Паливо, топки і котельні установки

План

1. Види палива

2. Способи спалювання палива

3. Котельні установки

1. Як паливо можуть бути використані всі ті речовини, які при згорянні виділяють велику кількість теплоти, не створюють шкідливих умов для оточуючих і ввикористання яких для отримання теплоти є економічно вигідним.

Паливо класифікують за наступними ознаками:

1. За агрегатним станом:

а) тверде – дрова, торф, горючі сланці, викопне вугілля (буре, кам’яне і антрацит), кокс;

б) рідке – нафта, бензин, керосин, мазут;

в) газоподібне – природний газ, попутний нафтовий газ.

2. За способом походженням або способом отримання:

а) природне - дрова, торф, горючі сланці, викопне вугілля, нафта, природний газ;

б) штучне - бензин, керосин, мазут, кокс.

3. За способом видобування:

а) місцеве;

б) привозне.

4. За призначенням:

а) енергетичне – буре вугілля;

б) теплове.

Вихідним матеріалом будь-якого твердого палива є деревина. Склад горючої маси викопного твердого палива залежить від умов його походження і від геологічного віку. За геологічному віком, в порядку зростання, тверде паливо може бути розташоване так: деревина, торф, горючі сланці, буре вугілля, кам'яне вугілля, антрацит.

Деревина. В даний час деревину використовують як будівельний матеріал, а як паливо деревину спалюють тільки в невеликих котельних.

Торф. Торф утворюється з болотяних рослин під водою без доступу повітря. Він залягає неглибоко від поверхні землі пластами товщиною до 10 км.

Горючі сланці. Стародавній торф має велику схожість з викопним вугіллям. Його називають горючим сланцем або сланцевим вугіллям. Горючі сланці легко спалахують і горять довгим полум'ям, що коптить. При сухій перегонці вони розкладаються на кокс, смолу, побічні продукти перегонки. Горючі сланці є цінним місцевим паливом і хімічною сировиною.

Викопне вугілля. Головним видом природного твердого палива є викопне вугілля. Воно утворилося з дерев і рослин далекого кам'яновугільного періоду. По геологічному віку викопне вугілля поділяють на буре, кам'яне і антрацит.

Буре вугілля. Є місцевим енергетичним паливом.

Кам’яне вугілля. Майже завжди залягає глибоко під землею.

Антрацит. Є найстародавнішим викопним вугіллям. Основне родовище антрациту - Донецький кам'яновугільний басейн.

Рідке паливо підрозділяють на природне і штучне. Природним або природним називають паливо, отримане у такому вигляді, в якому воно утворилося в природі. До нього відносять дрова, торф, викопне вугілля, нафту і природний газ. Штучним називають паливо, отримане в результаті переробки природного пального різними способами. Мазут використовують як котельне і моторне паливо.

2. Будь-яка промислова топка - це поєднання горелочного пристрою, де є схожим горіння з топочным простором. В сучасній топочной техніці використовують в основному три способи спалювання палива: шаровий, факельний і вихровий.

Шаровий спосіб - спалювання палива шаром на спеціальних гратах, званої колосниковой. В результаті того, що згоряє палива на гратах утворюється пориста подушка із золи і шлаків. На ній розташовується шар коксу, що горить, тобто палива з якого вже встигли виділитися летючі речовини. На кокс подається шар свіжого палива, яке вже горить тут паливо підсушується, після чого починається взгонка - виділення летючих речовин і коксообразование.

Необхідний для горіння повітря поступає під колосниковую грати.

Повітря проходить через 2,3,4 кулю, взаємодіє з ними, перетворюється на потік топочных газів.

Цей спосіб для твердого палива.

Необхідне для горінняч повітря поступає під колосниковую решітку.

Повітря проходе через 2,3,4 шар, взаємодіє з ними, перетворюється в потік топочных газів.

Цей спосіб для твердого палива

Мал. 1. Шарове спалювання палива

Факельнийй спосіб

При факельному способі спалювання палива і необхідної для того, що згоряє повітря спеціальними пристосуваннями подаються в топочное простір. Факельний спосіб спалювання на відміну від шарового характеризується безперервним рухом частинок палива разом з потоком повітря і продуктами згоряє. Тому тверде паливо до надходження в топку повинне бути перетворено на пилоподібний стан.

.

Мал. 2. Факельний спосіб спалювання палива

Вихровий спосіб спалювання палива характеризується наявністю в топці створеного газоповітряного вихору. Вихрові потоки сприяють хорошому перемішуванню палива з повітрям, підтримують частинки в зваженому стані, що збільшує повноту згоряє палива.

Вихровим способом можна спалювати тверде паливо не у вигляді пилу, а у вигляді дрібно роздроблених шматків.

Рис. 3. Вихревой способ сжигания топлива

Залежно від способу спалювання палива топки ділять на шарові і камерні. В шарових топках застосовують шаровий спосіб спалювання палива, а в камерних - факельний і вихровий. Котельною установкою називають комплекс споруд і пристроїв, призначений для вироблення пари. Котельна установка складається з котельного агрегату і допоміжних пристроїв. В котельний агрегат входять: топочное пристрій (камера з пальниками); паровий казан - один з головних елементів котельного агрегату, в якому утворюється пара, пароперегреватель, де пара перегрівається до заданих параметрів, економайзер (пристрій, що представляє систему труб, в яких холодна вода перед впусканням в казан нагрівається теплом димових газів, що виходять з топки парового казана), призначений для підігріву води, що живить паровий казан і воздухонагреватель для підігріву повітря, що подається в топку для спалювання палива. До допоміжних пристроїв котельної установки можна віднести тягодутьевые, шлако- і золоудаляющие, золоулавливающие пристрої, каркок, обмурівку і ін. До основних робочих характеристик котельної установки відносяться:

1. Потужність казана, визначувана кількістю пари в одиницю часу

2. Параметри пари (тиск і температура перегріву).

3. КПД котельного агрегату.

3. Класифікувати котельні установки можна по наступних ознаках:

1. По паропроизводительности, т/ч:

а) низкою - до 30;

б) середньої - 30-40;

в) високої - 100-140;

г) надвисокої - 255.

2. Придушенню пари, МПа:

а) низького - до 3;

б) середнього - 10;

в) високого - 15,5;

г) надвисокого - 24,5.

3. За призначенням:

а) енергетичні;

б) теплоенергетичні;

в) опалювальні.

Д/з [2] с. 54-77

Основи теплопередачі

План

1. Загальні відомості

2. Рухома сила теплових процесів та основне рівняння теплопередачі

3. Напрямки руху теплообмінних середовищ

1. Теплообміном називають процес передачі теплоти від одного тіла до другого. Необхідною і достатньою умовою для теплообміну є різниця температур між цими тілами. Мірою теплообміну вважають кількість переданої теплоти.

Речовини, які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями. Речовину з вищою t⁰С називають гарячим теплоносієм, а речовину з нижчою t⁰ – холодним теплоносієм.

Є три способи передачі теплоти: теплопровідність, конвекція і випромінювання.

Теплопровідністю називають явище перенесення теплової енергії безпосереднім контактом між частинками тіла.

Конвекцією називають процес поширення теплоти внаслідок руху рідини або газу. За природою виникнення розрізняють два види руху рідини: вільний і примусовий. Вільний рух рідини, або природна конвекція, виникає внаслідок різниці густин нагрітих і холодних частинок рідини, тобто під дією внутрішніх сил. Примусовий рух рідини виникає під дією зовнішніх сил (насоса, вентилятора).

Випромінюванням називають процес передачі теплоти від одного тіла до другого поширенням електромагнітних хвиль у просторі між цими тілами.

Тепловіддачею називають процес теплообміну між твердою стінкою (тілом) і рідким (газоподібним) середовищем, що її омиває.

Теплопередачею називають процес теплообміну між двома середовищами, розділеними твердою перегородкою.

2. Основними кінетичними характеристиками процесу теплопередачі є середня різниця t між середовищами – рухома сила процесу, коефіцієнт теплопередачі та кількість переданої теплоти.

Перенос теплоти здійснюється від більш нагрітого до менш нагрітого тіла. Фізична сутність переносу теплоти заклечається в обміні енергією між молекулами, атомами та вільними електронами.

Будь-який процес теплообміну поперед всього характеризується від одного тіла до другого. Закономірності теплопередачі складають сутність всіх теплових процесів, що проходять без змін та із зміною агрегатного стану речовин.

Кількість теплоти, що передається за будь-який період часу в процесі теплопередачі при наявності виявленої поверхні контакту між середовищами, що нагріваються та охолоджуються з урахуванням рухомої сили процесів теплообміну, визначається основним рівнянням теплопередачі:

Q = k · F · Δt_сер. · τ

де Q – кількість переданої теплоти, Вт;

k – коефіцієнт теплопередачі (кінетичний коефіцієнт), який характеризує швидкість перенесення теплоти, Вт / (м²·К);

F – площа поверхні теплообміну, м²;

Δt_сер. – рухома сила процесу, або середня різниця температур між теплоносіями, К

Коефіцієнт теплопередачі k показує, яка кількість теплоти (Дж) передається від гарячого теплоносія до холодного за 1с через 1м² стінки при різниці температур між теплоносіями 1К.

3.

1 2 3

4 5 6

– середовище, що нагрівається

– теплоносій

1 прямоток

2 противоток

3 перехрестний ток

4 змішаний ток

5 середовище, що нагрівається нерухоме – теплоносій рухомий

6 середовище, що нагрівається і теплоносій нерухомі

Д/з: [3] с. 145-150

4.3. Нагрівання, охолодження, пастеризація і стерилізація

План

1. Характеристика і способи нагрівання

2. Теплоносії

3. Охолодження і холодоносії

4. Пастеризація і стерилізація

1. Нагрівання широко застосовують для прискорення гідромеханічних, теплових і масообмінних процесів. В залежності від температурних та інших умов проведення процесу для кожного з них обирають такий метод нагрівання, який є найбільш оправданим в технологічному та економічному відношеннях.

Нагрівання рідини можливе відкритою та глухою парою.

Рис. 1. Способи нагрівання рідин

а – нагрівання гострою парою;

б – нагрівання глухою парою;

1 – барботер; 2 – змієвик; 3 – конденсатовідвід.

При нагріванні відкритою (гострою) парою її вводять через барботер безпосередньо в середовище, що нагрівають, і конденсат, що при цьому утворився, змішується з ним і приймає його кінцеву t.

При нагріванні глухою парою середовище не стикається з парою, а відділено від нього теплопроводящею стінкою нагрівального пристрою. Температуру отриманого при цьому конденсату приймають на 2-3⁰С нижче t пари.

2. В якості теплоносіїв при нагріванні харчових середовищ застосовують водяну пару, гарячу воду, гаряче повітря, димові гази та електричний струм.

Насичена водяна пара тиском до 1,0 – 1,2 МПа широко застосовується при нагріванні до 120-130⁰С.

Нагрівання гарячою водою застосовують значно менше, ніж водяною парою. Як правило для цієї мети використовують підходящу гарячу воду або конденсат пари.

Нагрівання димовими газами можливо до 200-300⁰С. Димові гази, що відходять з котельних установок, застосовують для сушіння жапу та нагрівання повітря, яке поступає в сушильні установки для харчових продуктів.

Нагрівання гарячим повітрям широко застосовують в сушильних установках при отриманні сухого молока, сухарів, цукру, сухого солоду.

Нагрівання електричним струмом забезпечує рівномірне та швидке нагрівання до 1000⁰С.

3. Для охолодження продуктів широко застосовують холодну річну і артезіанську воду, кригу, суміш криги з сіллю, суху кригу, охолоджені розсоли NaCl та CaCl₂, зріджений аміак, фреони.

Холодна вода як найбільш доступний і недорогий холодоносій застосовується в холодильниках, конденсаторах та інших охолоджувальних апаратах. В залежності від пори року та кліматичних умов t води з водоймищ складає 1-25⁰С, з артезіанських свердловин – 6 - +12⁰С.

При використанні криги можна отримати t продукту близьку до 0⁰С. Якщо додати до криги або снігу кристалічну поварену сіль, то t таяння цієї суміші буде нижче нуля та величина її визначається кількістю задаваємої в суміш солі. Найбільш низьку t суміші (-21,2⁰С) отримують при складі в суміші 29% солі, при цьому t повітря у приміщенні буде -13⁰С.

При охолодженні продуктів сухою кригою (вуглекислою) в результаті її випаровування t середовища знижується до -75 – -78⁰С і кожен її кілограм поглинає при цьому до 628 кДж тепла. Суха крига, випаровуючись, утворює вуглекислий газ, в результаті чого атмосфера в холодильній камері обідняється на кисень та бактеріологічні процеси, пов’язані із псуванням продуктів, значно замідляються.

В якості робочого тіла в холодильних циклах використовують речовини, які називають холодильними агентами (холодоагентами).

Холодоагент повинен володіти рядом специфічних властивостей які забезпечують ефективність холодильного циклу.

В найбільшій мірі задовольняють цим вимогам наступні холодоагенти.

1. Діоксид вуглецю СО₂

Висока питома холодопродуктивність t кипіння при атмосферному тиску – -78,48⁰С.

2. Аміак NH₃

Висока об’ємна холодопродуктивність t кипіння – -33,35⁰С.

Застосовують для отримання низьких (до -70⁰С) температур.

3. Фреони (хладони)

Фреони представляють собою групу синтетичних холодоагентів, похідних метану СН₄ та етану С₂Н₄, в яких атоми водню заміщені атомами фтору.

R11 (CCl₃F), R12 (CCl₂F₂), R13 (CCl F₃), R22 (CHCl F₂), R142 (CH₃ CF₂ Cl).

t кипіння: від +23,7⁰С у R11 до -81,5⁰С у R13.

4. Ряд харчових продуктів (молоко, рідкі молочні продукти, фруктові і овочеві соки, овочеві та м'ясні консерви, пиво) та напівфабрикатів біохімічних виробництв є гарним живильним середовищем для багатьох мікроорганізмів, в тому числі і патогенних (визиваючи хвороби), які здатні визивати інфекційні захворювання.

Високотемпературна обробка (пастеризація та стерилізація) таких продуктів та середовищ допомагає знешкодити їх від мікроорганізмів.

Пастеризація – теплова обробка продукту, яка проводиться при t < 100⁰C, в результаті якої гинуть тільки вегетативні, визиваючи хвороби форми мікроорганізмів.

Фундаментом пастеризації є Луї Пастер.

Ефективність дії пастеризації визначається ступенем пригнічення патогенної мікрофлори (непатогенна мікрофлора видаляється попутно). Ступінь пригнічення мікрофлори залежить від t⁰С та часу теплового впливу: чим нижче t пастеризації, тим більше часу потрібно для досягнення потрібного ефекту.

Стерилізація – спосіб знешкодження продуктів та виробничих середовищ від патогенних мікроорганізмів, який здійснюється при t > 100⁰C.

Д/з: [1] с. 122-127, [3] с. 195-205

Випарювання

План

1. Загальна характеристика процесу

2. Методи випарювання

3. Однокорпусні випарні установки

4. Розрахунок простої випарки

5. Багатокорпусні ВВУ

1. Випарювання – процес згущення розчинів при кипінні. На харчових виробництвах випарюють цукрово-бурякові соки, сиропи, молочні продукти.

При випарюванні по мірі випаровування води і видалення її з апарату у вигляді пари концентрація сухих речовин у розчині, який залишається в апараті, підвищується. Іноді за допомогою випарювання досягається концентрування розчину до 92-93%.

Для нагрівання розчину до t кипіння використовують водяну пару, яка називається гріючою або первинною. А пара, яка утворюється вторинною парою і є насиченою водяною парою, яка може бути використана як гарячий теплоносій в інших апаратах.

2. В харчовій промисловості існують різні методи випарювання:

1. Випарювання з одноразовим використанням тепла: під тиском, під вакуумом, періодичної та безперервної дії в одиничному апараті.

2. Випарювання з багаторазовим використанням тепла: із ступеневим використанням теплоти та із термокомпресором.

По способу підведення теплоти процеси випарювання поділяють на дві групи:

1. Випарювання при передаванні теплоти від теплоносія через стінку.

2. Випарювання при безпосередньому контакті теплоносія з розчином, який випарюють.

В окремих випадках під час випарювання розчинів в концентрованому розчині генеруються і накопичуються кристалом розчиненої рідини (солі, цукру). Таке випарювання називається випарювання з кристалізацією.

Процес випарювання можна проводити під атмосферним тиском, під надлишковим тиском і під вакуумом.

При випарюванні під атмосферним тиском вторинна пара, що утворилась з розчину, відводиться в атмосферу. Цей спосіб найпростіший, але неекономний в тепловому відношенні.

При випарюванні під надлишковим тиском вторинна пара має високу t, тому її часто використовують для нагрівання в різних теплообмінних апаратах, які працюють під меншим тиском. При цьому ефективність випарної установки підвищується.

При випарюванні під вакуумом точка кипіння розчину знижується, і це дозволяє використовувати пару низького тиску. Цей спосіб використовується для випарювання при підвищених температурах.

Випарювання розчинів можна здійснювати в одному випарному апараті (однокорпусна установка) або в ряді послідовно з’єднаних випарних апаратів (багатокорпусна установка).

3.

Рис. 1. Однокорпусний випарний апарат

1 – сепаратор вторинної пари; 2 – сепараційна камера; 3 – циркуляційна труба;

4 – патрубок для введення граючої пари; 5 – корпус; 6 – патрубок для відводу конденсату;

7 – патрубок для відведення згущеного розчину; 8 – кип’ятильні труби;

9 – патрубок для відведення неконденсуючих повітря і газів;

10 – патрубок для введення сирого розчину

Гарячий теплоносій (водяну пару) через патрубок підводять в між трубний простір граючої камери. Розчин, який подається на випарювання, подається в камеру через патрубок в верхній частині камери.

Інтенсивність тепловіддачі рідини залежить від швидкості її руху вздовж стінки. Тому необхідно підтримувати інтенсивну циркуляцію в’язкого розчину в трубках. Для цього встановлюють в центрі граючої камери циркуляційну трубу великого діаметра. В цій трубі розчин нагрівається менше, чим в кип’ятильних трубках малого діаметра. Отже, густина розчину в циркуляційній трубі більше, чим в кип’ятильних трубках. Тому по кип’ятильним трубкам розчин піднімається догори, а по циркуляційній трубі опускається донизу. Інтенсивне кипіння супроводжується виділенням високої кількості бульбашок пари, які вириваючись з рідини, захоплюють із собою краплини розчину. В паровому просторі вторинна пара повинна відокремитись від краплин розчину і вийти з апарату. Для цього встановлений сепаратор вторинної пари у верхній частині апарату.

Процес, який здійснюється в такому апараті, називається простою випаркою.

4. Кількість випареної води і кінцеву концентрацію випарюваного розчину визначають з матеріального балансу, згідно якому кількість сухих речовин в розчин до і після випарювання залишається незмінним.

І. Рівняння матеріального балансу простої випарки

Gn · Bn = Gk · Bk

Gn – W = Gk

де Gn – кількість розчину, що подається на випарювання, кг/с;

W – кількість випареного розчинника або утвореної вторинної пари, кг/с;

Bn – початкова концентрація розчину, %;

Bk – кінцева концентрація розчину, %;

Gk – кількість концентрованого розчину після випарювання, кг/с.

Gn · Bn = (Gn – W) · Bk

Для визначення випареного розчинника або утвореної вторинної пари:

II. Рівняння теплового баланса

Рис. 2. Тепловий баланс випарного апарату

Прихід теплоти (Дж):

- з розчином – Q₁ = G_n · c₁ · t₁

- з граючою парою – Q₂ = D · i₁

Витрати теплоти (Дж):

- з випареним розчином – Q₃ = Gn · c₂ · t₂ – W · C_в · t₂ = t₂ · (Gn · c₂ – WC_в);

- з вторинною парою – Q₄ = W · i₂;

- з конденсатом – Q₅ = D · c_k · t_k;

- витрати в оточуючий простір - Q_n

Тепловий баланс має вигляд:

Q₁ + Q₂ = Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q_n або

G_н · с₁ · t₁ + D · i₁ = t₂ · (G_n · c₂ – W · C_в) + W · i₂ + D · c_k · t_k + Q_n

Звідси витрати граючої пари на випарювання розчину:

І – витрати пари на нагрівання розчину до t кипіння (може бути “+», «–«або «=0»);

ІІ – частина кислоти витрачається на утворення вторинної пари, тобто безпосередньо

на випарювання;

ІІІ – витрати пари на компенсацію втрат теплоти в оточуючий простір

де G_n – кількість теплоти, що постула на випарювання, кг/с;

c₁ i c₂ – питома теплоємність розчинів до і після випарювання, Дж / (кг·⁰С);

t₁ i t₂ – t розчину до і після випарювання, ⁰С;

i₁ i i₂ – ентальпія граючої і вторинної пари, Дж/кг;

c_k i C_в – питома теплоємність конденсату і води, Дж / (кг·⁰С);

t_k – t конденсату, ⁰С.

В ідеальному процесі, коли на випарювання розчин подається при t кипіння і не мають місця теплові втрати, теоретичні витрати пари D дорівнюють:

Звідси, питомі витрати пари

В реальному процесі випарювання з урахуванням втрат d = 1,1 – 1,2 кг/кг

В ідеальному процесі d = 1 кг/кг

5. Багатокорпусні випарні установки

Вторинна пара, яка утворилась при випарюванні в одному апараті, володіє достатнім запасом енергії і може бути використана в якості граючої пари для другого апарату, в якому випарювання ведеться при більш низькому тиску і більш низькій температурі. Кількість апаратів, об’єднаних в багатокорпусній установці може бути достатньо високою, але Р і t кипіння в кожному послідуючому апараті завжди менше, ніж в попередньому.

Схеми багатокорпусних ВУ

1. Прямоточна

Вторинна пара попереднього корпуса не може бути повністю використана для обігріву наступного корпусу. Тому частину вторинної пари, яка називається екстра парою, відбирають і направляють на інші потреби виробництва

2. Протиточна

3. З паралельним живленням корпусів

Застосовується для випарювання легко кристалізуючи розчинів для запобігання закупорки трубопроводів.

Д/з: [1] с.148-151, [3] с. 175-179

Конденсація

План

1. Загальні відомості

2. Поверхневі конденсатори

3. Конденсатори змішування

1. Конденсацією називають процес перетворення пари (газу) в рідкий стан. Зрідження пари відбувається під час її охолодження, а газу – стисненням з наступним охолодженням. Процес конденсації широко застосовують у харчових виробництвах, використовуючи теплоту конденсації парів у рекуперативних теплообмінниках з спиртових парів і вуглекислого газу в спиртовому виробництві, для створення розрідження у вакуумних установках тощо. Конденсація може бути самостійним процесом, коли з пари чи газу отримують кінцевий або проміжний продукт виробництва, і допоміжним, наприклад для створення розрідження.

Апарати, в яких відбувається конденсація, називають конденсаторами. Як холодильний агент у них використовують воду, рідше – повітря та інші холодоносії. Далі розглянуто процес конденсації парів.

Практично конденсація пари відбувається при стиканні її з поверхнею стінки, яка їх розділяє, або безпосередньо з холодною водою. У першому випадку апарати називають поверхневими конденсаторами, у другому – конденсаторами змішування.