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 тепла варочного аппарата в окружающую среду при нестационарных и стационарных режимах можно воспользоваться следующей формулой:

 

,

 

где  - потери тепла через стенки аппарата в окружающую среду, кДж;

 - потери тепла через крышку аппарата в окружающую среду, кДж;

 - потери тепла через дно аппарата в окружающую среду, кДж.

Теплопотери через дно незначительны, так как тепловые потоки направлены снизу вверх, поэтому при расчете не учитываются. Потери тепла в окружающую среду через отдельные элементы поверхности оборудования определяются по формуле:

 

Q_ср = ;

 

где F - площадь поверхности теплообмена (крышка, стенки), м²;

a₀ - коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м^{2 0}С;

t_п - средняя температура поверхности ограждения, ⁰С;

t₀ - температура окружающей среды, ⁰С;

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:

 

a₀ = a_к + a_л,

 

где a_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией, кДж/м^{2 0}С;

a_л - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, кДж/м^{2 0}С.

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

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.

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;

ν - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с;

l - определяющий геометрический размер, м; Определяющим геометрическим размером при этом выбирается наибольший линейный размер или диаметр ограждения;

а - коэффициент температуропроводности воздуха, м²/с;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

l - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м⁰С;

b - коэффициент объемного расширения воздуха, I/⁰С;

 

b = ,

 

a_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией. Вт/м²×⁰С;

Dt - перепад температур между ограждением и воздухом

 

.

 

При свободной конвекции в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид:

 

Nu = c (Gr×Pr) ⁿ,

 

Величины с и n для отдельных областей изменения произведения (Gr×Pr) можно принять из таблицы 2.1.

 

Таблица 2.1

Gr×Pr	с	n
1×10^-3 - 5×10^2 5×10^2 - 2×10^7 2×10^7 - 1×10^13	1,18 0,54 0,135	1/8 1/4 1/3

 

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

По величине определяющей температуры воздуха выбираем по таблице 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

 

,

 

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием a_л определяется по формуле Стефана-Больцмана:

 

a_л = ,

 

где Е - степень черноты полного нормального излучения поверхности, для различных материалов (для стали шлифованной Е=0,58)

С₀ - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/ (м²×К⁴);

С₀ = 5,67 Вт/ (м²×К⁴);

t_п - средняя температура теплоотдающей поверхности, ⁰С;

t₀ - температура окружающего поверхность воздуха, ⁰С;

Т_п - абсолютная температура поверхности ограждения, К

Т_п = t_п+273 Т₀ - абсолютная температура окружающей среды, ⁰К

 

Т₀ = t₀+273

 

Нестационарный режим

 

Для расчета потерь тепла в окружающую среду можно пользоваться формулой:

 

,

 

где t¢ - время разогрева жира, час;

 - коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м²час⁰С;

 - средняя температура поверхности ограждения за время разогрева, ⁰С

 

,

 

t_К - температура поверхности ограждения к концу разогрева, ⁰С;

t_Н - начальная температура поверхности ограждения принимается равной температуре окружающей среды, ⁰С.

Температуру отдельных поверхностей аппарата к концу разогрева можно принять:

а) для вертикальных поверхностей t_к = 60 - 65⁰С;

б) для изолированной крышки жарочного оборудования t_к = 70⁰С;

При определении коэффициента теплоотдачи конвекцией определяющая температура для воздуха, окружающего корпус (ограждение) будет равна:

 

,

 

Потери через крышку

Размеры крышки 188х188 мм (F_кр = 0,035344 м²)

 

0,5 (90+20) =55⁰С -

 

это определяющая температура воздуха вблизи крышки, по ней принимаем следующие величины:

 

а=2,71^.10^-3 м/с; v=18,97^.10^-4 м/с

l=0,0291 Вт/м^. К

Pr = 0,696

b = = 1/ (273+90-20) =0,0029

Gr =

(Gr×Pr) = (3673,3^.0,696) = 2556,6

Nu=0,54 (2556,6) ^1/4=3,8

 Вт/м².0С

С₀=5,67Вт (м^2. К⁴)

a_л =

a_л =  Вт/м².0С

a₀ =a_к+a_л= 0,588+4,047= 4,635 Дж/м².0С ∙ 3600= 16,686 кДж/м².0С

= кДж