9. Теплотехнический расчет туннельной печи

9.1. Расчет горения топлива

Состав топлива:

СО₂=0,4%; СН₄=95,1%; С₂Н₆=1,1%; С₃Н₈=0,3%; С₄Н₁₀=0,03%; С₅Н₁₂=0,02%; N₂=3,05%;.

Пересчитываем состав топлива с учетом количества влаги, которое рассчитываем по формуле:

Н₂О=(100*W)/(804+W),

где: W – влагосодержание, выбираем из таблицы.

Н₂О=(100*19)/(804+19)=2,31%

Состав топлива пересчитываем на влажный:

К^вл=(К^сух*(100-Н₂О))/100,

где: К^сух и К^вл - содержание в газе составляющих компонентов, соответственно в сухом и во влажном состоянии.

СО₂^вл=(0,4*(100-2,31))/100=0,39%

СН₄^вл=(95,1*(100-2,31))/100=92,91%

С₂Н₆^вл=(1,1*(100-2,31))/100=1,074%

С₃Н₈^вл=(0,3*(100-2,31))/100=0,293%

С₄Н₁₀^вл=(0,03*(100-2,31))/100=0,029%

С₅Н₁₂^вл=(0,02*(100-2,31))/100=0,019%

N₂^вл=(3,05*(100-2,31))/100=2,979%

Н₂О=2,31%

∑=100%

Расчет теоретического количества кислорода и выхода продуктов горения при сжигании 1м³ представлены в таблице 9.1.

Таблица 9.1. Расход кислорода и выход продуктов горения при сжигании топлива.

Газ		Реакция горения	Необходимые продукты горения
Компонент	м3		О2	СО2	Н2О	N2	∑
СН4	0,929	СН4+2О2=СО2+2Н2О	1,858	0,929	1,858	-	4,645
С2Н6	0,01074	С2Н6+3,5О2=2СО2+3Н2О	0,0376	0,0215	0,032	-	0,0911
С3Н8	0,00293	С3Н8+5О2=3СО2+4Н2О	0,015	0,0088	0,012	-	0,0358
С4Н10	0,00029	С4Н10+6,5О2=4СО2+5Н2О	0,0019	0,0012	0,0015	-	0,0046
С5Н12	0,00019	С5Н12+8О2=5СО2+6Н2О	0,0016	0,001	0,0012	-	0,0038
N2	0,0298	-	-	-	-	0,0298	0,0298
Н2О	0,0231	-	-	-	0,0231	-	0,0231
∑	1	-	1,914	0,962	1,928	0,298	4,83

Принимаем содержание азота в воздухе - 79%, кислорода - 21%, соотношение азот : кислород равно:

N₂/О₂=3,77.

Определяем теоретический расход воздуха на сжигание 1 м³ газа:

V_N2^T=V_О2^T*3,77

V_N2^T=1,914*3,77=7,216 м³

V_возд^T=V_О2^T+V_N2^T=1,914+7,216=9,13 м³.

При определении практического объема воздуха для сжигания необходимо учитывать коэффициент избытка воздуха. Принимаем его значение равным - α=1,2

V_в^пр=V_в^T*α=9,13*1,2=10,96 м³;

V_О2^пр=V_О2^Т*α=1,914*1,2=2,297 м³;

V_N2^пр=V_N2^T*α=7,216*1,2=8,66 м³.

Определим избыток кислорода в продуктах сгорания:

V_О2^изб=V_О2^пр-V_О2^т=2,279-1,914=0,382 м³.

По i – d диаграмме определяем влагосодержание воздуха при температуре 19 ⁰С и влажности φ=70% - d=11 г/кг.

Зная влагосодержание, определяем объем влажного воздуха на горение:

V_в^вл=V_в^пр*(1+0,0016*d)=10,96*(1+0,0016*11)=11,15 м³.

Определяем количество влаги, которая вносится атмосферным воздухом:

V_Н2О=V_в^вл-V_в^пр=11,5-10,96=0,19 м³.

Данные расчетов заносим в таблицы 9.2 и 9.3.

Таблица 9.2. Выход продуктов горения при сгорании 1м³ газа

Наименование продуктов горения	Количество продуктов горения
	М3	%
СО2	0,962	7,916
О2	0,383	3,151
N2	8,69	71,505
Н2О	2,118	17,428
∑	12,153	100

Таблица 9. 3. Материальный баланс процесса горения топлива в расчете на 100м³ газа

Компоненты	Приход		Компоненты	Расход
	Расчет	кг		Расчет м3 в кг	кг
	Природный газ			Продукты горения
СН4	92,913*0,717	66,619	СО2	0,962*1,977	190,187
С2Н6	1,075*1,356	1,458	О2	2,118*0,804	170,287
С3Н8	0,293*2,02	0,592	N2	8,69*1,215	1087,119
С4Н10	0,029*2,084	0,06	Н2О	0,383*1,429	54,731
С5Н12	0,02*3,218	0,064
N2	2,98*1,251	3,73
Н2О	2,31*0,804	1,857
Расчет процессов горения воздуха
О2	2,297*1,429*100	328,241
N2	8,66*1,251*100	1083,36
Н2О	0,19*0,804*100	15,776
∑		1501,14			1502,324

Невязка баланса равна:

Н = (1502,324-1501,14)/1502,324*100%=0,08%

Определяем теплоту сгорания топлива:

Q_н^р=358,2*N_(СН4)+637,5*N_(С2Н6)+912,5*N_(С3Н8)+1186,5*N_(С4Н10)+1460,8* *N_(С5Н12)

где: N_(СН4) , N_(С2Н6) и т.д. – содержание соответствующих компонентов в газообразном топливе, % объема.

Q_н^р=358,2*92,913+637,5*1,075+912,5*0,293+1186,6*0,029+1460,8*0,02=

=34297,7 кдж/м³.

11. Теплосодержание продуктов сгорания топлива определяется как сумма произведений теплосодержаний, составляющих газов на их объем.

Баланс тепла в зоне горения топлива:

Q_н^р+С_т*t_т+С_в*t_в*V_в-q_дис=V_п.г.*i_п.г.,

где: Q_н^р – тепла сгорания топлива, кдж/м³;

С_тt_т – физическое теплосодержание топлива;

С_вt_в – физическое теплосодержание воздуха;

V_в – объем воздуха для сжигания 1 м³ газа;

V_п.г. – объем продуктов сгорания;

i_п.г. – теплосодержание продуктов горения.

i_п.г.=(Q_н^р+С_т*t_т+С_в*t_в*V_в-q_дис)/V_п.г.

Величинами С_тt_т и q_дис пренебрегаем, т.к. они малы.

i_п.г.=(34297,7+814,4*0,25*11,15)/12,153=3008,96 кдж/м³.

Считаем, что 25% воздуха подогрето до 600 ⁰С, i_п.г. находим в справочнике [ ].

Находим калориметрическую температуру по графику зависимости теплосодержания от температуры: t_к=1850⁰С. Зависимость теплосодержания от температуры представлена в табл. 9.4.

Таблица 9.4. Зависимость теплосодержания от температуры

Продукты горения	Содержание продуктов горения, м3	1800		1900
		Энтальпия	Теплосодержание	Энтальпия	Теплосодержание
СО2	0,079	4305,1	340,1	4574,3	361,37
О2	0,174	3458,5	601,78	3690,4	642,13
N2	0,715	2643,7	1890,25	2804,4	2005,12
Н2О	0,0315	2797,7	88,13	2967,3	93,47
∑			2920,26		3102,12