CC BY
43
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
Разработка автономных жидкотопливных горелочных устройств для теплового оборудования
специализированных мясных цехов
ОСКОЛКОВ С.К.
Российская экономическая академия им. Г.В. Плеханова
Одним из новых направлений в развитии мясной промышленности является работа
по созданию специализированных мини-цехов по переработке пищевого сырья.
При создании таких предприятий в регионах с ограниченным электропотреблением необходимо
использовать альтернативные источники энергии (газ и жидкое топливо). Наиболее доступным
энергоносителем, не привязанным к централизованным системам энергоснабжения, является жидкое
углеводородное топливо (дизельное топливо).
Для реализации различных тепловых технологических процессов (опаливания туш, варки и обжарки колбасных изделий, мяса, мясопродуктов и т.д.), а также для обеспечения систем обогрева зданий и производственных помещений для цехов производительностью до 2 т мясного сырья в смену требуются источники тепловой энергии мощностью до 200 кВт. Для этих целей, с точки зрения повышения надежности и удобства регулирования, целесообразно использовать блок горелочных устройств мощностью до 50-70 кВт.
В настоящее время в эксплуатации находятся в основном горелочные устройства центробежного типа, имеющие существенные недостатки с точки зрения технических параметров, экологии сжигания топлива и экономичности топливопотребления. Из анализа известных в отечественной и зарубежной практике конструкций горелочных устройств условиям эксплуатации в рассматриваемых предприятиях могутудовлетворятьлишь те из них, в которых выполняются следующие требования - простота конструкции, автономность, высокая надежность, нечувствительность к виду жидкого топлива, простота в эксплуатации, наличие широких пределов регулирования тепловой мощности, небольшие габаритные размеры, полное сгорание топлива в малых топочных объемах тепловых аппаратов предприятий общественного питания, возможность работы в неэлектрифицированных условиях.
На кафедре торгово-технологического оборудования Российской Экономической академии им. Г. В. Плеханова разработаны горелочные жидкотопливные устройства с малыми расходами топлива. Из всех их типов две группы приближаются к условиям использования при ограниченном потреблении электроэнергии: ротационные горелочные устройства, удовлетворяющие всем требованиям, кроме простоты конструкции и возможности работы в неэлектрифицированных условиях, и испарительные горелки, удовлетворяющие всем пунктам, кроме широких пределов регулирования и имеющих недостаточную полноту сжигания топлива в малых топочных объемах. Некоторые виды испарительных напорных горелочных устройств обеспечивают также
полное сгорание топлива (инжекционные внутреннего смешения); всем же требованиям не соответствует ни один тип горелочных устройств.
Для успешного применения ротационных и напорных испарительных горелочных устройств необходимо иметь надежный расчетный материал, позволяющий выбирать размеры основных конструктивных элементов в соответствии с требуемой мощностью.
К сожалению, в научно-технической литературе такой материал в необходимом объеме не представлен, так, например, отсутствуют способы оценки длины (высоты) факела в зависимости от способа сжигания; не учитываются: критический (звуковой) режим истечения паров дизельного топлива в соплах горе-лочныхустройств, пульсация давления, плотностей топливовоздушной смеси при определении размеров смесителя, характеристики режима течения топлива в испарителе и особенно специфические характеристики теплообмена от стенки испарителя к двухфазному потоку топлива.
Горелочное устройство испарительного типа представляет собой напорную систему. Топливо, находящееся в резервуаре при давлении 250-300 кПа, подается в топливопровод и из него через игольчатый вентиль - в испаритель, превращаясь на выходе из него в перегретый пар. Затем оно смешивается в смесительной трубке с первичным воздухом. Из практики эксплуатации напорных испарительных горелочных устройств известно, что температурный уровень испарителя при работе на дизельном топливе в зоне испарения не превышает 670 К, в соответствии с чем максимальный температурный перепад между стенкой и топливом (на участке кипения, в зоне насыщения в центре канала) в жидкой фазе находится в пределах 50.. .100 К.
Известно также, что длительное нахождение жидкого топлива при температуре кипения в контакте с греющими поверхностями приводит к интенсивному выделению на них смолистых отложений, быстро переходящих в кокс на перегретой стенке. Неравномерный интенсивный нагрев в зоне испарения быстро приводит к отложению кокса на стенках.
ВСЕ О МЯСЕ, 5-2007-
37
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
Значительный нагрев (до 1000 К) в зоне однофазного пара не опасен с точки зрения коксообразования. Для выравнивания температур (устранения неравномерности нагрева зон испарителя) и с целью интенсификации внутреннего и внешнего теплообмена используются различные способы оребрения поверхности нагрева и тонкостенные трубы.
Ряд исследований по теплообмену в каналах с кипящей фазой показывает, что большое значение для теплообмена и параметров теплообменника имеет режим движения среды; в результате того, что топливо внутри испарителя находится в двухфазном состоянии, существуют дополнительные факторы, не позволяющие рассматривать процесс передачи теплоты через стенку как определяющий для образования паров топлива. При значительном перегреве паров топлива внутри испарителя зона перед соплом становится наиболее уязвимой для закоксовывания, если невелика длина зоны испарителя, соответствующая однофазному пару: вполне может и не быть достигнут переход всей жидкости в пар внутри испарителя, так как она может оставаться в виде капелек уноса в газовом ядре и после испарения всей жидкости, прилегающей к стенке; тогда вероятность закоксовывания в зоне сопла увеличивается. Незначительно перегретый пар, выходя через сопло, становится из-за перепада давления значительно перегретым, однако при смешивании с первичным воздухом в результате перераспределения теплоты в смеси (у инжекционной горелки - в смесительной трубке) энтальпия паров топлива снижается; если она будет ниже энтальпии насыщения, то часть паров сконденсируется, и смесь уже будет содержать мелкодисперсное жидкое топливо. Если же температура смеси не будет ниже температуры насыщения, то топливо останется в газообразном состоянии, что дает возможность выполнять дальнейший расчет горелочного устройства аналогичным общепринятому расчету газовой горелки.
Таким образом, перед соплом испарителя температура паров топлива должна несколько превышать температуру их насыщения при давлении в напорной системе, чтобы обеспечить температуру смеси топлива с воздухом в конфузоре не ниже температуры насыщения паров при давлении в конфузоре (с учетом возможных колебаний атмосферных параметров). Если перегрев весьма значителен, то можно избежать закоксовывания участка канала перед соплом. При небольшом перегреве образование кокса сдерживается эффективнее.
При расчете испарителя определяющим параметром является коэффициент теплоотдачи от стенки испарителя к двухфазной кипящей среде. Используя корреляцию Чена, можно представить этот коэффициент в следующей форме:
а = а + а
кип як вк
полный коэффициент теплоотдачи при кипении, Вт/(м2 К);
коэффициент теплоотдачи при ядерном кипении;
коэффициент вынужденной конвекции:
где ак
а
а„„ -
а
: Эа.
'фз
где Э - степень подавления ядерного кипения конвективным (или просто фактор подавления), изменяющийся от 1 до 0; афз - коэффициент теплоотдачи при ядерном ки-
пении, рассчитываемый по эмпирическому уравнению Форстера-Зубера:
ДТ0,24Д 0.75 0,45 0,49^0,79
нас *г нас рж г ж с 0.5 г 0.24ц 0.29 р 0.24
афз = 0,00122
где срж - теплоемкость жидкости
- теплопроводность жидкости, Т = Т - Т , а Ар - разность давлений насыще-
нас ст нас ^нас ^ ^ 1
ния, соответствующая ЛТнас, определяется по кривой парообразования. Фактор подавления убывает от 1до 0 по мере роста степени сухости х; он представляет собой функцию Яедф - критерия Рейнольдса для двухфазной среды, движущейся в канале.
Для определения фактора подавления Э рассчитывается критерий Рейнольдса для жидкой фазы Яеж
где
в - массовая скорость жидкости, кг/(м2с), в канале испарителе диаметром Ь, м,; мж- динамическая вязкость жидкости, Пас. Тогда критерий Рейнольдса для двухфазной системы определяется по формуле:
Яе = Яе Р'25,
дф ж
множитель двухфазности для коэффициента теплоотдачи при двухфазной системе,он больше единицы:
а = а хР,
вк ж
коэффициент теплоотдачи конвекцией в однофазной жидкости, полученный для массового расхода отдельно жидкости в двухфазном потоке. Определяется по уравнению Михеева: Ыиж = 0,023 Яе08 х Рг04,
,с1
где Р -
где аж
где
N11 =
а.
Рг
и с
где
^ж Ж ^ж
Множитель Р представляется зависимостью от параметра Мартинелли М:
М2 = (С^жДс!/^, (Ь )жи(Ь /^)г-соответственнопотеридавле-ния на трение в однофазном жидком и однофазном газовом потоке, где расход потока равен расходу жидкости (или, соответственно, газа) в двухфазном потоке. Если коэффициент трения в обоих случаях пропорционален Яе-0,2, то М можно определить из соотношения
М =
1
х 0.9
4 0,5 х
Иг
\0,1
Предлагаемая последовательность расчета позволяет получить зависимости коэффициента теплоотдачи от параметров двухфазной смеси по всей длине участка испарителя, на которой происходит кипение; этот метод расчета предназначается для случая насыщения кипения; участок ненасыщенного кипения - предыдущий - подлежит расчету как участок нагрева однофазной жидкости, и Яедф = Яеж.
Таким образом, предложенная методика позволяет производить расчеты испарительного жидкотопливного горелочного устройства.
38
■ВСЕ О МЯСЕ, 5-2007
