РАЗДЕЛ 4. ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ

ГЛАВА 7. ТЕПЛОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Тепловым генератором называют топочное или теп­ лообменное устройство, предназначенное для получения теплоносителя.

В производстве строительных материалов и изделий

вкачестве газообразных теплоносителей в настоящее время используются нагретый воздух или разбавленные воздухом продукты горения, полученные от сжигания технологического топлива.

При использовании в качестве теплоносителя дымо­ вых газов или их смесей с воздухом, в качестве топлива преимущественно применяется природный газ. В этом случае теплоноситель не содержит (или почти не со­ держит) сернистых соединений, золы и токсичной окиси углерода. Для получения нагретого воздуха можно ис­ пользовать генераторы, работающие на любом топливе,

втом числе нагреватели, работающие на водяном паре.

7.1. Классификация тепловых генераторов

Применяемые в промышленности строительных мате­ риалов тепловые генераторы в зависимости от получае­ мого ими источника теплоты классифицируют на исполь­ зующие кусковое топливо, угольную пыль, жидкое топ­

ставлена на рис. 7.1. Топливо 1 и воздух 2 через фор­ сунку 3 подаются в топку 8, где происходит процесс го­ рения. В топке сжигается твердое или жидкое топливо (конструктивные особенности таких топок показаны да­ лее). Продукты сгорания проходят по трубам 4Ув кото­ рых их нагревают. Отработанные продукты сгорания че­ рез патрубок 7 поступают в котел-утилизатор, где ис­ пользуется остаточная тепловая энергия. Холодный воздух вентилятором 6 нагнетается в патрубок 5, про­ ходит через межтрубное пространство 8, отбирает теп­ лоту от труб и через патрубок 9 поступает для исполь-

Аэродинамический расчет потока продуктов сгорания и холодного воздуха выполняется по формулам, приве­ денным в пп. 5.3.1 и 5.3.2.

7.2. Принципы использования тепловых генераторов для сушильных установок

Тепловые генераторы используют для снабжения теп­ лоносителем сушильных установок. В последнее время тепловые генераторы стали использовать для индивиду­ ального теплоснабжения ямных пропарочных камер. Главными элементами в конструкции теплового генера­ тора являются топочное устройство — пространство, в ко­ тором сжигается топливо, и камера теплообменника, в котором теплота продуктов сгорания передается на­ греваемому воздуху. Тепловые генераторы, использую­ щие в качестве рабочего тела водяной пар, топочных устройств не имеют.

Подготовка теплоносителя — нагретого воздуха. На­ гретый воздух в тепловом генераторе, использующем в качестве рабочего тела топливо, готовят по схеме, показанной на рис. 7.1. В качестве топочных устройств для сжигания топлива применяют слоевые и камерные топки.

Слоевые топки используют для сжигания твердого кускового топлива. Схема слоевой топки в общем виде показана на рис. 7.2. Она состоит из ограждающих кон­ струкций, образующих топочное пространство /, колос­ никовой решетки 2, на которую загружается сжигаемое топливо через отверстие 6, канала 3 для отвода продук­ тов сгорания, подколосникового пространства 4 и кана­ ла 5 для подачи воздуха на горение.

Процесс горения топлива можно условно разделить на три стадии. Первая стадия — в работающей топке

жение топлива на летучие вещества и твердый коксовый остаток — кокс. Третья стадия — процесс горения лету­ чих в объеме топочного пространства и коксового остат­ ка на колосниковой решетке. Объем топочного простран­ ства зависит от количества выделяющихся из топлива летучих. Выбор указанного объема ведут по норматив­ ным данным, носящим название «объемное напряжение

2

топочного пространства», которое для современных то­ пок составляет 1000—1700 кДж на 1 м3 в час.

Колосниковая решетка выбирается по количеству коксового остатка из расчета плоскостного напряжения топки по сжигаемому топливу. Важнейшим требованием, предъявляемым к колосниковым решеткам, является равномерное распределение топлива и подвод воздуха к нему. Конструкция колосников делается с продоль­ ными отверстиями. Сумма площадей всех отверстий на­ зывается живым сечением, которое колеблется для раз­ личных сортов топлива от 10 до 30 %.

Основной недостаток такой топки — значительные колебания температуры продуктов сгорания и неполная степень горения топлива. После загрузки в топку све­ жей порции топлива температура в ней резко (на 470— 570 К) падает. Образуется избыток воздуха, ибо не все топливо горит. Далее температура начинает повышать­ ся, новые массы топлива вовлекаются в процесс горе­ ния. Подаваемого воздуха начинает недоставать. Появ­ ляется неполное сгорание некоторой части топлива до СО. С загрузкой в топку новой партии топлива этот процесс усугубляется. Для ликвидации указанного недо­ статка в конструкции современных слоевых топок за­ кладывается идея совмещения всех трех стадий горения на разных участках колосниковой решетки.

На рис. 7.3 представлены принципиальные схемы современных слоевых топочных устройств. Топливо в та­ кие топки подается непрерывно. Передвигаясь по колос­ никовым решеткам, топливо постепенно проходит /—/// стадию сжигания.

На рис. 7.3, а показана топка, в которой топливо дви­ жется по колосникам под действием собственного веса. Решетка 3 состоит из отдельных колосников, располагаю-

Рис. 7.3. Схемы слоевых толок

щихся под углом 40—45°, что соответствует углу есте­ ственного откоса сжигаемого топлива. По колосниковой решетке топливо постепенно передвигается. Сначала подсушивается и подогревается, далее из него выде­ ляются летучие, после чего сгорает коксовый остаток. В бункер 4 поступает зола и шлак, а в бункер б — про­ валенные частицы топлива, которые возвращаются на горение. Выгрузка из бункеров 4 и 6 производится че­ рез разгрузочное устройство 5.

На рис. 7.3, б показана топка также с неподвижной колосниковой решеткой и передвигающимся слоем топ­ лива. Передвижение топлива осуществляется периодиче­ ски шурующей планкой 8. Она выполнена в виде трех­ гранной призмы из литого чугуна. При движении план­ ки вперед топливо переталкивается к зольному бунке­ ру 4Уа при движении планки назад рыхлится горящий слой топлива.

На рис. 7.3,в показана механическая топка с непре­ рывно движущейся колосниковой решеткой. Топливо из бункера захватывается медленно движущимся полотном колосниковой решетки 3, которая приводится в движе­ ние шестерней привода 9 от электродвигателя. Чешуй­ чатые колосники позволяют вести процесс без провала топлива. Снизу из отверстий 7 подается воздух на горе­ ние. Топливо, передвигаясь вместе с колосниковым по­ лотном, сначала подсушивается и нагревается, далее из него выделяются летучие, на III стадии сгорает коксо­ вый остаток.

Камерные топки. Кроме слоевых топок в генерато­ рах, предназначенных для подготовки теплоносителя — нагретого воздуха, могут использоваться и камерные топки. Камерные топки подразделяют на циклонные (вихревые) и факельные. В факельных можно сжигать твердое (в размолотом состоянии), жидкое и газообраз­ ное топливо. Однако газообразное топливо для подго­ товки нагретого воздуха в камерах не используется (оно рассматривается далее).

На рис. 7.4, а показана схема камерной топки для циклонного (вихревого) сжигания топлива. В топочное пространство 4 тангенциально подается пневмотранспор­ том воздух U в котором содержится топливо 2 (размер частиц ~200 мкм). Попадая в разогретую до темпера­ туры сжигания топку, частицы топлива под действием центробежных сил циркулируют по цилиндрическому сечению топочного пространства (схема циркуляции по­ казана винтовой линией) и сгорают. В отверстие 3 так­ же тангенциально дополнительно подается воздух на горение. Продукты сгорания подаются через полость 5. Такая топка (небольшая по габаритам) может исполь­ зоваться не только в тепловых генераторах, но и в печах.

Рис. 7.4. Схемы камерных топок

а— циклонная: б — факельная

своздухом (аэросмесь 1) подается в пылеугольную го­ релку 2, туда же поступает и вторичный воздух. Сгора­

ние происходит в камере 3. Зола и шлак выгружаются через челюстный затвор 5, а продукты горения выдают­ ся по направлению стрелки 4. Аналогично сжигается и жидкое топливо, однако вместо пылеугольной горелки используется форсунка для распыления предваритель­ но разогретого мазута. Форсунки выполняют с механи­ ческим, паровым или воздушным распылением.

На рис. 7.5 даны принципиальные схемы работы го­ релок для сжигания пылеугольного топлива. На рис. 7.5, а показана схема горелки с подачей аэросмеси по центральной трубе, а вторичного воздуха по перифе­ рийному каналу; на рис. 7.5,6, наоборот, вторичный воз­ дух в горелку подается по центральной трубе, а по периферийному каналу аэросмесь. И аэросмесь и вто­ ричный воздух чаще подают закрученными струями. В этом случае продукты сгорания рециркулируют к ос­

б)

Рис. 7.5. Схема работы горелок для сжигания пылеугольного топ­ лива

/ — подача аэросмеси твердого топлива; 2 — подача вторичного воздуха

Рис. 7.6. Схемы работы мазутных форсунок (а—в)

дана такая же форсунка, но оснащенная механическим завихрителем, создающим вращательное движение час­ тиц топлива. На рис. 7.6, в представлена форсунка, в ко­ торой распыление достигается паром под давлением 0,4—1,5 МПа или воздухом под давлением 0,002— 0,008 МПа (низкого давления) или 0,2—1 МПа (высо­ кого давления). Мазут подается в форсунки под давле­ нием 0,3—0,4 МПа.

В производстве строительных изделий и конструк­ ций в настоящее время в качестве топлива для приго­ товления теплоносителя — нагретого воздуха применяет­ ся только твердое кусковое топливо. Поэтому тепловые генераторы оснащаются слоевыми топками. Пылеуголь­ ное топливо из-за необходимости его подсушки и доро­ гостоящего помола применяется крайне редко. Жидкое топливо — ценное сырье химической промышленности — заводами строительной индустрии не используется.

Кроме топлива для нагрева воздуха в тепловых ге­ нераторах используют водяной пар с избыточным дав­ лением 0,1—0,5 МПа. Схема теплового генератора с обо­ гревом воздуха водяным паром показана на рис. 7.7. Генератор представляет собой теплообменник, в кото­ ром по системе оребренных труб 4 проходит пар. В меж-

Рис. 7.8. Схема установки генераторов с паровым обогревом

а — параллельная; б — последовательная; в — комбинированная; / — подача пара; 2 — отбор конденсата; 3 — подача нагреваемого воздуха

трубное пространство 8 пропускают воздух, который отбирает теплоту парообразования и одновременно на­ гревается. Нагретый воздух направляется в тепловую установку для использования, а отдавший теплоту пар конденсируется и удаляется в конденсационную систему.

Тепловые генераторы с паровым обогревом устанав­ ливаются параллельно (рис. 7.8,а), последовательно (рис. 7.8,6), комбинированно (рис. 7.8, в). При после­ довательном включении воздух нагревается до более высокой температуры, но его количество невелико.

Используя тепловые генераторы с паровым обогре­ вом, можно получить нагретый воздух с максимальной температурой Г=350К, а генераторы с использованием топлива—до 7,«670К .

Подготовка теплоносителя — продуктов сгорания топ­ лива. С экономической точки зрения в качестве тепло­ носителя более предпочтительны продукты сгорания при­ родного газа. Для их приготовления не требуется теп­ лообменник, следовательно, их получение требует мень­ ших затрат. Схема теплового генератора для получения

выхода из горелки) и диффузионные (газ и воздух сме­ шиваются при выходе из горелки).

Вкинетической горелке (рис. 7.10, а) газ, вытекаю­ щий под давлением 0,1—0,3 МПа из сопла 7, эжектирует (подсасывает) воздух через отверстия 2. В смеси­ теле 3 газ полностью смешивается с воздухом. Смесь, попадая в нагретую до температуры горения огнеупор­ ную насадку 4, сгорает. Горение протекает почти мгно­ венно и завершается внутри огнеупорной насадки.

Вдиффузионно-кинетической горелке (рис. 7.10,6) газ подается по трубопроводу /, по трубопроводу 2 при­ нудительно подается воздух. Газ и воздух частично сме­ шиваются и начинают гореть в огнеупорной насадке 4. Окончательное смешивание и завершение процесса го­ рения происходит в топочном пространстве.

Диффузионная горелка (рис. 7.10, в) по конструкции не отличается от диффузионно-кинетической, однако от­ сутствие даже частичного предварительного смешивания газа с первичным воздухом, который подается в недо­ статочном количестве для горения, привадит к образо­ ванию факела горения. Вторичный воздух подается в то­ почное пространство. Изменяя скорость подачи газа и первичного воздуха, можно регулировать длину факе­ ла горения.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Расскажите о тепловых генераторах, применяемых в про­ мышленности строительных материалов.

2.Опишите типы применяемых слоевых и камерных топок.

3.Перечислите стадии горения твердого топлива. Как избежать колебаний температур при сгорании твердого топлива?

4.Какие существуют типы горелок и форсунок?

5.Опишите работу паровых генераторов. Как они использу­

ются в указанной промышленности?

РАЗДЕЛ 5. ПОНЯТИЕ ОБ УСТАНОВКАХ, ПРЕОБРАЗУЮЩИХ ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ В МЕХАНИЧЕСКУЮ

Современная энергетика основана главным образом на преобразовании тепловой энергии в механическую ра­ боту, за счет которой генераторами вырабатывается электрическая энергия.

Машиной, преобразующей тепловую энергию в меха­ ническую работу, является тепловой двигатель. Все теп­ ловые двигатели делят на две группы. К первой отно­ сятся двигатели внутреннего сгорания, а ко второй — двигатели внешнего сгорания.

ГЛАВА 8. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

8.1. Понятие о двигателях внутреннего сгорания

Для снижения потерь энергии горючее сжигают непо­ средственно в рабочем цилиндре двигателя, отсюда и на­ звание— двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания состоят из устройства, в котором готовится горючая смесь,— карбюратора и собственно двигателя. Схема работы простейшего карбюратора по­ казана на рис. 8.1, а.

В поплавковую камеру карбюратора 2 через штуцер 5 подается топливо. Количество регулируется поплав­ ком 3 с насаженным на него игольчатым клапаном 4. Топливо в момент открытия клапана для впуска смеси в цилиндр 12 за счет разрежения, создаваемого при движении поршня 13 вниз, засасывается из поплавковой камеры по трубке 1 в трубу 6, снабженную диффузо­ ром 7. В эту же трубу через отверстие 18 засасывается воздух. Топливо испаряется, и его пары смешиваются в диффузоре с воздухом. Разрежение для забора возду­ ха регулируется дроссельной заслонкой 8.

Подготовленная таким образом горючая смесь по­ дается в двигатель (рис. 8.1,6). Двигатель представля­ ет собой цилиндр 12, снабженный впускным клапаном 9 для подачи рабочей смеси из карбюратора и выпускным клапаном 11 для выброса продуктов сгорания. В ци­ линдре 12 совершает возвратно-поступательное движе­ ние поршень 13, соединенный кривошипно-шатунным механизмом 14 с рабочим валом 17. Вал получает при возвратно-поступательном движении поршня 13 враща­ тельное движение, которое может быть использовано для привода машин и механизмов. На рабочий вал 17 насажен маховик 16 для более плавной работы дви­ гателя.

За счет энергии вращения, накопленной маховиком,

а)

Рис. 8.1. Схема простейшего карбюратора (а) и рабочего органа двигателя внутреннего сгорания (б)

поршень начинает движение вниз — первый ход. В ци­ линдр через открывшийся клапан 9 поступает горючая смесь. Поршень доходит до нижней крайней точки и на­ чинает движение вверх— второй ход, при этом клапан 8 закрывается. Двигаясь вверх, поршень (при закрытых клапанах) сжимает горючую смесь. Чтобы смесь не до­ стигла за второй ход температуры воспламенения топ­ лива, цилиндр охлаждается водой, циркулирующей че­ рез водяную рубашку 15. Когда поршень достигнет своей верхней точки, горючая смесь воспламеняемся искрой от запальной свечи 10, происходит сгорание топлива.

Давление и температура в пространстве, ограничен­ ном поршнем, резко возрастают, и поршень начинает движение вниз, совершает третий, но уже рабочий ход. В результате расширения продуктов сгорания это дви­ жение поршня вниз через коленчатый вал передается на вал двигателя, снабженный маховиком 16. К концу третьего хода поршня открывается выпускной клапан 11у и продукты сгорания начинают выбрасываться из цилиндра. Поршень по инерции совершает четвертый ход вверх и выталкивает продукты сгорания. Таким об­ разом, четвертый, первый и второй ходы совершается за счет инерции маховика, накопленной за третий рабо­ чий ход. Далее процесс повторяется в описанной после­ довательности.

Для того чтобы двигатель не снижал свою мощность,