Лекция 17. Топливо и основы горения. Теплогенерирующие устройства, холодильная и криогенная техника. Применение теплоты в отрасли.

Топливо - горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. Топливо применяются с целью получения тепловой энергии, выделяемой при его сжигании.

В зависимости от происхождения различают:

- природное топливо: нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина;

- искусственное топливо: кокс, моторные топлива, генераторные газы и др.

Топливно-энергетические ресурсы - запасы топлива и энергии в природе, которые при современном уровне техники могут быть практически использованы человеком для производства материальных благ. К топливно-энергетическим ресурсам относятся:

- различные виды топлива: каменный и бурый уголь, нефть, горючие газы, горючие сланцы, торф, дрова;

- энергия падающей воды рек, морских приливов, ветра;- солнечная и атомная энергия.

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделени­ем большого количества тепла и свечением. В зависимости от скорости протекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения и взрыва.

Взрыв - это частный случай горения, протекающего мгновенно с кратковре­менным выделением значительного количества тепла и света.

Для процесса горения необходимо:

1) наличие горючей среды, состоящей ив горючего вещества и окислителя;

2) источника воспламенения.

Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до опре­деленной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра элект­рического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявле­ние химической, электрической или механической энергий).

После возникновения горения постоянным источником воспламенения явля­ется зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при опреде­ленном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14 - 15% кислорода. При меньшем содер­жании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.

Различают следующие виды горения:

· полное - горение при достаточном количестве или избытке кислорода;

· неполное - горение при недостатке кислорода.

При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO₂), вода (H₂O), азот (N), сернистый ангидрид (SO₂), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.

Горение веществ может протекать не только в среде кислорода, но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора, паров брома, серы и т.д.

Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твер­дом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испа­ряются, другие - разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый оста­ток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горю­чих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газо­образные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют го­рючую среду.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают;

o гомогенное горение - горение газов и горючих парообразующих ве­ществ в среде газообразного окислителя;

o горение взрывчатых веществ и порохов;

o гетерогенное горение - горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

o горение в системе «жидкая горючая смесь - жидкий окислитель»

Теплогенерирующие устройства являются основными узлами тепловых аппаратов, а их конструкция определяется видом используемого энергоносителя. В них происходит преобразование химической или электрической энергии в тепловую.

Основной частью электрического теплового аппарата являются электронагревательные элементы, преобразующие электрическую энергию в тепловую. В электронагревателях используется одно из основных свойств электрического тока — способность нагревать проводники. Энергия электрического тока преобразуется в электромагнитные колебания, которые превращаются в тепловую энергию или непосредственно в пищевых продуктах (ИК-нагрев, СВЧ-нагрев), или в стенках сосуда для тепловой обработки (индукционный нагрев).

Теплогенерирующие установки или генераторы теплоты (теплогенераторы) являются основным оборудованием любой системы теплоснабжения. В системах централизованного теплоснабжения эти генераторы установлены на ТЭЦ или тепловой станции.

Бытовые и промышленные теплогенерирующие агрегаты, аппараты и устройства, работающие на газообразном, жидком, твердом или смешанном видах топлива, служат для отопления, приготовления пищи, сушки помещений и сельхозпродукции, термообработки поверхностей, расплавления припоев, мастик, нагрева теплоносителей (воздуха, воды и т. д.). К таким аппаратам относятся печи всех типов, камины, калориферы, водонагреватели, теплогенераторы, горелки, титаны и другие теплогенерирующие устройства, мощность которых не превышает 100 кВт.

Теплогенерирующей установкой называют совокупность устройств имеханизмов для производства тепловой энергии в виде водяного пара, горячей воды или подогретого воздуха. Водяной пар используют для технологических нужд в промышленности и сельском хозяйстве, для приведения в движение паровых двигателей, а также для нагрева воды, направляемой в дальнейшем на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Горячую водуи подогретый воздух используют для ото­пления производственных, общественных и жилых зданий, а также для коммунально-бытовых нужд населения. Теплогенерирующие установки предназначены для производства тепловой энергии из первичных источников энергии, которымиявляются: органическое и ядерное топливо, солнечная и геотермальная энергия, горючие и тепловые отходы промышленных производств.

Тепловая энергия — один из основных видов энергии, используемой человеком для обеспечения необходимых условий его жизнедеятельности, как для развития и совершенствования общества, в котором он живет, так и для создания благоприятных условий его быта. Тепловая энергия, производимая человеком из первичных источников энергии, в основном используется для получения электрической энергии на тепловых электростанциях, для технологических нужд промышленных предприятий, для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий.

Комплексы устройств, производящих тепловую энергию и доставляющих ее в виде водяного пара, горячей воды или подогретого воздуха потребителю, называются системами теплоснабжения. В зависимости от мощности систем и числа потребителей, получающих от них тепловую энергию, системы теплоснабжения подразделяют на централизованные и децентрализованные. Условно принято считать систему теплоснабжения централизованной если единичная мощность включенных в нее теплогенерирующих установок равна или превышает 58 МВт. Если мощность установок, производящих тепловую энергию в системе, меньше 58 МВт, то система теплоснабжения считается децентрализованной.

В централизованныхсистемах теплоснабжения тепловая энергия производится либо в мощных комбинированных установках, производящих как тепловую, так и электрическую энергию, называемых теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), либо в крупных установках, производящих только тепловую энергию, называемых районными тепловыми станциями, или котельными. Единичная мощ­ность теплогенераторов — агрегатов, производящих тепловую энергию из первичных источников энергии (органического, расщепляющегося и других топлив), в таких установках может изменяться на ТЭЦ от 10 до 200 МВт при общей мощности ТЭЦ от 100 до 1250 МВт, а в районных тепловых станциях — от 4 до 100 МВт. В децентрализованныхсистемах теплоснабжения тепловая энергия производится в небольших отопительных тепловых станциях, оборудованных теплогенераторами мощностью до 1—10 МВт. К этим же системам относятся и системы поквартирного отопления, оборудованные отопительными печами и бытовыми отопительными аппаратами мощностью 5—20 кВт.

Холодильная установка, комплекс оборудования, служащий для получения и поддержания в охлаждаемых помещениях, телах или веществах температур ниже температуры окружающей среды. Холодильная установка включает одну или несколько холодильных машин, а также необходимое вспомогательное оборудование (системы энерго-, водо- и теплоснабжения, приборы управления и контроля и т.д.), обеспечивающее нормальную работу этих машин. Установки могут использоваться для режимов хранения, охлаждения и заморозки продукции и поддерживать необходимую температуру в охлаждаемом объеме от +15 до -40 °C (в зависимости от типа установки и используемого холодильного агента).

Холод подаётся к потребителю либо в виде сжиженного или сжатого холодильного агента (непосредственное охлаждение), либо в виде охлажденного холодильного теплоносителя (охлаждение хладоносителем). По своей холодопроизводительности холодильные установки условно подразделяются на малые (холодопроизводительность ниже 30 тыс. ккал/ч), средние (от 30 тыс. до 500 тыс. ккал/ч) и крупные (свыше 500 тыс. ккал/ч). Установки с парокомпрессионными холодильными машинами располагаются в закрытом помещении в здании, где находится потребитель холода, или в отдельном здании — холодильной станции. Холодильные установки с абсорбционными и пароэжекторными машинами часто монтируются вне здания. В холодильные установки широко внедряется автоматизация, которая в первую очередь сводится к поддержанию постоянного температурного режима (изменением холодопроизводительности установки).

Типы холодильных агрегатов:

§ Компрессионный

§ Абсорбционный

§ Термоэлектрический

§ С вихревыми охладителями

Криогенное холодильное оборудование предназначено для замораживания продуктов при непосредственном контакте с веществами, которые изменяют свое фазовое состояние (кипят, сублимируют) при криогенной температуре.
Для криогенного замораживания применяют также спирально-ленточные холодильные установки. Регулирование процесса в них осуществляют путем изменения объема подачи жидкого хладагента и скорости движения конвейера.

Наиболее широко распространенные криогенные вещества — это жидкие азот N2 и диоксид углерода CO2, которые безопасны при непосредственном контакте с пищевыми продуктами и инертны по отношению к материалам конструкции. Холодильное оборудование с азотным замораживанием (азотные аппараты) получило более широкое распространение. В современных азотных аппаратах продукт замораживают в две стадии: сначала посредством газообразного азота, а затем с помощью жидкого. Это сокращает расход жидкого азота на замораживание продукта.

Главный недостаток такого холодильного оборудования - большие затраты на расходуемые криогенные вещества. Для сокращения потери криогенного вещества в процессе замораживания применяют комбинированное замораживание продукта - сначала криогенным веществом, затем охлажденным с помощью холодильной установки воздухом.

Использование теплоты. Генерированная различными способами теплота может либо непосредственно потребляться каким-либо технологическим процессом (теплоиспользование), либо перерабатываться в др. виды энергии (Теплоэнергетика). Широко применяется нагрев в металлургии. Например, чугун из железной руды получают в доменной печи, в которой восстановление окиси железа углеродом происходит при температурах около 1500°С; теплота выделяется при горении кокса. Сталь из чугуна вырабатывается в мартеновских печах при температуре около 1600°С, которая поддерживается в основном в результате сжигания жидкого или газообразного органического топлива. При получении стали в конвертере в чугун вдувают кислород; необходимая температура создаётся в результате окисления углерода, содержащегося в чугуне. В литейном производстве теплота, необходимая для поддержания требуемой температуры в печи, генерируется либо в результате сжигания в печи топлива (чаще всего газа или мазута), либо за счёт электроэнергии.

Нагрев до той или иной температуры характерен для большинства процессов химической технологии, пищевой промышленности и пр. Подвод или отвод теплоты осуществляется в Теплообменниках, Автоклавах, сушильных установках, выпарных устройствах, дистилляторах, ректификационных колоннах, реакторах и т. п. с помощью теплоносителей. При этом, если в аппарате требуется поддерживать достаточно высокую температуру, теплоносителем могут быть непосредственно продукты сгорания органического топлива. Однако в большинстве случаев применяются промежуточные теплоносители, которые отбирают теплоту от продуктов сгорания топлива и передают её веществу, участвующему в технологическом процессе, либо отбирают теплоту от этого вещества и передают её в др. часть установки или в окружающую среду. Наиболее часто применяются следующие теплоносители: вода и водяной пар, некоторые органические вещества, например даутерм ,Кремнийорганические соединения, минеральные масла, расплавленные соли, жидкие металлы, воздух и др. газы.

См. Приложение 1.