4. БЛОК КОНТРОЛЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1.Задание на контрольную работу

иметодические указания к ее выполнению

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

Целью выполнения контрольного задания является закрепление теоретических знаний, полученных при изучении курса, и использование их при решении практических задач, направленных на удовлетворение потребностей народного хозяйства.

В настоящее время большое внимание уделяется эффективным и высокоэкономичным способам получения тепловой энергии. Одним из прогрессивных направлений получения энергоносителя в виде горячего газа с заданными параметрами является метод сжигания топлива в камере сгорания с последующим разбавлением продуктов сгорания воздухом в камере смешения (рис. 38).

Рис. 38. Схема движения теплоносителей

Задача, представленная ниже, максимально приближена к реальным условиям получения необходимого количества энергоносителя в виде горячего газа заданной температуры для группы сушильных установок.

Исходные данные для выполнения контрольного задания выбираются из таблицы по трем последним цифрам шифра студента.

Вместо этой задачи по согласованию с преподавателем студенты могут получить в качестве контрольного индивидуальное задание, связанное с выполнением планов экономического и социального развития предприятия, на котором работает студент.

В задании должны быть отражены вопросы сжигания или переработки топлива при внедрении нового оборудования или реконструкции существую-

137

щего с целью повышения его экономичности, эффективности, утилизации производственных отходов, совершенствования энерготехнологических процессов и т. п.

Задача

Определить расходы топлива В, кг/с (м3/с), окислителя Vок, м3/с, и воздуха, идущего на разбавление продуктов сгорания топлива Vв, м3/с, необходимые для получения заданного количества энергоносителя Vэ, м3/с, имеющего температуру Тэ, К. Определить составы газов за камерой смешения, а также температуру газа после камеры сгорания Тксг, К.

В качестве окислителя и воздуха, подаваемого для разбавления продуктов сгорания, принять воздух О2 = 21 %, N2 = 79 % с температурой ТВ = ТОК = 300 К

и влагосодержанием dВ = dОК = 15 г/м3.

Численные значения исходных данных выбираются из Таблицы исходных данных в соответствии с цифрами шифра студента.

Методические указания к выполнению контрольного задания

Выполнение расчетов горения различных топлив, составление материальных и тепловых балансов является основой инженерных расчетов, связанных с сжиганием топлива.

Схема процесса горения топлива и последующего разбавления продуктов сгорания воздухом с целью получения энергоносителя в виде горячего газа в заданном количестве и с заданной температурой показана на рис. 38.

В камеру сгорания подаются топливо и окислитель, продукты сгорания поступают в камеру смешения, где смешиваются с воздухом, полученный энергоноситель поступает к потребителю.

Для упрощения расчетов составляющие тепловых потерь заданы в процентах, потери теплоты вследствие термической диссоциации не учитываются.

138

Таблица исходных данных

		Параметр										Вариант	6
			0	1	2			3		4		5				7			8			9
								Последняя цифра шрифта					3,5
	Расход энергоноси-		3,0	2,5	2,0			0,75		4,0		4,5				5,0			1,0			1,5
		теля Vэ, м3/с
								Предпоследняя цифра шрифта
	Температура энер-		800	750	850			900		1050		1000	950				700			1200			1150
	гоносителя Тэ, К
		Топливо	Уголь	Уголь	Уголь				Сла-		Мазут	Мазут		Газ при-				Газ при-			Газ про-			Газ ге-
			ирша-	куз-	донец				нец		мало-	высоко-		родный				родный			мыш-			нера-
			боро-	нецкий	кий						серни-	серни-		Серпухово-				Саратов-			ленный			тор-
139			дин-								стый	стый		Ленинский				Москва			домен-			ный
			ский Б2																		ный			водя-
																								ной
	Тепловые	qхн, %	0,0	1,0	0,5			0		0,5		0,5	0,5				0,5			0,5			0,5
		qмн, %	0,5	2,0	3,0			0,5		0		0	0				0			0			0
		qшл, %	0,5	1,0	1,5			2,0		0		0	0				0			0			0
								через		наружные		ограждения
	потери	а) камеры сго-	0,4	0,5	1,0		1,5			2,0		2,5		3,0				3,5			4,0			5,0
		б) камеры сме-	1,5	0,5	1,0		0,4			9,0		10		1,0				0,5			7,0			8,0
		рания qноксг, %
		шания qноксг, %
								Третья		от конца		цифра	1,05
	Коэффициент рас-		1,03	1,05	1,08				1,10		1,12	1,20				1,10			1,12			1,15
	хода окислителя, α
										139

Рекомендуется следующий порядок выполнения расчета:

1)определить и выбрать необходимые для последующих расчетов характеристики топлива (состав топлива, теплота сгорания, теплоемкость);

2)рассчитать теоретический расход окислителя и теоретический выход продуктов полного сгорания топлива;

3)определить температуру газов после камеры сгорания ТК СГ, К;

4)составить уравнение теплового баланса всего процесса и определить на

его основе объем воздуха, необходимый для разбавления продуктов сгорания vВ, м3/кг (м3/м3) топлива;

5) составить материальный баланс процесса и определить на его основе

расход топлива В, кг/с (м3/с), окислителя VОК, м3/с, и воздуха VВ, м3/с;

6) рассчитать состав продуктов сгорания (после камеры сгорания) и энергоносителя (после камеры смешения), % об.

Состав топлива, теплота сгорания, теплоемкость выбирается по справочникам. При отсутствии опытных данных для расчета приближенного значения теплоты сгорания топлива может быть использована эмпирическая формула Д.И. Менделеева:

Qнр = 0,339Ср +1,03Н р − 0,109(Ор − Sорр +к )− 0,0251W р ,

гдеСр ,Н р ,Ор ,Sорр +к ,W р − элементы состава рабочей массы, %.

Низшая теплота сгорания 1 м3 газового топлива, МДж/м3, определяется при нормальных условиях по его составу и теплотам сгорания индивидуальных горючих газов по формуле:

Qнс = 0,01(СО QCO + Н2QH 2 + CH4 QCH 4 + ∑Cm Hn QCm H n + H2S QH 2 S ),

где QCO, QH2, QCH4, QCmHn, QH2S − теплота сгорания соответствующих газов, МДж/м3;

СО, Н2, СН4, СmHn, H2S − содержание соответствующих газов в сухом газовом топливе, % об.

Теоретический расход окислителя для всех видов топлива, м3/кг (м3/м3), определяется исходя из концентрации кислорода в окислителе,

v0	= v0	100	,
ок	О2	Оок
		2

где Оок2 − концентрация кислорода в окислителе, % об.;

v 0О2 − теоретический расход кислорода, необходимый для полного сгорания 1 кг твердого (жидкого) или 1 м3 газообразного топлива, м3/кг (м3/м3).

140

Для твердого (жидкого) топлива конкретного состава, м3/кг,

v0	=1,866		Ср	+ 5,56	Н р	+ 0,7	Sорр +к	−	Ор		,
О2		100			100	100			100ρО0	2

где ρ0О2 =1,428 кг/м3 − плотность кислорода при нормальных условиях. Для газового топлива известного состава, м3/м3,

vO0		Н	2	+ СО		СН	4		n C		m	H	n		H	S			O
	2 = 0,5				+ 2			+ ∑ m +						+1.5	2		−		2	,
			100			100				100					100			100
									4

где Н2, СО, СН4, СmHn, Н2S, О2 − концентрация составляющих газового топлива, % об.

При использовании воздуха в качестве окислителя его теоретический расход, необходимый для полного сгорания кг (м3) топлива, м3/кг (м3/м3), составляет:

vВ0 = vО0 2 10021 = 4,76vO0 2 .

Коэффициент расхода окислителя:

α = vОК = vВ .

vОК0 vВ0

В общем случае для всех видов топлива суммарный выход продуктов полного сгорания, м3/кг (м3/м3), имеет вид

vксг = vCO2 + vSO2 + vN2 + vO2 + vH 2O .

Для твердого и жидкого топлива объемный выход: СО2 при сгорании 1 кг углерода, м3/кг,

= 22.4 =

vCO2 12 1,866 ;

SO2 при сжигании 1 кг серы, м3/кг,

= 22.4 = vCO2 32 0,7 .

141

В практике технологических расчетов принимается

	и	vSO2 + vCO2 =vRO2
						Sорр +к
	vRO2	=1,866		Ср	+ 0,7		.
			100			100

Выход азота при сжигании твердых (жидких) топлив, м3/кг, определяется в зависимости от содержания азота в топливе и окислителе

	vN	=		N p	+ αvo0к	N2ок	,
			100ρ0N 2			100
		2

где ρ0N2 =1,251 − плотность азота при нормальных условиях, кг/м3;

N ок2 − содержание азота в окислителе, % об.

Объемное содержание кислорода в продуктах сгорания, м3/кг,

v	= (α −1)v0	О2ок	.	(*)
O2	ок
	100

Выход водяных паров, м3/кг, определяется из материального баланса реакции горения водорода с учетом влажности рабочей массы топлива и влагосодержания окислителя

vН	О =	Н р	+		W р	+ αvок0 dок	0,001	,
		100ρ0Н2		100ρ0Н2О
2							ρ0Н2О

где ρ0Н2 = 0,089 и ρ0Н2О= 0,804 − соответственно плотность водорода и водяного

пара при нормальных условиях, кг/м3;

dок − влагосодержание окислителя, кг/м3, сухого окислителя.

При сжигании газового топлива выход сухих трехатомных продуктов сгорания (с учетом СО2, содержащегося в исходном газовом топливе), м3/м3, составляет

vRO2 = vCO2 +vSO2 = 0,01(CO + H2S + ∑mCm Hn + CO2 ).

Выход азота, м3/м3, определяется в зависимости от содержания азота в газовом топливе и окисляется с учетом коэффициента расхода окислителя

vN 2 = 0,01(N2 + αvок0 N2ок ).

142

Объемное содержание кислорода в продуктах сгорания газового топлива, м3/м3, находится из выражения (*).

Выход водяных паров, м3/м3, определяется на основе химических реакций горения водородосодержащих компонентов газового топлива с учетом перехода в продукты сгорания влаги, содержащейся в топливе и окислителе

	+ 2CH4 + ∑	n		+ 0,00124(dг + αvок0 dок ),
vH 2O = 0,01 H2		Cm Hn + H2S
		2

где dг − влагосодержание газового топлива, г/м3 сухого газа.

Если в вышеприведенных формулах принять α=1, то определяются теоретические значения выхода продуктов полного сгорания топлива, при этом в продуктах сгорания отсутствует кислород, а объем продуктов сгорания, м3/кг (м3/м3), равен

vксг0 = vRO2 + vN0 2 + vH0 2O .

Выход сухих трехатомных продуктов полного сгорания топлива не зависит от численного значения α.

Температура газов после камеры сгорания определяется из уравнения теплового баланса камеры сгорания, МДж/кг (МДж/м3),

(Q р	+ Q		+ Q	+ Q	расп	)	100 − (qхн + qмн + qшл + qноксг )= Н		ксг	,
н		фт	oк			100
где Нксг = Нксг0		+ (α −1) Нок0 .

В явном виде уравнение баланса камеры сгорания не решается, так как входящие в это уравнение теплоемкости продуктов сгорания сами являются

функцией температуры Тксг. Определить Тксг можно, используя метод последовательных приближений или графоаналитический метод. В последнем случае Тксг определяется следующим образом.

Из уравнения теплового баланса находят

Тксг =

(Qнр + Qфт + Qoк + Qрасп ) [100 − (qхн + qмн + qшл

+ qноксг )]

+ 273 ,

(v

RO2

c

RO2

+ v

N 2

c

N 2

+ v

c

+ v

H 2O

c

H 2O

) 100

O2

O2

иначе

Tксг = Qприх∑−v ∑сQпотерь + 273. ксг ксг

Запишем эту зависимость в виде системы двух функций:

143

	у		=Т		ксг	;
		1					− ∑Qпотерь
	у	2	=	Qприх				+ 273.
					∑vксгсксг

Рис. 39. Графоаналитический метод определения Тксг

Решение задачи относительно Тксг сводится к нахождению условия, при котором у1 = у2. Значения у1 и у2 рассчитываются не менее чем по трем значениям Тксг, близким к ожидаемому. Пример графического решения задачи по

определению Тксг приведен на рис. 39.

В уравнении теплового баланса всего процесса учитываются тепловые потери в камерах сгорания и смешения. Оно имеет вид (на 1 кг или м3 топлива)

(Q р + Q

+ Q

+ Q

)

100 − (qхн + qмн + qшл + qноксг )

+ Q

100 − qноксм

= Н

э

,

н

фт

oк

расп

100

в

100

где Qрасп , Qв − соответственно количество теплоты, внесенное в процесс паром, используемым для распыления мазута, МДж/кг, и воздухом, используемым для разбавления продуктов сгорания, МДж/кг или МДж/м3 топлива.

Количество теплоты, внесенное в процесс воздухом, складывается из теплоты сухого воздуха и водяных паров, содержащихся в воздухе,

			Q = Qс + QН2О,
			в		в		в
где	Qс	= vс	сс(Т	в	− 273);
	в	в	в						(Т		− 273),
	QН2	О = 0,00124vс d				в	с	Н2О		в
	в				в

144

vвс − количество сухого воздуха, необходимое для разбавления продуктов сгорания, м3/кг (м3/м3) топлива;

свс, сН2О − средние в интервале температур от 273 до Тв теплоемкости сухого воздуха и водяных паров, МДж/(м3 К).

Энергоноситель в данном случае представляет собой смесь продуктов полного сгорания топлива, полученных при α=1, избыточного количества сухого окислителя, воздуха, вводимого в процесс при разбавлении продуктов сгорания топлива, и водяных паров, содержащихся в избыточном окислителе и воздухе. Поэтому его энтальпия, МДж/кг (МДж/м3),

Нэ = Нксг0 + (α −1)Нок0 + Нв .

Энтальпия теоретического количества продуктов сгорания топлива в энергоносителе Н0ксг , МДж/кг (МДж/м3), рассчитывается по формуле

Нксг0 = (vRO2 cRO2 + vN 2 cN 2 + vH 2O cH 2O ) (Tэ − 273),

где сRO2 допускается принять равной сCO2 .

Величина (α-1) Н0ок − энтальпия избыточного (сверх теоретически необ-

ходимого) количества окислителя, поступающего с дымовыми газами из камеры сгорания в камеру смешения

Нок0 = Нсух0

ок + НН0

2О = (vок0 сок + 0,00124 vок0 dоксН2О ) (Тэ − 273),

где сок, сН2О − средние в интервале температур от 273 до Тэ, К, объемные теп-

лоемкости соответственно сухого окислителя и водяных паров, МДж/(м3 К). Энтальпия воздуха в камере смешения Нв, МДж/м3, рассчитывается при

Тэ, К,

Нв = vвс(свс + 0,00124 dвсН2О ) (Тэ − 273).

Подставив в уравнение теплового баланса найденные и заданные значения параметров, следует определить v св и удельный расход воздуха, необходимый для разбавления продуктов сгорания, м3/кг (м3/м3),

vв = vвс + 0,00124 dвvвс .

Определение расхода топлива В производится путем решения уравнения материального баланса процесса получения заданного количества энергоносителя после камеры смешения, выраженного через объемные расходы составляющих отходящих газов.

145

Секундный расход энергоносителя, м3/с, определяется по формуле

Vэ =Vксг0 +Vок изб +Vв,

где V 0ксг− секундный расход продуктов сгорания, м3/с, образующихся при сжигании В с коэффициентом расхода окислителя α=1;

Vок изб, Vв − секундные расходы соответственно избыточного окислителя и воздуха, м3/с.

Все указанные расходы могут быть выражены через расход топлива:

Vксг0 = vксг0 В;

Vок изб =Vокc изб +VокН2Оизб ,

где V сок изб − расход избыточного сухого окислителя, м3/с;

V окН2Оизб − объем водяных паров в избыточном окислителе, м3/с,

V с	= (α −1) v0	В;
ок изб	ок

VокН2Оизб = 0,00124 vок0 dокВ;

Vв = vвВ.

При известном (по заданию) Vэ и найденных Vкгс, Vок изб и Vв определяется секундный расход топлива, необходимый для получения заданного количества энергоносителя.

Секундный расход окислителя, м3/с, определяется по найденному В

Vок = αvок0 В(1 + 0,00124dок ).

Суммарный объем продуктов сгорания равен 100 %, тогда процентный состав продуктов сгорания, % об., равен

RO

=

vRO2

100;

O =

vO2

100;

2

vкгс

2

vкгс

N2 =

vN

2

100;

Н2О =

vН

О

100.

2

vкгс

vкгс

146