CC BY
55
УДК 536.3:664.655.041
О.Ю. Кулешов, В.М. Седелкин
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ПРОМЫШЛЕННЫХ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ПЕЧАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Проведено расчётное исследование режимов сложного теплообмена в технологических камерах промышленных конвейерных хлебопекарных печей с целью выявления вклада различных элементов излучающей системы (теплоотдающей поверхности дымогарного канала, боковых стен, парогазовой среды) в результирующий теплообмен в зависимости от конструктивных и определяющих режимных параметров. Даны практические рекомендации по улучшению энергоиспользования. Для математического моделирования тепловых процессов применён зональный метод расчёта сложного теплообмена.
Хлебопекарные печи, технологическая камера, сложный теплообмен, зональный метод расчёта, тепловые режимы, улучшение энергоиспользования
O.Yu. Kuleshov, V.M. Sedelkin
ANALYSIS OF RADIATIVE-CONVECTIVE HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS IN INDUSTRIAL BREAD-BAKING FURNACES DEPENDING ON THE CONSTRUCTION
AND REGIME PARAMETERS
Calculations are made for the regimes of complex heat transfer in technological chambers of industrial assembly-line bread-baking furnaces depending on the construction and regime parameterst. The calculations reveal the contribution of different elements of the radiating system (heat-release surface of flue, lateral walls, gas-vapor atmosphere) into the resulting heat transfer. Practical recommendations referring improvement of power consumption are given. The zoning method of calculation of complex heat transfer is used for mathematical simulation of heat processes.
Bread-baking furnaces, technological chamber, radiative-convective heat transfer, calculation zoning method, heat regimes, power efficiency
Предприятия хлебопекарной промышленности являются крупными потребителями топлива и электроэнергии. В нашей стране на выработку хлеба расходуется около 2 млн. т условного топлива в год, при этом основную часть топлива потребляют хлебопекарные печи. Поэтому исследование и совершенствование тепловой работы этих печей является актуальной задачей промышленной теплоэнергетики.
Промышленные конвейерные хлебопекарные печи являются агрегатами непрерывного действия с радиационно-конвективным (РК) теплообменом в технологической камере, при этом лучистая составляющая теплообмена в 2-3,5 раза больше конвективной составляющей ввиду слабо развитой газовой динамики.
Обогрев технологической камеры осуществляется дымогарными каналами (в виде плоских или трубчатых поверхностей теплообмена) или ТЭНами, расположенными сверху и снизу рабочей ветви конвейера. Температура теплопередающих поверхностей 300-400°С. В настоящее время наибольшее применение находят печи с канальным обогревом.
Технологические камеры современных промышленных конвейерных хлебопекарных печей разделены на относительно независимые секции канального типа с конвейерным подом с высотой надконвейерного пространства 300-500 мм, шириной порядка 2000 мм и длиной, значительно превосходящей поперечные размеры. Объём технологической камеры заполнен парогазовой средой с температурой в основной рабочей зоне 200-250°С и высокой относительной влажностью 60-70%. При этих условиях парогазовая среда может оказывать существенное влияние на лучистый теплообмен, поглощая и излучая энергию, т.е. в технологической камере имеет место сложный теплообмен.
Величина вклада различных элементов излучающей системы (теплоотдающей поверхности дымогарных каналов, боковых стен, парогазовой среды) в результирующий теплообмен зависит от конструктивных характеристик и определяющих режимных параметров технологической камеры. Без оценки составляющих результирующего теплообмена невозможно совершенствование тепловой работы печей. Поэтому нами проведен анализ характеристик сложного теплообмена в технологических камерах
хлебопекарных печей в зависимости от конструктивных характеристик и определяющих режимных параметров, характерных для их основной рабочей зоны. Для математического моделирования тепловых процессов применён зональный метод расчёта сложного теплообмена в хлебопекарных печах [1].
Рассмотрим поперечное сечение технологической камеры печи в простейшем случае расположения плоской теплоотдающей поверхности дымогарного канала над тепловоспринимающей поверхностью конвейерного пода (рис. 1) с размерами: b - ширина; h - высота технологической камеры. Ввиду большой длины технологической камеры и плавного изменения режимных параметров в этом направлении, решается двухмерная задача радиационного переноса, при этом глубина расчётной области принимается бесконечной. Несмотря на простоту расчётного случая, он позволяет выявить общие закономерности сложного теплообме-162
Рис. 1. Поперечное сечение технологической камеры печи:
1 - объём технологической камеры;
2 - теплопередающая поверхность;
3 - тепловоспринимающая поверхность;
4 - боковые поверхности; 5 - дымогарный канал
на, присущие длинным плоским технологическим камерам промышленных конвейерных хлебопекарных печей.
Если принять, что расчётная область (рис. 1) состоит из 4 зон: объёмной (газовой) зоны (зона 1) и поверхностных зон - теплоотдающей поверхности (зона 2), тепловоспринимающей поверхности (зона 3), боковых стен (зона 4), то в соответствии с зональным методом [1] выражение для плотности теплового потока к тепловоспринимающей поверхности конвейерного пода запишется в виде
1 м
% =—I Р,Т +“. (Ті - Т) (1)
^з і=1
где N = 4 - общее число зон в расчётной области; Ті - абсолютная температура і-й зоны; Ру - коэффициент радиационного обмена между зонами і и у; а - коэффициент конвективной теплоотдачи между средой технологической камеры (зона 1) и тепловоспринимающей поверхностью (зона 3); Г2 = Г3 - площадь плоскопараллельных поверхностей теплообмена, при решении двухмерной тепловой задачи глубина расчётной области принимается единичной и Г3 = Ь; обозначения зон і и у соответствуют зоне-источнику и зоне-приёмнику энергии.
Коэффициенты радиационного обмена Ру вычисляются на базе разрешающих обобщённых угловых коэффициентов (РОУК) в полосах спектра излучения парогазовой среды:
где N' = 1 - число объёмных (газовых) зон в расчётной области; N - N ) = 3 - число поверхностных зон в расчётной области; - площадь г-й поверхностной зоны; V - объём газовой зоны; С0 - постоян-
ная Стефана-Больцмана; К - число полос в квазисерой модели спектра излучения водяного пара [2], являющегося основным оптически активным компонентом среды технологической камеры; Ь,к - доля излучения абсолютно чёрного тела в к-й полосе спектра при температуре г-й зоны; - коэффициент по-
глощения водяного пара в к-й полосе спектра при температуре и парциальном давлении в г-й зоне; Чук - РОУК между зонами г и _/' в к-й полосе спектра.
Радиационный перенос в зональной излучающей и поглощающей системе рассматривается в рамках методологии резольвентного зонального метода, когда оптико-геометрические характеристики излучения разделяются и вычисляются в два этапа [2]. Конечные коэффициенты РОУК учитывают многократное отражение излучения в расчётной области и определяются на основе обобщённых угловых коэффициентов (ОУК) путём решения системы уравнений баланса лучистых потоков для зон рассматриваемой области. Начальные коэффициенты ОУК в общем случае определяются путём статистического моделирования излучения в зональной поглощающей системе [1, 2].
Коэффициент конвективной теплоотдачи ак к тепловоспринимающей поверхности конвейерного пода, заполненного выпекаемыми изделиями, определяется по эмпирическим зависимостям [3].
При проведении расчётного исследования варьируемым параметром являлась относительная высота технологической камеры Н/Ь (рис. 1), поскольку именно этот параметр определяет соотношение величин радиационных тепловых потоков от элементов излучающей системы: теплоотдающей поверхности, боковых стен и парогазовой среды. Величину Н/Ь варьировали так, чтобы охватить возможный диапазон изменения этого параметра в хлебопекарных печах. Высота технологической камеры Н изменялась от 100 до 600 мм. Ширину принимали равной 2000 мм. Таким образом, диапазон изменения Н/Ь = [0,05; 0,30].
Определяющие режимные параметры в основной рабочей зоне технологической камеры изменяются в достаточно узком диапазоне и зависят, главным образом, от вида выпекаемого изделия. Для исследования были выбраны значения определяющих режимных параметров, характерные для основной рабочей зоны технологической камеры при выпечке формового пшеничного хлеба. Значения параметров приведены в таблице.
Степени черноты теплоотдающей поверхности и боковых стен принимались равными £2 = £4 = 0,8. Эффективная степень черноты тепловоспринимающей поверхности конвейерного пода рассчитывалась с учётом плотности укладки выпекаемых изделий. Для формовых изделий эффективная степень черноты тепловоспринимающей поверхности £3 = 0,83.
Конвективная теплоотдача играет небольшую роль в результирующем теплообмене. Величина коэффициента ак принималась по данным [3].
Определяющие режимные параметры в основной рабочей зоне технологической камеры
Параметр Обозна- чение Размерность Величина
Температура теплоотдающей поверхности t2 °С 300
Температура тепловоспринимающей поверхности tз °С 100
Температура боковых поверхностей ?4 °С 270
Температура внутренней парогазовой среды ?1 °С 250
Относительная влажность среды Ф % 70
Парциальное давление пара* Рп МПа 0,07
Коэффициент конвективной теплоотдачи к тепловоспринимающей поверхности ак Вт/(м2 К) 5
‘Парциальное давление пара при ? > 100°С рассчитывается по формуле рп = фхВ, где В ~ 0,1 МПа - барометрическое давление.
Результаты расчётов составляющих результирующего теплового потока к тепловоспринимающей поверхности в зависимости от параметра к/Ь в графической форме представлены на рис. 2.
Анализ результатов расчёта показывает, что с увеличением параметра к/Ь (относительной высоты технологической камеры) происходит значительное уменьшение поглощённого лучистого теплового потока от теплоотдающей поверхности дымогарного канала (в 1,7 раза в рассматриваемом
диапазоне к/Ь) как за счёт роста поглощения энергии парогазовой средой, так и за счёт уменьшения геометрического углового коэффициента с теплоотдающей поверхности на тепловоспринимающую поверхность. В рассматриваемом диапазоне к/Ь геометрический угловой коэффициент уменьшается от 0,951 до
0,744.
В то же время происходит рост величины лучистых тепловых потоков от парогазовой среды и боковых стен на тепловоспринимающую поверхность технологической камеры.
Росту лучистого теплового потока от внутренней среды технологической камеры способствует увеличение толщины парогазового слоя, а следовательно, его степени черноты. Однако угловой коэффициент излучения на тепловоспринимающую поверхность при этом уменьшается, что способствует замедлению роста, особенно при больших значениях параметра к/Ь. В рассматриваемом диапазоне к/Ь степень черноты плоского слоя среды с эффективной толщиной I = 1,8 к = 360... 1080 мм увеличивается от 0,19 до 0,60, а соответствующая доля в суммарном поглощённом лучистом тепловом потоке возрастает с 16 до 27%.
С ростом к/Ь возрастает площадь поверхности боковых стен технологической камеры. Боковые стены имеют достаточно высокую температуру за счёт интенсивного нагрева излучением от теплоотдающей поверхности дымогарного канала. Поглощённый лучистый тепловой поток от боковых стен на тепловоспринимающую поверхность в рассматриваемом диапазоне к/Ь возрастает практически линейно и его доля увеличивается с 5 до 26%.
Суммарный поток теплового излучения (поглощённого, а также результирующего) от всех элементов системы к тепловоспринимающей поверхности мало изменяется с увеличением параметра к/Ь несмотря на существенное изменение соотношения его составляющих.
Таким образом, при заданных определяющих режимных параметрах рост относительной высоты технологической камеры хотя и не приводит к существенному снижению результирующего теплового потока, но способствует резкому уменьшению интенсивности теплообмена от теплоотдающей (излучающей) поверхности дымогарного канала, повышенному расходу теплоты на нагрев внутренней среды и расходу пара на её увлажнение. При этом необходимо отметить, что рост излучения боковых стен приводит к неравномерности обогрева тепловоспринимающей поверхности конвейерного пода, что может негативно сказаться на технологическом процессе выпечки. Поэтому для эффективного энергоиспользования обоснованным является максимальное снижение высоты технологической камеры.
<5*, кВт м‘
3
2
1
0
Рис. 2. Составляющие удельного теплового потока к тепловоспринимающей поверхности: 1, 2, 3, 6 - потоки поглощённого излучения соответственно от теплоотдающей поверхности, от парогазовой среды, от боковых стен, суммарный; 4 - суммарный поток результирующего излучения;
5 - РК тепловой поток
В конструкциях печей с относительно высокой технологической камерой возможной альтернативой является дополнительный подогрев внутренней среды за счёт непосредственного ввода горячего воздуха и пара с температурой 200-250°С с одновременным снижением тепловой нагрузки на дымогарные каналы с температурой газового теплоносителя ~ 500°С. При этом также может быть достигнуто улучшение энергоиспользования за счёт применения низкопотенциальных теплоносителей.
Выявленные особенности режимов сложного теплообмена в промышленных хлебопекарных печах необходимо учитывать при проектировании новых и реконструкции действующих печей с целью улучшения теплотехнических и технологических показателей работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кулешов О.Ю. Зональная математическая модель и методика расчёта сложного теплообмена в промышленных хлебопекарных печах / О.Ю. Кулешов, В.М. Седелкин // Вестник СГТУ. 2010, № 3 (46). С. 136-143.
2. Блох А.Г. Теплообмен излучением / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлёв, Л.Н. Рыжков. М: Энерго-атомиздат, 1991. 432 с.
3. Маклюков И.И. Промышленные печи хлебопекарного и кондитерского производства / И.И. Маклюков, В.И. Маклюков. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. 272 с.
Кулешов Олег Юрьевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Машины, аппараты пищевых производств и теплотехника» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Oleg Yu. Kuleshov -
PhD, Associate Professor Department of Machinery,
Food Industry Facilities and Heat Engineering Engels Institute of Technology - Branch of Gagarin Saratov State Technical University
Седелкин Валентин Михайлович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Машины, аппараты пищевых производств и теплотехника» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Valentin M. Sedelkin -
Dr. Sc., Professor Department of Machinery,
Food Industry Facilities and Heat Engineering Engels Institute of Technology - Branch of Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 25.10.11, принята к опубликованию 01.12.11
