Пример расчета электрического кипятильника непрерывного действия

Исходные данные

Действительная производительность, кг/ч.. 37,5

Начальная температура воды, ⁰С.................. 16

Конечная температура воды, ⁰С................... 100

Температура кожуха (облицовки), ⁰С........... 55

Температура воздуха в помещении, ⁰С......... 20

Напряжение сети, В........................ 3N - 50 Гц, 380

Материал всех частей кипятильника - нержавеющая сталь.

 

1. Определение размеров кипятильника. Существующие кипятильни­ки в основном имеют цилиндрическую форму. Кипятильники типа КНЭ производительностью 25 и 50 кг/ч — настольного исполнения, а кипятильник КНЭ-100 и КНЭ-100МН производительностью 100 кг/ч — напольного. Кипятильники типа ЭКГ все настольного ис­полнения.

Нормальную производительность определяют по формуле:

D_н=37,5 =35 кг/ч (14)

 

В качестве базовой конструкции используем кипятильник КНЭ-25.

Принимаем диаметр сборника кипятка D_c равным 0,18 м, а его объем — 7,6 л.

Учитывая, что диаметр переливной трубы составляет 0,03 м, а коэф­фициент заполнения сборника кипятка — 0,8, найдем высоту сборника кипятка Н_с по следующей формуле:

 

Н_с = = =0.385 м, (15)

 

где V — объем сборника кипятка, равный 0,0076, м³;

d — диаметр пере­ливной трубы, м.

Высота свободного объема над поверхностью воды в сборнике кипят­ка составит 0,2Н_С, т.е. 0,2*0,385 = 0,077 м (77 мм). С учетом того, что минимальный уровень воды в переливной трубе и соответственно пита­тельной коробке составляет 60 мм от верхней кромки переливной тру­бы, расстояние между верхней частью сборника кипятка и крышкой принимаем равным 15 мм. При этом общая высота Н_о от дна сборника кипятка до крышки составит 0,4 м.

С учетом мак­симально допустимого уровня воды в переливной трубе от ее верхней кромки (80 мм) минимальный уровень воды в питательной коробке от крышки составит (15 + 15 + 80)110 мм. При поддержании этого мини­мального уровня (для надежной работы поплавкового клапана) необхо­дим слой воды толщиной 20 мм. Соответственно высота питательной коробки Н_П составит 130 мм.

Высоту водогрейного резервуара Н_В выбирают из расчета высоты ТЭНа с учетом образования слоя накипи. Высоту ТЭНа, размещаемого в водо­грейном резервуаре, определяют из предварительного расчета. При этом ориентировочная мощность Р проектируемого кипятильника определя­ют исходя из производительности 25 кг/ч и мощности, равной 3 кВт:

 

Р= =4,2 кВт (16)

 

Для обеспечения равномерной нагрузки по фазам принимаем три ТЭНа. Тогда мощность одного ТЭНа

 

Р₁=4,2: 3 = 1,4 кВт.

 

Активная длина трубки ТЭНа

 

L_а= = =40 см (400 мм) (17)

 

где D_T — диаметр трубки ТЭНа после опрессовки, принимаемый рав­ным 1,4 см;

ω_т — удельная поверхностная мощность на трубке ТЭНа, Вт/ см². Принимаем ω_т = 8 Вт/см²

Исходя из диаметра водогрейного резервуара, равного 180 мм, при­нимаем, что расстояние F между осями U-образного ТЭНа равно 115 мм. Тогда длина изогнутой части (дуги) ТЭНа составит: 3,14*115/2 = 180 мм, а длина прямолинейных участков ТЭНа — (400-180)/2 = 110 мм. Соответственно общая высота ТЭНа в водогрейном резервуаре с учетом контактных стержней, выходящих в резервуар на 10 мм, и половина диаметра ТЭНа (7 мм) составят: 10+ + 110 + 115/2 + 7= 185 мм.

Соответственно высота водогрейного резервуара Н_в с учетом образо­вания слоя накипи, равного 20 мм, составит 205 мм. После составления теплового баланса аппарата и расчета ТЭНа высота водогрейного резер­вуара корректируется.

Вместимость водогрейного резервуара

 

V = Н_в= 0,205=0,0052 м³ (5,2 кг) (18)

 

Объем воды, находящейся в переливной трубе, V_тр определяют из расче­та ее неполного заполнения (примерно на 70 мм). Высота трубы

 

h = Н_с -15 = 385 - 15 = 370 мм (19)

 

а высота в ней столба воды

 

h_с = 370 - 70 = 300 мм (20)

Соответственно

 

V_тр= h_c= 0.3=0,0002 м³ (0,2 кг). (21)

 

Наружный диаметр D_c кожуха кипятильника принимаем равным 303 мм, массу кипятильника — 17,5 кг. Общая высота H проектируемого кипя­тильника складывается из высоты от дна сборника кипятка до крышки — Н_о, высоты водогрейного резервуара Н_в и 85 мм запаса для коммутации электропроводки, т. е. Н= 400 + 205 + 85 = 690 мм.

Сборник кипятка, водогрейный резервуар и переливную трубу обыч­но изготовляют из нержавеющей стали толщиной 0,8 мм, остальные эле­менты — из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм.

В качестве теплоизоляции в кипятильнике используют воздух, тол­щина прослойки которого

 

δ_ИЗ = (D_K - D_c)/2 = (303 - 180)/2 = 61 мм (0,061 м). (22)