Расчет и проектирование тепловых установок с газовыми го­релками инфракрасного излучения могут выполняться в следую­щей последовательности..

1. Определяются основные теплотехнические и технологиче­ские параметры установки (температура нагрева обрабатывае­мых материалов, скорость технологического процесса, масса ма­териала, его физико-химические свойства — поглощение, отраже­ние и пропускание инфракрасных лучей, селективность, химико-биологические реакции).

При отсутствии этих данных должны быть произведены эк­спериментальные исследования и испытания опытной установки.

2. Производится тепловой расчет установки.

3. Определяются количество излучателей и их расстановка.

4. Выполняются расчет и проектирование тепловой камеры, коммуникационных трубопроводов, вентиляции, автоматики бе­зопасности и регулирования, системы зажигания, выбор конт­рольно-измерительных приборов. В отдельных случаях проекти­руется система пожаротушения.

Теплопроизводительность установки может определяться по Формуле

QyCT = 9і±&г±ь±ь±ьюии/ч,

Где Qn—полезно использованное тепло, поглощае­

Мое облучаемым материалом, в ккал/ч

<2д. г, Qx, Q., Qs—потери тепла стенами, излучением, транс­портером и т. д. в ккал/ч-, Т}т— к. п. д. камеры.

Таким образом, если количество тепловой энергии, погло­щаемой облучаемым материалом, Q, а теплоизлучение нагретой поверхности Qn, то для предотвращения перегрева материала получим равенство:

Q =Q’.

Но

Q* = AF« ( ‘«ое — M ккал/я,

Где a = aK + ал;

Ак— коэффициент теплоотдачи конвекцией; ал— коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием; FM — поверхность материала в ж2; Tn0D — температура поверхности материала в °С; TB — температура окружающего воздуха в 0 С.

Количество тепловой энергии, поглощаемой материалом Q„ При облучении газовыми горелками инфракрасного излучения, определяется

Qn = 4,22 ккал/ч,

Где — температурный фактор, значение которого опре­

Деляется в зависимости от температуры излуче­ния T °С (Т=273 + T); Ф—коэффициент отдачи теплоизлучением; Р—коэффициент поглощения облучаемой поверх­ности;

F„— поверхность теплоизлучения в ж2. Из первого равенства определяется

Отсюда допускаемое значение температурного фактора

/ Т 4

/ —I, определяющего температуру поверхности теплоизлуче­ния, должно составлять:

Г у _ AFM (^пов — ^в) 100/ 4,22 фР/^л

Таким образом, температура поверхности лучеиспускания мо­жет быть тем выше, чем меньше коэффициенты теплоизлучения ф ТЄПЛОПОГЛОЩЄНИЯ Р И поверхность теплоизлучения F„. Коэф­фициенты <р и р называются также угловыми коэффициентами и определяются в зависимости от расположения теплоизлучате — лей и тепловоспринимающей поверхностей. Итак, при газовом обогреве процесс можно регулировать изменением температуры лучеиспускающей поверхности (черные излучатели), расстояния от излучателя до нагреваемого объекта и выключением отдель­ных горелок (панелей), из которых составлена поверхность из­лучения.

Возможность регулирования теплового процесса имеет важ­ное значение, когда необходима переменная интенсивность об­лучения.

Потери тепла Qi, Q2. Qs и к. п. д. f)T зависят от способа нагрева материала, конструктивного выполнения и от основных технических параметров установки. Это относится прежде всего к скорости сушки или нагрева (время сушки и нагрева). Ско­рость процесса должна быть наибольшей, так как она оказывает влияние на потерю тепла, а тем самым и на общую эффектив­ность работы установки.

Например, при слишком долгом нагреве, обусловленном не­удачной конструкцией сушильного туннеля (значительная тол­щина слоя, слишком большие куски, материал сложной формы с тепловыми тенями, неудачное размещение материала в сушиль­ном туннеле, не позволяющее получить хорошее облучение, от­носительное движение кусков, неорганизованное перекатывание и т. д.), повышается температура отходящих газов, понижается к. п. д. топки г)т и увеличиваются потери тепла (Qi и Q2).

Продукты горения (дымовые газы) уносят значительное ко­личество тепла из рабочего пространства камеры. Поэтому необ­ходимо использовать их теплосодержание.

Если известны количество и состав продуктов горения, а так­же их температура при выходе из рабочего пространства печи, то потери тепла могут быть вычислены по следующей формуле:

<2дым. газ = t(V1C1 + V2C2 + — + Vn Сп) Lr Qr Ккал/ч,

Где T — температура отходящих газов в °С;

V1( V2— количества соответствующих продуктов горения, полученных при сжигании единицы топлива, в м3;

Си С2—средние их теплоемкости в ккал/м3

LT— количество продуктов горения на единицу топли­ва в м3/м3; Qr— расход топлива в м3/ч.

Потери тепла через стены рабочего пространства камеры за­висят от температуры внутри камеры, толщины и коэффициента теплопроводности стен. Хорошей изоляцией стен камеры эта по­теря может быть значительно уменьшена. Потери тепла через стены камеры определяют по формуле

Qi = К (t1 —12) F Ккал/ч,

Где К— коэффициент теплопередачи в ккал/м2 • ч • град опре­деляется по формуле

———————————————— + ZJ—— +——

H, ^—температуры внутренней и внешней стенок в °С; F — средняя площадь стен камеры в м2.

Потеря тепла вследствие излучения при открытых дверцах и через щели камер вычисляется по формуле

Где Ф— коэффициент диафрагмирования, определяемый в за­висимости от толщины стен, значение которого, по данным Келлера, приведено в табл. 21; — площадь отверстия в ж2; Т1 и Т2— абсолютные температуры камеры и наружной среды.

Потерю тепла в камерах через отверстие, закрытое металли­ческими дверцами, рассчитывают по приведенной ранее форму­ле, но вместо коэффициента Ф используют коэффициент

Если имеются двойные дверцы, этот коэффициент уменьшается вдвое.

Потери на аккумуляцию тепла стенкой имеют большое зна­чение для периодически действующих камер.

Если период работы камер равен х, то

Qs = Vy Іг ~ Cl ккал/ч,

X

Где V—объем кладки в ж3;

У — объемный вес в кг/ж3;

Сь Са — теплоемкости в ккал/кг‘°С;

H, h—температура стенки до и после нагрева в °С.

Полученные результаты уточняют согласно ориентировочным величинам оптимальной тепловой нагрузки, которые относят к единице поверхности (обычно к поверхности транспортного уст­ройства). Эти величины зависят от результативной температу­ры в туннеле над нагреваемым слоем, от температуры нагревае­мого материала и от количества используемого тепла. Величины тепловой нагрузки подразделены на пять групп (табл. 22).

Таблица 22

Диапазон удельного расхода тепла зависит от конструкции туннеля, его температуры, температуры нагрева материала и степени отбора полезного тепла.

На третьей стадии расчета подбирают из конкретных условий тип излучателей и определяют количество их по формуле

Д^ _ Qycr

Qn.r

Где Qn. r — тепловая нагрузка горелки в ккал/ч, пересчитанная на результативную температуру в тепловой установ­ке по формуле

О

Vn. r „ і А

Где Qr—номинальная тепловая нагрузка одной горелки в Ккал/ч-,

К— коэффициент пересчета:

К= 1,2 при ^=50 100° С; К= 1,35 » T= 100 — f-150° С;

/Г= 1,5 при *=150-ь200°С;

К= 1,6 » ^ = 200 — г-250° С;

/С= 1,7 » / = 250-^-300° С.

Далее необходимо распределить инфракрасные излучатели по камере.

Очень важно добиться равномерного распределения темпера­тур с учетом конфигурации деталей, особенно в поперечном се­чении камеры. В продольном сечении (по оси камеры) излуча­тели размещаются в соответствии с температурной или тепловой

At— As — излучатели

Кривой. Распределение температур влияет на общую тепловую нагрузку излучателей и на производительность установки.

Предположим, что в поперечном сечении туннеля (рис. 84) размещено 5 горелок инфракрасного излучения, которые для простоты будем считать пятью источниками теплового излуча­теля малой поверхности Аи Аг, …, Л5. Необходимо, чтобы в лю­бом месте ленты транспортера сохранялась температура, соответ­ствующая количеству поглощенного в том же месте тепла. Сум­му излучения в любом месте транспортера находим по формуле

/„ = / (cos3 а + cos3 Р + cos3 у + cos3 б + cos3 є),

Где /0 — излучение в любом месте (0) на ленте транспортера; /—излучение в перпендикулярном направлении.

Количество энергии, излученное за 1 сек единицей поверхно­сти плоского излучения (1 см2) в пространство полусферы над излучателем, называется суммарным излучением (лучистый по­ток, эмиссия, Е). Количество лучистой энергии, излученное за 1 сек единицей поверхности в перпендикулярном направлении, называется излучением I. По закону Ламберта излучение в на­правлении под углом а к нормали равно /i=/cos3a, при этом интенсивность его понижается как функция квадрата расстояния.

Если графически изобразить отношение /0 в различных ме­стах поперечного сечения туннеля, то получится кривая темпе­ратурной неравномерности. На рис. 85 приведены кривые темпе­ратурной неравномерности для различных соотношений расстоя­ния между излучателями и высотой их установки.

Рис. 85. Кривые температурных иеравномерностей для различ­ных соотношений расстояния между излучателями и высотой их установки (кривые отно­сятся к различным значениям HIL)

-при Л=0,33 L; г —при Л-0.5І; — при ft=0,66L; 4 — при ft=0,83L; 5 — при H = L

Из диаграммы видно, что при больших расстояниях между излучателями L и при малой высоте H над облучаемым объектом неравномерность распределения температур между соседними излучателями относительно велика (кривая /). Однако разница

Рнс. 86. Огибающие кривые Рис. 87. Уменьшение температурных температурных неравномер — иеравномерностей при помощи отра- ностей жательных поверхностей

Температур по краям и в середине туннеля (камеры) меньше, чем в том случае, когда при том же расстоянии между излуча­телями последние размещены высоко над лентой транспортера (кривая 5). На практике выбирают обычно средние соотношения расстояний (кривая 2 и 3). Но необходимо учесть, что в действи­тельности неравномерность температуры будет несколько мень­шая, ибо при расчете пренебрегали влиянием большой поверх­
ности самих излучателей, считая, что излучение сосредоточено только в Их центре. Окончательная неравномерность будет выра­жаться линией, огибающей соответствующие кривые для цент­ров и краев излучателей, как это показано на рис. 86. Не­равномерность температур можно также уменьшить по краям сечения туннеля, раз­мещая отражательные поя­са на его боковых стенах (рис. 87). Для более точного расчета распределения тем­ператур необходимо учиты­вать влияние излучателей, установленных в плоскости данного поперечного сече­ния и соседних излучателей, размещенных по оси тунне­ля. Дополнительное дейст­вие соседнего излучателя в точке 0 (рис. 88) определяется по формуле

L =/cos3a=/—.

0 с3

Размещение излучателей по продольной оси туннеля произво­дится в соответствии с приведенными ниже рекомендациями. Бе­рется туннель, В КОТО — І ром тепловую нагруз — Q ку Q необходимо рас- «кщ’мгч Пределить по оси тун­неля в соответствии с температурной кривой А (рис. 89).

Корректируя эту кривую кривой В, вы­ражающей потерю теп­ла ограждающими стенками туннеля, и кривой D уноса тепла транспортером, полу­чим результирующую температурную кри­вую Е. Площадь под кривой Е разделяется на десять поясов, соответствующих длине туннеля. Тепловая на­грузка распределяется на излучатели в соответствии с величи­ной площадей отдельных поясов. Очень важно правильно рас­
пределить тепловую нагрузку между нижней и верхней частя­ми туннеля, потому что температурная кривая является резуль­тирующей как для нижних, так и для верхних рядов горелок. Этим заканчивается в общем виде тепловой расчет установки и размещение излучателей. После этого можно приступить к кон­структивной разработке тепловой камеры и всего ее оснащения (четвертая стадия).

Конструктивно тепловая установка обычно состоит из отдель­ных частей с двойными металлическими стенками, теплоизоли­рованными шлако — или стекловатой. Инфракрасные излучатели, вмонтируемые в потолок туннели, устанавливают так, чтобы они не подвергались нагреву теплом от­ходящих продуктов сгорания. Теп­ловая изоляция должна отстоять примерно на 1—2 см от вертикаль­ных стенок корпуса излучателя.

При проектировании многих ви­дов лучистой сушки или нагрева до расчетной температуры внутри тун­неля 350° С в качестве типовой ка­меры (туннеля ) может служить ка­мера с газовыми горелками инфра­красного излучения, показанная на рис. 90.

Стены туннеля изготовляются из стальных листов так, что получают­ся два туннеля — внешний и внут­ренний. По внутреннему туннелю движется сплошная лента транспор­тера или лента из сетки. Нижняя часть транспортера проходит под полом внутреннего туннеля. Лента транспортера движется со скоростью, зависящей от длины туннеля и количества материала для сушки. В некоторых случаях при сушке сельскохозяйственных продук­тов необходимо, чтобы в начале туннеля была более низкая тем­пература, чем в последующей части, где материал высушивается до требуемого содержания влаги. Тепловая нагрузка горелок должна соответствовать этим требованиям. В пространстве меж­ду туннелями размещены горелки инфракрасного излучения с пористой керамикой и трубки рекуператора. Нижние горелки, которые также могут быть с пористой керамикой, передают теп­ло полу туннеля, который нагревается до температуры 200— 350° С и становится источником теплового илучения. Если же транспортер сетчатый и пол внутреннего туннеля отсутствует, то эти горелки облучают непосредственно материал или изделия снизу и, кроме того, нагревают их также поднимающимися от­ходящими продуктами сгорания.

В верху камеры (туннеля) в пространстве между туннелями находятся трубки рекуператора, в которых предварительно на­гревается воздух, подаваемый во внутренний туннель. Этот воз­дух проходит через слой материала, насыщается влагой и уно­сит испарения через отверстия в верхнюю часть туннеля. В вер­ху туннеля находятся горелки с пористой керамикой, которые размещаются в шахматном порядке по длине туннеля и работа­ют как потолочные излучатели.

Горелки подвешены так, что их лучистая энергия направлена либо на потолок внутреннего туннеля, который становится чер­ным излучателем, либо непосредственно на материал, подвер­гающийся тепловой обработке. В этом случае отодвигаются со­ответствующие заслонки на внутреннем туннеле. ‘

Такое устройство позволяет наряду с производственными теп­ловыми процессами производить экспериментальные исследова­ния по определению оптимальных режимов тепловой обработ­ки различных материалов в различных спектрах излучения. От­ходящие продукты сгорания после смешения с испарениями из сушильного пространства проходят по каналу в дымоотводящую трубу. Материал для сушки подается в туннель из бункера, рас­положенного перед туннелем; толщину материала можно регули­ровать до требуемой величины. В торцах туннеля размещены смесители для инфракрасных излучателей. Весь туннель тепло­изолирован.