ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ» 1 страница

Стр 1 из 11Следующая ⇒

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический

университет»

Машиностроительный институт

Кафедра автоматизации и технологии литейных процессов

ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ»

для студентов всех форм обучения

направления подготовки 051000.62 Профессиональное обучение (по отраслям)

профиля подготовки «Металлургия»

профилизации «Технология и менеджмент

в металлургических производствах»

Екатеринбург

РГППУ

2013

Задания и методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Основы теплотехники» Екатеринбург, ФГАОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. универ-т», 2013. 46 с.

Составитель: ст. преподаватель М. Н. Камаев

Одобрены на заседании кафедры автоматизации и технологии литейного производства. Протокол от 24 января 2013, № 5.

Заведующий кафедрой

канд. техн. наук, доцент Ю. И. Категоренко

Рекомендованы к печати методической комиссией Машиностроительного института. Протокол от 13 февраля 2013, № 6.

Председатель

методической комиссии МаИ РГППУ А.В.Песков

© ©	ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально -педагогический университет», 2013 Камаев М.Н., 2013

ВВЕДЕНИЕ

Каждая высокотемпературная технология формирует особые требования к характеристикам применяемых видов топлива, что диктуется соображениями получения качественной продукции и технико-экономическими показателями соответствующей технологии. Отсюда необходимость всестороннего изучения свойств и характеристик различных видов топлива в условиях их промышленного использования. Эти сведения служат исходными данными для любого теплотехнического анализа процесса горения топлива.

Полученные характеристики горения топлива служат базовыми для составления тепловых балансов промышленных печей и различных тепловых агрегатов. Для расчетов режимов плавления и нагрева металла, режимных и конструктивных параметров устройств для утилизации теплоты отходящих продуктов горения, устройств, обеспечивающих подачу воздуха, необходимого для горения топлива (вентиляторы, воздуходувки, инжекторы), и эвакуацию продуктов горения (дымовые трубы, эжекторы, дымососы). Кроме того, количество и состав продуктов горения топлива во многом определяют степень экологической опасности выбросов в атмосферу.

Топливо представляет собой горючее вещество, при окислении (горении) которого выделяется сравнительно большое количество тепловой энергии, используемой в металлургических технологиях для нагрева и плавления металлов и сплавов, нагрева жидких и газообразных сред и в других целях. Процесс, сопровождающийся окислением горючих компонентов различных видов топлива, назван сжиганием.

Топливо должно удовлетворять ряду дополнительных признаков: наличию горючего вещества в топливе в количестве, которое способно обеспечить его использование в качестве источника тепловой энергии; возможностью управления процессом сжигания; газообразным состоянием продуктов горения, образующихся при сжигании топлива, что существенно облегчает организацию их транспорта от теплового агрегата в окружающую среду; наличием в топливе и в продуктах его горения относительно малого количества вредных веществ, представляющих угрозу загрязнению окружающей среды, а также способности сохранять свои энергетические свойства при длительном хранении и транспортировке.

Перечисленным признакам удовлетворяют горючие вещества органического происхождения, содержащиеся в угле, нефти, природном и попутном газах. Этим же признакам удовлетворяют и некоторые виды побочных продуктов различных технологий, в частности, металлургического производства - доменный и коксовый газы. Последние, по существу, относятся также к органическим видам топлива, так как являются производными технологических процессов, использующих каменный уголь или продукты его термического разложения.

На практике довольно часто для получения тепловой энергии используют не один вид топлива (природный газ, мазут, каменный уголь и т.п.), а одновременно несколько, которые формируют, так называемое, комбинированное топливо, состоящее из двух-трех видов, что диктуется технологическими требованиями. Так, на металлургических заводах широко применяют двойные смеси коксового и доменного газов, природного и доменного, природного и коксового, а иногда и тройные - природного, доменного и коксового газов. Часто с целью повышения радиационных характеристик факела газообразное топливо сжигают совместно с мазутом (газо-мазутные смеси).

1. РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Характеристики процесса горения определяют для достижения следующих целей:

- получение данных для расчета и оценки аэродинамического сопротивления трубопроводов подачи воздуха к топливосжигающим устройствам. Эти данные необходимы для подбора дутьевых средств – вентиляторов, воздуходувок, инжекторов и т.п.;

- получение данных для расчета дымовых каналов, предназначенных для удаления из рабочего пространства печи или теплового агрегата продуктов горения топлива, и определения газодинамического сопротивления на пути движения продуктов горения. Эти данные обычно используются для выбора и расчета дымовых труб, дымососов, эжекторов, обеспечивающих эвакуацию продуктов горения в атмосферу или в установки улавливания пыли, обезвреживания и утилизации газовых компонентов;

- получение данных о составе продуктов горения, необходимых для расчета тепло – и массообменных процессов в рабочем пространстве металлургических печей и других высокотемпературных тепловых агрегатах;

- получение данных о теплоте сгорания топлива. Эти данные используются в расчетах тепловых балансов процесса горения;

- получение данных о температуре горения топлива для анализа условий, обеспечивающих реализацию металлургических технологий;

- получение данных для определения путей коррекции температур горения за счет применения смесей различных видов топлива, нагретых газовых сред (воздуха и газа) или организации рециркуляции продуктов горения.

Основу расчета процесса горения топлива составляют законы сохранения веществ и энергии, а выражения, которые используются для расчетов, получены в результате решения уравнений материальных и тепловых балансов процессов горения топлива. Все расчеты, служащие достижению перечисленных выше целей, могут быть выполнены по данным элементарного анализа участвующих в процессах горения веществ на основании стехиометрических соотношений соответствующих химических реакций горения этих веществ.

Методики расчета процесса горения любого вида топлива предназначены для определения основных характеристик этого процесса. Такими характеристиками являются:

1. Объем кислорода, необходимый для полного окисления горючих компонентов топлива в соответствии с реакциями горения – ;

2. Теоретические расходы (α = 1,0) сухого L_α и влажного воздуха, учитывающие степень обогащения его кислородом;

3. Практические расходы (α > 1,0) сухого L_α и влажного воздуха, учитывающих условия сжигания топлива при конкретном коэффициенте избытка воздуха;

4. Выход и состав продуктов горения при теоретических (α = 1,0) и практических (α > 1,0) условиях сжигания топлива;

5. Теплота сгорания топлива, состав которого соответствует рабочему состоянию;

6. Теоретические и балансовые температуры горения.

Перечисленные характеристики позволяют решать многие задачи использования топлива в металлургии. Для некоторых, наиболее часто встречающихся, задач в следующих разделе приведены примеры расчетов горения различных видов топлива и их смесей.

Закон сохранение энергии использован при расчете температур горения того или иного вида топлива.

Исходными данными для расчетов процесса горения являются вид топлива, конструкции топливосжигающего устройства, влияющая на выбор величины коэффициента избытка воздуха и допустимого топлива, а также температуры подогрева воздуха и топлива.

1.1. Аналитический метод расчета процесса горения газообразного топлива

Обычно газ, который используют для осуществления промышленных технологий, является влажным. Состав влажного газа может быть, в общем случае, представлен следующим образом:

Поскольку химический состав газообразного топлива приводится на сухую массу, тонеобходимо пересчитать его состав на рабочую (влажную) массу.

При полном горении газа этого состава в атмосферном воздухе протекают реакции:

1.1

Приведенные стехиометрические соотношения позволяют определять объемы кислорода по каждой реакции горения, необходимые для обеспечения полного горения. Так, например, для окисления объема оксида углерода требуется кислорода по объему в 2 раза меньше, т.е. 0,5 по отношению к содержанию . Такое же соотношение справедливо и при окислении водорода. При сжигании метана, сероводорода и тяжелых углеводородов подобные соотношения составляют соответственно 2,0; 1,5 и Таким образом, выражение, с помощью которого можно рассчитать объем кислорода, необходимого для полного окисления горючих компонентов газообразного топлива, принимает вид:

м³ О₂/м³ газа.

(1.2)

Здесь коэффициент 0,01 учитывает переход от оценки компонентов газообразного топлива в процентах к объемным долям их содержания в 1 м³ топлива.

Далее могут быть рассчитаны расходы сухого и влажного воздуха, обеспечивающие полное сжигание газообразного топлива в теоретических условиях, т.е. при α=1,0. Для сухого воздуха:

сух. возд/м³газа.

(1.3)

Здесь первое слагаемое учитывает количество кислорода, а второе – количество азота через степень обогащения воздуха кислородом. Для обычного воздуха :

, м³ сух. возд/м³ газа;

(1.3’)

Для влажного воздуха:

м³ влажн. возд/м³ газа

(1.4)

В этом выражении первое слагаемое отражает объем сухого воздуха, второе – объем влаги, вносимой в соответствии с влагосодержанием воздуха, отнесенным к сухому воздуху.

В практических условиях, т.е. при α > 1,0:

расход сухого воздуха:

м³ сух. возд/м³ газа,

(1.5)

расход влажного воздуха:

м³ влажн. возд/м³ газа

(1.6)

Для определения выхода продуктов горения используются те же стехнометрические соотношения приведенных выше реакций горения (1.1).

Выход продуктов горения – V₀, в общем случае горения газа в теоретических условиях (когда α=1,0) представляет собой сумму объемов оксидов водяного пара - , источниками которого являются продукты горения водорода, собственно водяной пар, содержащийся в самом газообразном топливе, и водяной пар, находящийся в воздухе. Азот в продукты горения поступает вместе с кислородом воздуха, а также и как возможный компонент газообразного топлива. Следовательно, можно записать:

(1.7)

Слагаемые этого выражения раскрываются в результате анализа тех же стехиометрических соотношений реакций горения, которые были приведены выше. В итоге получаем:

);	(1.8)
	(1.9)
	(1.10)
	(1.11)

Состав продуктов горения для этих условий будет следующим:


;	(1.12)

При проверке правильности роста сумма этих слагаемых должна составлять 100%.

В практических условиях горения, когда коэффициент избытка воздуха α > 1,0, для определения выхода продуктов горения – целесообразно использовать данные, полученные в результате расчетов для Для условий α > 1,0 возрастает лишь на величину объема избыточного влажного воздуха, при этом сохраняться неизменными объемы образующихся оксидов и , т.е так как эти объемы не зависят от величины коэффициента избытка воздуха.

В условиях, когда α > 1,0 за счет избыточного воздуха в продуктах горения:

– увеличится количество влаги за счет того объема, который вносится избыточным воздухом;

– увеличится по той же причине количество азота;

– появится избыточный кислород и его объем будет тем больше, чем выше будет значение коэффициента избытка воздуха.

Отмеченное позволяет записать выражение для определения в виде:

(1.13)

и затем определить значение каждого слагаемого. Итак, имеем:




	(1.14)

Состав продуктов горения для этого случая α > 1,0 может быть определен с использованием формулы:

(1.15)

где относится к тому или иному компоненту продуктов горения.

Рассмотренные характеристики процесса горения как итоговые обычно используют также для определения температурных параметров процесса горения.

1.2. Аналитический метод расчета процесса горения жидкого и твердого топлива

Для расчета процесса горения жидких и твердых видов топлива, в первую очередь, необходимо определить состав рабочего топлива, используя для этого сведения об анализе топлива и формулы пересчета (см. табл. 3.4). В результате определения рабочий состав будет представлен в виде

Полное горение жидких и твердых видов топлива предполагает окисление горючих компонентов по следующим реакциям:

(1.16)

При составлении материального баланса процесса окисления отдельных горючих компонентов следует иметь в виду различие физического состояния веществ, участвующих в горении: содержания углерода, водорода, серы, азота, кислорода и влаги для жидкого и твердого состояния топлива обычно характеризуются процентами по массе, а окислитель (кислород), находящийся в газообразном состоянии, - процентами по объему. Анализ реакций горения позволяет это различие учесть.

В соответствии с реакцией полного горения углерода для окисления одного моля углерода массой 12 кг следует затратить один моль кислорода, имеющий объем 22,4 м³. Таким образом, на окисление 1 кг углерода расход кислорода составит 22,4 : 12 = 1,867 м³ С. Для окисления углерода в количестве, которое соответствует содержанию этого компонента в жидком и твердом топливе, потребуется кислорода:

(1.17)

Поступая аналогичным образом, можно определить, что для окисления двух молей водорода массой 4 кг необходимо подвести для полного горения один моль кислорода, а для сжигания 1 кг водорода 22,4 : 4 = 5,6 м³ при этом для окисления водорода в соответствии с его содержанием в топливе Н^р потребуется кислорода:

(1.18)

Для окисления серы аналогично 22,4 : 32= 0,7 м³ Здесь 32 масса одного моля серы в кг. В итоге:

(1.19)

Необходимо учесть, что кислород топлива О^р может либо участвовать в реакциях окисления, либо уже связан с горючими компонентами. При массе одного моля О₂, равной 32 кг, объем 1 кг О₂ составит 22,4 : 32 = 0,7 О или при содержании кислорода в топливе в количестве О^р:

(1.20)

Это количество кислорода должно быть вычтено из общего количества, необходимого для окисления углерода, водорода и серы.

Используя полученные сведения, можно составить уравнение материального баланса процесса горения и определить количество кислорода, необходимого для полного окисления горючих компонентов жидкого и твердого топлива –

Таким уравнением является:

(1.21)

С учетом выражений (1.17) – (1.21) получим:

(1.22)

Далее могут быть рассчитаны расходы сухого и влажного воздуха, обеспечивающих полное сжигание жидкого и твердого топлива в теоретических условиях, когда по выражениям (1.3) и (1.4), а также и в практических условиях, т.е. при α > 1,0, по выражениям (1.5) и (1.6).

В общем случае горения жидкого и твердого топлива в теоретических условиях, когда , выход продуктов горения – V₀ представляет собой сумму объемов оксидов , водяного пара, источниками которого являются продукты горения водорода, влага топлива и влага воздуха (дутья). Кроме того, в случае сжигания жидкого топлива его предварительно распыляют с помощью форсунок, используя для этой цели либо сжатый воздух, то после распыления его кислород участвует в процессах окисления горючих составляющих топлива. Если же для распыления, он смешивается с продуктами горения, увеличивая в них содержание водяного пара. При распылении жидкого топлива паром его расход характеризуется величиной равной массе водяного пара – М_пар, отнесенной к 100 кг жидкого топлива и выраженной в процентах. Таким образом:

Азот в продукты полного горения жидкого и твердого топлива поступает и с топливом, и с кислородом воздуха.

Следовательно, суммарный объем продуктов полного горения будет равен:

(1.23)

Отдельные слагаемые уравнения (1.23) будут:

из реакции окисления углерода следует, что из одного моля углерода массой 12 кг образуется один моль объемом 22,4 м³, т.е. в результате окисления 1 кг углерода образуется 22,4 : 12 = 1,867 м³ диоксида углерода, а объем будет равен:

(1.24)

Объем диоксида серы – может быть рассчитан аналогичным образом. Тогда:

(1.25)

Объем водяных паров – , может быть найден из анализа реакции окисления водорода и поступления паров воды с воздушным дутьем, а также из топлива и с распылителем.

Так, при окислении одного моля водорода массой 2 кг образуется один моль водяных паров объемом 22,4 м³. Тогда в результате окисления 1 кг водорода образуется 22,4 : 2 = 11,2 м³ водяного пара:

(1.26)

При испарении влаги топлива и распылителя из одного моля воды массой 18 кг образуется один моль пара объемом 22,4 м³. Тогда объем 1 кг влаги составит 22,4/18 = 1,244 м³ влаги, а объем влаги от указанных источников будет равен:

(1.27)

Объем водяных паров, вносимых воздушным дутьем, составит:

(1.28)

Общий объем водяных паров в продуктах полного горения равен:

(1.29)

Объем азота – в продуктах полного горения твердых и жидких видов топлива складывается из двух источников: азота, содержащегося в топливе и азота, поступающего с атмосферным воздухом или обогащенным кислородом дутьем. Объем 1 кг азота может быть найден по массе его моля (28 кг) и объему моля (22,4 м³), т.е. 22,4 : 28 = 0,8 тогда для азота топлива:

(1.30)

Общий объем азота в продуктах горения с учетом азота, содержащегося в атмосферном воздухе (второе слагаемое), составит:

(1.31)

Для расчета выхода продуктов горения при α > 1,0 следует воспользоваться формулой (1.13), слагаемые которой определяются по выражениям (1.24), (1.25) либо с помощью (1.14) для

Составы продуктов полного горения при теоретических условиях (α = 1,0) и практических условиях горения могут быть найдены с использованием формулы (1.15).

1.3. Приближенный метод расчета процесса горения топлива

Для решения ряда инженерных задач, таких, как, например, получение данных для расчета и выбора тягодутьевых средств, отсутствует необходимость в определении состава топлива, а также состава продуктов горения. В подобных случаях достаточно располагать сведениями о теплоте сгорания топлива и ограничиться определением расхода воздуха, необходимого для горения - и выходом продуктов горения - . Для этого можно воспользоваться приближенным методом, разработанным проф. С.Г. Тройбом, которому удалось установить относительно простые связи между теплотой сгорания топлива и указанными величинами, а также учесть специфику видов топлива. При анализе расчетов процесса горения было также установлено постоянство разности между выходом продуктов горения и расходом воздуха, необходимого для горения, - , причем величина этой разности не зависит от коэффициента избытка воздуха.

Для определения расхода воздуха, необходимого для полного горения 1 м³ или 1 кг топлива в теоретических условиях (при рекомендуется выражение:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒