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

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.