Нагрівання води
Розрахунок потужності нагріву
Нагрів рідин
Визначення енергетичних вимог щодо нагрівальної установки.
У більшості випадків при вирішенні проблеми нагрівання слід пройти три основні етапи:
1. Визначити потужність, необхідну пуску, тобто. для нагрівання до робочої температури у потрібний час.
2. Розрахувати потужність, необхідну підтримки робочої температури.
3. Вибрати необхідну кількість та тип нагрівачів для забезпечення умов, розрахованих у попередніх 1-му та 2-му етапах.
Вихідні дані для розрахунку
Для розрахунку пускових та робочих вимог до потужності необхідна наступна інформація:
•Час нагріву
• Початкова та робоча температури
• Теплові властивості нагрівального матеріалу
• Маса матеріалу
• Маса контейнера, що нагрівається, та обладнання
• Теплота, що забирається оброблюваною продукцією або обладнанням, що проходить через нагріту зону
• Тепло, що поглинається через зміну агрегатного стану
• Теплові властивості та товщина ізоляції
• Втрати тепла з поверхні матеріалу та/або контейнера у навколишнє середовище.
Приклад нагріву рідини
Одним з найбільш поширених технологічних процесів електронагріву є пряме нагрівання рідин. Наступний приклад ілюструє етапи визначення загальних потреб енергії типового пристрою з занурювальними нагрівачами.
Промивний резервуар із гарячою водою.
Бак із неізольованим відкритим верхом має ширину 0.61 м, довжину 1.22 м та висоту 0.61 м.
Бак виготовлений з 9.5 мм сталі і містить 378 л води при 21 ° С при пуску.
У ході технологічного процесу в бак подається промивна вода з температурою 15 ° С зі швидкістю 151 л на годину. Робочим продуктом є 136 кг сталевих деталей на годину.
Приклад. Необхідно нагріти воду, що знаходиться в баку до 82 °С за 3 години і потім нагрівати воду, що подається, зі швидкістю 151 л на годину з 15 °С до 82 °С. Питома теплоємність сталі склалдає 500 Дж/(кг*°С). Питома теплоємність води 4182 Дж/(кг*°С) Густина сталі 7850 кг/м3. Густина води 1000 кг/м3.
Потужність, необхідна для пуску (нагрівання води та бака до робочої температури за певний час (tп))
Pп=Qп/tп=(Qtw+Qtc+0.5*(Qls+Qlw))*K/ts=(96429+6740+0.5*(22788+47531))*1.2/(3*3600)
=15.37кВт
Де
Pп - потужність, необхідна для пуску [Вт]
Qп- теплова енергія, необхідна для пуску[Дж], знаходимо за рівняннямс(7)
tп - час пуску [с]
Енергія, необхідна для нагрівання води від початкової до робочої температури (Q1)
mводи = 378 кг
своди = 4182 Дж/(кг*°С)
Q1 = 378кг*4182 Дж/(кг*°С) *(82°С -21°С)=96429кДж
Енергія, необхідна для нагрівання бака від початкової до робочої температури (Q2)
Маса стального бака:
mбака=(1.22м*0.61м+2*1.22м*0.61м+2*0.61м*0.61м)*0.0095м*7800кг/м3=221кг
ссталі = 500 Дж/(кг*°С).
Q2 = 221кг*500Дж/(кг*°С)*(82°С -21°С)=6740кДж
Теплові втрати з поверхонь
Втрати з поверхні сталевого бака (Q3)
Q3= Sбака*Lсталі*t=2.98м2*708 Вт/ м2*10800с=2110Вт*10800с=22788кДж,
Питомі втрати з поверхні (Lсталі) зручно знаходити за емпіричною формулою
Lсталі=11.6 Вт/(м2*0С) * (T2-T1)=11.6*(82-21)=708 Вт/ м2
Втрати з поверхні води при робочій температурі (Q4)
Qвтрати води=Sводи*Lводи*t= 1.22м*0.61м*5915Вт/м2 *10800с=47531кДж
Lводи- питомі втрати з поверхні води знаходимо за графіком (крива 3 на графіку)
Втрати з поверхні води
Крива 1 – швидкість повітря 0.6 м/с, відносна вологість 40%
Крива 2 – швидкість повітря 0.3 м/с, відносна вологість 40%
Крива 3 – швидкість повітря 0.6 м/с, відносна вологість 60%
Крива 4 – швидкість повітря 0.3 м/с, відносна вологість 60%
Потужність для робочого режиму
Po = Qo *K/ to
Де,
Po - потужність, необхідна для робочого режиму [Вт]
Qo - теплова енергія, необхідна для робочого режиму [Дж], знаходимо за рівнянням (7)
to - час робочого режиму (час робочого циклу) [с]
K – коефіцієнт запасу
Qo= ( Qaw + Qs +Qlc+ Qlw)*K,
Де
Q5= 151кг*4182 Дж/кг/0С *(820С-150С)=42309кДж - енергія, необхідна для нагрівання води для промивання
Q6=136кг*500 Дж/кг/0С *(820С-150С)=4556кДж - енергія необхідна для нагрівання робочого продукту (залізних деталей)
Q7=Sбака*Lбака*t0=2.98м2*11.6 Вт/(м2*0С) * (82-21)*3600с=7591 кДж - втрати з поверхні сталевого бака
Q8=Sводы*Lводы*t0=1.22м*0.61м*5915Вт/м2 *3600с=15844кДж - втрати з поверхні води
Qo=(42309+4556+15844+7591)*1.2=84360кДж (Коефіцієнт запасу в даному випадку приймемо рівним 1.2)
Po = Qo/ to=84360/3600=23.43 кВт
Оскільки потужність, необхідна для робочого режиму, перевищує потужність, необхідну при пуску, встановлена потужність повинна ґрунтуватися на величині, необхідній для робочого режиму. При встановленій потужності 24 кВт час пуску буде менше 2-х годин, при заявлених 3-х.
При виборі нагрівальних елементів для даної установки можна використовувати 6 ТЕНів потужністю 4кВт (наприклад ТЕН120А13/4П220) або два блоки ТЕН по 12кВт (наприклад блок 3ТЕН120А10/3П220).
Для запобігання перегріву нагрівачів слід встановити захист від падіння рівня води нижче критичної позначки.