Материалы О Международной научно

Ф едерал ьн ое агентство по образованию
А дм и ни стр ац и я В оронеж ской области
Воронеж ская государствен ная технологическая академ ия
М еж дунар одная академ ия холода
М еж дун ародн ая академ и я инф орм атизации
М еж дународная академ ия наук экологии и безопасности
ж и знедеятел ьности
М атериалы О М еждународной
научно-технической конференции,
посвященной 100-летию заслуженного деятеля
науки и техники РСФСР, профессора
Попова Владимира Ильича
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
22-24 сентября 2004 года
Воронеж, Россия
Часть I
< 3
Воронеж
2004
УДК 664.61
ЭФФЕКТИВНОСТЬ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ И
ЭКОНОМИЯ ТОПЛИВА В ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ПЕЧАХ
А.В. Ковалев, В.М. Таран, С.С. Цюпка (КНУПТ)
Тепловой баланс хлебопекарных печей показывает, что
дымовые газы, покидающие рабочее пространство печи, уносят с
собой значительное количество теплоты - до 50 % от всего ее
расхода в зависимости от типа печей.
Использование части этой теплоты для подогрева воздуха
или топлива (или того и другого) является эффектным способом
экономии топлива, поскольку приход теплоты в печь складывает­
ся из теплоты химических реакций горения Qxи физической теп­
лоты подогрева воздуха или топлива 0ф,„.
I Q прих. Qx Q(j)H3.B03 Q(J)H3.T0IUI. Qpeu.
(1)
где Qx - теплота химической реакции горения топлива, кДж/м3;
Qc|)M4 .to™- физическая теплота сгорания топлива, кДж/м3; Офиз вот теплота, внесенная в топку воздухом, кДж/м3; Qpeu - теплота, вне­
сенная в топку газами рециркуляции, кДж/м3.
С учетом указанных значений слагаемых уравнение (1)
примет следующий вид:
iQnpHx. = BTQ£ + BTCTt T + BTaV0C Bt B + BpeuCpeiIt peil
(2)
где Вт - количество топлива, подаваемое в топку, м3/ч; QP
H - низ­
шая теплота сгорания топлива, кДж/м3 ; Ст - удельная теплоем­
кость газа, кДж/(м3-К); tT-температура топлива, °С; a - коэффи­
циент избытка вохздуха; V0 - теоретически необходимый объем
воздуха для полного сгорания (1 м3) газа; Св - удельная теплоем­
кость воздуха, кДж/(м3-К); tB - температура воздуха, поступаю­
щего в топку, °С; Врец- количество газов рециркуляции, подавае­
мых в топку, нм3/ч; tpeu- температура газов рециркуляции, посту­
пающих в топку, °С; СрСц - удельная теплоемкость газов рецирку­
ляции, поступающих в топку, кДж/(м3-К).
Если Q npH X = const увеличение
позволяет уменьшить Qx,
т. е. можно получить экономию топлива. При этом, чем больше
теплоты от дымовых газов возвращено в печь, чем выше полнота
О ф из
252
их использования, тем большая экономия топлива может быть
достигнута. Степенью утилизации теплоты дымовых газов назы­
вается отношение
Л у т
= Q<\>m / Q y x
’
(3)
где Qyx - потери теплоты с уходящими газами, кДж/м ’.
От степени утилизации теплоты зависит к. п. д. рекупера­
тора. Зная величину степени утилизации теплоты, можно опреде­
лить экономию топлива из выражения
Э = -------------^ух/[о------------ ю о % ,
(4)
I - W I oO- Л ут)
где 10 = С ^ /и д - энтальпия дымовых газов при температуре го­
рения, Дж/м3; I
= Сух tyX—энтальпия дымовых газов, уходящих
из печи, Дж/м3.
Благодаря подогреву воздуха можно сэкономить 15...25 %.
Для использования теплоты уходящих газов с целью подог­
рева воздуха или топлива применяют теплообменники, получив­
шие название рекуператоров. Принцип устройства рекуператора
сводится к разделительной стенке, омываемой с одной стороны
дымовыми газами, а с другой - нагреваемым воздухом или газом.
Количество теплоты, переданной в рекуператор в единицу
времени, определяют по уравнению
Q = K-AtcpF,
(5)
где К - суммарный коэффициент теплопередачи от дыма к возду­
ху, Вт/(м2-К); Atcp - средняя (по поверхности нагрева) разность
температур между дымовыми газами и воздухом, °С; F - поверх­
ность разделительной стенки, через которую происходит переда­
ча теплоты от дымовых газов к воздуху, м2.
Теплопередача в рекуператорах включает три основные
ступени: от дымовых газов к стенке; через разделительную стен­
ку; от стенки к нагреваемому воздуху.
Теплота от дымовых газов к стенке передается конвекцией
и излучением. Следовательно, коэффициент теплоотдачи на ды­
мовой стороне равен, Вт/(м2-К)
«д = а д + «д
( 6)
253
где ад - коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых га­
зов к стенке,Вт/(м2-К); ад - коэффициент теплоотдачи излучением от дымовых газов к стенке, Вт/(м2 -К).
Передача теплоты через разделительную стенку зависит от
ее теплового сопротивления S/Л,, (где S - толщина разделитель­
ной стенки, м; X - коэффициент теплопроводности материала
разделительной стенки, Вт/(м-К). На воздушной стороне рекупе­
ратора при нагреве воздуха теплота от стенки к воздуху переда­
ется только конвекцией:
(7)
где а в - коэффициент теплоотдачи от поверхности рекуператора
к воздуху, Вт/(м2-К); а в - коэффициент теплоотдачи конвекцией
от поверхности рекуператора к воздуху, Вт/(м2-К).
Суммарный коэффициент теплопередачи в рекуператорах
(8 )
1/ад +S/A, + l/a B
В металлических рекуператорах часто можно пренебречь
тепловым сопротивлением стенки и тогда
Если дымовые газы и воздух движутся в рекуператоре в од­
ном направлении, то такое движение называется прямоточным, ес­
ли в противоположных направлениях - противоточным. Возможно
и взаимно перекрестное движение. График, характеризующий из­
менение температуры по поверхности нагрева при противоточной
и прямоточной схемах движения, приведен на рис. 1.
Из графика видно, что при противоточном движении конеч­
ная температура воздуха tg (иначе говоря, температура подогрева
воздуха) может быть выше конечной температуры дымовых газов
чего не может быть при прямоточной схеме движения. Вместе
с тем при противотоке температура стенки рекуператора может
быть значительно выше, чем при прямотоке. Поэтому более эф254
фективную противоточную схему используют при относительно
невысоких температурах отходящих дымовых газов. Прямоточную
схему применяют для металлических рекуператоров в том случае,
если температура дымовых газов настолько велика, что возникает
опасение за стойкость материала рекуператора.
Как при противотоке, так и при прямотоке температура
дымовых газов и воздуха изменяется по длине поверхности на­
грева, что обусловливает изменение разности температур дымо­
вых газов и воздуха. Поэтому при расчете рекуператора учиты­
вают среднюю разность температур.
СД
г*
Рис. 1. Изменение температуры дымовых газов и
воздуха на поверхности разделительной стенки рекуператора:
а) - при противоточном движении; б) - при прямоточном движении;
1 - температура дымовых газов; 2 - температура стенки;
3 - температура воздуха
Анализ температурного поля рекуператора показывает, что
разность температур теплоносителей изменяется вдоль поверхно­
сти нагрева по экспоненциальному закону. Используя этот закон,
можно получить следующее выражение для среднелогарифмиче­
ского значения средней разности температур дыма и воздуха:
AtH- At.
At = > ч,
(Ю)
ln(AtH/A tK)
где AtH - разность температур дымовых газов и воздуха в начале
рекуператора; AtK - разность температур дыма и воздуха в конце
рекуператора.
При AtK/A tH>0,6 среднеарифметическое значение разно­
сти температур превышает среднелогарифмическое значение не
255
более чем на 3 % и можно найти среднюю разность температур
по формуле
Atcp=(AtH +AtK)/2,
(11)
Расчет рекуператора обычно выполняют с целью нахожде­
ния необходимой поверхности разделительной стенки (м'), кото­
рую легко определить из выражения (2):
F = Q/( k • Atcp).
(1.2)
Количество теплоты (Вт), переданное в рекуператоре в
единицу времени, находят из выражения:
Q = У Д С с(*Д
У во зС в о з ( * В - t e )
(13)
где Уд и VB03 - расходы дыма и воздуха, м3/с; Сс и Своз - средние
удельные теплоемкости дыма и воздуха, Дж/(м3-К); t д и t “ - на­
чальные температуры дыма и воздуха (на входе в рекуператор);
t j и tg - конечные температуры дыма и воздуха (на выходе из
рекуператора).
При расчете металлических рекуператоров необходимо
также определять температуру разделительной стенки для того,
чтобы не допустить увеличения ее свыше допустимого предела
tcp=tB+ , ^
1+ а в / а д
где t
,
- температура разделительной стенки, °С;
(1 4 )
- температу­
ра дымовых газов, °С.
Целесообразнее использовать рекуператоры, у которых
разделительные стенки выполняются из металла.
Наиболее просты в изготовлении, монтаже и обслуживании
трубчатые рекуператоры. Для их изготовления применяют цельно­
тянутые (газовые) трубы из углеродистых и жароупорных сталей.
В зависимости от того, как производится удаление продук­
тов сгорания из печи, трубчатые рекуператоры располагают под
печью (в боровах), рядом с ней или над ней. Для установки в бо­
ровах наиболее широко используют рекуператоры из U-образных
труб. Они надежно работают при высоких температуре дымовых
газов и подогревают воздуха до 200 °С. Такая конструкция реку256
ператора обеспечивает свободное удлинение труб при их терми­
ческом расширении, что исключает разрушение стыков.
Однако наружные петли этого рекуператора длиннее внут­
ренних. В результате потери давления на трение в них выше, и
следовательно сопротивление движению воздуха больше. Для то­
го, чтобы выровнять распределение воздуха по всем трубам Uобразного рекуператора, во внутренних, более коротких трубах
устанавливают диафрагмы, играющие роль дополнительных ме­
стных сопротивлений.
Для установки над печами используют рекуператоры из
прямых труб с их горизонтальным расположением (рис. 2). Они
бывают двух- и четырехходовыми, т. е. воздушный поток, дви­
жущийся внутри труб, совершает в них один или два поворота.
Трубы омываются дымовыми газами снаружи.
Трубчатые рекуператоры достаточно герметичны и в них
можно подогревать не только воздух, но и газ. Суммарный коэф­
фициент теплопередачи в этих рекуператорах составляет 18...25
Вт/(м-К) при скорости дыма 1...3 м/с и воздуха 6... 10 м/с.
Срок службы трубчатых рекуператоров сильно зависит от ма­
териала труб и температуры подогрева воздуха. При изготовлении
рекуператора из обычной стали при подогреве воздуха до 200 °С
срок его службы составляет 3...4 года. Использование жаростойкой
стали позволяет увеличить срок службы в несколько раз.
12
Рис. 2. Двухходовой рекуператор из горизонтальных прямых труб:
1 - первый ход; 2 - второй ход.
257
Рис. 3. Труба игольчатого рекуператора
Игольчатые рекуператоры выполняют путем литья из
обычного или жароупорного чугуна. Основной рабочей частью
этих рекуператоров служит овальная в сечении труба с фланцами
(рис. 3), имеющая небольшие внутренние и большие наружные
выступы («иглы»). Они увеличивают поверхность теплообмена
разделительной стенки и способствуют интенсификации тепло­
обмена конвекцией, что приводит к увеличению коэффициента
теплопередачи. Обычно воздух пропускается внутри труб, а сна­
ружи - дымовые газы. Наличие игл на дымовой стороне вызывает
засорение, поэтому практическое применение нашли игольчатые
рекуператоры с иглами только на воздушной стороне.
Игольчатые рекуператоры собирают из отдельных труб на
болтовых соединениях. В результате получается большое коли­
чество стыков между фланцами труб, что приводит к невысокой
газоплотности всего рекуператора.
Низкая газоплотность и большая металлоемкость при не­
достаточной стойкости являются недостатками игольчатых реку­
ператоров.
258
При расчете рекуператора из прямых горизонтальных труб
для печи, отапливаемой природным газом и определена экономия
топлива. Расход природного газа 0,03 м3/с, теплота сгорания
35200 кДж/м3 . Температура подогрева воздуха 150 °С, темпера­
тура дымовых газов на входе в рекуператор 350 °С, начальная
температура воздуха 20 °С. Рекуператор выполняется из труб с
внутренним диаметром d вн = 53 мм, наружным dHap = 60 мм.
Из расчета горения следует, что для сжигания 1 м3 природ­
ного газа заданного состава при коэффициенте расхода воздуха
1,1 требуется 10,25 м3 воздуха и получается 11,27 м3 продуктов
сгорания, содержащих 8,76 % ССЬ, 17,22 % Н20 , 1,73 % 0 2 и
72,3 % N2. С учетом коэффициента потерь воздуха в рекуперато­
ре и в воздухопроводах горячего дутья, принимаемого равным 1,1
и коэффициента 0,8, характеризующего потери продуктов сгора­
ния из печи за счет их выбывания, расходы дыма и воздуха в ре­
куператоре соответственно равны:
Уд = 0,03 • 11,27 • 0,8 = 0,27 м 3/с;
Увоз =0,03-10,25-1,1 = 0,34 м3/с.
Средняя температура воздуха в рекуператоре (150+20)/2 =
85 °С, удельная теплоемкость воздуха при этой температуре
Своз = 1303 Дж/(м3К).
Принимаем предварительно среднюю температуру дымовых
газов в рекуператоре 300 °С и находим его удельную теплоемкость.
С 02...........................................0,0876-1881 = 164,7
Н20 ...........................................0,1722 - 1538 = 264,8
0 2 .............................................0,0173 - 1358 = 6,2
N2 .............................................0,723 -1308 = 945,6
Сд = 1381,3 Дж/(м3-К),
где 1881, 1538, 1358, 1308 - соответственно средние теплоемко­
сти продуктов сгорания: С 02 Н20 , 0 2. N2 при температуры 300 °С
Экономия топлива составила 12 %.
Наряду с экономией топлива хлебопекарных печей, при
проектировании рекуператоров ставится проблема интенсифика­
ции процессов конвективного теплообмена.
259