Розрахунок необхідної теплової енергії

Загальні положення

Більшість технологічних процесів, пов'язаних із нагріванням, можна розділити на дві групи. До першої відносяться процеси, які вимагають підтримки постійної температури на певному рівні. До другої відносяться процеси, пов'язані зі зміною температури і іноді зміною агрегатного стану робочого продукту. Принципи розрахунку необхідної теплової енергії у обох ситуаціях подібні, хоча мають деякі особливості.

Процеси, що потребують підтримки сталої температури

 У цьому випадку йдеться про процеси, коли температура робочого продукту має підтримуватися у певному діапазоні без зміни агрегатного стану незалежно від температури навколишнього середовища. Прикладом може бути опалення (підтримка комфортної температури), захист від замерзання трубопроводів, приладів тощо. Розрахунки в цьому випадку проводяться за фіксованої різниці температур. При цьому приймаються найнесприятливіші умови.

Процеси зі зміною температури

 До цієї групи відносяться процеси, пов'язані із запуском, нагріванням і, можливо, зі зміною агрегатного стану матеріалів. Загальна потреба в тепловій енергії має кілька складників. Розглянемо ці складники:

Поглинута енергія -  теплова енергія, що поглинається під час запуску та експлуатації як робочим продуктом, так і елементами конструкції нагрівальної установки, а також теплота плавлення (або пароутворення).

 Теплові втрати – сума всіх теплових втрат у процесі пуску та експлуатації

 Фактор запасу міцності – енергія, що компенсує невідомі та слабко прогнозовані фактори.

Визначення вимог щодо характеристик обладнання

 Вибір та налаштування теплового обладнання базується на найбільш широкій оцінці всіх факторів, що впливають на процес нагрівання. У більшості випадків початкові та робочі температурні умови кардинально відрізняються. Тому теплова енергія, необхідна для режиму пуску, відрізняється від енергії, необхідної для режиму експлуатації. Щоб точно оцінити загальну потребу установки в теплі, необхідно розглянути ці два режими окремо.

 Визначення енергії, що поглинається

Чинники, що впливають на величину необхідної енергії при пуску:

• початкові умови під час пуску (початкова температура, тиск тощо).

• тепло, що поглинається протягом пуску робочим продуктом.

• тепло, що поглинається протягом пуску елементами конструкції обладнання.

• динаміка (швидкість) процесу запуску.

Чинники, що впливають величину необхідної енергії для забезпечення робочого процесу:

• умови протікання робочого процесу (температура, тиск тощо)

• тепло, що поглинається робочим продуктом у процесі нагрівання.

• тепло, що поглинається елементами конструкції обладнання в процесі нагрівання.

• теплота плавлення та пароутворення

• матеріали, що утворюються в процесі нагрівання

• динаміка процесу чи циклу

Визначення теплових втрат

Будь-яке тіло або об'єкт при температурі вище навколишнього середовища втрачає теплову енергію шляхом теплопровідності, конвекції та випромінювання. Тепловий розрахунок повинен враховувати ці втрати, щоб забезпечувати достатню енергію їх компенсації. Теплові втрати оцінюються як пускових, так робочих умов.

Теплові втрати при пуску

Спочатку втрати тепла при пуску дорівнюють нулю, оскільки матеріали та обладнання знаходяться при температурі навколишнього середовища. Теплові втрати збільшуються до максимальної величини за робочої температури. Отже, пускові втрати тепла можна розраховувати як середнє значення втрат на початку та наприкінці пуску.

Теплові втрати при робочій температурі зазвичай сталі.

Загальні теплові втрати складаються з втрат шляхом теплопровідності, конвекції та випромінювання з різних поверхонь. При розрахунку зручно користуватися графіками та діаграмами, що показують залежність питомої величини втрат (втрати з одиниці площі) від різниці температур.

Фактор запасу міцності

Найчастіше фактичні умови експлуатації, втрати тепла та інші фактори, що впливають на процес, можуть оцінюватись приблизно. У більшості розрахунків рекомендується використовувати коефіцієнт запасу міцності для компенсації таких невідомих як вентиляція повітря, теплоізоляція, зміна фізичних властивостей матеріалів, коливання напруги тощо.

Наприклад, зміна напруги на 10% створює 21% зміну потужності нагрівача. Запас міцності варіюється від 10 до 25% залежно від рівня впевненості конструктора щодо оцінки невідомих. Величина необхідної теплової енергії оцінюється множенням коефіцієнта запасу міцності на суму обчислених значень поглиненої теплової енергії та втрат.