Енергоефективна експлуатація хлібопекарських печей сторінка 7

58
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ (6.16)
Спрощення полягає в нехтуванні теплотою топкового повітря, яке подається для спалювання. За відсутності попереднього підігрівання повітря при спалюванні природного газу таке спрощення може бути виправданим.
Однією з головних характеристик енергоефективності печі є питома витрата палива – на 1 тонну продукції:
3 10 /
ï èò
ãõ
b
B
G
= ⋅
, кг/т (м3/т)
Питома витрата умовного палива:
/ 29,3
ó ï
ð
ï èò
ï èò
í
b
b Q
=
, кг/т. За значенням питомої витрати умовного палива порівнюють енергоефективність різних конструкцій хлібопекарських печей, різних способів обігріву та видів палива. Необхідні дані для порівняльного аналізу можливо отримати лише в результаті теплотехнічних випробовувань або комп’ютерного моделювання.
Щодо останнього, то потрібно мати достовірні дані про деталі конструктивного виконання, геометричні та кінематичні характеристики конструкції та режимів роботи і т.п., що не завжди є відкритою інформацією.
Дані щодо питомої витрати умовного палива при виробництві різного асортименту в печах найбільш популярних марок наведені у додатку 1.
ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ
1. Яка із статей витрат є найбільшою в сучасних печах, що працюють на паливі?
2. В яких випадках у рівняння теплового балансу пічного агрегата слід уводити тепловий баланс нагрівного каналу. Чим відрізнятиметься рівняння теплового балансу пекарної камери для печей різних типів (конвеєрної і зі стаціонарним подом, канальної і термооливної, канальної і електричної)?
4. З яких складових складається тепловий баланс пічного агрегата

59
8. ШЛЯХИ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ
ХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
Підвищення енергоефективності хлібопекарських печей вбачається в оптимізації
їх конструкції та режиму роботи. Відповідні дослідження на діючих печах
(натуральних моделях) провести доволі складно, оскільки втручання в їх роботу повязано із значними ризиками для хлібопекарського підприємства економічного та технічного характеру. Виходом з цієї ситуації є імітаційне моделювання поведінки печі та її окремих систем на математичних моделях за допомогою комп’ютерної техніки.
У 1989 році нами розроблена математична модель елементарного циклотермічного контуру канальної печі, зображеного на рис. 8. Комп’ютерне моделювання дозволило встановити залежність витрати палива від деяких параметрів процесу та особливостей конструкції, які в найбільшій мірі доступні контролю і регулюванню печі, а також можуть бути враховані при проектуванні печі. Отримані залежності витрати палива від температури газів у камері змішування, висоти нагрівного каналу та вмісту водяної пари представлені на рис. 15. Вихідні дані, такі як кількість теплоти, що передається у пекарну камеру, ширина і довжина каналу, коефіцієнти витрати повітря у топці тау викидних газах тощо взяті з досвіду експлуатації реальних печей (за основу взята піч марки ПХК). Для кращого співставлення результатів на рисунку зображені криві, отримані при однаковому значенні вихідних даних та на одному виді палива – природному газі. Теплове навантаження на канал складало 45,6 кВт.
Рис.15.
Залежність витрати палива від температури у камері змішування, висоти нагрівного каналу та вмісту водяної пари в димових газах
ШЛЯХИ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ

60
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
Загальновідомо, що змішування газів з різною температурою, як це має місце при рециркуляції, є незворотнім процесом, що супроводжується зростанням ентропії, тобто втратою якості енергії. Частково цю втрату компенсує вентилятор рециркуляції, надаючи потоку додаткової механічної енергії. Їх кількісне співвідношення характеризує зелена крива. Її характер дає підстави зробити припущення, що при підвищенні температури у камері змішування до температури в топці витрата палива буде мінімальною. Максимальна витрата палива має місце при температурі газів на вході в канал близько С. Звідси випливає, що сучасні канальні печі з рециркуляцією димових газів експлуатуються у найменш економічному режимі, оскільки температура робочої суміші в них складає 500 – С. Подальше зниження температури суміші призводить до незначного зменшення витрати палива. Це пояснюється переходом у область переважаючого конвективного теплообміну, про що свідчить рис. 16: конвективна складова теплового потоку перевищує радіаційну при температурі на вході в канал починаючи з 4900 С і нижче.
Однак у реальних умовах реалізація такого (конвективного) режиму переваг практично не дає, оскільки в цьому разі різко збільшується коефіцієнт рециркуляції і, відповідно, – затрати енергії на переміщення газів. Наприклад, при температурі в камері змішування С коефіцієнт рециркуляції дорівнює 19, у той час як при С і інших рівних умовах – всього 2,9. Відповідно майже в шість разів зросте продуктивність вентилятора рециркуляції.
Наведені цифри спростовують думку, яка іноді висловлюється, про те, що рециркуляція газів, як така, дозволяє економити паливо. Навпаки, якби було б технічно можливо в печі з повним видаленням димових газів забезпечити такий відбір теплоти, при якому температура газів на виході з печі зрівнялася б з температурою викидних газів циклотермічної печі, витрата палива в ній була би суттєво меншою.
Рис.16.
Співвідношення конвективної та радіаційної складових теплового потоку в каналі при різних значеннях температури газів
Н е в и г і дни й д і а паз он температури роб о ч о ї суміші нижче С, яка підтримується в сучасних циклотермічний печах, є платою за можливість використання сталі в якості конструктивного матеріалу для виготовлення елементів нагрівної

61
системи. При більш високих температурах строк служби нагрівної системи різко скорочується.
Таким чином, з метою економії палива доцільно підтримувати температуру в нагрівній системі на максимально високому рівні, який дозволяє використаний в конструкції метал. В умовах різкого дорожчання енергоресурсів може стати економічно вигідним застосовувати як конструктивний матеріал більш дорогу, але і більш термостійку сталь.
Важливим елементом нагрівної системи сучасної печі є плоский нагрівний канал. Співвідношення конвективної і радіаційної складових теплового потоку через робочу стінку каналу залежить від його висоти: збільшення висоти призводить до активізації радіаційного теплообміну за рахунок зростання товщини випромінюючого шару газу, зменшення – до активізації конвекції внаслідок зростання швидкості потоку. Тому зробити однозначний висновок щодо впливу висоти каналу на економічність без відповідних розрахунків доволі важко. Отримана залежність (рис. 15) свідчить, що із зменшенням висоти каналу конвективна тепловіддача активізується в більшій мірі, ніж падає радіаційна; тобто чим менша висота, тим канал більш економічний. Однак на шляху зменшення висоти вступають в силу ряд обмежень, насамперед, щодо технологічності конструкції. Отже твердження деяких фірм-виробників пічної техніки про більшу економічність їх продукції внаслідок використання каналів меншої висоти є виправданим.
Значні резерви підвищення економічності печі приховані у хімічному складі димових газів, випромінююча здатність яких залежить від вмісту водяної пари.
Завдяки наявності в печі зони гігротермічної обробки, до якої спрямовується значна кількість технологічної пари для підтримання високої відносної вологості середовища, створюється додаткова можливість збільшити теплотехнічний ККД печі. Лише незначна кількість пари конденсується на тістових заготовках, решта пари відсмоктується і виводиться назовні. Частину невикористаної пари після попереднього підігріву відпрацьованими димовими газами можливо направляти в топку або камеру змішування і далі в канали. Таке технічне рішення захищене охоронним документом у 1990 році. Залежність витрати палива від вмісту води в димових газах (рис. 15) і попередні розрахунки показують, що використання половини від кількості «відпрацьованої» пари дозволить скоротити споживання піччю палива на 15 – 20 %.
Ще одним із доступних способів підвищення енергоефективності хлібопекарських печей є зменшення вмісту інфільтрованого повітря в димових газах.
Від часу появи промислових хлібопекарських печей і донині актуальною
інженерною проблемою залишається герметизація нагрівної системи, тобто забезпечення високої щільності з’єднань окремих її елементів між собою задля уникнення потрапляння в систему повітря із-зовні (інфільтрації) та відповідного зниження ККД печі. Це явище дістало назву «підсмоктування», його причиною є те, що переважна більшість нагрівних систем працюють під розрідженням, що створюється тягою димової труби, ау випадку циклотермічних систем – ШЛЯХИ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ

62
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
вентилятором рециркуляції. Герметичність великою мірою залежить від якості та ретельності виконання з’єднань на стадіях виготовлення та монтажу печі. Ця обставина суттєво ускладнює прогнозування параметрів роботи печей при їх конструюванні, оскільки містить у собі суб’єктивний чинник. На думку деяких авторів задача щодо оцінки значень підсмоктування взагалі не є визначеною. Слід зазначити, що на сьогоднішній день ця проблема ще не знайшла свого вирішення.
Місцями проникнення повітря в нагрівну систему сучасних печей є, головним чином, рознімні з’єднання транспортуючих газоходів, фланцеві з’єднання трубопроводів та нагрівних каналів, отвори у бічних стінках каналів та коробів, крізь які пропущені приводні органи шиберів, що ними регулюється розподіл теплоносія між зонами обігріву, верхніми та нижніми каналами тощо.
Печі середньої та великої продуктивності з тунельною пекарською камерою мають довжину 20 – 40 м і більше, тому їх складають із окремих секцій довжиною здебільшого 1,5 – 4,0 м. Значна протяжність газотранспортуючих та теплообмінних пристроїв диктує необхідність встановлення компенсаторів лінійного розширення в місцях сполучення окремих секцій та деталей. Ці місця намагаються ущільнювати («зачеканювати») шнуровим азбестом, просоченим рідинами чи мастиками різного складу, найчастіше – на основі графіту. Газоходи круглого перерізу переважно стикують за допомогою розтрубних або муфтових з’єднань, які в умовах експлуатації швидко втрачають щільність внаслідок їх рухливості.
Секційність конструкції сучасних печей обертається необхідністю застосовувати велику кількість фланцевих з’єднань з ущільнюючими прокладками з листового азбесту. Цей тип з’єднань також масово використовується при стикуванні газоходів круглого або прямокутного перерізу з перепускними та розподільними пристроями, що мають здебільшого коробчасту конструкцію.
Таким чином, у печах з циклотермічною нагрівною системою з суто технологічних міркувань неможливо забезпечити повну герметичність газового тракту навіть перед початком її експлуатації. Особливо це стосується тунельних печей.
Герметичність нагрівної системи з часом змінюється. При експлуатації печі в умовах перемінних температур відбувається послаблення з’єднань в результаті релаксації напружень у навантажених елементах з’єднання (фланцях, болтах, прокладках, старіння матеріалу прокладок та їх потоншення в результаті повзучості матеріалу, термічної деструкції та жолоблення металу, іноді його наскрізного прогоряння тощо. Роботи з ущільнювання ослаблих з’єднань шляхом підтягування кріпильних деталей до капітального ремонту печі не проводяться, оскільки вони передбачають тривалу зупинку печі і майже повне розкриття обшивки та видалення теплоізоляції.
Заміна прокладок, що вийшли з ладу, потребує розбирання з’єднань. Ці роботи за трудомісткістю рівнозначні власне капремонту.
Втрати теплоти з викидними газами (q2 у формулі 4.13) залежать від величини коефіцієнта витрати повітря у них, оскільки ентальпія викидних газів буде 0
0
( )
1
âêä
âêä
ã
âêä
I
ct
V V
α


=
+
−


,

де ( )
âêä
ct
– питома ентальпія викидних газів, кДж/м3;
0
ã
V
– теоретичний об’єм продуктів згорання, мм теоретичний об’єм повітря, мм коефіцієнт витрати повітря у викидних газах.
На рис. 17 зображена залежність втрат з викидними газами від температури при різних значеннях коефіцієнта витрати повітря. Основними шляхами зменшення втрат є зменшення коефіцієнта витрати повітря в димових газах та їх температури, оскільки між ними існує пряма залежність згідно з формулами (4.13) – (Рис. 17. Залежність втрат теплоти з викидними газами q2 від їх температури та значення αвкд.
Підвищити ККД печі можливо на стадії проектування. Для запобігання надмірного підсмоктування повітря вдала конструкція повинна мати мінімальну кількість рухомих та рознімних з’єднань елементів нагрівної системи між собою (компенсаторів лінійного розширення, коробів, газоходів, каналів тощо) та сумарний периметр цих з’єднань. Кількість органів ручного керування розподілом теплоносія між тепловими зонами та в межах теплової зони має бути мінімально необхідною. Гідравлічний опір газового тракту від камери змішування до вентилятора рециркуляції також має бути мінімальним. Рушійною силою
інфільтрації повітря до нагрівної системи через нещільності є перепад тисків між атмосферним повітрям і димовими газами. Зменшення гідравлічного опору водночас означає зменшення розрідження в системі, а отже, і перепаду тиску.
На стадії монтажу печі вирішальну роль відіграє точність виготовлення окремих складаних одиниць пічного агрегату, насамперед, в місцях транспортування димових газів, технологічність конструкції (зручність доступу до місць стикування), а також уважність і ретельність персоналу при складанні окремих вузлів між собою.
ШЛЯХИ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ

64
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
Під час експлуатації печі відбувається втрата газощільності газового тракту та послаблення різьбових з’єднань внаслідок термічного розширення кріпильних деталей, тому коефіцієнт витрати повітря з часом може збільшитися. Бажано періодично проводити заміри величини коефіцієнта витрати повітря у реперних точках газового тракту, насамперед, у викидних газах.
Перехід хлібопекарських підприємств на одно-двозмінний режим роботи призводить до збільшення сумарної тривалості перехідних процесів нагрівання- охолодження і відповідних втрат енергії. Тому важливою характеристикою печі є час, необхідний для досягнення встановленого температурного режиму.
Тривалість перехідного процесу залежить від інерційності конструкції (маси) та режиму розігрівання.
Під час розпалювання печі збільшення подачі газу і первинного повітря до пальників треба здійснювати поперемінно, невеликими порціями, шляхом повільного відкриття кранів, засувок, дроселів і повітряних шайб. До пальників повного змішування під час їх розпалювання не слід подавати більше 50-60% первинного повітря, необхідного для горіння газу доти, поки топковий тунель не набере належної температури. Для забезпечення стабільної роботи паливної системи під час розігріву печі та недопущення хімічної неповноти згорання в усталеному режимі необхідно підтримувати розрідження в топці не більше 20 –
40 Па. При більших значеннях факел може витягуватися за межі топки у камеру змішування, де температура значно нижча, така, що не забезпечує вигорання решток палива. Під час регулювання теплового режиму після пуску печі поступово збільшують продуктивність вентилятора рециркуляції до номінального значення від деякого мінімального (зазвичай 60 – 70 % від номінального). Зміна кількості рециркулюючих газів – один із способів підтримування їх заданої температури перед подачею до нагрівної системи. Для цього сучасні печі обладнують вентиляторами
із змінною частотою обертання електродвигуна з частотним перетворювачем та автоматичним регулюванням частоти обертання залежно від температури в період розігріву печі.
ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ
1. Чим викликаний прийнятий у сучасних печах з циклотермічною нагрівною системою діапазон робочих температур димових газів?
2. Які переваги і недоліки мають трубчасті канали порівняно з плоскими. Від чого залежить витрата палива в печі?
4. Від чого залежить значення коефіцієнта витрати повітря в печі?
5. Як впливає коефіцієнт витрати повітря на ККД печі?
6. Чим обумовлений діапазон значень розрідження в топці печі?
7. Чому плоский канал меншої висоти більш ефективний, ніж високий?

65
9. ВИКОРИСТАННЯ ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСІВ
ХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
Одним із напрямів енергозбереження в хлібопекарські промисловості є підвищення ефективності використання палива в пічних агрегатах за рахунок утилізації теплоти відхідних газів. Втрати теплоти з відхідними газами в сучасних печах становлять в номінальному режимі 20 – 30 % і навіть більше при розрахунках за вищою теплотою згорання палива і являють собою основну частину втрат теплоти. Даний рівень втрат відповідає температурі відхідних газів 280 – 350 С залежно від конструкції печі та режиму роботи, що протягом тривалого часу вважались оптимальними значеннями. Стабільне надходження дешевого палива не створювала економічних передумов для впровадження технологій і обладнання для використання скидних енергоресурсів. У той же час, за кордоном технології утилізації енергоресурсів активно впроваджувалися, у тому числі, в галузі хлібопечення.
В останні 30 – 35 років спочатку за кордоном, а пізніше і в Україні спостерігається тенденція до зниження температури відхідних газів нижче точки роси. Тобто фактично йдеться вже про глибоку утилізацію теплоти відхідних газів, коли використовується не тільки явне тепло (близько 10-20%), але і прихована теплота
(біля 10%) пароутворення водяних парів, що містяться в димових газах та випарах.
Енергетичний потенціал цих газів може бути використаний в енергогосподарстві хлібопекарського підприємства для різноманітних цілей. Це може бути опалення приміщень, гаряче водопостачання побутове і технологічне, вироблення холоду тощо. Слід зазначити, що застосування технологій утилізації теплоти практично нівелюють огріхи в експлуатації теплотехнічного обладнання. Навіть, якщо хлібопекарська піч працює з низьким ККД, більша частина скидної теплоти може бути успішно утилізована і спрямована на інші енергетичні потреби підприємства.
Глибока утилізація теплоти може здійснюватись із застосуванням конденсаційних теплообмінних апаратів двох типів – контактних та поверхневих. У контактних апаратах передача теплоти відбувається шляхом прямого контакту двох середовищ
(гази – вода, у поверхневих – через перегородку. З початку х років в Україні все більш широке використання знаходять поверхневі апарати, що повязано з одного боку з цілим рядом їх переваг, аз другого – з удосконаленням техніки виробництва розвинутих компактних поверхонь нагрівання. Поряд з енергоощадною функцією конденсаційні теплоутилізатори виконують природоохоронну роль, оскільки завдяки їх впровадженню зменшується кількість шкідливих викидів в атмосферу, таких як оксиди азоту (дота діоксид вуглецю (до 30%).
Сучасний теплоутилізатор – це достатньо складний апарат, який забезпечує не лише рекуперацію теплової енергії, але одночасно виконує роль фільтра, який суттєво зменшує шкідливі викиди в навколишнє середовище. Головною його частиною є теплообмінний пристрій. Основними типами теплообмінників, що використовуються для утилізації теплової енергії, є пластинчасті, спіральні, кожухотрубні та інші. Однією з важливих задач теплотехніки є ефективна оцінка профілю поверхні теплообміну. Наразі така оцінка здійснюється за значенням енергетичного коефіцієнту, запропонованим відомим вченим В.М.Кірпічьовим.