Belyaev_M_I_Teplovoe_oborudovanie_OP

http://mppnik.ru

Рис. 6.2. Схема теплогенерирующего устройства на паровом обогреве:

а — рубашечного типа; б — трубчатого типа; в — змеевикового типа: 1 — продувочный кран; 2 — греющая камера; 3 — регулирующий вентиль; 4 — конденсационный горшок

ческих сред влажным насыщенным паром различают обогрев глухим паром (через разделительную стенку) и обогрев острым паром (пар непосредственно контактирует с продуктом), а по конструктивному исполнению теплогенерирующие устройства подразделяются на смежные и совмещенные.

При глухом обогреве (через разделительную стенку) пар подается в греющую камеру рубашечного (рис. 6.2, а), трубчатого (рис. 6.2, б) или змеевикового (рис. 6.2, в) типов, конденсируется, отдавая, теплоту парообразования разделительной стенке, а через нее продукту или технологической среде. Теплогенерирующие устройства паровых аппаратов состоят из продувочного крана греющей камеры, подводящего паропровода с регулирующим вентилем, конденсатопровода для отвода конденсата из греющей камеры, конденсационного горшка, регулирующей и защитной арматуры.

При обогреве пищевых продуктов острым паром греющая камера совмещена с рабочей камерой (рис. 6.3). Она состоит из корпуса с размещенной в нем камерой, в которую подается пар, взаимодействующий с продуктом, укладываемым на перфорированный противень. Конденсат из камеры стекает в парогенератор, вода в котором нагревается тэном. Расчет греющих камер паровых аппаратов сводится к определению поверхности нагрева (конструктивный расчет), либо для проверки соответствия поверхности нагрева технологическому процессу (поверочный расчет).

Рис. 6.3. Схема совмещенного камерного тепло-генерирующего устройства:

1 — корпус; 2 — греющая камера; 3 — парогенератор; 4 — тэн; 5 — перфорированный противень; 6 — теплоизоляция

Поверхность нагрева греющей камеры парового аппарата определяется по уравнению

http://mppnik.ru

где Q — количество теплоты, передаваемой поверхности нагрева в единицу времени, Вт (Дж/с); К — коэффициент теплопередачи от влажного насыщенного пара к продукту, Вт/ (м2 ∙ К); ∆t — разность температур между теплоносителем и нагреваемой средой, °С.

Количество теплоты Q, которое передается от теплоносителя через поверхность нагрева в единицу времени, определяется по тепловому балансу для конкретного технологического процесса.

Коэффициент теплопередачи К от теплоносителя (влажного насыщенного пара) к нагреваемой среде в камере определяется по формуле для плоской однослойной стенки

где 1 , 2 — соответственно коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя к поверхности нагрева и от поверхности нагрева к нагреваемой среде в камере, Вт/(м2∙К); , — соответственно толщина стенки (поверхности нагрева) и коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м∙К).

Всвязи с тем, что в тепловых аппаратах предприятий общественного питания разделительная поверхность нагрева выполняется из тонкостенного материала δ 0,01 м, а коэффициент теплопроводности металла достаточно велик: для стали — 40 Вт/ (м ∙ К), то отношение / 0 .

Вэтом случае коэффициент теплопередачи определяется по уравнению

Средняя разность температур (температурный напор) между теплоносителем и нагреваемой средой ∆t определяется как среднелогарифмическая по уравнению

где ∆tб — наибольшая разность температур между температурами влажного насыщенного пара и нагреваемой средой, °С; ∆tм — наименьшая разность температур между температурами влажного насыщенного пара и нагреваемой средой, °С.

Секундный расход пара определяется из выражения

где Qзaтp — общее количество затраченной теплоты в единицу времени, Вт (Дж)/с; ix, ik — соответственно энтальпии пара и конденсата, Дж/кг.

где i' — энтальпия жидкости при определенной температуре и давлении, кДж/кг; х — степень сухости пара, %; г — скрытая теплота парообразования, кДж/кг.

В паровых аппаратах пролетный пар отсутствует (ix = i'), поэтому общее количество затраченной теплоты определяется из уравнения

где Q1 — количество теплоты, необходимой для нагрева воды от начальной температуры tн до конечной tк, Вт;

http://mppnik.ru

щелями; в — чугунный колосник брусчатый; г — колосниковая плита с отверстиями

образное) определяющим образом влияет на конструктивные особенности топок и их классификацию.

Топки подразделяются на слоевые и камерные. Слоевые предназначены для сжигания твердого топлива на колосниковой решетке, камерные — для сжигания жидкого и газообразного топлива (рис. 6.4).

Топки

В понятие «топка» входят колосниковая решетка и топочное пространство, где сгорают горючие вещества, выделившиеся из топлива при его нагреве (рис. 6.4, а).

К о л о с н и к о в а я р е ш е т к а предназначена для равномерной подачи воздуха к топливу и поддержания его слоя. Колосниковые решетки топок собирают из отдельных чугунных элементов — колосников балочного типа (рис. 6.4, 6) или плит (рис. 6.4, г).

Через зазоры между колосниками, щели или отверстия колосниковых плит зола в процессе горения частично проваливается в зольник; остальная масса остается на колосниковой решетке и в виде шлака выгребается через загрузочную дверцу топки.

Размеры щелей и отверстий колосниковой решетки зависят от рода сжигаемого топлива, его фракционного состава и способа подачи воздуха. Отношение суммарной площади сечения отверстий (щелей) для подачи воздуха к общей площади решетки называется живым сечением решетки. Величина живого сечения решетки изменяется в пределах: для брусчатых колосников

— от 20 до 40%, для плиточных — от 8 до 15 %.

Брусчатые колосники используются при сжигании крупнокускового и малозольного топлива с большим выходом летучих газов (древесина, торф), плиточные — при сжигании многозольного и мелкозернистого топлива с малым выходом летучих газов (каменный уголь).

Топливо загружается в топку через загрузочное окно с дверцей.

З о л ь н и к служит для подачи воздуха в топку через колосниковую решетку, а также для сбора золы и мелких частиц топлива. Окно зольника закрывается дверцей, с помощью которой регулируют поступление воздуха в топку.

Г а з о х о д ы служат для обогрева тепловоспринимающих поверхностей аппарата движущимися продуктами сгорания топлива. По газоходам продукты сгорания движутся за счет разрежения, создаваемого в топке благодаря разности плотностей продуктов сгорания и окружающего воздуха либо за счет работы тягодутьевых устройств.

Работа слоевой топки характеризуется тем, что при загрузке новой порции топлива на горящий слой он воспламеняется вследствие непосредственного соприкосновения с нижележащим раскаленный слоем. Одновременно на новый слой топлива излучается значительное количество теплоты из топочного пространства. Все это предопределяет неравномерное потребление воздуха и цикличное протекание процесса горения топлива.

Разжигают топку в такой последовательности. Сухие дрова закладывают равномерно на ⅔ высоты топки так, чтобы они занимали всю поверхность колосниковой решетки. Длина поленьев должна соответствовать длине топки. Затем открывают дверцу зольника, задвижку в дымоходе и поджигают дрова. После частичного сгорания поленья разравнивают и укладывают на них слой топлива. Крупные куски каменного угля измельчают и кладут на разгоревшиеся дрова слоем примерно в 4…6 см. Когда уголь разгорится, толщину его слоя увеличивают до 10...15 см. Поступление воздуха регулируют дверцей зольника и задвижкой в дымоходе. Топочная дверца в процессе горения закрывается, так как поступающий через нее воздух охлаждает топку и снижает ее кпд.

Качественному, т. е. химически полному, сжиганию топлива способствуют хорошее его перемешивание с воздухом, при минимальном коэффициенте избытка воздуха, подогрев воздуха, увеличение поверхности горения. Кроме того, при сжигании жидкого топлива возможны тонкое распыление, подача воздуха в корень факела, закручивание струи.

Структура горящего слоя топлива на колосниковой решетке представлена на рис. 6.5. Если

http://mppnik.ru

поддерживать на решетке толстый слой топлива, через него не будет проходить в необходимом количестве воздух, требующийся для сгорания летучих веществ в топочном объеме. Кроме того, в слое горящего топлива при недостаточном количестве транзитного воздуха, направляющегося в топочное пространство, развиваются более

высокие температуры, вызывающие при сжигании, например антрацита, коробление и перегорание колосников, плавление шлака и химический недожог.

При слое топлива меньше необходимого неполнота сгорания уменьшается, но в уходящих газах увеличивается количество избыточного воздуха, что ведет к увеличению объема топочных газов, снижению их температуры и тепловой эффективности топочного устройства.

При правильно выбранной толщине слоя топлива топка работает с минимальными избытком воздуха и химической неполнотой сгорания.

Рис. 6.5. Структура горящего слоя топлива

В процессе горения часть мелких частичек топлива проваливается в зольник через отверстия решетки (провал), а также выносится из слоя, осаждаясь затем в газоходе, или вместе с уходящими газами рассеивается в окружающую среду (унос). При чистке топки от золы и шлаков вместе со шлаками выбрасывается и некоторое количество несгоревшего топлива (шлак).

Поэтому колосниковая решетка должна соответствовать виду и размерам частиц топлива, а в процессе сжигания следует периодически перемешивать горящее топливо.

Толщину слоя топлива устанавливают в зависимости от сорта топлива, его влажности, зольности, структуры, температуры горения в слое.

О химической неполноте сжигания топлива судят по дыму. О количестве подаваемого и участвующего в процессе горения воздуха судят по цвету и характеру пламени. Если пламя прозрачное, ровное, светло-желтое, а горение происходит без потрескивания, значит, процесс сжигания топлива протекает нормально, с минимальным избытком воздуха. При недостатке воздуха пламя имеет длинные коптящие красные языки. Резко укороченное пламя и горение с потрескиванием свидетельствуют о том, что в топку поступает избыточное количество воздуха. Чем больше приоткрыты поддувальная дверца и задвижка, тем сильнее тяга. После загрузки очередной порции топлива дверцу зольника открывают полностью. По мере прогорания топлива ее постепенно прикрывают, следя за пламенем в топке.

Основными материалами для изготовления теплогенерирующих устройств твердотопливных аппаратов являются хорошо обожженный красный и огнеупорный кирпич, жирная и огнеупорная глина, мелкий без примесей песок, вода.

Р а с ч е т т о п о к д л я с ж и г а н и я т в е р д о г о т о п л и в а сводится к определению площади колосниковой решетки и объема топки. Площадь колосниковой решетки определяют по уравнению

где В — расход топлива, кг/ч; Q BQнp — тепловая мощность топки, кВт; QFp 1 — тепловое

напряжение поверхности колосниковой решетки (зеркала горения) (принимают 450...500 кВт/м2), кВт/м2.

Объем топки определяют по формуле

http://mppnik.ru

гдеQVT 1 — тепловое напряжение топочного объема (принимают 250...300 кВт/м3), кВт/м3. Процесс сжигания жидкого топлива значительно сложнее процесса сжигания газа и состоит

из следующих операций: распыление, испарение капель, пирогенетическое разложение топлива, образование горючей смеси и ее сжигание.

Подготовка жидкого топлива к сжиганию осуществляется двумя способами: перед воспламенением топливо испаряется и тогда оно горит в парообразном состоянии; топливо распыляется на мельчайшие капли, которые при смешении с воздухом нагреваются главным образом за счет радиации и затем в процессе горения также испаряются. Первый способ не получил широкого распространения, потому что он неприемлем при использовании низкокачественных и дешевых сортов жидкого топлива, испаряющегося при более высоких температурах.

Существенное влияние на скорость горения оказывает диаметр капли. Чем он меньше, тем более однородной является смесь распыленного топлива с воздухом и тем эффективнее протекает процесс горения.

Тонкость распыления топлива изменяется в значительных пределах в зависимости от способа его осуществления.

Устройства для распыления жидкого топлива и подачи его в камеру сгорания аппарата называются форсунками (рис. 6.6,а,б).

Рис. 6.6. Принципиальные схемы устройства для сжигания жидкого топлива:

Основные показатели работы форсунок – длина факела пламени и его температура – зависят от качества распыления и условий смесеобразования топлива с воздухом.

Средний радиус капель определяют по следующим приближенным формулам: для механических форсунок

http://mppnik.ru

где Рм — давление распыляемого мазута, МПа; для воздушных форсунок низкого давления

где Рв — давление распыляющего воздуха, Па.

Жидкое топливо подается к форсунке из расходного бака самотеком или под давлением, в зависимости от вязкости топлива и вида распыления. Расходный бак располагается недалеко от горячего цеха на высоте 4...5 м. В зонах с низкими температурами во избежание застывания мазутные линии прокладываются вместе с паровыми в одной изоляции или производится специальный подогрев топливопровода с помощью паровой рубашки.

Принципиальная схема щелевой форсунки представлена на рис. 6.7, а.

Мазут самотеком поступает к верхней трубке, а пар подается к нижней. Давление пара должно находиться в пределах 150...4000 кПа. Подачу и распыление мазута регулируют вентилями, установленными на трубопроводах, подающих пар и мазут.

Из паровой форсунки пар выходит со скоростью 300...350 м/с, мазут — со скоростью 1...2 м/с. На распыление 1 кг мазута расходуется 0,5 кг пара.

Мазут выходит из форсунки под небольшим давлением, перемешивается с поступающим воздухом и сгорает, образуя яркий факел пламени.

Пар, как правило, получают в парогенераторе, встроенном в топку аппарата (рис. 6.7, б, в). На чугунной плите и корпусе укреплены нижний и верхний баллоны парогенератора. Вода поступает из водопровода через вентиль сначала в нижний баллон, а затем по соединительной трубе в верхний, где образуется пар. Из верхнего баллона пар направляется по пароотвод-

Рис. 6.7. Схема установки паровой форсунки в топке плиты:

а — схема паровой форсунки; б — паровая форсунка: 1 — чугунная плита; 2 — верхний баллон; 3 — соединительная труба; 4 — сопло; 5 — нижний баллон; 6 — корпус; 7 — водопроводная труба; 8 — вентиль; 9 — вентиль на паропроводе; 10 — воронка;

http://mppnik.ru

ной трубке через вентиль в форсунку, откуда распыленное паром топливо выбрасывается через сопло в топочное пространство. Жидкое топливо подается из расходного бака по трубопроводу в воронку и далее в форсунку. Внизу под форсункой располагается поддон для жидкого топлива (на рисунке не показан).

Перед пуском форсунки переносным факелом зажигают топливо в поддоне. При сгорании этого топлива предварительно разогревается топочный объем и создается необходимое давление пара в парогенераторе. Затем открывают вентили на топливопроводе и паропроводе. После воспламенения выходящего из форсунки мазута путем регулировки подачи топлива, пара и воздуха добиваются устойчивого факела и необходимой теплопроизводительности. При выключении форсунки сначала

В зависимости от того, совмещены или разделены процессы смесеобразования и подогрева смеси до температуры воспламенения и горения, различают следующие способы сжигания газа: первый — диффузионный, когда потоки газа и воздуха поступают в топку отдельно и смешиваются в зоне горения; второй — кинетический, когда в зону горения топки поступают поток полностью подготовленной газовоздушной смеси или поток газа с соединением только части необходимого воздуха и поток добавочного вторичного воздуха.

При диффузионном сжигании газа образуется ярко-желтый факел пламени сравнительно большой длины, предопределяющий значительную высоту камеры сгорания. Сжигание газа происходит с большим коэффициентом избытка воздуха, снижающим температуру горения, и со значительной интенсивностью шума.

Кинетический способ сжигания газа лишен указанных недостатков, но предполагает использование более сложной конструкции смесительной трубки.

Показателями, характеризующими топки, являются тепловая мощность Qн и тепловое напряжение Т (для слоевых топок).

Тепловой мощностью Qн называется мощность топки в Вт, отнесенная к 1 м3 объема топочного пространства:

где В — расход топлива, кг; Qнp — низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг; V — объем

топочного пространства, м3.

Тепловым напряжением Т называется мощность топки в Вт, отнесенная к 1 м2 зеркала горения топлива:

где R — площадь зеркала горения, м2.

В топках газовых тепловых аппаратов основным фактором, влияющим на качество процесса сжигания газа, является качество смешения газа с воздухом. Процессы смешения газа осуществляются в газовых горелках.

Газовые горелки

Газовыми горелками называются устройства, предназначенные для образования газовоздушной смеси, подачи ее или подачи только газа (при диффузионном сгорании) в камеру сгорания (топку) и сжигания. Рациональное сжигание горючего газа зависит в первую очередь от

http://mppnik.ru

правильного выбора типа и конструкции газовых горелок.

Газовая горелка должна обеспечивать возможность зажигания газовоздушной смеси, регулирования подачи газа и воздуха, а также гарантировать при правильной ее эксплуатации тщательное перемешивание горючего газа с воздухом, устойчивое горение и полное сгорание горючего газа.

Работа горелки считается устойчивой, если длительное горение газа происходит без отрыва и проскока пламени. Отрыв пламени происходит при увеличении давления газа в сети и при избытке воздуха. Проскок пламени имеет место при резком понижении давления газа в сети. В этом случае пламя проскакивает внутрь смесительной трубки и горит у сопла. Скорость процесса горения, высота и форма пламени зависят от способа и скорости перемешивания горючего газа с воздухом: диффузионный (внешнее смешение), диффузионно-кинетический (частичное предварительное смешение) и кинетический (полное предварительное смешение).

Наивысшая температура пламени (до 1500 °С) и наименьшая длина его достигаются при полном предварительном смешении горючего газа с воздухом.

Классификация газовых горелок. Согласно ГОСТ 17357—71 газовые горелки классифицируются по следующим признакам: способу подачи воздуха, номинальному давлению газа и воздуха, теплоте сгорания газа, номинальной тепловой мощности, длине факела (калибру) и методу стабилизации (созданию устойчивости) факела.

П о с п о с о б у п о д а ч и в о з д у х а различают горелки внешнего смешения — горелки с подачей воздуха из окружающей среды и смешения газа с воздухом в камере сгорания за счет разрежения в ней и конвекции. Такие горелки называются диффузионными. Длина факела пламени и его свечение в диффузионных горелках достигают наибольшей величины.

Подача воздуха в камеру сгорания может осуществляться принудительно (вентилятором).

В горелках внутреннего смешения в камеру сгорания подается газовоздушная смесь, уже полностью или частично подготовленная. Горючий газ и воздух смешиваются внутри самой горелки.

Образование газовоздушной смеси в горелках с предварительным смешением осуществляется путем принудительной подачи воздуха в камеру смешения путем подсоса воздуха за счет энергии струи горючего газа либо путем подсоса газа за счет энергии струи воздуха. Горелки, в которых воздух подсасывается за счет энергии струи газа, называются инжекционными. Различают инжекционные газовые горелки с частичным и полным предварительным смешением горючего газа с воздухом. Первые горелки называются пламенными и характеризуются количеством воздуха, подсасываемого внутрь горелки за счет энергии струи газа. Такой воздух называется

первичным.

Воздух, поступающий в камеру сгорания за счет конвекции непосредственно около факела и в результате разрежения, называется вторичным.

Горелки с полным предварительным смешением горючего газа с воздухом называются беспламенными и в качестве первичного воздуха подсасывают весь воздух, необходимый для сжигания газа.

По н о м и н а л ь н о м у д а в л е н и ю г а з а различают горелки низкого (до 5 кПа), среднего (от 5 до 100 кПа) и высокого (свыше 100 кПа) давления, соответственно номинальное давление воздуха подразделяют на низкое (до 1 кПа), среднее (от 1 до 3 кПа) и высокое (свыше 3 кПа).

В аппаратах, применяемых на предприятиях общественного питания, используются в основном инжекционные газовые горелки низкого давления с частичным предварительным смешением газа с воздухом.

http://mppnik.ru

Рис. 6.9. Принципиальные схемы газовых горелок:

а — диффузионная; б — инспекционная факельная: 1 — сопло; 2 — регулятор первичного воздуха; 3 — конфузор; 4 — горловина; 5 — диффузор; 6 — насадка; в — формы сопел инжекционных горелок: 1

— сопло с углом конуса 90°; 2 — сопло с углом конуса 50°; 3 — сопло с углом конуса 16°; 4 — сопло с углом конуса 90° и с цилиндрической выходной частью

Устройство газовых горелок. Диффузионная горелка представляет собой насадку с отверстиями для выхода газа (рис. 6.9, а). Диаметр трубы насадки принимается из расчета 1...1.5 суммарного сечения выходных отверстий. Диаметр отверстий d выполняют 1...5 мм с шагом отверстий s (s = 5...6).

Из насадки под низким давлением выходит газ, смешивается с воздухом и сгорает в виде желтого непрозрачного факела пламени.

Диффузионные горелки имеют простую конструкцию, они надежны в эксплуатации, устойчивы и бесшумны в работе.

Недостатками этих горелок являются: большой избыток воздуха в камере сгорания, приводящий к снижению температуры горения и увеличению потерь теплоты с уходящими продуктами сгорания; длинный факел пламени, требующий значительной высоты камеры сгорания. В связи с этим диффузионные горелки не нашли широкого применения в тепловых аппаратах предприятий общественного питания.

И н ж е к ц и о н н а я г а з о в а я г о р е л к а (рис. 6.9, б) состоит из следующих основных элементов: регулятора первичного воздуха, сопла, смесителя-инжектора, насадки.

Газ подается по газопроводу в сопло, которое служит для подачи газа в горелку, превращения части потенциальной энергии газа в кинетическую и придания струе газа определенных форм и направления.

При выходе из сопла скорость газа значительно возрастает, так как диаметр сопла во много раз меньше диаметра подводящего газопровода. При выходе из сопла с большой скоростью газ создает в конфузоре смесителя-инжектора разрежение, за счет которого в смеситель подсасывается (инжектируется) первичный воздух.

Канал сопла (рис. 6.9, в) может быть различной формы с углом конуса от 8 до 45°. Смеситель-инжектор служит для смешивания газа с воздухом, выравнивания концентрации и

скорости движения газовоздушной смеси. В инжекционных горелках смесителям обычно придают форму трубки Вентури. Смеситель состоит из двух усеченных конусов — конфузора и диффузора, соединенных между собой горловиной.

Конфузор предназначен для подсоса воздуха за счет разрежения. Угол сужения конфузора составляет 20...40°. Горловина служит для выравнивания концентрации и скоростного напора смеси. Диффузор используется для дальнейшего выравнивания концентрации газа и воздуха в смеси путем торможения струи и уменьшения скорости движения газовоздушной смеси, что создает дополнительный напор, необходимый для преодоления сопротивления при проходе смеси через отверстия насадки.

Насадка служит для равномерного распределения газовоздушной смеси по выходным отверстиям, а также задает форму и размер факела.

Насадка (рис. 6.10, а, б, в, г) должна соответствовать форме и размерам обогреваемой поверхности.