Дата захисту 10.12.2009

Дата захисту 10. 12. 2009

Керівник роботи професор Парахин Н. Ф.

асистент Дробишевська І. П.

Дані для розрахунку:

1. Дифузійний пальник:

Склад коксового газу, %:

СО; Н₂; СО₂; N₂; СН₄

Коефіцієнт витрати повітря α

Теплова потужність пальника Qг

Температура газу t_г

Зміст вологи в газі W

Дані для перерахунку газопальникового пристрою:

Теплота згоряння газу

Тиск газу перед пальником Р_г

Щільність газу r_г

2. Кінетичний пальник:

Склад газу, %:

СН₄; С₃Н₈; С₄Н₁₀; N₂; O₂; CO₂

Коефіцієнт витрати повітря α

Теплова потужність пальника Q_г

Температура газу t_г

Зміст вологи в газі W

Дані для перерахунку газопальникового пристрою:

Теплота згоряння газу

Тиск газу перед пальником Рг

Щільність газу r_Г

3. Конверсія: (одержати захисне середовище)

Газ – С_mН_n

Коефіцієнт витрати повітря a (для повітряної конверсії) або k (для кисневої конверсії)

Орієнтована температура конверсії t_КОН =…. ⁰C

ВСТУП

Одним з напрямків поліпшення показників паливно-енергетичного балансу України є розробка нетрадиційних способів одержання теплової енергії, а також поліпшення техніко-економічних показників, що існують, традиційних способів одержання тепла. Основним джерелом енергії є органічне тверде і газоподібне паливо, що складає більш 80% від усіх споживаних енергоресурсів. Видобуток корисних копалин досяг величезних розмірів і за прогнозами людству вистачить органічного палива не більше ніж на 150 років. Запаси нафти і газу будуть вичерпані раніш, ніж вугілля. Великого значення набувають види палива, одержувані зі штучних вугіль. Тому необхідна розробка нових і ретельний вибір існуючих конструкцій пристроїв, що спалюють, і теплотехнічних ресурсів палива.

Серед найважливіших проблем, поставлених наукою і практикою, особливе місце займає проблема повного і якісного спалювання органічного палива для забезпечення заданої продуктивності теплотехнічної установки. В даний час пальником називають пристрій для введення в камеру згоряння газу і повітря одночасно, а також пристрою для попереднього їхнього перемішування. Пальник потрібно вибирати з урахуванням конкретних умов їхньої роботи на визначеному агрегаті. У характеристики пальників включають дані по габаритах, необхідним тискам газу і повітря при заданих витратах, а також зведення про будівлю факелу, що утвориться, що дозволяють визначати його границю і тепловіддачу. Узгодження характеристик пальників і вимог до них на конкретному апараті ускладнено відсутністю характеристик факелу пальників, застосовуваних у промисловості, а іноді і невизначеністю вимог. Факел – це окремий випадок полум'я, коли паливо і повітря надходять у робочий простір у виді струменів, що поступово перемішуються один з одним і згоряють. Форма і довжина факелу звичайно цілком визначена і відповідає формі і довжині робочого простору печі.

1. РОЗРАХУНОК ДИФУЗІЙНОГО ПАЛЬНИКА

1. 1 Опис дифузійного пальника

Дифузійні пальники знайшли широке застосування в різних теплотехнічних агрегатах. У пальниках такого типу все повітря, що йде на горіння, подається чи вентилятором надходить з навколишнього середовища. Схема дифузiйного пальника, основні переваги, недоліки, та область застосування приведені на рисунку 1.

1. 2 Розрахунок горіння коксового газу.

Розрахунок горіння палива виробляється за методикою, описаною в роботі [1]. Визначення робочого складу палива виробляється за допомогою коефіцієнта перерахунку із сухого складу газу на робочий склад

Робочий склад газу, %:

Теплота згоряння коксового газу,

Теоретично необхідна кількість повітря для спалювання газу:

Теоретично необхідна кількість вологого повітря для спалювання газу:

де d_В – вологовміст сухого повітря, г/м³.

Дійсна витрата сухого повітря

Дійсна витрата вологого повітря:

де a - коефіцієнт витрати повітря.

Визначення кількості продуктів згоряння при спалюванні 1 м³ газу

де - обсяг продуктів згоряння, м³ диму/м³ газу.

;

де N₂^T, N₂ – содержание азота в газе и в воздухе, %

Склад продуктів горіння, %:

Для оцінки точності розрахунку прораховується матеріальний баланс процесу горіння.

де відповідно маси газу, повітря і продуктів горіння, кг

де щільності газу, повітря і продуктів горіння, кг/м³

де - щільність, кг/м³;

Мсо₂, Мн₂о - відповідно молекулярні маси.

Для визначення щільності вологого повітря знаходимо його склад

_______________________

Щільність повітря; кг/м³

Щільність газу; кг/м³

Маса газу

Щільність продуктів горіння; кг/м³

Маса продуктів горіння газу

Нев'язання балансу:

Розрахунок горіння палива виконаний з достатньою точністю.

1. 3 Розрахунок витрати газу і повітря. Визначення температури суміші

Витрата газу на пальник,

де теплота згоряння палива, кДж/м³;

теплова потужність пальника, кВт (МВт)

Витрата повітря для спалювання газу,

Щільність і витрата газу і повітря при робочих умовах

Дійсні масові витрати газу і повітря,

Температура суміші визначається методом послідовних наближень

де відповідно ентальпii суміші, газу і повітря, .

де ентальпii компонентів газу, взятих при температурі газу,

Приймаємо температуру суміші

Теплоємність газу і повітря при температурі суміші :

Тому що , то остаточно температуру суміші приймаємо рівною 19 °С.

Визначаємо витрату суміші,

Щільність суміші,

1. 4 Розрахунок повітряного каналу пальника

Вибір колектора чи підведення повітря виробляється по економічно доцільній масовій швидкості: . Приймаємо rW=…

Швидкість повітря .

Перетин повітряного каналу

З іншої сторони .

Діаметр кратера пальника

Приймаємо

Приймаємо тиск повітря , тоді .

З іншої сторони

де опір конфузора ,

b =30° - центральний кут конфузора.

Швидкість суміші, м/с

По швидкості суміші і витраті суміші визначаємо площу перетину кратера, м²

Тоді діаметр кратера .

Прийняте значення діаметра кратера відповідає розрахунковому, тобто перерахунок не потрібний.

1. 5 Розрахунок газовипускних отворів

Оптимальна глибина проникнення газових струменів у повітряний потік (при периферійній подачі газу), м

Тоді - периферійна подача газу; - центральна подача газу

Оптимальна кількість отворів буде при .

Приймаємо , тоді оптимальне число отворів буде дорівнювати

По формулі Іванова діаметр газовипускних отворів, м

де коефіцієнт, що враховує вплив кроку між отворами на величину h, попередньо приймаємо ;

коефіцієнт, що враховує вплив на величину h кута атаки газового струменя, ;

коефіцієнт, що враховує збільшення швидкості потоку, що зносить, через присадку газу ;

коефіцієнт стиснення струменя при витiканнi з отвору, м³/с.

Крок між отворами .

- периферійна подача газу;

- центральна подача газу

Тому що розрахунковий збігається з прийнятим, то вважаємо, що розрахунок виконаний з достатньою точністю.

Швидкість витікання газу, м/с

Максимальна швидкість витікання газу при Рг > 10000 Па визначається по формулі, м/с

де - коефіцієнт швидкості, що враховує втрати при переході механічної енергії в теплову;

k – показник адіабати, для газу, k

Ра – абсолютний тиск газу, Па;

де тиск середовища, Па;

надлишковий тиск газу, Па.

Тому що , то розташовуваний тиск газу перед пальником забезпечує необхідну швидкість його витікання з газовипускних отворів.

1. 6 Визначення розмірів газового колектора

Сумарна площа отворів

, т. к

При однобічній подачі газу для того, щоб нерівномірність розподілу газу по газовипускних отворах була 10 – 12%, відношення повинне дорівнювати: при односторонньому підводу газу,

При двосторонньому підводу газу,

Тоді .

Діаметр газового патрубка, м

Довжина газового колектора:

Внутрішній діаметр газового колектора, м

Ширина колектора, м

1. 7 Визначення можливого відриву полум'я від пальника

Вiдрив полум’я вiд пальника при холодному повiтрi, м/с

де номінальна швидкість поширення полум'я, м/с.

а – коефіцієнт температуропроводності. Для повітря .

де швидкість поширення фронту полум'я для чистих газів, м/с.

зміст даного газу в суміші, %.

Вiдрив полум’я вiд пальника при підігрiвi повiтря

Тому що , те відриву полум'я від пальника не буде.

При збагачуваннi повiтря киснем, W_В_I_Д.

де Т – температура підігріву повітря, К;

Т₀ - температура холодного повітря, К;

- збагачування повітря киснем

- звичайне повітря

1. 8 Робота пальника в нерозрахованих умовах

Робота газових пальників будь-яких типів не буде порушена при рівності чисел Воббе основного і газу, що заміняє. Число Воббе визначається по формулі:

, .

Тому що числа Воббе відрізняються на припустиму величину, то при перекладі газопальникового пристрою з основного газу на повний перерахунок, що заміняє, ГГУ робити не потрібно, а перераховується тільки діаметр газового сопла, м

1. 9 Розрахунок довжини факелу пальника

Довжина факелу пальника визначається за методикою, описаною в роботі [3, с. 275], м

де середня швидкість витікання суміші із сопла пальника, м/с;

середня швидкість поширення фронту полум'я, м/с;

d – діаметр сопла, м.

1. 10 Вибір вентилятора і димососа

Для вибору вентилятора приймаємо втрати тиску в повітряному тракті Р_п Па. Для надійності беремо запас потужності 20%, тоді повний тиск, що повинний створити вентилятор

Годинна витрата повітря,

З урахуванням запасу потужності продуктивності,

Вибираємо вентилятор ВД-6, що має наступні характеристики: продуктивність – 6800 м³/год, повний тиск – 9, 8 кПа, частота обертання – 970 об/хв.

Для вибору димососа сумарні втрати тиску приймаємо рівними 500 Па. Розрахункове розрядження, яке необхідно створити димососом

Продуктивність димососа,

де К=1, 2¸ 1, 4 – коефіцієнт запасу

Вибираємо по Нр і Vдим димосос Д-9, що має наступні характеристики: продуктивність – 18000 м³/год, повний тиск – 4, 3 кПа, частота обертання – 730 об/хв.

2 РОЗРАХУНОК КІНЕТИЧНОГО ПАЛЬНИКА

2. 1 Опис кінетичного пальника

Кінетичні пальники – це пальники з повним попереднім змішанням. Вони забезпечують повне попереднє змішання палива з повітрям, необхідним для повного спалювання палива, при найменшому, у порівнянні з пальниками інших типів, коефіцієнті витрати повітря. Тому пальники з попереднім змішанням при аналогічному паливі забезпечують найвищу температуру горіння.

Пальники подібного типу застосовують при спалюванні газу з низькою теплотою згоряння й у тих випадках, коли необхідно нагрівати метал з великою швидкістю. Їх доцільно використовувати також при спалюванні палива, що не дає світного полум'я. Такі пальники забезпечують концентроване виділення тепла в порівняно невеликому обсязі, дають короткий факел і створюють зону досить високих температур поблизу пальника.

Кінетичні пальники доцільно застосовувати при необхідності рівномірного нагрівання і розсереджених дрібних пальників. У цьому випадку відпадає необхідність в установці вентиляторів, повітреводів і пристроїв для регулювання подачі повітря.

Основні переваги, недоліки та область застосування, конструкція пальника представлені на рисунку 2.

2. 2 Розрахунок горіння палива

Паливо – люба суміш (пропан-бутанова чи друга).

Визначення робочого складу палива виробляється за допомогою коефіцієнта перерахунку із сухого складу газу на робочий склад:

Робочий склад газу, %:

Теплота згоряння газу

Теоретично необхідна кількість повітря для спалювання газу

Теоретично необхідна кількість вологого повітря для спалювання газу

де d_В – вологовміст сухого повітря, г/м³, при t=20 ⁰C дорівнює 18, 9⁰C

Дійсна витрата сухого повітря

Дійсна витрата вологого повітря

де a - коефіцієнт витрати повітря.

Визначення кількості продуктів згоряння при спалюванні 1 м³ газу.

де - обсяг продуктів горіння, м³ диму /м³ газу.

Склад продуктів горіння, %

Для оцінки точності розрахунку прораховується матеріальний баланс процесу горіння.

де відповідно маси газу, повітря і продуктів горіння, кг

де щільності газу, повітря і продуктів горіння.

де - щільність, кг/м³;

Мсо₂, Мн₂о - відповідно молекулярні маси.

Для визначення щільності повітря знаходимо його склад:

____________________

Щільність повітря,

Щільність газу

Маса газу,

Щільність продуктів горіння:

Маса продуктів горіння газу

Нев'язання балансу:

Розрахунок горіння палива виконаний з достатньою точністю.

2. 3 Розрахунок витрати газу і повітря. Визначення температури суміші

Витрата газу на пальник

де теплота згоряння палива, кДж/м³;

теплова потужність пальника, кВт (МВт);

Витрата повітря для спалювання газу

Щільність (кг/м³) і витрата газу і повітря (м³/с) при робочих умовах

Дійсні масові витрати газу і повітря, кг/с

Температура суміші визначається методом послідовних наближень.

де відповідно ентальпіі суміші, газу і повітря, .

де ентальпіі компонентів газу, узятих при температурі газу,

Приймаємо температуру суміші

Теплоємність газу і повітря при температурі суміші

Тому що , то остаточно температуру суміші приймаємо рівною 20°С.

Визначаємо витрата суміші

Щільність суміші, кг/м³

2. 4 Визначення конструктивних розмірів пальника

Об'ємний коефіцієнт інжекції

де коефіцієнт первинної витрати повітря.

Швидкість витікання газу, м/с

Площа газового сопла, м²

Діаметр газового сопла, м

Діаметр змішувача, м

де сумарний коефіцієнт опору по тракті пальника.

Діаметр вхідного отвору для повітря, м

Діаметр кратера пальника, м

Діаметр вхідного перетину дифузора для пальників низького тиску, м

Довжина конфузора, м

Довжина змішувача, м .

Довжина дифузора:, м

Довжина конфузора, м

2. 5 Визначення можливості проскакування і відриву полум'я від пальника.

Швидкість проскоку полум'я при холодному повітрі

де номінальна швидкість поширення полум'я, м/с;

а – коефіцієнт температуропроводності; - як для повітря

де швидкість поширення фронту полум'я для чистих газів, м/с;

зміст даного газу в суміші, %;

- поправка на баласт

Швидкість проскоку при підігріві повітря

Швидкість витікання суміші з пальника:

Тому що , то проскакування полум'я в пальник не буде.

Тому що , то відрив полум'я від пальника буде.

Швидкість проектування при збагачуванні повітря киснем:

Швидкість відриву полум'я розраховується також як і дифузійного пальника

2. 6 Робота пальника в нерозрахованих умовах.

У практиці проектування і експлуатаціі газових пальників нерідко доводиться стикатися з необхідністю перерахунку їх в зв’язку з переходом на інший газ.

Робота пальників на іншому газі з параметрами газу , відмінними від розрахункових, приводить до зміни їх теплової потужності і може привести до погіршення якості спалення.

Коливання теплоти згоряння газу на 10% помітно впливає на показники процесу горіння. Найчастіше в практиці має місце зміна тиску газу, але бувають випадки, коли необхідно перевести тепловий агрегат на опалювання з одного виду газу на інший. При цьому для того, щоб зберегти продуктивність пальника, необхідно змінити його вихідний перетин або тиск газу перед соплом. Робота газових пальників будь яких типів не буде порушена при рівності чисел Воббе основного газу і газу, що замінюється. Число Воббе – відношення теплоти згоряння газу (Q_н^р) до кореня квадратного з його щільності

Можливі наступні варіанти:

- зміна тиску газу

де d, d’ – існуючий та розрахунковий діаметри пальника, м;

Р, Р’ – тиск основного газу і газу, що замінюється, Па;

- перехід на інший газ, тобто змінюються параметри газу (Q_н^р, Р, r)

де Q_н^рі (Q_н^р)’ – теплота згоряння основного газу і газу, що змінюється, кДж, м³;

r, r’ – відповідно щільність газу, кг/м³.

- змінюється теплота згоряння і щільність газу, тиск не змінюється

- змінюються Q_н^р і r газу при збереженні діаметра пальника необхідно змінити тиск газу перед соплом

2. 7 Розрахунок довжини факелу пальника.

Довжина факелу пальника визначається за методикою, описаної в роботі [3, с. 268], м

де d₀ – діаметр газового сопла, м;

- теоретично необхідна кількість повітря для спалення 1 м³ газу, м³/м³;

i_в=26 кДж/кг – ентальпія повітря при 20 ⁰С;

, – щільність повітря та газу при нормальних умовах, кДж/кг;

- теплота згоряння газу, кДж/кг.

Б. І. Китаєв і П. В. Левченко рекомендують формулу для видимої довжини палаючого турбулентного факела

де W_Г – швидкість газу з сопла, м/с;

d₀ – діаметр сопла, м;

- коефіцієнт, залежний від теплоти згоряння газу.

По даним Є. І. Казанцева та І. Д. Семікіна довжина турбулентного факелу при спалюванні різних газових сумішей в рухаємому повітрі, може бути визначена

3. РОЗРАХУНОК ПОВІТРЯНОЇ КОНВЕРСІЇ

3. 1 Опис процесу конверсії

Конверсія – перетворення, що відбувається з углеводним газоподібним паливом під дією температури, у присутності окислювача (повітря, кисень, пара, вуглекислий газ і їхньої суміші) з метою одержання газу з визначеними властивостями. Конверсія вуглеводнів застосовується для одержання захисних середовищ у нагрівальних і термічних печах, а також у металургії для одержання захисних газів.

У процесі конверсії в присутності окислювачів вуглеводні перетворюються або в метан, або у водень і окис вуглецю. Метан, як основний продукт конверсії утвориться на першій стадії конверсії вуглеводнів. Основними продуктами конверсії є окис вуглецю (СО) і водень (Н₂). Як окислювач при конверсії використовують повітря, технічний кисень, водяну пару, вуглекислий газ чи їх суміші. У залежності від виду окислювача розрізняють повітряну, кисневу, парову й вуглекислотну конверсії.

У загальному виді рівняння конверсії вуглеводнів має вид:

Процеси конверсії вуглеводнів здійснюють при відношенні кисню до вуглецю більше одиниці, щоб уникнути виділення в системі вуглецю.

Наявність вуглецю в продуктах конверсії різко знижує активність каталізаторів, застосовуваних при конверсії вуглеводнів, і утрудняє очищення технологічних газів.

У зв'язку з цим конверсію вуглеводнів варто вести таким чином, щоб уникнути сажеутворення.

3. 2 Визначення рівноважного складу продуктів конверсії і її температур.

Конверсія вуглеводороду C_mН_n протікає по наступній реакції

(1)

(2)

(3)

(4)

де кількість відповідних компонентів у продуктах конверсії, м³.

реакція повного горіння вуглеводороду типу С_mH_n при визначеном α .

Для визначення рівноважного складу продуктів конверсії ацетилену по рівняннях (1 – 4) необхідно скласти балансові рівняння по вуглецю, водню і кисню

, ,

де k=(m+n/4)

У цих рівняннях невідомі величини і для їхнього перебування трьох перерахованих вище рівнянь недостатньо. Цю задачу можна вирішити, додатково скориставшись константою рівноваги реакції водяного газу

, (5)

де парціальні тиски продуктів конверсії.

де тиск в апараті конверсії.

Підставивши значення парціальних тисків у рівняння (5) одержимо

Значення константи рівноваги реакції водяного газу для різних температур можна знайти в термодинамічних довідниках чи розрахувати по рівнянню

Задаємося температурою конверсії, Для цієї температури , тодi . Вирішуємо систему iз 4-х рiвнянь одержимо a, b, c, d.

Перевірка константи рівноваги водяного газу

Рівноважний склад продуктів конверсії

де k – коефiцiєнт, що стоїть в рiвняннi повного горiння вуглеводороду типа C_mH_n

Склад продуктів конверсії, %

_______________

Визначаємо температуру процесу конверсії,

де тепловий ефект процесу конверсії, .

теплоємність продуктів конверсії, .

Складемо тепловий баланс

Значення теплових ефектів реакцій знаходяться по довіднику [3, с. 191], [2, с. 290].

Відповідно до закону Гесса

Теплоємність продуктів конверсії,

Визначаємо температуру конверсії,

Так як прийнята і розрахункова температури значно відрізняються, то робимо наступне наближення. Приймаємо Повинно бути t_раз= t_пр± 5 ⁰С.

Для обраної температури , тоді .

Вирішуємо систему рівнянь (1-5) i визначаємо a, b, c, d.

Перевірка константи рівноваги водяного газу, К_р

Рівноважний склад продуктів конверсії,

Склад продуктів конверсії, %:

_____________

Теплоємність продуктів конверсії,

Визначаємо температуру конверсії,

Так як прийнята і розрахункова температури відрізняються, то робимо наступне наближення. Приймаємо

Для обраної температури ., .

Вирішуємо систему рівнянь:

i визначаємо a, b, c, d.

Перевірка константи рівноваги водяного газу,

Рівноважний склад продуктів конверсії,

Склад продуктів конверсії, %:

________________

Теплоємність продуктів конверсії,

Визначаємо температуру конверсії по формулі

Прийнята і розрахункова температури відрізняються на припустиму величину. Остаточну температуру конверсії приймаємо рівною

Визначення обсягу сухих продуктів конверсії шляхом охолодження їх до крапки роси

Склад сухих продуктів конверсії, %

______________________

Після визначення температури конверсії визначаємо процентний склад продуктів конверсії, а потім відновлюємо СО₂ до СО вуглецем при t=1200 ⁰C по реакції

Обсяг продуктів конверсії,

, .

Остаточний склад продуктів конверсії, %

ВИСНОВОК

При виконанні курсового проекту був зроблений розрахунок дифузійного і кінетичного пальників.

Технічна характеристика дифузійного пальника, м:

- діаметр повітряного каналу пальника, =

- діаметр кратера пальника, =

- діаметр газового патрубка, =

- діаметр газовипускних отворів, =

- діаметр газового колектора, =

- довжина газового колектора, =

У розрахунковому пальнику відриву полум'я не буде, тому що ( ).

Довжина факелу складе

Для даного пальника обраний вентилятор – ВД-6, і димосос – Д-9.

Технічна характеристика кінетичного пальника, м:

- діаметр газового сопла пальника, =

- діаметр вхідного отвору для повітря, =

- діаметр кратера пальника, =

- діаметр змішувача пальника, =

- діаметр вхідного перетину дифузора: =

- довжина конфузору, =

- довжина змішувача, =

- довжина дифузора, =

У результаті перевірки розрахункового пальника на можливість відриву і проскакування полум'я встановлено, що відривши полум'я неможливий, тому що ( ).

Не буде також і відриву полум'я, тому що ( ). Довжина факелу складе …. м.

У курсовому проекті була розрахована повітряна (киснева) конверсія, тобто знайдена температура конверсії (повітряної при , або кисневої к =…. ) і визначений остаточний склад продуктів конверсії.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Парахін М. Ф., Шелудченко В. І., Кравцов В. В. Технологія спалювання та переробка палива в промисловості. Навч. посібник. – Донецьк: Норд-Пресс, 2005. – 288 с.

2. Парахин Н. Ф., Шелудченко В. И., Кравцов В. В. Промышленные способы сжигания и переработки топлив. – Донецк, Норд-Пресс, 2006. – 303с.

3. Казанцев Е. И. Промышленные печи – М.: Металлургия, 1975. – 365с.

4. Шелудченко В. І., Кравцов В. В., Курбатов Ю. Л. Гідрогазодинаміка: Підручник. – Донецьк: ізд. Новий світ, 1990. – 195 с.

5. Ионин А. А., Газоснабжение: Учеб. для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1989. – 439 с.