кг/ч), зависит от емкости пода и продолжительности подооборота и может быть определена из следующего
выражения:

где Е – емкость пода при одновременной его загрузке, кг или шт., с указанием массы одного изделия;

n₁ – число подов или полок; из технической характеристики
оборудования;

N – количество подооборотов в течение одного часа.

За емкость пода принимается то количество килограммов или штук изделий, которое одновременно загружается на под, определяется из выражения:

где a – число изделий, шт./лист;

n – число противней или листов на поду либо полке, шт., принимаются из технических характеристик оборудования.

Количество подооборотов в течение 1 часа определяется из соотношения:

где τ – время подооборота, равное суммарному времени загрузки, тепловой обработки и выгрузки изделий, мин (см. прил. 5).

Значения числа изделий на листе a и время подооборота τ для выпечки кондитерских и хлебобулочных изделий приведены в приложении Е. Число изделий при запекании или жарке вторых мясных блюд и др. рассчитываются по формуле

а = S×K× , (2.35)

S_изд – площадь, занимаемая штучным полуфабрикатом, м 2 . Принимается равной в пределах 0,1-0,2м 2 , либо высчитывается с учетом геометрических размеров изделий.

К – коэффициент использования площади пода (К = 0,8).

При известных потерях тепла в окружающую среду Q_ср, кДж/ч, и часовой производительности камеры или шкафа М, кг/ч, потери тепла, отнесенные к 1 кг горячей продукции q, кДж/кг, можно определять по формуле:

, (2.36)

При необходимости, зная q_ср можно решить обратную задачу.

Источник

Тепловой
поток Q_п
через поверхность S_ст
стенок сушилки вычисляют по уравнению
теплопередачи:

Q_п=
к*Δt_ср*S_ст,

Коэффициент
теплопередачи к рассчитывается по
формуле для многослойной стенки:

где δ и λ –
соответственно толщина и коэффициент
теплопроводности различных слоев
футеровки и теплоизоляции.

Найдем
значение критерия Re:

Re=v*l/υ=2,5
м/с*1,65 м/29*10^-6
м²/с=142241

Nu=0,66*Re^0,5*Pr^0,33=0,66*142241^0,5*1,17^0,33=262,2.

Коэффициент
теплоотдачи α от сушильного агента к
внутренней поверхности стенок:

Nu=α*l/λ,

α₁=Nu*
λ/l=262,2*3,53*10^-2
Вт/(м*К)/1,65 м=5,61 Вт/м²*К.

Суммарный коэффициент
теплопередачи конвекций и излучением
от наружной стенки к окружающему воздуху:

α₂=9,74+0,07*(t_ст-t_в),

где
t_ср
– температура наружной стенки, t_ст=40⁰С,

t_в
– температура окружающего воздуха,
t_в=20⁰С,

α₂=9,74+0,07*(40⁰С-20⁰С)=11,14
Вт/ м²*К.

По температуре
газов выбираем толщину футеровки (таб.
3.1)

Толщина:

футеровки –

шамота – 125 мм

стали
– 20 мм

λ:

шамота – 1,05 Вт/м*К

стали — 46,5 Вт/м*К

Находим коэффициент
теплопередачи:

Определяем
поверхность стенки S_ст
:

S_ст=π*d*l=3,14*1,6
м*8 м=40,2 м²,

Q_п=2,581
Вт/(м²*К)*89⁰С*40,2
м²=9234
Вт.

Удельную потерю
теплоты в окружающую среду определяют
по формуле:

q_п=Q_п/W,

где
W
– масса влаги, удаляемая из высушенного
материала за 1 с.

q_п=9234
Вт/0,061 кг/с=151377,05 Вт*с/кг.

2.3. Расчет калорифера при сушке воздухом

Общее
количество теплоты Q₀
рассчитывают по формуле:

Q₀=L*(I₁-I₀)

Q₀=2,46
кг/с *(159 кДж/кг +3,35 кДж/кг)=399,381кВт

Вычислим средний температурный напор
по формуле логарифмического уравнения:

где
Δt_м
=t₁-t_2н

Δt_б=t₁-t_2к

t₁—
температура греющего пара (равное
температуре насыщения пара при заданном
давлении).

При
давлении 5,5 атм. t₁=154,6⁰С
(ст 550)

t_2н,
t_2к—
температура воздуха на входе в калориметр
и выходе из него, t_2к=150⁰С;
t_2н=-7,7⁰С.

Δt_б=154,6⁰С+7,7⁰С=162,3⁰С,

Δt_м
=154,6⁰С-150⁰С=4,6⁰С,

Поверхность
теплообмена S_т
калориметра определяют по уравнению
теплоотдачи :

S_т=Q₀/к
Δt_ср.,

где
к- коэффициент теплоотдачи, который для
оребренных калориферов применяется в
зависимости от массовой скорости воздуха
ρ*v.
Пусть ρ*v
=3 кг/м²*с;
тогда к=30 Вт/ м²*к.

Находим
необходимое число n_к.
секций калорифера:

n_к.=S_т/
S_с
,

где
S_с
– поверхность теплообмена секции.

Примем оребренный
калорифер:

Т.
к. фактическое число секций выбирают с
15-20 %-ним запасом, то n_к.=6,23+6,23*0,15=7,2≈8
секции.

Массовую скорость воздуха в калорифере
рассчитывают:

ρ*v
=L/S,

где
L-расход
абсолютно сухого воздуха,

S-
площадь живого сечения секций, 0,431 м².

В калорифере устанавливают 2 ряда по 4
секции, параллельно по ходу воздуха
так, чтобы получить в них рекомендуемую
скорость воздуха. Потерю давления при
проходе воздуха через секцию калорифера
можно определить по формуле в оребренном
калорифере большой модели.

Δр=4,4*(
ρ*v)^1,85;

Δр=4,4*( 2,85)^1,85=30,54
Па.

Для
средней модели сопротивление секций в
1,2 раза меньше, значит:

Δр_Т=25,45
Па*8 сек.=203,6 Па.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Расчет тепловых потерь в окружающее пространство

Как видно из расчетов, уменьшить потери теплоты можно за счет применения соответствующего вида изоляции.

В производственных условиях имеют место потери теплоты при утечке теплоносителя через неплотности соединений. В этом случае потери теплоты (кВт) определяют по формуле

Например, потери теплоты при утечке воды, температура которой 70 °С, через отверстие диаметром 5 мм со скоростью 0,5 м/с составляют

Смотрите также

• Тепловой баланс технологического процесса
• Расход теплоты на подготовку технологического процесса
• Расчет поверхности теплообмена в теплообменных аппаратах
• Расход теплоты на удаление влаги в процессах сушки
• Расчет расхода теплоты на выпаривание
• Расчет расхода теплоты на адсорбцию
• Расход теплоты на отопление и вентиляцию промышленных предприятий
• Расход теплоты на вентиляцию
• Расход теплоты на горячее водоснабжение
• Расчет тепловых потерь в окружающее пространство

ДОМАШНЯЯ ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ, ОТДАВАЕМОГО ОРГАНИЗМОМ ЧЕЛОВЕКА В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ»

Цель работы: измерив термометром температуру окружающего воздуха и весами – массу своего тела, определить количество теплоты (а также количество вещества), которое отдает ваше тело в окружающее пространство.

Оборудование: термометр, напольные весы.

Ход работы:

1. Найдите массу собственного тела, используя напольные весы.

2. Измерьте температуру воздуха и  температуру вашего тела.

3. Приняв молярную массу вещества человеческого тела , рассчитайте количество вещества по формуле:

4. По формуле найдите количество теплоты, отдаваемое вашим организмом в окружающую среду.

Удельную теплоемкость человека (так как он состоит на 80% из воды) можно приблизительно считать равной

Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу:

Обобщите результаты своей работы. Сделайте вывод по проделанной работ.

Решите задачи:

Для приготовления чая турист положил в котелок лед массой 2 кг, имеющий температуру 00С. Какое количество теплоты необходимо для превращения этого льда в кипяток при температуре 1000С? Энергию, израсходованную на нагревание котелка, не учитывать.

Какое количество энергии требуется для превращения воды массой 2 кг, взятой при температуре 200С, в пар?

Производство пара в паровом котле, как любой другой процесс трансформации энергии, сопровождается неизбежными потерями тепла. Эффективность использования тепловой энергии топлива, сгораемого в топке, характеризуется коэффициентом полезного действия котла – КПД.

Для определения КПД котла обычно составляются уравнения теплового баланса, представляющие собой соотношения между приходом и расходом теплоты в котле. Тепловой баланс принято составлять относительно 1 кг сжигаемого топлива для установившегося режима работы котла.

Согласно закону сохранения энергии, между приходом и расходом теплоты в котле должно существовать равенство. Рассмотрим уравнение теплового баланса для котла с вентиляторным дутьем с пароперегревателем и экономайзером (без воздухоподогревателя).

В топку котла (рис. 29) с 1 кг топлива вносится следующее количество теплоты, [кДж/кг]:

Суммарная теплота, вносимая с различными средами в паровой котел, называется располагаемой теплотой:

Полезно использованной теплотой – Q₁ , считается теплота, отобранная из котла с паром. Для котлов с одновременным отбором насыщенного и перегретого пара она состоит из суммы полезной теплоты, отобранной из котла с насыщенным паром – Q_НАС , и полезной теплоты, отобранной из котла с перегретым паром – Q_ПЕ :

где:

D_ПЕ и D_НАС – количество перегретого и насыщенного (со степенью сухости – х ) пара, отбираемого из котла, [кг/час];

i _ПЕ ,i _x и i _ПВ – энтальпии перегретого, насыщенного со степенью сухости – х пара и питательной воды, [кДж/кг];

B – расход топлива, [кг/час].

Остальная часть располагаемого тепла уходит из котла в виде потерь:

• I _ух = V _г С _рг t_г — энтальпия уходящих газов, [кДж/кг];
• Q₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;
• Q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;
• Q₅ – теплота, рассеиваемая в окружающее пространство через обшивку и изоляцию котла, [кДж/кг];

где:

V _г, С _рг и t _г – объем [м³], теплоемкость [кДж/кг•°С] и температура [°C] газов, уходящих из котла.

Таким образом, приходно-расходное выражение теплового баланса парового котла имеет вид:

Выражение, находящееся в скобках, называется потерей теплоты с уходящими газами – Q₂ :

С учетом этого, уравнение теплового баланса парового котла примет вид:

Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива – Q₄ характерны для котлов с угольным отоплением и практически отсутствуют в котлах, работающих на жидких сортах топлива – мазутах, что свидетельствует о высоком совершенстве организации топочных процессов в судовых и корабельных паровых котлах. Поэтому этим членом уравнения теплового баланса часто пренебрегают.

КПД котла можно определить, как отношение полезно использованной теплоты к теплоте сгорания топлива:

а выразив полезно использованную теплоту через паропроизводительность котла, получим выражение для КПД:

Уравнение теплового баланса и распределение потоков теплоты в котле можно изобразить графически (рис. 30).

Полезно использованная теплота в котле Q₁ складывается из теплоты,
ушедшей на испарение воды в лучевоспринимающих – Q_Л , и конвективных
– Q_ИСП поверхностях нагрева; теплоты, ушедшей на перегрев пара в
пароперегревателе – Q_ПЕ , и на подогрев воды в экономайзере – Q_ЭК . Таким образом значение полезной теплоты можно выразить, как:

В каждой части котла имеются свои потери теплоты в окружающую среду. Общая потеря теплоты на охлаждение котла – Q₅ является суммой частных потерь: в топке, испарительной части котла, пароперегревателе и экономайзере:

Таким образом, для каждой части котла (топки, испарительной, перегревательной и экономайзерной) можно составить частные уравнения теплового баланса. С учетом частных уравнений теплового баланса, КПД котла можно выразить следующей формулой:

где:

I₀ – теоретическая энтальпия продуктов сгорания топлива (без потерь на механический и химический недожог):

η – коэффициент удержания тепла в котле, учитывающий охлаждение обшивки котла (теплообмен с внешней средой) в районах топки, испарительных поверхностей нагрева, пароперегревателя и экономайзера.

Потери теплоты с уходящими газами – Q₂ являются максимальными из всех потерь теплоты в котле и составляют:

В связи с этим потеря теплоты с уходящими газами главным образом определяет экономичность работы котла и его КПД. Потери теплоты Q₂растут с ростом объема продуктов сгорания – V_Г, получающихся при сжигании 1 кг топлива (т. е. с ростом коэффициента избытка воздуха – α ), и с ростом температуры уходящих газов – t _УХ.

Физический смысл роста потери Q₂ с ростом V_Г и t_УХ заключается в том, что избыточный воздух, введенный в топку, или попавший через
неплотности, выбрасывается в атмосферу с температурой t _УХ , унося с собой то количество тепла, которое израсходовано на его нагрев до этой температуры.

Температура уходящих газов в работающем котле зависит от нагрузки котла и от чистоты поверхностей нагрева. Чем больше сажистых и накипных отложений на поверхностях нагрева котла, тем хуже условия теплопередачи, тем с более высокой температурой газы покидают котел, увеличивая значение потери Q₂ .

Потери теплоты от химической неполноты горения топлива – Q₃ имеют место в том случае, если в процессе сжигания топлива наряду с продуктами полного горения: CO₂ , SO₂ и H₂O , образуются газообразные продукты неполного горения: CO , CH₄ и др.

Обычно эти потери составляют величину 0,5 ÷ 1,0 % от в
зависимости от типа используемых топочных устройств и нагрузки котла.

Потеря Q₃ может увеличиться по сравнению с расчетной:

• при слишком малом коэффициенте избытка воздуха;
• при большом содержании влаги в топливе и его низкой температуре;
• при большом содержании в топливе золы и механических примесей;
• при плохом распыле топлива и недостаточном его перемешивании с воздухом;
• при слишком большой производительности отдельных форсунок (износ распылителей);
• при неправильной центровке и установке форсунок по отношению к фурмам;
• при малом объеме топочного пространства, недостаточном для завершения процесса горения топлива.

Потери теплоты в окружающую среду – Q₅ определяются количеством тепла, которое передается в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией наружными нагретыми поверхностями котла, газоходов, арматуры, коллекторов.

Для уменьшения этих потерь наружная обшивка котла и все его нагретые части покрываются изоляцией. Роль изоляции также выполняет воздушный зазор между наружным и внутренним кожухами котла.

Потери теплоты в окружающую среду минимальны на полных нагрузках котла и увеличиваются при снижении нагрузки до минимальной. Потеря Q₅ максимальна для котла, находящегося в горячем резерве.

Литература

Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]