СПб.: СПбГУНиПТ , 2009

ТЕПЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.

КИПЯТИЛЬНИКИ И ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ.

Методическое указание

к лабораторным работам по курсу «Технологическое оборудование отрасли», «Специальное технологическое оборудование» и «Технологическое оборудование» для студентов специальности 260600 «Машины и аппараты пищевых производств», «Пищевая инженерия малых предприятий»

и всех форм обучения.

Санкт-Петербург 2009

УДК 664.65.05

Антуфьев В.Т. Громцев А.С. М.А. Иванова Тепловое оборудование. Кипятильники и водонагреватели.

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Технологическое оборудование отрасли», «Специальное технологическое оборудование» и «Технологическое оборудование» для студентов специальности 260600 «Машины и аппараты пищевых производств», «Пищевая инженерия малых предприятий» и всех форм обучения.

СПб.: СПбГУНиПТ, 2009

Указаны цель и порядок выполнения лабораторных работ по курсу «Технологическое оборудование» и «Специальное технологическое оборудование». Даны основы навыков в эксплуатации котлов и автоклавов, определения основных эксплуатационных и технико-экономических показателей пароварочных аппаратов.

Ил.-2. Библиограф.3 – назв.

Рецензент

Доктор техн. наук, проф. В.А. Арет

Одобрены к изданию советом факультета техники пищевых производств и методической комиссией факультета заочного обучения и экстерната.

ã Санкт – Петербургский государственный

университет низкотемпературных и

пищевых технологий. 2009.

Лабораторная работа №1.

Кипятильники и водонагреватели

1. Цель работы

1.1.Изучение устройства, принципа действия и правил эксплуатации кипятиль­ников и водонагревателей.

1.2.Приобретение навыков эксплуатации электрического кипятильника КНЭ-25; определение по результатам эксперимента его теплотехнических характери­стик, эксплуатационных и технико-экономических показателей, проведение их анализа.

2. Общие сведения

Кипятильники предназначены для получения кипятка, т.е. воды, доведённой до кипения; водонагреватели - для получения горячей воды определённой темпе­ратуры.

Кипятильники и водонагреватели делятся: по принципу действия на аппараты непрерывного и периодического действия: по виду энергоносителя на электри­ческие, газовые и твердотопливные; по степени автоматизации на автоматичес­кие и неавтоматические.

Электрические кипятильники непрерывного действия получили наибольшее распространение на предприятиях общественного питания. Принципиальное устройство кипятильника показано на рис. 1.

В кипятильниках непрерывного действия процессы поступления холодной воды, приготовления кипятка и его потребление протекают одновременно. Непрерывность в работе кипятильника реализуется в результате использования в конструкции аппарата принципа сообщающихся сосудов. Водонагреватель - 8, являющийся одним из сообщающихся сосудов, соединяется трубкой - 9 с другим сосудом, которым является питательная коробка -11. Уровень воды в питатель­ной коробке и, соответственно, в водонагревателе автоматически поддержива­ется с помощью поплавкового регулятора уровня. Поплавок - 17 осуществляет управляющее воздействие на питательный клапан - 18, который обеспечивает поступление воды из водопровода по питающему трубопроводу - 20 и заполнение питательной коробки до заданного уровня.

Верхняя часть водонагревателя в зависимости от конструкции может быть выполнена в виде переливной трубки [л.1 с428] или переливной щели 12, образуемой при размещении в цилиндрическом сосуде водонагревателя полого стакана - 13 с отражателем - 14.

Вода в водонагревателе - 8, доведённая до кипения с помощью ТЭН - ов - 7, по переливной щели -12 пузырьками пара перебрасывается в сборник кипятка -10. Разбор кипятка осуществляется через кран 19. Заполнение сборника кипятка до уровня, определяемого расположением датчика-16, осуществляется при закры­том кране. Система автоматики обеспечивает отключение нагревательных эле­ментов при наполнении сборника кипятком, их включение после разбора кипятка и защиту ТЭН - ов от сухого хода.

Рис. 1. Схема лабораторной установки для исследования электрического ки­пятильника КНЭ-25м: 1, 2, 3, 4, 5 - места расположения термопар; 6 - сиг­нальная (сливная) труба; 7 - ТЭНы; 8 - водонагреватель; 9 - соединительная трубка; 10 - сборник кипятка; 11 - питательная коробка; 12 - переливная щель; 13 - стакан; 14 - отражатель; 15 - крышка; 16 - датчик уровня кипятка; 17 - по­плавок; 18 - питательный клапан; 19 - кран; 20 - трубопровод подачи воды; 21- электронный потенциометр

В случае нарушения нормальной работы питательного клапана или неисправ­ности системы автоматики, вода, при переполнении питательной коробки, удаляется по сигнальной трубе - 6 в трап.

Сверху кипятильник закрывается крышкой -15.

Электрические кипятильники и водонагреватели работают от трёхфазной сети переменного тока.

В буквенно-цифровой индексации кипятильников цифра указывает производи­тельность кг/ч (дм³/ч). Буквы обозначают: К - кипятильник, Н - непрерывного действия, Э - электрический, Г - газовый, Т - твердотопливный, У - универсальный. Описание и технические характеристики кипятильников приведены в литера­туре [1, 2] и представлены на плакатах в лаборатории.

3. Методика проведения работы.

3.1.Ознакомиться с классификацией и индексацией кипятильников и водонаг­ревателей.

3.2.Изучить устройство, принцип действия, конструктивные особенности и технические характеристики кипятильников и водонагревателей, находящихся в эксплуатации.

3.2.1.Кипятильники электрические КНЭ-25, КНЭ-100М, КНДЭ-40.

3.2.2.Кипятильник газовый КНГ-20ОУ.

3.2.3.Кипятильник твердотопливный КНТ-200У.

3.2.4.Водонагреватель электрический НЭ-1 А.

3.2.5.Водонагреватель газовый АГВ-80.

3.2.6.Водонагреватель газовый проточный.

3.3.Изучить правила эксплуатации и техники безопасности при работе с кипятильниками.

3.4.Провести экспериментальные исследования электрокипятильника КНЭ-25М на лабораторной установке в нестационарном и стационарном режимах. За время нестационарного режима принимается время разогрева содержимого водонагревателя до температуры кипения.

3.5.Оформить результаты лабораторной работы в виде отчёта, в конце которого провести анализ полученных результатов.

4. Описание экспериментальной установки.

Лабораторная установка включает электрический кипятильник КНЭ-25М, элек­тронный потенциометр с набором термопар, электроизмерительные приборы, мерительный инструмент, мерный сосуд и др. Схема лабораторной установки, нумерация и расположение термопар приведены на рис.1. Термопары 1, 2 измеряют температуру воды в нижней – t_н и верхней – t_к части водонагревателя; 3 - в сборнике кипятка – t_ск; 4 - на корпусе аппарата – t_а; 5 - воды, поступающей в аппарат из водопровода – t_в,.

Регистрация температурных параметров осуществляется автоматически на ленте самописца электронного потенциометра.

Количество кипятка, произведённого в процессе эксперимента, определяется с помощью мерного сосуда и линейки, отградуированной в дм³.

5. Порядок выполнения работы.

5.1.Подготовить индивидуальную карту наблюдений по предлагаемой форме (приложение 1).

5.2.Изучить устройство, принцип действия, правила эксплуатации электричес­кого кипятильника КНЭ-25м. При этом обратить внимание на конструктивные
особенности исследуемого кипятильника и работу поплавкового устройства.

5.3.Ознакомиться с лабораторной установкой, схемой подключения кипятиль­ника к электросети и водопроводу, измерительным комплексом, расположением и нумерацией термопар.

5.4.До начала испытаний начертить эскиз кипятильника с указанием размеров водонагревателя и полого стакана, который вынимается из водонагревателя при смещении относительно оси.

5.5.Открыть вентиль подачи воды и при снятом стакане зафиксировать и замерить уровень воды в водонагревателе -Н, диаметр водонагревателя – D, длину стакана - L, диаметр стакана - d. длину части стакана, погружённой в воду - h.

_{, м}

5.6.Измерить расстояние между уровнем воды и кромкой переливной щели - S. При необходимости произвести регулировку уровня с помощью поплавкового устройства. Правильно отрегулированный шар – поплавок должен обеспечивать расстояние от уровня холодной воды до края переливной трубки 60+80 мм.

5.7.Установить полный стакан на место в водонагреватель и зафиксировать его.

5.8.Открыть кран слива кипятка, слить воду из сборника кипятка. Кран оставить открытым. Установить мерный сосуд для сбора кипятка.

5.9.За 2-3 минуты до включения в электросеть кипятильника включить потенциометр, проверить его работу, работу термопар и самописца.

5.10.Включить кипятильник в электросеть и отметить время включения на ленте потенциометра. Записать значение тока - i и напряжения - и по показаниям электроизмерительных приборов.

5.11.Через 10-15 минут после включения возможно закипание воды в водонагревателе, что можно заметить по появлению кипятка из открытого разборного крана. Время разогрева (нестационарного режима) - τ' фиксируется на ленте потенциометра.

5.12.Закрыть кран разбора кипятка. При работе кипятильника в стационарном режиме осуществить заполнение сборника кипятка. При заполнении полного объёма сборника кипятка (10-15 мин) происходит автоматическое отключение нагревательных элементов; при этом сигнальная лампа "Нагрев" гаснет. Время заполнения сборника кипятка – τ^” фиксируется налейте потенциометра.

5.13. Отключить кипятильник от электросети, выключить потенциометр и вынуть ленту.

5.14. Открыть разборный кран и слить весь кипяток в мерную ёмкость. С помощью линейки, отградуированной в дм³, определить объём сборника кипятка - V_K.

5.15.Отключить лабораторную установку от сети, закрыть вентиль подачи воды из водопровода, вылить воду из мерной ёмкости в раковину, убрать рабочее место.

5.16.Заполнить индивидуальную карту наблюдений и предъявить её препода­вателю для проверки и подписи.

5.17.На основании опытных данных произвести расчёт эксплуатационных, теплотехнических и технико-экономических показателей работы кипятильника.

5.18.Оформить отчёт по лабораторной работе и сдать его преподавателю для проверки и последующей защиты. При отсутствии индивидуальной карты наблю­дений отчёт не принимается, лабораторная работа не считается выполненной.

6. Обработка результатов эксперимента и основные расчётные

уравнения.

Основные теплотехнические, технико-экономические и

эксплуатационные показатели работы кипятильников определяются

по следующим формулам.

6.1. Объём водонагревателя , м³

где: V_B - объём, занимаемый водой в водонагревателе и переливной щели, м³.

R - внутренний радиус водонагревателя, м; .

Н - уровень воды в водонагревателе, м.

r - наружный радиус полого стакана, м; .

h - длина части стакана, погружённой в воду, м.

6.2. Действительная часовая производительность кипятильника – количество кипятка, получаемого в аппарате при стационарном режиме в единицу времени в реальных условиях эксплуатации.

, кг/ч

где: М_к, - количество воды, нагретой за время τ”,кг; τ”- продолжительность сбора кипятка, с.

, кг

где: V_k - объём кипятка, полученного в результате эксперимента, м³;

q_b - плотность воды, кг/м³; q_b =1000 кг/м³.

6.3. Нормальная (условная) часовая производительность кипятильника опре­деляется по нормальному кипятку. Нормальным кипятком называется вода, нагретая от 10 до 100°С.

,кг/ч

где: П_д - действительная производительность кипятильника, кг/ч; t_к , - температура кипения воды, t_к = 100°С I

t_в - температура воды, поступающей в аппарат из водопровода, °С; А - условный перепад температур кипящей и холодной воды для нормаль­ного кипятка, °С.

А = 100-10 = 90°С-

6.4. Удельная производительность кипятильника

,кг/ч/ м³

где: V_B - объём водонагревателя, м³.

6.5. Действительный коэффициент полезного действия кипятильника; опреде­ляется для стационарного режима по результатам эксперимента.

где: Q₁" - полезный расход теплоты на нагревание воды до кипения за время τ”, Дж; Q^”_тг - количество теплоты, выделенное нагревательными элементами за время τ”, Дж.

, Дж

где: М_к - количество воды, нагретой до кипения за время τ"< <П

С, - удельная теплоёмкость воды, С_в = 4187 Дж/кг• К;

t_k - температура кипения воды, t_к = 100°С;

t_в, - температура воды, поступающей в аппарат из водопровода, °С.

,Дж

где: P - мощность нагревательных элементов, Вт. , Вт

U - величина фазного напряжения, В;

I - величина тока, А;

3 - количество ТЭН - ов в аппарате;

τ” - продолжительность стационарного режима, С.

6.6. Теоретический коэффициент полезного действия

где: П_т - теоретическая (паспортная) производительность кипятильника, кг/ч; С_в - удельная теплоёмкость воды, С_в, = 4187 Дж/кг•К;

А - условный перепад температур для нормального кипятка, А = 90°С;

Р_н - номинальная мощность кипятильника, кВт.

6.7. Действительный удельный расход электроэнергии; определяется по результатам эксперимента.

, кВт • ч/кг

где: А - общий расход электроэнергии, кВт-ч;

А^’ - расход электроэнергии в режиме разогрева, кВт • ч;

А" - расход электроэнергии в стационарном режиме, кВт • ч;

τ’, τ” - продолжительность соответственно нестационарного и стационарного режимов, час;

P - мощность нагревательных элементов, кВт;

М_k - количество кипятка, приготовленное за время τ”, кг.

6.8. Теоретический удельный расход электроэнергии.

^, кВт • ч/кг

где: Р_н - номинальная мощность кипятильника, КНЭ-25, кВт;

τ’- продолжительность разогрева (техническая характеристика), час. [Л1 с.427];

τ” - продолжительность стационарного режима (выбирается произвольно), час;

П_т -теоретическая (паспортная) производительность кипятильника, кг/ч.

6.9. Удельная мощность аппарата

6.10. Удельная материалоёмкость аппарата.

где: М - масса кипятильника, кг.

7. Обработка результатов лабораторной работы.

Результаты работы должны быть оформлены в виде отчёта. Отчёт должен содержать:

7.1.Индивидуальную карту наблюдений, заполненную и подписанную препо­давателем;

7.2.Название и цель работы;

7.3.Технические характеристики кипятильника КНЭ-25;

7.4.Эскиз кипятильника КНЭ-25М с указанием необходимых размеров;

7.5.Таблицу значений температур в контролируемых точках.

Таблица 1

Значение температур в контролируемых точках кипятильника

Время, мин	Температура. "С	Ход процесса
tн	tк	tск	tа	tв
						Включение кипятильника. Начало стационарного режима. Отключение ТЭН-ов и т.д.

7.6. Эксплуатационные и технико-экономические показатели работы кипя­тильника:

- производительность (действительная, нормальная, удельная);

- коэффициент полезного действия (действительный, теоретический);

- удельный расход электроэнергии (действительный, теоретический);

- удельная мощность;

- удельная материалоёмкость.

7.7. Анализ эксплуатационных показателей работы кипятильника.

Определить теоретический удельный расход электроэнергии при продолжи­тельности стационарного режима τ ₁^” = 0,01 час; τ ₂^” = 0,1 час; τ ₃ ^“= 1час.

Построить график зависимости А_уд =f(τ^”).

7.8. Выводы и рекомендации о наиболее эффективных и экономичных режимах работы кипятильников на производстве.

8. Контрольные вопросы.

8.1.Устройство, принцип действия кипятильников непрерывного действия.

8.2.В чём смысл понятия "нормальный кипяток"?

8.3.При каких условиях действительная производительность кипятильника будет равна нормальной?

8.4.Как следует правильно настроить поплавковый регулятор уровня, распо­ложенный в питательной коробке кипятильника?

8.5.Что произойдёт при нарушении оптимального уровня воды в переливной трубке (щели)?

8.6.Каковы перспективные направления в создании кипятильников и водонаг­ревателей непрерывного действия?

8.7.Правила эксплуатации электрокипятильников.

8.8.При каком условии исправный и правильно налаженный кипятильник имеет действительную производительность меньшую, чем нормальная?

8.9.Какова возможная причина снижения производительности кипятильника, работающего на полную мощность, и как её устранить?

8.10. Устройство и правила эксплуатации водонагревателей.

Приложение 1 Индивидуальная карта наблюдений*

студента____________ Группа_____

Дата выполнения работы___ 200 г

Лабораторная работа № 1

Кипятильники и водонагреватели

Таблица измерений и показаний V_в

До начала эксперимента	Во время эксперимента	После окончания эксперимента
R(m) r(м) Н(м) L (м) S(m) h (м) Vв (м3)	τ’ (с, мин, час) τ” (с, мин, час) tв (°С) U (В) I (А) Vk (дм3,м3)	Мк (кг) Р (Вт, кВт)

Подпись студента

Подпись преподавателя.

*При отсутствии индивидуальной карты наблюдений отчёт не принимается, а лабораторная работа не считается выполненной.

Лабораторная работа №2

Универсальные тепловые аппараты - плиты

1. Цель работы.

1.1.Изучение устройства, принципа действия и правил эксплуатации плит.

1.2.Приобретение навыков эксплуатации электрической плиты с жарочным шкафом ЭП-2ЖШ и определение по результатам испытаний её теплотехнических, эксплуатацион­ных, технико-экономических характеристик, проведение их анализа.