Теплотехнический расчет проектируемой сковороды

 

Таблица 3.4 –  Контактный стержень в заделке ТЭН  по ГОСТ 13268-88

Обозначение	A	B	C	D	E
Длина, мм	40	65	100	125	160

 

Основным правилом при выборе ТЭН  для заданной нагреваемой среды  является правильное сочетание геометрических и электротехнических параметров. Ресурс и надежность работы ТЭН зависят  от того, насколько велика поверхностная  нагрузка. Для различных нагреваемых  сред допустимая удельная поверхностная  нагрузка разная и является строго нормативной величиной, превышение которой ведет к преждевременному выходу ТЭН из строя.

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.1 Исходные данные

 

Для расчета ТЭН необходимо иметь сведения о его мощности Р, напряжении в электрической сети U, удельных нагрузках на поверхности трубки W_Т и поверхности спирали W_П, конфигурации, а также о размерах рабочего пространства, в котором он установлен.

 

Суммарную мощность ТЭН, установленных  в сковороде и их количество определяем из технической характеристики аппарата.

 

Мощность ТЭН Р, Вт, определяем из соотношения

 

			(3.20)
где	ΣP	– суммарная мощность ТЭН, установленных в сковороде, Вт;
	n	– количество ТЭН, шт.

 

Напряжение электрической  сети U, В, определяем из технической характеристики сковороды с учетом электрической схемы включения ТЭН в сеть.

При расчете ТЭН следует обязательно обратить внимание на то, в какой среде работает нагревательный элемент (минеральное масло) и выбрать в соответствии с этим поверхностную нагрузку нагревателя. Значения удельных нагрузок на поверхности трубки W_Т и поверхности спирали W_П берем из таблицы Б.1 [3, стр.24] в зависимости от условий, в которых работает ТЭН.

Конфигурацию ТЭН и размеры рабочего пространства, в котором он установлен выявляют в процессе изучения конструкции заданного теплового аппарата. Принимаем двухконцевой ТЭН Ф2 (см. рисунок 3.3 и таблицу 3.3).

 

Исходные данные сводим в  таблицу (см. таблицу 3.5).

 

Таблица 3.5 – Исходные данные для  расчета ТЭНа

Наименование показателя	Значение показателя
Суммарная мощность ТЭНов, установленных в аппарате, ΣP, кВт	9
Количество ТЭНов в аппарате, n, шт	6
Единичная мощность ТЭНа, P, кВт	1,5
Напряжение электрической сети, U, В	220
Вид среды, в которой работает ТЭН	масло
Удельная нагрузка на поверхности  трубки WТ, Вт/м2	3 ∙ 104
Удельная нагрузка на поверхности  спирали WП, Вт/м2	8 ∙ 104

 

3.2.2 Порядок расчета

 

Расчет ТЭН выполняем в три этапа:

 

1 этап – определяем размеры трубки;

2 этап – рассчитываем размеры проволоки;

3 этап – находим размеры спирали.

 

3.2.2.1 Определяем размеры  трубки ТЭНа.

Определяем длину активной части трубки ТЭН L_А, м, по формуле

			(3.21)
где		– диаметр трубки ТЭН, м.

Диаметр трубки принимаем  в пределах D_Т = 0,006…0,016 м.

Принимаем D_Т = 0,013 м.

 

 

Полученное значение соотносим с размерами рабочего пространства с учетом формы ТЭН. Так как значительных расхождений в размерах ТЭН и рабочего пространства не выявлено корректировка не требуется.

 

Рассчитываем длину активной части трубки ТЭН до опрессовки L_АО, м, из соотношения

			(3.22)
где		– коэффициент удлинения  трубки в результате опрессовки.
		= 1,15.

 

 

Находим полную развернутую  длину трубки после опрессовки L_Т, м

 

			(3.23)
где		– длина пассивного конца трубки ТЭН, м.

Длину пассивного конца трубки (длину контактного стержня) принимаем в зависимости от способа крепления ТЭНа в аппарате по таблице Б.2 [6, стр.25].

 

3.2.2.2 Рассчитываем размеры  проволоки ТЭН.

Находим сопротивление проволоки  ТЭН после опрессовки R, Ом, из выражения

			(3.24)

а сопротивление проволоки  ТЭН до опрессовки R₀, из выражения

			(3.25)
где		– коэффициент изменения  сопротивления проволоки в результате    опрессовки = 1,3.

 

 

 

 

Рассчитываем удельное сопротивление  проволоки при рабочей температуре, r_t, Ом∙м, по формуле

			(3.26)
где		– удельное сопротивление  проволоки из нихрома при рабочей    температуре 20оС, Ом∙м;
		– температурный коэффициент, учитывающий изменение     удельного сопротивления проволоки из нихрома при    изменении температуры, град-1;
		– рабочая температура  проволоки из нихрома, оС.

 

К расчету принимаем сплав  Нихром Х20Н80 со следующими параметрами:

 

 

 

 

 

 

Определяем диаметр проволоки  ТЭН d, м, по формуле

 

			(3.27)

 

 

Выбираем ближайший стандартный  диаметр d_ПР (т.е. результат округляем до десятых долей миллиметра).

Принимаем d_ПР = 0,0007 м.

 

Находим длину проволоки  ТЭН l_ПР, м, из выражения

 

			(3.28)

 

 

Проверяем значение фактической  удельной поверхностной мощности на проволоке W_ПФ, Вт/м²

			(3.29)

 

 

W_ПФ не должна превышать предельно допустимых величин.

 

                                               W_ПФ  £  W_П.

 

                              5,29∙10⁴ Вт/м² < 8∙10⁴ Вт/м²

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.2.3 Находим размеры спирали.

Вычисляем длину одного витка  спирали l_В, м, по уравнению

 

			(3.30)
где	1,07	– коэффициент увеличения диаметра спирали после снятия ее со    стержня намотки;
		– диаметр стержня намотки, м, выбираем из конструктивных    соображений   = 0,003…0,006 м.

Принимаем   = 0,004 м.

 

 

 

Находим количество витков спирали n, шт, по формуле

			(3.31)

 

 

Расстояние между витками  спирали а, м, связано с длиной активной части трубки ТЭН соотношением

			(3.32)

 

 

Определяем шаг спирали s, м,

			(3.33)

 

 

Вычисляем коэффициент шага K_ш

			(3.34)

и коэффициент стержня  намотки Кс

	(3.35)

 

 

 

 

Определяем диаметр спирали  ТЭН d_СП, м, по формуле

 

			(3.36)

 

 

Находим общую длину проволоки l₀, м, с учетом навивки на концы контактных стержней по 20 витков

 

			(3.37)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Расчет основных  теплотехнических и эксплуатационных  характеристик сковороды

 

Эффективность работы электросковороды при хорошем качестве готовых изделий может быть оценена различными показателями.

 

К основным теплотехническим и эксплуатационным характеристикам  электросковороды относятся [2, стр. 146]:

 

производительность (350-400 шт/ч);

тепловой коэффициент  полезного действия (кпд);

площадь жарочной поверхности (0,3 м²);

установочная мощность (9 кВт);

время разогрева (40 мин);

габариты (1350 х 860 х 880 мм);

масса (290 кг)

 

и ряд удельных показателей:

 

удельный расход энергии;

удельная металлоемкость и энергоемкость;

удельный расход жира (2,4 г/кг);

равномерность температурного поля (22^оС).

 

Часть этих показателей содержится в технических характеристиках  оборудования.

 

Для определения эффективности  работы сковороды определим следующие основные характеристики:

 

удельный расход теплоты  на единицу готовой продукции;

коэффициент полезного действия.

 

Расход теплоты на единицу  готового продукта при стационарном режиме Дж/кг, определяем по формуле

 

			(3.38)
где		– масса готового продукта, кг (см. таблицу 3.1)

 

 

 

Расход теплоты на единицу  готового продукта с учетом затрат на разогрев сковороды и жира для жарки Дж/кг, определяем по формуле

			(3.39)

 

 

Коэффициент полезного действия в период разогрева сковороды, определяем по формуле

			(3.40)

 

 

Коэффициент полезного действия в стационарном режиме определяем по формуле

			(3.41)