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.

Таблица исходных данных

Параметр		Вариант
		0	1		2			3		4			5	6				7			8			9
Последняя цифра шрифта
Расход энергоносителя Vэ, м3/с		3,0	2,5		2,0			0,75		4,0			4,5	3,5				5,0			1,0			1,5
Предпоследняя цифра шрифта
Температура энергоносителя Тэ, К		800	750		850		900			1050			1000		950				700			1200			1150
Топливо		Уголь ирша-бородинский Б2	Уголь кузнецкий		Уголь донецкий		Сланец			Мазут малосернистый			Мазут высокосернистый		Газ природный Серпухово-Ленинский				Газ природный Саратов-Москва			Газ промышленный доменный			Газ генераторный водяной
Тепловые потери	, %	0,0	1,0		0,5		0			0,5			0,5		0,5				0,5			0,5			0,5
	, %	0,5	2,0		3,0		0,5			0			0		0				0			0			0
	, %	0,5	1,0		1,5		2,0			0			0		0				0			0			0
	через наружные ограждения
	а) камеры сгорания , %	0,4	0,5		1,0	1,5					2,0		2,5			3,0				3,5			4,0			5,0
	б) камеры смешания , %	1,5	0,5		1,0	0,4					9,0		10			1,0				0,5			7,0			8,0
Третья от конца цифра
Коэффициент расхода окислителя, α		1,03		1,05	1,08				1,10			1,12	1,20	1,05			1,10				1,12			1,15

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 Т_{к сг}, К;

4) составить уравнение теплового баланса всего процесса и определить на его основе объем воздуха, необходимый для разбавления продуктов сгорания v_В, м³/кг (м³/м³) топлива;

5) составить материальный баланс процесса и определить на его основе расход топлива В, кг/с (м³/с), окислителя V_ок, м³/с, и воздуха V_В, 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:

,

где − 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:

,

где Q_CO, Q_H2, Q_CH4, Q_CmHn, Q_H2S − теплота сгорания соответствующих газов, МДж/м³;

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

Теоретический расход окислителя для всех видов топлива, м³/кг (м^3/м³), определяется исходя из концентрации кислорода в окислителе,

,

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

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

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

,

где кг/м³ − плотность кислорода при нормальных условиях.

Для газового топлива известного состава, м³/м³,

,

где Н₂, СО, СН₄, С_mH_n, 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:

.

Коэффициент расхода окислителя:

.

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

.

Для твердого и жидкого топлива объемный выход:

СО₂ при сгорании 1 кг углерода, м³/кг,

;

SO₂ при сжигании 1 кг серы, м³/кг,

.

В практике технологических расчетов принимается

и

.

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

,

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

N − содержание азота в окислителе, % об.

Объемное содержание кислорода в продуктах сгорания, м³/кг,

. (*)

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

,

где = 0,089 и = 0,804 − соответственно плотность водорода и водяного пара при нормальных условиях, кг/м³;

d_ок − 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

.

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

.

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

,

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

Если в вышеприведенных формулах принять =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

.

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

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

,

где .

В явном виде уравнение баланса камеры сгорания не решается, так как входящие в это уравнение теплоемкости продуктов сгорания сами являются функцией температуры Т_ксг. Определить Т_ксг можно, используя метод последовательных приближений или графоаналитический метод. В последнем случае Т_ксг определяется следующим образом.

Из уравнения теплового баланса находят

,

иначе

.

Запишем эту зависимость в виде системы двух функций:

Рис. 39. Графоаналитический метод определения Т_ксг

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

,

где Q_расп , Q_в − 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,

,

где

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

с_в^с, с_Н2О − средние в интервале температур от 273 до Т_в теплоемкости сухого воздуха и водяных паров, МДж/(м³К).

Энергоноситель в данном случае представляет собой смесь продуктов полного сгорания топлива, полученных при =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),

.

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

,

где с допускается принять равной с .

Величина (-1) Н − энтальпия избыточного (сверх теоретически необходимого) количества окислителя, поступающего с дымовыми газами из камеры сгорания в камеру смешения

,

где с_ок, с − средние в интервале температур от 273 до Т_э, К, объемные теплоемкости соответственно сухого окислителя и водяных паров, МДж/(м³К).

Энтальпия воздуха в камере смешения Н_в, МДж/м³, рассчитывается при Т_э, К,

.

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

.

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.

Секундный расход энергоносителя, м³/с, определяется по формуле

,

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

V_{ок изб}, V_в − секундные расходы соответственно избыточного окислителя и воздуха, м³/с.

Все указанные расходы могут быть выражены через расход топлива:

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

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

При известном (по заданию) V_э и найденных V_кгс, V_{ок изб} и V_в определяется секундный расход топлива, необходимый для получения заданного количества энергоносителя.

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

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

В результате разбавления продуктов сгорания воздухом в энергоносителе увеличивается количество азота, кислорода и водяных паров. Их определяют по формулам, м³/кг (м³/м³) топлива.

Общий выход энергоносителя

Состав энергоносителя, % об., определяется по формулам