Что предусмотрено в шкафах для уменьшения потерь тепла в окружающую среду

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.), м 2 ;

a₀ – коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения в окружающую среду, кДж/м 2 час о С;

t_п – средняя температура поверхности ограждения, о С;

t₀ – температура окружающей среды, о С;

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:

где a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, кДж/м 2 час 0 С;

a_л – коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, кДж/м 2 час 0 С.

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, м 2 /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, м 2 /с;

g – ускорение силы тяжести, м/с 2 ;

l – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м о С;

b – коэффициент объемного расширения воздуха, 1/ о С;

b = , (2.23)

a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м 2 × о С;

Dt – перепад температур между ограждением и воздухом

. (2.24)

Физические параметры для сухого воздуха при Р_в = 760мм.рт.ст.=1,01×10 5 Па приведены в прил. 1.

При свободной конвекции в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид:

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

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

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

,

а определяющая температура воздуха вблизи крышки:

0,5(55+20)=37,5 0 С.

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 – 65 0 С;

б) для крышек варочного оборудования t_к = 85 – 90 0 С;

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

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/(м 2 ×К 4 ); С₀ = 5,67 Вт/(м 2 ×К 4 );

t_п – средняя температура теплоотдающей поверхности, о С;

t₀ – температура окружающего поверхность воздуха, о С;

Т_п – абсолютная температура поверхности ограждения, К

Т₀ – абсолютная температура окружающей среды, К

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)

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/м 2 час о С;

— температура поверхности ограждения при стационарном режиме, о С; »const для данной поверхности; принять равной температуре отдельных поверхностей к концу разогрева t_к;

F_i – площадь поверхности элемента ограждения, м 2 ;

Потери тепла на нагрев вентиляционного воздуха имеют место вследствие значительной разности температуры парогазовой среды пекарной камеры (180 – 300 о С) и температуры окружающего воздуха (20-25 о С) 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 о С и его относительной влажности 70 % значение влагосодержания

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

с_в – средняя весовая удельная теплоемкость воздуха, равная 1,005 кДж/кг о С;

t₂ – температура влажного воздуха на выходе из камеры, о С; t₂ = 180-200 о С;

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;

F – площадь излучаемой поверхности, м 2 ;

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:

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:

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:

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, м 2 ;

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.

Источник

Принципы снижения теплового воздействия на окружающую среду

РАЗДЕЛ 6. Снижение теплового воздействия на окружающую среду. Снижение энергоемкости предприятий как направление ресурсосбережения. Теплоутилизационное оборудование.

Лекция № 6.

Тепловые выбросы являются одним из компонентов загрязнения окружающей среды, так называемым тепловым загрязнением (или энергетическим загрязнением). Для инженеров – промтеплоэнергетиков задача снижения данного вида загрязнения является особо актуальной. Рассмотрим направления снижения данного вида загрязнения промышленными предприятиями и их теплоэнергетическими системами.

а) Снижение тепловых сбросов. Может достигаться за счет ряда мероприятий:

— создания новых и совершенствование действующих технологий, позволяющих исключить технологические стадии, на которых происходит образование вторичных энергетических «сбросов»; реализуется на примере исключения промежуточных операций;

— более полного использования энергоресурсов, повышения КПД энергетических установок – источников побочных энергоресурсов;

— снижения потребности в энергоресурсах (снижение энергоемкости производства): конструктивное совершенствование процессов и технологических агрегатов, замена устаревшего оборудования новым, более экономичным, замена энергоемких процессов менее энергоемкими;

— более рационального выбора энергоносителей (необходимого температурного уровня), оборудования;

— снижения потерь с энергетическими потоками, например, предотвращение утечек пара, улучшение теплоизоляции; этого добиваются автоматизацией производства, оптимизацией, т.е. применением математического моделирования (это комплекс решений по организации таких схем, нахождению таких параметров и аппаратурного процессов в рамках одного производства, которые обеспечивают максимальный энергосберегающий эффект и предотвращают вредное воздействие производства на окружающую среду).

б) Использование утилизационного оборудования.

Данное оборудование предназначено для утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

ВЭР разделяют на тепловые, механичес­кие (ВЭР избыточного давления) и горючие:

тепловые ВЭР — теплота отходящих дымовых газов (котлов, технологических печей), теплота отработанного или потерянного пара, теплота конденсата, теплота сбрасываемых стоков, охлаждающей воды после аппаратуры, теплота экзотермических реакций, теплота материальных потоков, теплота, выделяемая при охлаждении конструктивных элементов и др.;

ВЭР избыточного давления — энер­гия сжатых газов, образующихся (или используемых) в тех­нологических процессах;

горючие ВЭР — отходы или побочная продукция, которые могут использоваться в качестве топлива. Данные ВЭР имеют и высокий тепловой потенциал, поэтому возможно их комплексное использование, например, в котлах-утилизаторах с топочными устройствами.

Утилизация вторичных энергетических ресурсов – использование энергетического потенциала продуктов одного технического процесса или потока в другом процессе (например, энтальпия дымовых газов печей используется в качестве теплоносителя для выработки пара на технологические нужды) в утилизационном аппарате.

К наиболее значительным по энергетическому потенциалу вторичным энергетическим ресурсам промышленных предприятий относят: теплоту дымовых газов; теплоту конденсата; теплоту, отводимую в системах принудительно охлаждения; горючие ВЭР.

Способы утилизации теплоты дымовых газов:

· применение теплоиспользующих установок для подогрева воды, воздуха, технологических потоков (различные теплообменники, контактные экономайзеры, теплообменные аппараты на тепловых трубах, водогрейные котлы-утилизаторы, воздухоподогреватели);

· получение пара (паровые котлы-утилизаторы, встроенные в запечный тракт) с дальнейшим использованием пара на технологию, для подогрева технологических потоков (сырья, топлива), для выработки электроэнергии;

· для получения холода в абсорбционных трансформаторах теплоты (АТТ) (на нужды самого производства, например, для охлаждения циркуляционной воды системы охлаждения технологических потоков, для замены антифриза).

Теплота, отводимая в системах принудительного охлаждения (теплота загрязненной циркуляционной воды пенных аппаратов, промывателей, скрубберов) – низкотемпературные ВЭР, для незначительного подогрева технологических потоков (малоценная). Возможна утилизация теплоты данного потока и выделение примесей с использованием аппаратов мгновенного вскипания – экологический эффект.

Конденсат – для подогрева потоков соответствующего температурного уровня (нужды отопления, горячего водоснабжения), в сепараторах для получения пара вторичного вскипания (возможно дальнейшее направление пара в пароструйные компрессоры).

Источник

Снижение тепловых потерь в шкафах АСУ ТП: эффективные источники питания

Рис. 1. Блок питания PULS CP10.241

Источник питания должен иметь высокий уровень эффективности во всем диапазоне нагрузки. Это помогает пользователям минимизировать системные издержки и увеличить доступность системы, а также обеспечить высокую эффективность, надежность и долговечность машин, независимо от области применения, промышленной отрасли или региона.

Один из важных факторов, позволяющих сократить расходы на АСУ ТП, — создание в шкафу таких условий, при которых будет образовываться как можно меньше тепла. Тепло оказывает большое влияние на срок службы основных элементов шкафа, поэтому охлаждению уделяется так много внимания. Так или иначе, чем выше эффективность блоков питания, тем ниже тепловые потери на холостом ходу.

Чтобы это подтвердить, рассмотрим экспериментальную установку, реализованную компанией PULS на основе блока питания CP10.241 (рис. 1). Она ясно показывает, насколько температура в шкафу зависит от эффективности источника питания.

Испытания: теплогенерация в шкафу

Экспериментальная установка состоит из трех блоков питания на DIN-рейке типа 240 Вт, 24 В / 10 A, работающих в одинаковых условиях (нагрузка составляет 8 А, а входное напряжение — 230 В переменного тока) и расположенных в идентичных коробках объемом 3,15 л. Начальная температура во всех коробках составляет (+21,5±0,3) °C. Температура окружающей среды равна (+20,6±0,1) °C. В средней коробке (рис. 2) размещен блок питания PULS CP10.241, который имеет эффективность 95,2%. Эффективность устройства конкурента А составляет 88,5%, а у блока питания B она достигает не менее 91%, согласно спецификации производителя.

Рис. 2. Экспериментальная установка после четырех часов работы

Рис. 3. Термическое изображение экспериментальной установки после четырех часов работы

После четырех часов беспрерывной работы этих трех устройств термометр, установленный в средней коробке (которая имеет термически наиболее неблагоприятную позицию из-за тепла, выделяемого справа и слева), показывает температуру до +40,5 °C. Температура в левой коробке поднимается до +56,8 °С, а справа — до +48,3 °С (рис. 3). Таким образом, разница эффективности в 6,7 или 4,2% образует разность температуры в 16,3 или 7,8 °C (рис. 4).

Рис. 4. Влияние эффективности 240-Вт устройств на отдачу тепла

Доступность системы

Результаты таких испытаний приобретают особую важность из-за того, какой вредный эффект высокие температуры могут оказывать на срок службы источника питания и других элементов в шкафу, что, в свою очередь, влияет на доступность всей системы. Источники питания и электролитические конденсаторы подвергаются наибольшему износу и, следовательно, определяют срок ее службы.

К таким чувствительным к температуре компонентам применяется следующая формула: увеличение рабочей температуры на 10 °C уменьшает срок службы электролитических конденсаторов в два раза. Это можно явственно увидеть по снижающейся мощности электролитических конденсаторов. Потеря мощности необязательно приводит к немедленному выходу из строя блока питания, но ухудшает доступность системы.

Учитывать то, что электролитические конденсаторы не должны подвергаться чрезмерно высокой температуре окружающей среды, необходимо с самого начала, еще при проектировании устройств. По этой причине PULS разрабатывает переключаемые источники питания, основываясь на принципе «прохладной разработки» (Cool Design). Чувствительные к температуре компоненты располагаются на самом холодном месте внутри устройства, и их температура регулируется посредством конвективного воздушного потока. Это очень помогает пользователям, поскольку совмещение тепловых и электрических схем расположения компонентов всегда представляет собой большую проблему при разработке.

От таких мер выигрывают и другие элементы, расположенные в шкафу. Если отдача тепла снижается, они значительно медленнее стареют. Если используется система охлаждения, то требуется меньше энергии и это также позволяет сэкономить на затратах.

Специалисты компании PULS считают, что минимальный срок службы источника питания является принципиально важной информацией для пользователя. С 2005 г. на все продукты семейства DIMENSION предоставляются соответствующие спецификации в технических паспортах. Стандарт, который применяется к семейству DIMENSION, — это срок службы не менее 50 000 часов при температуре окружающей среды +40 °C (при полной нагрузке). Источник питания CP10.241, о котором шла речь выше, обеспечивает минимальный срок службы 120 000 часов при этих условиях.

Более высокая плотность компоновки

Эффективность влияет даже на размеры источников питания с конвекционным охлаждением. Такие устройства требуют меньше объема для рассеивания избыточного тепла в окружающую среду. Например, благодаря высокому уровню эффективности объем корпуса у блоков питания CP10 может быть уменьшен до 0,57 л, а ширина — до 39 мм. Узкая конструкция экономит место на DIN-рейке и обеспечивает более высокую плотность размещения компонентов в шкафу, что снижает эксплуатационные расходы.

Расходы на электроэнергию

Рис. 5. Влияние эффективности 240-Вт устройств на затраты на электроэнергию

Также высокий уровень эффективности позволяет снизить затраты на электроэнергию. Из-за международной конкуренции компании сталкиваются с сильным ценовым давлением, что подталкивает покупателей к приобретению дешевых компонентов системы. Однако когда это касается источников питания, неправильно уделять внимание только цене покупки. Дешевые источники питания не достигают уровня эффективности выше 92%. При этом дополнительные затраты, связанные с покупкой энергоэффективных источников питания, сбалансированы за счет снижения энергозатрат.

Приведем пример кратких вычислений. Предположим, пользователю требуется блок питания 240 Вт с 24 В / 10 A для его системы. Цена электричества составляет около €0,153 / кВт·ч (средний показатель платы за использование электро­энергии в промышленности в 2014 г., по оценкам Федеральной ассоциации энергетической и водной промышленности Германии). Машина работает 21 час в день и 300 дней в году.

Возьмем те же три источника питания из экспериментальной установки, описанной выше. С учетом их потерь (при полной нагрузке) ежегодные затраты на электроэнергию для CP10.241 составят €11,66. На блок питания A будет уходить €30,07 в год, а на блок питания B — €22,84 в год (рис. 5).

При использовании CP10 экономия операционных расходов составляет €18,41 или €11,18 в год, благодаря более высокому уровню эффективности — на 6,7% или 4,2%. Если распространить это на весь срок службы изделия, т. е. 10 лет, то сумма, которую можно сэкономить при операционных расходах, составляет €184,1 или €111,8. Если пользователь также использует систему охлаждения, эти сбережения нужно умножить на 2, поскольку тогда меньше энергии требуется для охлаждения системы.

Заключение

При выборе источника питания среди изделий разных поставщиков важно сопоставлять их уровень эффективности, однако на практике это проще сказать, чем сделать. Вместо значений эффективности многие производители указывают в технических данных только потенциальные максимальные значения (до x% эффективности), и то в наилучшем случае. Фактически это просто означает, что данное значение не превышено. А, например, потери мощности в зависимости от напряжения, нагрузок или окружающих условий пользователю не сообщаются. Когда дело доходит до измерения эффективности, для производителей обязательных стандартов нет. По мнению специалистов компании PULS, сейчас есть большая потребность в предоставлении пользователям четкой информации об эффективности всех продуктов. Также следует сообщать в документации о своих методах измерения, чтобы сделать их прозрачными и теоретически воспроизводимыми для всех — при условии, что необходимое оборудование, такое как анализатор мощности, доступно. Являясь одним из основателей и членом EPSMA (Европейская ассоциация производителей блоков питания), компания активно продвигает стандартизованные методы измерения эффективности.

Источник