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

, (2.20)

где – потери тепла через вертикальное ограждение (вертикальные поверхности корпуса) в окружающую среду, кДж;

– потери тепла через крышку оборудования в окружающую среду, кДж;

– потери тепла через дно оборудования в окружающую среду, кДж. Теплопотери через дно незначительны, так как тепловые потоки, как правило, направлены снизу вверх. Поэтому при расчетах ими часто пренебрегают.

Потери тепла в окружающую среду через отдельные элементы поверхности оборудования определяются по формуле:

Q_ср = ; (2.21)

где F – площадь поверхности теплообмена (крышка, обечайка и т.д.), м²;

a₀ – коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м²час ^оС;

t_п – средняя температура поверхности ограждения, ^оС;

t₀ – температура окружающей среды, ^оС;

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, (2.22)

где a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, кДж/м²час⁰С;

a_л – коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, кДж/м²час⁰С.

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

Надо помнить, что 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.

Необходимо знать, что 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;

v – коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с;

l – определяющий геометрический размер, м; Определяющим геометрическим размером при этом выбирается наибольший линейный размер (обычно высота) или диаметр (для поверхностей круглой формы) ограждения.

а – коэффициент температуропроводности воздуха, м²/с;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

l – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м ^оС;

b – коэффициент объемного расширения воздуха, 1/^оС;

b = , (2.23)

a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²×^оС;

Dt – перепад температур между ограждением и воздухом

. (2.24)

Физические параметры для сухого воздуха при Р_в = 760мм.рт.ст.=1,01×10⁵ Па приведены в прил. 1.

При свободной конвекции в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид:

Nu = c(Gr×Pr)ⁿ, (2.25)

Величины с и n для отдельных областей изменения произведения (Gr×Pr) можно принять из таблицы 2.2.

Таблица 2.2

Gr×Pr	с	п
1×10-3–5×102 5×102–2×107 2×107–1×1013	1,18 0,54 0,135	1/8 ¼ 1/3

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

Например, если средняя температура одностенной крышки пищеварочного котла к концу разогрева составляла 90 ^оС, а начальная температура ее была 20 ^оС, то средняя температура крышки в период разогрева будет равна:

,

а определяющая температура воздуха вблизи крышки:

0,5(55+20)=37,5⁰С.

В условиях стационарного режима работы оборудования за определяющую температуру принимают предельную (конечную) температуру нагрева соответствующей поверхности ограждения.

За температуру отдельных поверхностей оборудования к концу разогрева и при стационарном режиме работы можно принять:

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

б) для крышек варочного оборудования t_к = 85 – 90⁰С;

в) для крышек жарочного оборудования t_к = 160 – 180 ⁰С.

По величине определяющей температуры воздуха по таблице прил. 1 выбирают 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:

, (2.26)

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием a_л определяется по формуле Стефана-Больцмана:

a_л = , (2.27)

где Е – степень черноты полного нормального излучения поверхности, для различных материалов определяется по данным прил. 2.

С₀ – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м²×К⁴); С₀ = 5,67 Вт/(м²×К⁴);

t_п – средняя температура теплоотдающей поверхности, ^оС;

t₀ – температура окружающего поверхность воздуха, ^оС;

Т_п – абсолютная температура поверхности ограждения, К

Т_п = t_п+273;

Т₀ – абсолютная температура окружающей среды, К

Т₀ = t₀+273.

Расчет потерь в окружающую среду при работе жарочных и пекарных шкафов в стационарном режиме имеет некоторые особенности. Это связано с тем, что помимо теплообмена с ограждением происходят дополнительные потери на излучение и нагрев вентиляционного воздуха при открывании дверцы камеры шкафа во время загрузки и выгрузки продукции. Расчеты ведут на 1 кг продукции.

Потери тепла в окружающую среду при стационарном режиме работы рабочей камеры следует определять из выражения:

, (2.28)

В этом выражении:

первое слагаемое – потери тепла в окружающую среду четырьмя вертикальными и одной верхней горизонтальной стенками шкафа.

Второе слагаемое – потери тепла на нагрев вентиляционного воздуха.

Третье слагаемое – потери тепла излучением через дверцу.

При стационарном режиме потери тепла в окружающую среду через ограждения определяется:

, (2.29)

где - коэффициент теплоотдачи при стационарном режиме от поверхности i-того элемента ограждения в окружающую среду, кДж/м²час ^оС;

- температура поверхности ограждения при стационарном режиме, ^оС; »const для данной поверхности; принять равной температуре отдельных поверхностей к концу разогрева t_к;

F_i – площадь поверхности элемента ограждения, м²;

Потери тепла на нагрев вентиляционного воздуха имеют место вследствие значительной разности температуры парогазовой среды пекарной камеры (180 – 300 ^оС) и температуры окружающего воздуха (20-25 ^оС) и происходят при открывании дверцы и через вентиляционное отверстие.

Расход тепла на нагрев вентиляционного воздуха можно рассчитать, пользуясь приближенной формулой:

, (2.30)

где v_n – количество пара, образующегося при выпечке за счет испарения, влаги из выпекаемого изделия (упек), кг/кг;

Д – количество пара, поступающего в пекарную камеру для увлажнения кг/кг. Так как увлажнение паром в жарочно-кондитерских шкафах не производится, то Д = 0;

d_n – влагосодержание воздуха (т.е. количество кг влаги, содержащейся в 1 кг сухого вентиляционного воздуха) при выходе из пекарной камеры, кг/кг.
d_n определяется для влажного воздуха по заданным температуре среды пекарной камеры и ее относительной влажности;

d_о – влагосодержание воздуха, поступающего в пекарную камеру, кг/кг. Определяется для влажного воздуха и по заданным или принятым температуре воздуха и его относительной влажности.

При температуре воздуха, поступающего в камеру равной 20 ^оС и его относительной влажности 70 % значение влагосодержания

d_о = 0,01 кг/кг

При температуре воздуха, выходящего из камеры, равной 180 ^оС и его относительной влажности 40 % величина влагосодержания будет

d_n = 0,418 кг/кг

с_в – средняя весовая удельная теплоемкость воздуха, равная 1,005 кДж/кг ^оС;

t₂ – температура влажного воздуха на выходе из камеры, ^оС; t₂ = 180-200 ^оС;

t_х – температура воздуха, поступающего в пекарную камеру, t_х = 20-25 ^о.

Потери тепла излучением имеют место при открывании дверцы шкафа. Потери излучением через открытую дверцу следует определять, используя уравнение

(2.31)

где e – степень черноты излучающего отверстия, определяется по данным прил. 2;

Со – коэффициент изучения абсолютно черного тела; Вт/ (м².к⁴);
С₀ = 5,67 Вт/(м²×К⁴);

F – площадь излучаемой поверхности, м²;

F = a . в;

а – горизонтальный размер дверцы камеры шкафа, м;

в –высота дверцы камеры, м;

g – угловой коэффициент излучения, можно принять g = 0,76;

j – количество камер, из технических характеристик оборудования;

t – время, в течение которого отверстие (дверца шкафа) открыто, ч;

Т₂ – абсолютная температура среды камеры шкафа, К;

Т_о – абсолютная температура окружающего воздуха, К;

М – производительность шкафа, кг/ч.

Часовая производительность шкафа M (кг/ч), зависит от емкости пода и продолжительности подооборота и может быть определена из следующего
выражения:

M=Е∙n₁∙N, (2.32)

где Е – емкость пода при одновременной его загрузке, кг или шт., с указанием массы одного изделия;

n₁ – число подов или полок; из технической характеристики
оборудования;

N – количество подооборотов в течение одного часа.

За емкость пода принимается то количество килограммов или штук изделий, которое одновременно загружается на под, определяется из выражения:

Ε=a∙m∙n, (2.33)

где a – число изделий, шт./лист;

m – масса изделия, кг;

n – число противней или листов на поду либо полке, шт., принимаются из технических характеристик оборудования.

Количество подооборотов в течение 1 часа определяется из соотношения:

N=60/τ, (2.34)

где τ – время подооборота, равное суммарному времени загрузки, тепловой обработки и выгрузки изделий, мин (см. прил. 5).

Значения числа изделий на листе a и время подооборота τ для выпечки кондитерских и хлебобулочных изделий приведены в приложении Е. Число изделий при запекании или жарке вторых мясных блюд и др. рассчитываются по формуле

а = S×K× , (2.35)

S – площадь листа, м²;

S_изд – площадь, занимаемая штучным полуфабрикатом, м². Принимается равной в пределах 0,1-0,2м², либо высчитывается с учетом геометрических размеров изделий.

К – коэффициент использования площади пода (К = 0,8).

При известных потерях тепла в окружающую среду Q_ср, кДж/ч, и часовой производительности камеры или шкафа М, кг/ч, потери тепла, отнесенные к 1 кг горячей продукции q, кДж/кг, можно определять по формуле:

, (2.36)

При необходимости, зная q_ср можно решить обратную задачу.