2.2 Тепловые расчеты
Тепловой баланс аппарата
Для водонагрвателей непрерывного действия наиболее характерен стационарный режим работы, для которого уравнение теплового баланса имеет вид:
Q
=
Q
+
Q
+
Q
,
где Q - полезная тепловая нагрузка, кВт;
Q - тепловая мощность пошедшая на испарение воды, кВт;
Q - потери в окружающую среду, кВт.
Расчет полезно используемой теплоты
Q
= Dв
*
С
*(
tк
-
tн),
где
Dв - удельная производительность водонагревателя, л/ч;
С - удельная теплоемкость воды, кДж/ (кг*К);
tк , tн - соответственно температура воды на выходе и на входе, °С.
Q = 0,044*4,187*(95-7) = 16,3 кВт.
Тепловая мощность, пошедшая на испарение воды
Q
=
,
где
-
масса испаренной влаги, кг;
r – удельная теплота парообразования, кДж/кг.
(удельная теплота парообразования воды 2260 кДж/кг)
-
соответствующее время работы
водонагревателя, с.
Q
=
=0,166
кДж.
Потери теплоты в окружающую среду
Q
=0,001*
*F
*(t
-t
),
где
-коэффициент
теплоотдачи, кВт/(м
*К);
F
=
F
-площадь
наружных ограждений водонагревателя,
м
;
t -температура стенки аппарата, °С;
t - температура воздуха, °С.
=9,7+0,07*( t -t )
F
=
+
,
где l - длина водонагревателя, м;
h - высота водонагревателя, м.
F
=
=1,57
м
=9,7+0,07*(95-24) = 14,67
Q = 0,001*14,67*1,57*(95-24) = 1,64 кДж.
Тогда Q = 16,4 + 0,166 + 1,64 = 18,2 кДж.
Основные технические показатели работы водонагревателя
Коэффициент полезного действия
,
=0,9
%
Удельный расход теплоты на приготовление 1 кг воды q , (кДж/кг)
q
=
,
q
=
=
372,19 кДж/кг
Расчет температуры стенок аппарата в конце разогрева при установившемся режиме работы теплового аппарата
Удельный поток от теплоносителя к стенке q, Вт/м2 , рассчитывается по формуле
q
=
(0,46*t
+
40)
- средняя температура нагретой
изолированной стенки, от которой исходит
тепловой поток, ºС.
q = (0,46*300 + 40) = 178 Вт/м2
Температуры стенок аппарата tcт1, ºС; tcт2, ºС; tcт3, ºС; tк, ºС определяются по формулам
tcт1
=t1
– q*
tcт1
=320
– 178*
=233
ºС;
tcт2
=
tcт1
– q*
tcт2
=
233 – 178*
=232,9
ºС 
tcт3
=
tcт2
– q*
;
tcт3
=
232,9 – 178*
=40
ºС
tк
=
tcт3
– q*
;
tк
=
40 – 178*
=40
ºС 
Для проверки расчетов определяется температура теплоносителя tcт1, ºС по формуле:
t1 = t2 + q*( + + + )
водонагреватель электрический теплоотдача расчет
t1
=24+178*(
+
+
+
)
=310 ºС
Расчет кинематического коэффициента теплоотдачи
Конденсация насыщенного пара на твердой поверхности происходит, если ее температура меньше температуры насыщения при данном давлении.
При
конденсации водяного пара на вертикальной
поверхности в условиях ламинарного
движения конденсатной пленки и одинаковой
температуры стенки по всей ее высоте Н
коэффициент теплоотдачи от теплоносителя
,
Вт/( м
*К)
определяют по формуле
=0,943*
=
,
где
А=5500+65*t
-0,2*t
,
t -температура конденсации пара, °С;
А=5500+65*143,62 -0,2*(151,85) = 10223,62
=
=17746,
Расчет мощности электронагревательных элементов
Электрическая
мощность одного ТЭНа Р
,
Вт, определяется по формуле
Р
=
,
где n- число ТЭНов в аппарате
Р
=
=2000
Вт.
Расчет ТЭНа
Расчет ТЭНа сводится к определению геометрических размеров его рабочих элементов (длина ТЭНа, длина проволоки, длина спирали, плотности намотки) и их теплового режима (температура спирали и поверхности трубки).
Мощность ТЭНа Р , Вт, пропорциональна теплоотдающей поверхности трубки S , см , и ее удельной поверхностной мощности W, Вт/ см и рассчитывается по формуле Р = S *W.
Р = 280*7 =1960 Вт.
Активная
длина трубки ТЭНа L
,
см, рассчитывается по формуле
L
=
,
где D-наружный диаметр трубки ТЭНа после опрессовки, принимаемый равным 1,4 см.
L
=
=63,7
см
Полная длина трубки с учетом части концевых стержней, находящихся в трубке ТЭНа L, мм рассчитывается по формуле
L
= L
+2
L
,
где
L
- длина пассивных концов трубки, L
50
мм.
L = 637 + 2*50 = 737 мм
Сопротивление
спирали R,
Ом, определяется по формуле: R
=
,
где U – напряжение сети, В.
R
=
=24,7
Ом
Длина проволоки спирали L, мм, определяется по формуле
R
=
=
=
,
L
=
,
L
=
=11,28
мм
где d-диаметр проволоки спирали (принимается в пределах 0,5 мм для мощности Р = 800 до 1000 Вт и 0,8 мм для мощности от 2200 до 4000Вт);
-удельное
сопротивление спирали при комнатной
температуре
=1,1
Ом* мм
/м.
Длина витка спирали L , мм, определяется по формуле
L
= 1,07*
*(d
+2d),
где 1,07- коэффициент увеличения диаметра спирали при снятии со стержня;
d -диаметр стержня для намотки спирали.
L = 1,07*3,14*(0,4+2*0,8) = 6,72
Число
витков спирали ТЭНа n,
шт., определяется по формуле n
=
.
n
=
=1,67
2.
Расчет тепловой изоляции
Производится для определения минимальной толщины изоляционного слоя при заданной (допустимой по условиям эксплуатации) температуре на поверхности ограждения аппарата.
Расчет толщины изоляции
Для плоской изолируемой поверхности водонагревателя тепловой поток q, Вт/ м , определяется по формуле:
q=
,
где
t
,
t
-температура
греющей среды (пара) и окружающего
воздуха, °С
-
толщина i-ого
слоя, через который проходит тепловой
поток, м;
-коэффициент
теплопроводности i-ого
слоя, Вт/(м*°С).
Ввиду
того, что термическое сопротивление
теплоотдачи от горячей среды к стенке
и термическое сопротивление металлической
стенки изолируемого аппарата или
паропровода
очень малы по сравнению с термическим
сопротивлением изоляции
и сопротивлением теплоотдачи о наружной
поверхности изоляции к окружающее
среде
,
величинами
и
можно принебречь.
q
=
=187,7
Вт/ м
Толщина
изоляции
,
м, подсчитывается по формуле:
=
,
где
t
-
температура наружной поверхности
изоляции.
=
=0,049
м