Теплогенерирующие устройства, преобразующие химическую энергию сгорания топлива в тепловую

Горение топлива – это химический процесс соедине­ния горючих компонентов с кислородом воздуха, со­провождающийся выделением теплоты.

По реакции горения топлива рассчитывается коли­чество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, а также объём получаемых продуктов сго­рания. Расчёты выполняются для определения потерь теплоты с уходящими продуктами сгорания, КПД теп­ловых аппаратов, геометрических параметров газохо­дов.

Теплогенерирующие устройства, преобразующие химическую энергию сгорания топлива, имеют анало­гичные конструкции, отличающиеся отдельными кон­структивными элементами, которые изменяются в за­висимости от вида топлива и способа его сжигания.

Все виды теплогенерирующих устройств этого типа имеют топку, трубопроводы для подачи жидкого и газообразного топлива, газоходы для удаления продук­тов сгорания. Вид топлива (твёрдое, жидкое или газообразное) определяющим образом влияет на конструк­тивные особенности топок и их классификацию.

Топки подразделяются на слоевые и камерные. Сло­евые предназначены для сжигания твёрдого топлива на колосниковой решётке, камерные – для сжигания жидкого и газообразного топлива.

Газовыми горелками называются устройства, предназ­наченные для образования газовоздушной смеси, по­дачи её или подачи только газа (при диффузионном сгорании) в камеру сгорания (топку) и сжигания. Ра­циональное сжигание горючего газа зависит в первую очередь от правильного выбора типа и конструкции газовых горелок. Газовая горелка должна обеспечивать возможность зажигания газовоздушной смеси, регулирования подачи газа и воздуха, а также гарантировать при правильной её эксплуатации тщательное перемешивание горючего газа с воздухом, устойчивое горение и полное сгорание горючего газа.

Работа горелки считается устойчивой, если дли­тельное горение газа происходит без отрыва и про­скока пламени. Отрыв пламени происходит при увели­чении давления газа в сети и при избытке воздуха. Проскок пламени имеет место при резком понижении давления газа в сети. В этом случае пламя проскаки­вает внутрь смесительной трубки и горит у сопла. Ско­рость процесса горения, высота и форма пламени зави­сят от способа и скорости перемешивания горючего газа с воздухом: диффузионный (внешнее смешение), диффузионно-кинетический (частичное предваритель­ное смешение) и кинетический (полное предваритель­ное смешение).

Наивысшая температура пламени (до 1500 °С) и наименьшая длина его достигаются при полном пред­варительном смешении горючего газа с воздухом.

 

Газовые горелки классифицируются по следующим признакам: способу подачи воздуха, номинальному давлению газа и воздуха, теплоте сгора­ния газа, номинальной тепловой мощности, длине факела (калибру) и методу стабилизации (созданию устойчивости) факела.

По способу подачи воздуха различают горелки внешнего смешения – горелки с подачей воз­духа из окружающей среды и смешения газа с воз­духом в камере сгорания за счёт разрежения в ней и конвекции. Такие горелки называются диффузион­ными. Длина факела пламени и его свечение в диф­фузионных горелках достигают наибольшей величины.

По номинальному давлению газа раз­личают горелки низкого (до 5 кПа), среднего (от 5 до 100 кПа) и высокого (свыше 100 кПа) давления, со­ответственно номинальное давление воздуха подразде­ляют на низкое (до 1 кПа), среднее (от 1 до 3 кПа) и высокое (свыше 3 кПа).

В аппаратах, применяемых на предприятиях об­щественного питания, используются в основном ин­жекционные газовые горелки низкого давления с частичным предварительным смешением газа с воздухом.                        

Горючие газы токсичны и в определённых концентрациях в воздухе взрывоопасны. Токсическое воздействие на ор­ганизм человека возможно как за счёт действия соб­ственно газа, так и продуктов его сгорания, поэтому необходимо строго соблюдать правила эксплуатации газовых горелок.

Перед началом работы газовых горелок проветри­вают помещение. Если в воздухе ощущается запах газа, необходимо отключить подачу газа и вызвать специальную службу. Для розжига горелок следует использовать только, переносной или стационарный запальник. При правильной эксплуатации горение происходит устойчиво без явлений отрыва и проскока пламени. При нормальной работе горелки пламя должно быть почти прозрачным с отчётливо выраженным голубо­вато-зеленоватым ядром в середине факела.

В случае значительного избытка воздуха пламя резко укорачивается, становится почти бесцветным, имеет расплывчатое ядро, горение происходит с потрес­киванием. При недостатке воздуха пламя удлиняется, появляются жёлтые коптящие языки, свидетельствую­щие о неполном сгорании газа.

У горелок большой производительности перед вклю­чением следует закрыть регулятор воздуха, в против­ном случае произойдёт хлопок (взрыв смеси внутри го­релки). Хлопок может нарушить герметичность соеди­нений.

В процессе работы аппарата следует через смот­ровое окно периодически проверять работу горелки. При выключении аппарата вначале закрывают кран перед горелкой, а затем на спуске газопровода к аппарату.

Категорически запрещается искать утечку газа с помощью огня, так как это может вызвать взрыв. Искать утечку газа можно только путём нанесения на предполагаемые места утечки мыльной воды. К работе с газовыми аппаратами допускаются только лица, обученные безопасным методам работы и имеющие удостоверения о сдаче техминимума в со­ответствии с существующим законоположением.

 

 

9.4. Теплогенерирующие устройства для преобразования электрической энергии в тепловую

Основными элементами электротепловых аппаратов яв­ляются электронагреватели, преобразующие электри­ческую энергию в тепловую. При этом используется свойство проводников нагреваться при прохождении через них электрического тока.

Классификация электронагревателей. Электрона­греватели можно разделить на три группы – преобразующие электрическую, энергию в тепловую, преобразующие электрическую энергию в электромаг­нитные колебания, которые непосредственно в пище­вых продуктах превращаются в тепловую (СВЧ- и ИК-нагрев), и электронагреватели, преобразующие электрическую энергию в электромагнитные колеба­ния металлических поверхностей (индукционный на­грев).

По виду проводника электронагреватели под­разделяются на проводники         с металлическим сопро­тивлением, с неметаллическим сопротивлением и       жид­костные.

· К проводникам с неметаллическим сопротивлением относятся уголь, графит, карборунд и др.

· К жидкостным проводникам относятся электро­литы (водный раствор соды), в том числе вода (прак­тически не применяется в настоящее время).

· Электронагреватели с металлическим сопротивле­нием по конструктивному оформлению делятся на от­крытые, закрытые (с доступом воздуха) и герметиче­ски закрытые (без доступа воздуха).

 

Деление электронагревателей на три группы услов­ное и зависит от среды, в которую они помещены. Так, электронагреватели с металлическим сопротивлением при работе в воздушной среде излучают электромаг­нитные колебания и поэтому одновременно являются и ИК-генераторами. В жидкой среде и при контакт­ном нагреве теплота в основном передаётся конвек­цией и теплопроводностью, поэтому в данном случае электронагреватели с металлическим сопротивлением относятся к первой группе.

Электронагреватели с металлическим сопротивле­нием. В электротепловых аппаратах, используемых на предприятиях общественного питания, наибольшее распространение получили электронагреватели с ме­таллическим сопротивлением.

Электронагреватели с металлическим сопротивле­нием должны обладать большим удельным сопротив­лением (более 10^-6 Ом∙м), быть термостойкими, т. е. не окисляться при высоких температурах, жаропроч­ными (не изменять механических свойств при t = 1000...1200 °С), иметь низкий коэффициент удлине­ния. Для изготовления электрических проводников используют сплавы никеля с жаропрочными присад­ками: хромоникелевые (нихром), железохромоникелевые (фехраль, хромаль) (см. таблицу 5). Продолжительность ра­боты при высоких температурах должна быть более 10000 ч.

 

 Таблица 5 – Основные показатели нихрома и фехраля

 

Марка сплава	Удельное электрическое сопротивление при 20 ºС, 10-6 Ом∙м	Максимальная рабочая температура, ºС	Рекомендуемая рабочая температура, ºС (не выше)
X15H60	1,06 – 1,16	1000	950
X20H80	1,07 – 1,09	1100	950
X13Ю4	1,18 – 1,34	1000	900
X23Ю5	1,37	1150	900
X23Ю	1,4	1200	900

 

 

Для безопасности работы и увеличения срока службы спирали укладывают в изоляционный мате­риал, обладающий высоким электрическим сопротив­лением, хорошей теплопроводностью и незначительной влагопоглощающей способностью. В качестве электро­изоляционных материалов используются специальные материалы: периклаз (окись магния с температурой плавления 1700°С и измельчённая в шаровых мель­ницах), шамот (прокаленная и измельчённая огне­упорная глина), кардиерит (керамика), фарфор, слюда, кварцевый песок и др. (см. таблицу 6).

 Таблица 6 – Техническая  характеристика изоляционных материалов, применяемых при производстве электронагревателей

Материал	Плотность, кг/м3	Максимальная рабочая температура, ºС
Периклаз	2850—3200	1400—1700
Шамот	1800—2000	1400—1500
Фарфор	2200—2500	500—600
Слюда	2700—2900	500—800
Кварцевый песок	600—1400	1400—1500

 

  

Открытые нагревательные элементы представляют собой спираль, помещён­ную в керамические бусы, или подвешенную на фарфо­ровых изоляторах, или уложенную в пазы керамиче­ских панелей. Передача теплоты в них осуществля­ется преимущественно излучением (распространены в тепловых аппаратах незначительно).

Достоинствами нагревателей являются простота изготовления, удобство замены спирали; хорошие ус­ловия теплопередачи. К недостаткам относятся мень­ший срок службы по сравнению с закрытыми и герме­тически закрытыми нагревателями, так как они не за­щищены от механических повреждений и от коррозий­ного воздействия влажного атмосферного воздуха и агрессивных жидких сред; повышенная электро- и пожароопасность.

Закрытые нагревательные элементы представляют собой спираль, запрессованную в элек­троизоляционную, хорошо проводящую теплоту массу и помещённую в корпус, который предохраняет её от механических повреждений, но не защищает от доступа воздуха. В качестве изоляционного материала в конфорках обычно используется периклаз (окись магния) и ша­мотная глина. Нагревательная спираль изготавлива­ется из нихрома марки Х20Н80 или фехрали марки Х23Ю5.

В конфорках обычно помещается спираль, состоя­щая из четырёх секций, соединённых попарно. Это позволяет осуществлять трёхступенчатое регулирова­ние мощности (сильный, средний, слабый нагрев) в соотношении 4:2:1. Регулирование мощности осу­ществляется четырёхпозиционным трёхступенчатым пакетным переключателем.

В зависимости от технологического процесса и тем­пературы на поверхности конфорок они выпускаются нескольких типов: с максимальной рабочей темпера­турой на поверхности 450 °С – для ведения основных процессов варки и жарки  в наплитной посуде, с мак­симальной рабочей температурой на поверхности    300 °С – для жарки изделий непосредственно на по­верхности конфорки и с максимальной рабочей тем­пературой на поверхности 250 °С – для поддержания в горячем состоянии готовой кулинарной продук­ции.

К достоинствам закрытых нагревательных элемен­тов относятся их более высокие надёжность и долго­вечность по сравнению с открытыми нагревательными элементами. Недостатком являются чувствительность к длительным перегревам, поэтому их нельзя эксплуати­ровать без наплитной посуды. При нарушении этого требования на поверхности появляются трещины, что приводит к неравномерности температурного поля на поверхности конфорки, ухудшению процесса теплопе­редачи и перегоранию спирали. К недостаткам также следует отнести и то, что спираль соприкасается с воз­духом и быстро окисляется.

Герметически закрытые трубчатые электронагреватели (тэн, рэн) получили наи­более широкое применение в тепловых аппаратах, используемых на предприятиях общественного пи­тания.

Трубчатый электронагреватель (тэн) представляет собой цельнотянутую трубку, выполненную из углеро­дистой или нержавеющей стали, внутри которой рас­положена запрессованная в периклаз нихромовая спи­раль. Концы спирали соединяются со стальными контактными стержнями, свободные концы которых выводятся наружу и присоединяются к элек­тросети. Стержни с помощью фарфоровых изоляторов изолируются от трубки. Перед установкой изоляторов концы трубки заливают термостойким лаком (герметиком) дли защиты периклаза от влаги.

 

Для увеличения поверхности теплообмена иногда трубку тэна оребряют, и такой ребристый электро­нагреватель носит название рэн.      

Тэны изготавливают различной длины, диаметров и конфигурации Тэны должны использоваться только в той среде, для которой они предназначены.

Температура поверхности трубки тэна зависит от удельной мощности на поверхности и условий тепло­отдачи к нагреваемой среде.

В соответствии с ГОСТом на тэны срок их службы должен составлять от 6000 до 10 000 ч, однако на прак­тике срок их службы колеблется в более значитель­ных пределах. Это свидетельствует о том, что в сущест­вующих конструкциях тэнов, технологии их изготовле­ния, реальных условиях эксплуатации имеются факторы, существенно влияющие на срок службы тэ­нов. К таким факторам относятся следующие: нерав­номерная плотность периклаза в различных частях тэна (на изгибах и у контактных стержней), нерав­номерность шага намотки спирали, смещение спирали относительно оси трубки, контактирование витков спи­рали и тэнов сложной конфигурации, образование на­кипи на поверхности тэнов, коррозия оболочки тэнов.

В зависимости от условий теплообмена между по­верхностью тэна и окружающей средой их выпускают в следующих исполнениях: воздушные — для подогрева воздуха в тепловых, жарочных, пекарных шкафах и аппаратах с принудительной циркуляцией воздуха; водяные — для нагревания воды в пищеварочных котлах, автоклавах, пароварочных аппаратах, кипя­тильниках, водонагревателях; масляные — для нагре­вания масла и пищевых жиров в жаровнях и фритюрницах. Выпускают также тэны для заливки в метал­лические отливки (конфорки, утюги, вафельницы).

Тэны, выпускаемые для тепловых аппаратов пред­приятий общественного питания, в основном рассчи­таны на напряжение 220 В. Они выпускаются мощ­ностью от 0,2 до 4 кВт. Устанавливаются тэны в аппа­ратах индивидуально или блоками.

 

Одной из разновидностей трубчатых нагреватель­ных элементов являются сэны – силитовые электрона­греватели. Они изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих повы­шенным удельным сопротивлением. Силит представ­ляет собой спёк карбида кремния с добавлением кристаллического кремния и углерода. Силит обладает высокой теплостойкостью. Изготавливают сэны в форме цилиндрического стержня постоянного или пере­менного сечения. Сэны постоянного сечения изготов­ляют из крупнозернистого карбида кремния, пере­менного сечения – из мелкозернистого. Концы нагре­вателей покрывают окисью кремния с алюминием для понижения электрического сопротивления и обеспече­ния надёжного контакта между стержнем и токопроводом. Сэны обладают рядом преимуществ по сравнению с другими электронагревателями, а именно: сравни­тельно низкая стоимость, быстрый выход их на рабо­чий режим (не более 30 с), возможность получения температуры в пределах от 1073 до 1773 К, длительный срок службы, простота изготовления и обслуживания. Недостатками сэнов являются окисление материала в среде водяного пара и снижение срока службы вслед­ствие этого на 25...30 %. Кроме того, повышение допу­стимой рабочей температуры силитового излучателя приводит к разложению карбида кремния и увеличе­нию электрического сопротивления нагревателя.

Для увеличения срока службы сэнов их помещают в трубки из кварцевого стекла при удель­ной мощности на поверхности трубки W_т=12,5 Вт/см² и при групповом расположении W_т = 2,5 Вт/см².

Энергия излучения силитового излучателя на 90 % генерируется в пределах 1,05...5,0 мкм.

Трубчатые кварцевые генераторы ИК-излучения представляют собой спираль, помещённую в трубку из кварцевого стекла. Кварцевые генераторы с хромоникелевой спиралью работают в диапазоне температур спирали 1350... 1570 К. Спираль выполняется из сплава Х20Н80Т или ОХ27Ю5А и помещается в негерметизированную кварцевую трубку диаметром 18...20 мм. Стеклянная трубка препятствует провисанию спирали и защищает обслуживающий персонал от поражения электрическим током. Кварцевые генераторы выпус­кают длиной от 0,4 до 2,0 м, мощностью 0,5...7,5 кВт.

Преимуществами кварцевых генераторов являются простота конструкции и технологичность в изготовле­нии. Недостатками – невозможность установки в вер­тикальном положении из-за провисания спирали.

Кварцевые генераторы с вольфрамовой спиралью работают в диапазоне температур спирали 2400...2800 К. Вольфрамовая спираль поме­щается в кварцевую трубку диаметром 10,75 мм. Труб­ка вакуумируется и заполняется аргоном до давления 80 кПа с добавкой паров йода в количестве 1...2 мг. Это обеспечивает удаление налёта вольфрама с внут­ренней поверхности трубки. Срок службы генератора 5000 ч. Концы спирали крепятся к молибденовым     вы­водам.

Температура в активной зоне поверхности трубки составляет 723...773 К, в пассивной – 423 К. Основная доля энергии излучения (95 %) генерируется в преде­лах 0,8...2,4 мкм. Инерционный период 0,6 с.

Преимуществами кварцевых генераторов являются значительная удельная мощность и безынерционность. Недостатком – незначительная механическая проч­ность.

Магнетроны. Основным элементом СВЧ-установки является СВЧ- генератор – прибор, в котором электри­ческая энергия постоянного или переменного тока пре­образуется в энергию электромагнитного поля сверх­высоких частот. Широкое применение в электротерми­ческих установках СВЧ в качестве генераторной лампы нашли магнетроны непрерывного генерирования, кото­рые характеризуются относительно простой конструк­цией, достаточно высокой мощностью и КПД. Геометрические параметры магнетрона, параметры электрического и магнитного полей выбирают с таким расчётом, чтобы электроны, взаимодействуя с пере­менным электрическим полем, наведённым в зазорах резонатора, отдавали этому высокочастотному элек­трическому полю резонатора часть своей энергии, при­обретённой при их ускорении постоянным электриче­ским полем, приложенным между катодом и анодом. Энергия, возникающая в системе резонаторов, с по­мощью индуктивной петли связи и коаксиальной линии подаётся к внешней нагрузке.

Магнетроны непрерывного генерирования для элек­тротермических СВЧ-аппаратов имеют выходную мощ­ность от 0,5 до нескольких десятков киловатт, КПД их может достигать 70 % и выше.