Тема 3.1. Основы теплотехники Теплопроводность.

Топливом называются углеродистые соединения, которые при сгорании выделяют большое количества тепла. Тепло — это вид энергии.

По физическому состоянию топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное, а по происхождению на естественное и ис­кусственное.

В табл. 14.1 приводится классификация топлива, используемо­го в народном хозяйстве России.

Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, на­зывается рабочим топливом. Рабочее топливо состоит из различных (горючих и негорючих) элементов (углерод, водород, сера и т. д.). Процентное содержание каждого из элементов в 1 кг массы топли­ва называется элементарным составом рабочего топлива

Таблица 14. 1. Классификация топлива

К горючим элементам топлива относится углерод, водород j и часть серы. Сера содержится в топливе в трех видах: органичес-1 кая S_op, колчеданная S_K — в виде соединений с металлами (FeS₂) '• и сульфатная S_c — в виде сульфатов (CaS0₄).

При сгорании серы образуется сернистый газ S0₂, который, взаимодействуя с парами воды Н₂0, образует сернистую кислоту, вызывающую разрушение металлических частей котельного агре­гата и загрязняющую окружающую среду. Поэтому сера — нежела- 1 тельный элемент топлива.

Углерод — наиболее ценная горючая составляющая топлива. ! В топливе его содержится 82—90 % по массе; он обладает высокой теплотой сгорания. Водород также очень ценная составляющая, но 1 его в топливе мало — всего 11 — 12%.

Зола топлива представляет собой смесь негорючих минераль­ных соединений, которые остаются после сгорания топлива.

Кислород и азот составляют внутренний баланс топлива, а зола и влага — внешний баланс.

Основной характеристикой топлива является его теплота сго­рания.

Теплота сгорания топлива — количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг массы твердого или жидкого топлива либо 1 м³ газообразного топлива при нормальных физических ус­ловиях (давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0 °С).

Теплота сгорания, в зависимости от того, до какой температу­ры охлаждаются образующиеся газообразные продукты сгорания топлива, может быть высшей или низшей.

Если продукты сгорания охлаждаются до температуры конден-сации содержащихся в них водяных паров (образовавшихся за счет испарения влаги топлива и сгорания водорода), то такое количест- 1 во тепла называется высшей теплотой сгорания.

{стационарном) тепловом режиме температура в каждой точке тела остается неизменной с течением времени.

При неустановившемся {нестационарном) тепловом режиме температура Если же продукты сгорания удаляются при температуре 100 °С и выше, то водяной пар не конденсируется, а такая теплота назы­вается низшей теплотой сгорания.

Высшую теплоту сгорания топлива определяют лабораторным путем, сжигая топливо в калориметрах.

Теплота сгорания топлива колеблется в весьма широких пре­делах. Для каменных углей — 18—30 МДж/кг, для газа42 МДж/м³. Для сравнения энергетической ценности различ­ных видов топлива введено понятие условного топлива, т.е. тако-М1, теплота сгорания которого составляет 29,3 МДж/кг.

Рассмотрим более подробно отдельные виды топлива, пред­ставленные в табл. 14.1.

По происхождению и геологическому возрасту каменные угли пенят па три основные группы: бурые угли, каменные угли и антра­циты.

Бурые угли по геологическому возрасту являются наиболее молодыми. Их характерные признаки: повышенное содержание юлы, влаги, серы и большой выход летучих горючих. Они меха­нически непрочны, их нельзя перевозить на дальние расстояния; при хранении выветриваются и самовозгораются. Используются как энергетическое топливо и сырье для химической промыш­ленности.

Каменные угли древнее по геологическому возрасту, чем бурые; они более плотные, менее гигроскопичны и содержат меньшее ко­личество летучих веществ. При хранении каменные угли не вывет­риваются и менее склонны к самовозгоранию. Получили широкое применение в теплоэнергетике, металлургии и коксохимической промышленности.

Антрацит является наиболее древним по геологическому воз­расту. Содержание углерода в рабочей массе антрацита достигает 90 %.'Теплота его сгорания довольно большая и составляет 21 — 28 МДж/кг. Используется в основном для получения кокса — глав­ного вида топлива металлургической промышленности.

Торф — это скопление остатков растений, подвергшихся не­полному разложению при недостатке воздуха и большой влажно­сти. Тепловые свойства торфа неодинаковы и определяются усло­виями его образования. Важнейшая составная часть торфа — угле­род. От его содержания зависит теплота сгорания горючей части торфа. Применяется в твердотопливных аппаратах, в основном в местах добычи.

Древесное топливо — дрова и отходы деревообрабатывающих производств (опилки, горбыль, шпон). Древесина отличается не­большой зольностью и переменной влажностью, зависящей от по­роды древесины, возраста дерева, времени рубки и способа хране­ния. Теплота сгорания дров зависит от влажности и колеблется в очень больших пределах. Применяются для отопления зданий и различных бытовых нужд.

Сланцы — продукт разложения растительных и животных орга! низмов под водой без доступа воздуха. По своему химическому со­ставу весьма разнообразны. Применяются на электростанциях и для получения бытового газа.

Жидкое топливо по сравнению с твердым имеет некоторые пре­имущества. Оно отличается простотой сжигания; в основном транспортируется перекачкой по трубопроводам, но при низких температурах грунта, в котором уложены трубопроводы. При этом в трубопроводах может создаваться весьма высокое давление, что приводит к разрыву труб и способно вызвать экологическую катас­трофу. Поэтому трубопроводы для перекачки нефти стремятся прокладывать через южные регионы Российской Федерации, где среднегодовая температура воздуха и грунта более высокая.

Нефть является весьма ценным топливом. В сыром виде нефть не сжигается, а является сырьем для химической промышленнос­ти. При переработке нефти получают бензин, керосин, мазут, со­лярку, смолы и пр. В качестве энергетического топлива использу­ется главным образом мазут. Бензин и солярку используют как топливо для двигателей внутреннего сгорания.

Газообразное топливо в силу своих положительных качеств на­ходит все большее применение. Оно легко перемешивается с воз­духом, сгорает без копоти и дыма, что позволяет его сжигать про­стейшими способами с высоким КПД. Природный газ можно ис­пользовать в том виде, в каком он выходит на поверхность земли, и транспортировать по трубопроводам к месту потребления на большие расстояния. Движение газа по трубопроводам осущест­вляют компрессорные станции, которые сжимают газ до давления 6—10 МПа. При этом температура газа резко возрастает, что при­водит к нагреву труб, а иногда и их разрыву. Многие газовые ма­гистрали прокладывают в грунтах с вечной мерзлотой. Поэтому во избежание прогрева грунта и, как следствие, его проседания газ после сжатия в компрессоре охлаждают, однако это приводит к увеличению его первоначальной себестоимости.

 Основы теории теплопередачи и способы передачи тепла

Теплопередачей, или теорией теплообмена, называют учение о распространении тепла в различных средах и о переходе тепла от более нагретых тел к менее нагретым. Есть только одно направле­ние потока тепла — от горячих тел к холодным.

Все процессы, протекающие в котельных агрегатах, турбинах, i ниденсаторах, тепловых аппаратах приготовления пищи, сопро-Нождаются теплообменом.

Различают три основных способа передачи тепла: теплопро-Иодность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность — это передача тепла (тепловой энергии) при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или Отдельных тел, имеющих различные температуры. Суть процесса состоит в том, что мельчайшие частицы тела с более высокой тем­пературой имеют большую кинетическую энергию и при сопри­косновении с частицами с меньшей температурой отдают свою шергию, а последние ее воспринимают. При этом никакого пере­носа массы вещества не происходит. В чистом виде теплопровод­ность может наблюдаться только в твердых телах.

Конвекция — перенос теплоты потоком жидкости или газа вследствие переноса массы вещества. Каждый элемент объема дви­жущейся среды переносит теплоту при соприкосновении с нагре-ГОЙ поверхностью. В этом случае более нагретые частицы сталки­ваются с менее нагретыми и отдают им часть своей энергии тепло­проводностью. Передача тепла конвекцией в сочетании с тепло­проводностью называется конвективной. Существует два вида конвекции: свободная (естественная), возникающая из-за разности плотностей среды, и вынужденная, возникающая под действием работы вентиляторов, насосов и т. д.

Излучение — процесс передачи тепла от одного тела к другому В виде лучистой энергии, которая, попадая на другие тела, частич­но или полностью поглощается этими телами и вызывает их на­грев. При этом присутствие физической среды необязательно. Из­лучение имеет электромагнитную природу, причем в вакууме энер­гия излучения распространяется со скоростью света.

В реальных условиях имеет место сложный теплообмен, при котором передача тепла осуществляется одновременно всеми тре­мя способами.

Теплообмен между телами может происходить при установив­шемся или неустановившемся тепловом режиме. При установив­шемся в каждой точке тела изменяется с течением времени. Процессы нагрева и охлаждения продуктов в тепловых апи холодильных камерах соответственно протекают при нестацио­нарных режимах.

Конвективный теплообмен осуществляется между стенкой cocyl да и жидкостью (газом), омывающей эту стенку, при их непосредст­венном соприкосновении.

В зависимости от длины излучаемых волн проявляются раз-1 личные свойства лучистой энергии. В связи с этим различают лучи: рентгеновские, ультрафиолетовые, световые у-лучи, инфракрас­ные и т. д. В теплообмене большое значение имеют тепловые (ин­фракрасные) лучи.

Все тела при температурах, отличных от нуля, обладают спо­собностью испускать, поглощать и отражать лучистую энергию. Тело может также пропускать через себя лучи, падающие на него от другого тела.

Лучистая энергия, падающая на тело, частично им поглощает­ся, частично отражается от его поверхности, а частично пропуска­ется телом на поверхность другого тела.

Для уменьшения потерь тепла боковыми поверхностями теп­ловых аппаратов в окружающую среду в жарочных, пекарских шка­фах, в печах хлебопекарен и в другом оборудовании применяют экраны из алюминиевой фольги между внутренним и наружным коробом. В результате интенсивность лучистого теплообмена меж­ду этими поверхностями уменьшается в (я + 1) раз (я — количество экранов). Экраны способствуют повышению КПД теплового ап­парата и снижению температуры на поверхности аппаратов до до­пустимы по стандартным нормам значениям.

Сложный теплообмен представляет собой совокупность одно­временно протекающих процессов теплопроводности, конвектив­ного переноса тепла и теплового излучения. Например, если рас­сматривать нагрев воды в кастрюле, стоящей на электроплите, то здесь имеет место передача тепла теплопроводностью, излучением и конвекцией.

При нагреве воды в котлах с промежуточным теплоносителем осуществляется передача тепла от пара пароводяной рубашки к воде, т. е. имеет место переход тепла через стенку котла. Интен­сивность такого перехода тепла через стенку оценивается коэффи­циентом теплопередачи.

Коэффициентом теплопередачи называется количество тепла, передаваемое от одной среды к другой через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между среда­ми в один градус При передаче теплоты от нагретой среды, напри­мер в жарочном шкафу, теплота передается к поверхности внут­ренней стенки конвекцией, затем теплопроводностью через все слои стенки и от последней наружной поверхности стенки — конвекцией к другой среде (воздуху), температура которого ниже, чем к температура греющей среды.

. Теплообменные аппараты

Теплообменный аппарат — устройство, в котором происходит передача тепла от одного теплоносителя к другому. Каждый тепло-иоменный аппарат должен обеспечивать передачу требуемого количества тепла, при этом один теплоноситель нагревается, а другой — охлаждается.

Теплообменные аппараты можно классифицировать по следу­ющим признакам:

• по способу передачи тепла от одного теплоносителя к другому различают теплообменные аппараты поверхностного типа (пищеварочные котлы, жаровни с косвенным обогревом и др.) и теплообменники смешения, т. е. непосредственного соприкосновения (пароварочные шкафы);

• по виду теплоносителя различают парожидкостные теплооб­менные аппараты (теплообмен через стенку между паром и жидкостью происходит во всех аппаратах с паровым обог­ревом); жидкостно-жидкостные, когда оба теплоносителя являются жидкостями, и газожидкостные. К последним от­носятся газовые и огневые кипятильники;

• по расположению поверхности нагрева — рубашечные, кожу-хотрубные, элементные однокорпусные, элементные много­корпусные, погружные, оросительные (рис. 14.1, а—е)\

• по конфигурации поверхности нагрева — трубчатые гори­зонтальные, вертикально-кожухотрубные, змеевиковые, комбинированные, пластинчатые, ребристые, спиральные

В тепловой аппаратуре предприятий общественного питания наиболее распространены теплообменные аппараты поверхност­ного типа, в которых тепло от одного теплоносителя к другому пе­редается через разделительную стенку. Поверхность, через кото Все большее применение находят также теплообменные ап­параты смешения, в которых отсутствует разделительная стенка, а теплоноситель и термически обрабатываемый продукт имеют 1 непосредственный контакт. К таким аппаратам относят, как от­мечалось, пароварочные шкафы. В рабочую камеру, куда загру- 1 жают продукт, подается водяной насыщенный пар; продукт на­гревается и доводится до готовности, а пар охлаждается и конден-сируется.

Из поверхностных теплообменных аппаратов на предприятиях общественного питания чаще всего встречаются теплообменники рубашечного типа (у пищеварочных котлов, жаровен с косвенным I обогревом). Теплоноситель подается в рубашку — герметически j закрытое пространство, образуемое наружной поверхностью рабо- I чей камеры и внутренней поверхностью корпуса. Тепло передается от теплоносителя (водяного насыщенного пара, минерального масла и др.), имеющего более высокую температуру, через стенку термически обрабатываемому продукту

Широко применяются и поверхностные теплообменники змеевикового типа. Такие теплообменники установлены, например; в кофеварках «Омния-Люкс»

Теплоизоляционные материалы

Тепловая изоляция в тепловых аппаратах применяется для уменьшения потерь тепла аппаратами и снижения температуры облицовочных поверхностей, а в холодильной технике — для \м1'ньшения притока тепла в холодильные камеры, шкафы, при-1.ШКИ и т. д. Коэффициент теплопроводности теплоизоляции дол-i in быть в пределах 0,03—0,05 Вт/(мК), а объемная масса — 30— 150 кг/м³. Материалы должны иметь микропористую структуру I объемом пор 90—98 %. Кроме того, такие материалы должны быть устойчивы к увлажнению, достаточно прочными, морозостойкими, неподверженными поражению микроорганизмами и не Являться питательной средой для грызунов, не поглощать запахи, ,i штем их выделять, быть трудносгораемыми, а при воздействии открытого пламени не образовывать токсических веществ. Рыхлые изоляционные материалы с низкой объемной плотностью имеют лучшие теплоизоляционные свойства. Однако чем ниже Объемная плотность, тем менее термостойкими они являются. По->тому для тепловых аппаратов надо применять сравнительно плот­ные изоляционные материалы: шлаковату, стекловолокно, порошковообразный кизельгур, торф, войлок, альфоль, асботкнь, мине­ральную вату и др. В холодильной технике широко применяются гакие материалы, как шлаковата, пенополистерол, полиуретан, пе­нобетон, минеральные плиты на битумной основе (минеральная пробка), мипора, керамзит, древесно-волокнистые плиты и др.

Пенополистерол ПС-БС выпускают в виде плит или фасонных изделий, например полуцилиндров и сегментов, используемых для теплоизоляции холодильных трубопроводов и аппаратов. Матери­ал изготавлиЕшют на основе сырья синтетического происхождения. Он обладает многими ценными свойствами: малой объемной мас­сой, высокой прочностью, низкой теплопроводностью и паропро-пицаемостью, незначительным увлажнением при контакте с во­дой, морозостойкостью — все это делает его одним из лучших ма­териалов для низкотемпературной теплоизоляции. Материал легко обрабатывается и распиливается подлине и толщине. Пенобетон — камневидный пористый материал, выпускаю­щийся в виде плит и блоков различной объемной массы. Его изго­тавливают на основе цемента. Материал паропроницаем и легко увлажняется.

Керамзит — зернистый засыпной материал с максимальным размером частиц овальной и круглой формы 5— 50 мм; получается  путем формовки и обжига глины. В зависимости от размера зерен меняются его объемная масса и коэффициент теплопроводности.

Перспективным материалом для теплоизоляции холодильни-1 ков являются органические искусственные материалы — пенопласты, поропласты, получаемые путем вспенивания синтетических смол. В качестве пенообразователя применяют бикарбонат натрия, карбонат аммония, хлористый метилен, хладоны.

В данное время применяют пенопласт рипор, который наносят на трубопроводы и строительные конструкции путем заливки и на­пыления. Напыление смеси производят пистолетом-распылите­лем. Объем исходной смеси при этом увеличивается в 30—35 раз. Это позволяет получать изоляционные конструкции из готовых плит и выполнять их на месте производства работ путем заливки жидких компонентов материала в изолируемую полость, например между наружными и внутренними ограждениями стен.

Возможно и напыление исходных жидких материалов на по­верхность изолируемых конструкций, где они самопроизвольно вспениваются и затвердевают. Это позволяет получать бесшовную однослойную теплоизоляционную конструкцию любой заданной толщины с минимальным количеством крепежных деталей, так как теплоизоляционный слой имеет высокие прочностные показа­тели и прекрасное сцепление (адгезию) со строительными конс­трукциями.

Технология изготовления пенополиуретана позволяет запол­нять его поры малотеплопроводными газами (например, хладонами), теплопроводность которых меньше, чем у воздуха. Коэффи­циент теплопроводности хладононаполненных пенополиуретанов составляет 0,02 ВтДмК).

Замена минерального волокна на вспененный полиуретан и стирол снижает удельное энергопотребление на 20—30 %. Наря­ду с вспенивающимся пенополиуретаном применяют формальде-гидно-мочевинный пенопласт (ФМП) «Пиатерм» (мипора). ФМП изготавливают путем смешивания жидких компонентов, в резуль­тате чего образуется стабильная пена, в которую впрыскивается эмульсия смолы. В жидкотекучем состоянии пена подается в за­полняемое пространство, где затем затвердевает.

Ввиду того что трубопроводы холодильных установок имеют низкую температуру, они увлажняются водяными парами из воз­духа, что вызывает их коррозию. Для зашиты теплоизоляции от ув­лажнения применяют паро- и гидроизоляционные материалы: би­тумы, толь, рубероид, гидроизол, пергамин и др.

Теплоносители

Нее теплоносители, используемые на предприятиях обще-i iпсиного питания, в зависимости от класса оборудования могут iii.i 11. подразделены на три следующие группы:

• теплоносители для непосредственного контакта с пищевыми продуктами — вода, водяной пар, жир, влажный воздух;

• теплоносители для обогрева пищевых продуктов через поверхность нагрева — вода, водяной пар, продукты сгорания топлива;

• так называемые промежуточные теплоносители, служащие для передачи теплоты от источника тепла (газовых горелок, электронагревательных элементов и т. п.) к пищевым про­дуктам, — вода, водяной пар, высокотемпературные органи­ческие теплоносители (ВОТ), минеральные масла и др.

С точки зрения технической и экономической целесообразности применения промежуточные теплоносители должны иметь большую Геплоту парообразования, малую вязкость, высокие температуры при малых давлениях и возможность регулирования температуры, а также Выть дешевыми и доступными и не вызывать коррозию оборудова­ния, что приводит к снижению эксплуатационных расходов.

Водяной пар как теплоноситель находит большое распростра­нение вследствие высокого коэффициента теплоотдачи при компенсации и большой теплоты парообразования. Кроме того, постоянная температура конденсации при заданном давлении дает возможность поддерживать постоянный температурный режим.

Пар получают при испарении и кипении воды. Испарение про­исходит с поверхности воды; его интенсивность возрастает с уве­личением температуры воды и уменьшением влажности воздуха. 11ри определенной температуре воды парообразование происходит по всей ее массе. Этот процесс называется кипением, а температу­ра, при которой происходит парообразование по всей массе, — температурой кипения. В процессе кипения температуры воды и пара одинаковы. Температура кипения воды зависит от давле­ния: с увеличением давления температура повышается.

Различают пар насыщенный и перегретый. Насыщенный пар может быть сухим и влажным.

Сухим насыщенным паром называется пар, который при темпе­ратуре насыщения (кипения) не содержит капелек жидкости. Он не устойчив, так как при незначительном охлаждении превращает­ся во влажный пар, а при нагревании при постоянном давлении — в перегретый.

Влажным насыщенным паром называется пар, содержащий в своем составе капельки жидкости. Он характеризуется степенью сухости. Степень сухости — отношение массы сухой части насы щенного пара к общей массе данного насыщенного пара.Влажность пара — отношение массы капелек жидкости к об щей массе пара.

В качестве промежуточных теплоносителей при нагреве до вы сокой температуры (выпечка, жарка) используются так называе­мые высокотемпературные органические теплоносители, к кото- j рым относятся дифенильная смесь и диарилметаны: дитолилметай (ДТМ) и дикумилметан (ДКМ).

Минеральные масла — темные или светло-коричневые жидкос­ти, не имеющие запаха, являющиеся продуктами переработки не­фти и применяющиеся в качестве теплоносителей в некоторых ап­паратах. Это такие масла, как вапор-Т, компрессионные, цилинд­ровые и др. Температура кипения минеральных масел находится в пределах от 250 до 300 °С, и в тепловых аппаратах они находятся только в однофазном (жидком) состоянии. К недостаткам мине­ральных масел относятся значительное возрастание вязкости при длительном использовании и разложение под действием темпера­туры, что приводит к образованию на поверхности нагрева пленки, ухудшающей теплообмен. Интенсивность теплоотдачи от масла к стенке в 4—6 раз ниже, чем от конденсирующихся водяных па­ров. Чтобы размеры теплового аппарата не были слишком велики по сравнению с аппаратами, обогреваемыми водяным паром, ру­башку масляного аппарата заполняют почти полностью. Значи­тельное количество масла в рубашке теплового аппарата увеличи­вает его инерционность и снижает КПД.

Выбор того или иного вида теплоносителя в тепловом аппарате осуществляется на основе технической и экономической целесооб­разности. Техническая целесообразность определяется размерами ап­парата, возможностью автоматизации процесса нагрева, диапазоном регулирования мощности, скоростью нагрева, безопасностью работы аппарата, КПД, простотой обслуживания и ремонта аппарата Экономическая целесообразность определяется дешевизной и доступностью теплоносителя, его нейтральностью к металлам и продуктам, долгосрочностью работы без изменения физико-хи­мических свойств, низкими эксплуатационными расходами.

В конечном итоге окончательный выбор теплоносителя зави­сит от целевого назначения теплового аппарата, условий его экс­плуатации, надежности и профессионального уровня обслуживаю­щего персонала.