Методические указания по выполнениЮ и оформлениЮ контрольнЫх заданий

К выполнению контрольной работы следует приступать только после изучения соответствующего теоретического материала и определения необходимых исходных данных. Только сознательное («не механическое») проектирование приносит пользу и помогает закреплению знаний. Согласно учебному плану, необходимо выполнить одну контрольную работу, состоящую из трех заданий. При выполнении контрольной работы рекомендуется придерживаться следующих правил:

1. Контрольные задания, выполненные не по своему варианту, не рассматриваются. Номер варианта берется по цифре номера зачетной книжки студента. Например, зачетная книжка имеет шифр ЗПТ-16-08. Год поступления в КГЭУ при определении вашего варианта не учитывается, так как он у всех в группе одинаковый (в данном примере 08). Вариант определяется по цифре 16 (в середине шифра), где 1 – первая цифра номера, 6 – вторая цифра номера. На установочной лекции номер вашей зачетной книжки записывается в журнал учета преподавателя.

2. При выполнении контрольной работы необходимо:

- необходимо делать письменные пояснения, приводить соответствующие формулы, обязательно указывать размерности используемых в расчетах величин (невыполнение последнего требования равносильно ошибке);

- вычисления производить при помощи инженерного калькулятора или

компьютера с точностью до третьей значащей цифры;

- в ответах следует придерживаться общепринятых терминов и обозначений. Результаты решения должны быть представлены в единицах СИ;

- текст следует писать разборчиво, оставляя поле для замечаний рецензента, страницы нумеровать, выполненное задание подписать.

Задание№ 1 Общие сведения

В первом задании контрольной работы студент должен самостоятельно

решить 10 задач. В ходе выполнения задания студент должен: 1) определить номер своего варианта; 2) по номеру своего варианта выписать из таблиц, которые даны в приложении 1, индивидуальные исходные данные к каждой задаче; 3) решить все задачи в соответствии со своим вариантом и в соответствии с рекомендациями.

Все предлагаемые задачи в первом задании имеют пример решения. Исходные данные по вариантам и справочная информация находятся в таблицах П1.1 - П1.10 (прил. 1).

Примеры решения задач

1. При лабораторных исследованиях был получен элементный состав кузнецкого угля марки СС на горючую массу: С^г = 84,0%; Н^г = 4,5%; N^г = 2,0%; О^г = 9%; S^г = 0,5%. Влажность и зольность на рабочую массу равны W^р = 12,0% и А^р = 11,4%. Определить элементный состав на рабочую массу топлива.

Исходные данные: С^г = 84,0%; Н^г = 4,5%; N^г = 2,0%; О^г = 9%; S^г = 0,5%; W^р = 12,0%, А^р = 11,4%.

Решение. Пересчет элементарного состава одной массы топлива на другую производится при помощи коэффициентов, приведенных в табл.1.1.

Таблица 1.1 Коэффициенты для пересчета элементного состава топлива

Заданная масса топлива	Искомая масса топлива
	рабочая	сухая	горючая
рабочая	1
сухая		1
горючая			1

Для пересчета с горючей массы на рабочую используем коэффициент пересчета

Тогда:

С^р = С^г ·К = 84,0 · 0,766 = 64,34 %;

Н^р = Н^г ·К = 4,5 · 0,766 = 3,45 %;

N^р = N^г ·К = 2,0 · 0,766 = 1,53 %;

О^р = О^г ·К = 9,0 · 0,766 = 6,90 %;

S^р = S^г ·К = 0,5 · 0,766 = 0,38 %.

Проверка: суммарный элементный состав топлива на рабочую массу: С^р + Н^р + N^р + О^р + S^р + W^р + А^р = 64,34 + 3,45 + 1,53 + 6,90 + 0,38 + 12,0 + 11,40 = 100 %.

2. Для кузнецкого угля (элементный состав – см. пример 1.1) определить , , , если низшая теплота сгорания рабочей массы равна = 23 990 кДж/кг.

Исходные данные: Н^р = 3,45%; Н^г = 4,5%; W^р = 12,0%, А^р = 11,4%. = 23 990 кДж/кг.

Решение.

кДж/кг.

, кДж/кг.

Для определения Н^с воспользуемся коэффициентом пересчета с рабочей массы на сухую:

Тогда Н^с = Н^р · К = 3,45 · 1,136 = 3,92 %.

1.3. Определить объемный и массовый расход воздуха, необходимого для сжигания топлива, приведенного в примере 1.1.

Исходные данные: С^р = 64,34%; Н^р = 3,45%; О^р =6,9%; S^р = 0,38%.

Решение. Определим теоретическое количество сухого воздуха, необходимого для полного сжигания топлива (α = 1).

Объемный расход воздуха, м³/кг:

V^о = 0,0889·(С^р + 0,375·S^р) + 0,265·Н^р – 0,0333·О^р =

= 0,0889·(64,34 + 0,375·0,38) + 0,265·3,45 – 0,0333·6,9 = 6,417 м³/кг.

Массовый расход воздуха, кг/кг:

L^о = 0,115·(С^р + 0,375·S^р) + 0,342·Н^р – 0,0431·О^р =

= 0,115·(64,34 + 0,375·0,38) + 0,342·3,45 – 0,0431·6,9 = 8,30 кг/кг.

1.4. Определить объемы продуктов сгорания для кузнецкого угля марки СС, приведенного в примере 1.1.

Исходные данные: С^р = 64,34%; Н^р = 3,45%; О^р =6,9%; S^р = 0,38%; N^р = 1,53 %; V^о = 6,417 м³/кг.

Решение. При сжигании твердого топлива образуются следующие объемы продуктов сгорания, м³/кг:

м³/кг.

м³/кг.

Суммарный объем продуктов сгорания:

м³/кг.

1.5. Как изменится объем и объемные доли трехатомных продуктов сгорания и водяных паров при сжигании бурого угля (состав задан) при избытке воздуха α = 1,20, если его влажность увеличилась до 40,0%?

Исходные данные: С^р = 26,0%; Н^р = 2,1%; N^р = 0,4%; О^р = 8,2%; S^р = 2,7%; W^р = 32,0%, А^р = 28,6%.

Решение. Коэффициент пересчета на новую рабочую влажность

.

В соотвестии с этим:

С^р₂ = 26,0 · 0,882 = 22,94 %;

Н^р₂ = 2,1 · 0,882 = 1,85 %;

N^р₂ = 0,4 · 0,882 = 0,35 %;

О^р₂ = 8,2 · 0,882 = 7,24 %;

S^р₂ = 2,7 · 0,882 = 2,38 %;

А^р₂ = 28,6 · 0,882 = 25,24 %.

Проверка полученного элементного состава: 22,94 + 1,85 + 0,35 + 7,24 + 2,38 + 25,24 = 100 %.

Объемы воздуха и продуктов сгорания для исходного топлива:

V^о = 2,68 м³/кг; = 0,50 м³/кг; = 2,12 м³/кг;

= 0,69 м³/кг; = 3,31 м³/кг.

При избытке воздуха α = 1,2 объем газов равен

V_г = + 1,0161·(α – 1)·V^о = 3,31 + 1,0161·(1,20 – 1,0)·2,68 = 3,85 м³/кг.

Объем водяных паров

= + 1,0161·(α – 1)·V^о = 0,69 + 1,0161·(1,20 – 1,0)·2,68 = 0,70 м³/кг.

Доли трехатомных газов и водяных паров:

= 0,50 / 3,85 = 0,130; = 0,70 / 3,85 = 0,182.

Определяем объемы воздуха и продуктов сгорания для угля влажностью = 40,0 %.

Теоретическое количество сухого воздуха находим из выражения

= 0,0889·(С^р + 0,375·S^р) + 0,265·Н^р – 0,0333·О^р =

= 0,0889·(22,94 + 0,375·2,38) + 0,265·1,85 – 0,0333·7,24 = 2,37 м³/кг.

Теоретические объемы продуктов сгорания для нового состава топлива:

м³/кг.

м³/кг.

Суммарный объем продуктов сгорания:

м³/кг.

При избытке воздуха α = 1,2 находим объемы газов:

V_г = + 1,0161·(α – 1)·V^о = 3,06 + 1,0161·(1,2 – 1,0)·2,37 = 3,54 м³/кг.

и водяных паров

= + 1,0161·(α – 1)·V^о = 0,74 + 1,0161·(1,2 – 1,0)·2,37 = 0,75 м³/кг.

Определяем доли трехатомных газов и водяных паров:

= 0,44 / 3,54 = 0,124; = 0,75 / 3,54 = 0,212.

Таким образом, за счет снижения теплоты сгорания полный объем газов при возрастании влажности топлива несколько снизился, объем и доля трехатомных газов сократились, а водяных увеличились.

1.6 Определить энтальпии продуктов сгорания в точках смешения: в топке (при t_топ = 1700 °С, α_топ = 1,1) и перед промежуточным перегревателем (t_пп = 850 °С, α_пп = 1,16) при рециркуляции газов. Принять температуру в месте отбора газов на рециркуляцию t_отб = 390 °С, α_отб = 1,20; r_рц = 0,15; топливо - мазут.

Исходные данные: t_топ = 1700 °С, α_топ = 1,1; t_пп = 850 °С, α_пп = 1,16; t_отб = 390 °С, α_отб = 1,20; r_рц = 0,15. Топливо – мазут.

Решение. По таблице П1.3 приложения находим теоретические энтальпии газов и воздуха для заданного топлива при температурах газов 1700, 850 и 390 °С.

Энтальпия газов при избытке воздуха α > 1 составит:

Н_г = + (α – 1)· + Н_эл .

при α_топ = 1,1 и t_топ = 1700 °С

Н_г = 31522,5 + (1,1 – 1)·26814 = 34204 кДж/кг;

при α_пп = 1,16 и t_пп = 850 °С

Н_г = 14595 + (1,16 – 1)·12609,5 = 16613 кДж/кг;

при α_отб = 1,20 и t_отб = 390 °С

Н_г = 6303 + (1,20 – 1)·5512,2= 7405 кДж/кг.

Энтальпии газов в точках смешения на ходим по формуле:

Н_г.рц = Н_г + r · Н_г.отб

- в топке

Н_г.рц = 34204 + 0,15 · 7405 = 35315 кДж/кг;

- в газоходе перед промежуточным нагревателем

Н_г.рц = 16613 + 0,15 · 7405 = 17724 кДж/кг.

1.7 Произвести расчет горения мазута заданного химического состава.

Исходные данные: горючая масса мазута имеет следующий состав: С^г = 87,4%; Н^г = 11,2%; О^г = 0,5%; N^г = 0,4%; S^г = 0,5%. Золы А^р = 0,2 %, содержание влаги W^р = 3,0 %. Принять α = 1,2. Воздух поступает без подогрева. Влагосодержание воздуха d принять 0,016 кг/кг.

Решение.

Определим состав рабочего топлива:

.

Остальные составляющие остаются без изменения в пределах точности анализа. Получаем состав рабочего топлива: С^р =84,6%; Н^р = 10,8%; О^р = 0,5%; N^р = 0,4%; S^р = 0,5%; А^р = 0,2%; W^р = 3,0%.

Определим низшую теплоту сгорания мазута:

= 339·С^р + 1256·Н^р + 109·(S^р – O^р) – 25·(9·H^р + W^р) =

= 339·84,6 + 1256·10,8 + 109·(0,5 – 0,5) –

- 25·(9·10,8 + 3,0) = 39739 кДж/кг.

Теоретически необходимое для горения количество сухого воздуха:

L_теор = 0,0889·С^р + 0,265·Н^р – 0,0333·(S^р – O^р) =

0,0889 · 84,6 + 0,265 · 10,8 – 0,0333·(S^р – O^р) = 10,40 м³/кг.

Количество атмосферного воздуха при заданном влагосодержании:

= d · L_теор = 1,016 · 10,40 = 10,57 м³/кг.

Действительное количество воздуха при α = 1,2:

= · α = 10,57 · 1,2 = 12,68 м³/кг.

Количество и состав продуктов полного сгорания при α = 1,2:

= 0,01855 · С^р = 0,0185 · 84,6 = 1,569 м³/кг;

= 0,007 · S^р = 0,007 · 0,5 = 0,0035 м³/кг;

= 0,122·Н^р + 0,0124·W^р + 0,0016·d·L^в.в =

= 0,112 · 10,8 + 0,0124 · 3,0 + 0,0016 · 10 · 12,48 = 1,447 м³/кг;

= 0,79 · + 0,008 · N^р = 0,79 · 12,48 + 0,008 · 0,4 = 9,862 м³/кг; = 0,21·(α – 1)· L_теор = 0,21 · (1,2 – 1)·10,40 = 0,437 м³/кг;

Общий объем продуктов горения при α = 1,2:

= + + + + =

= 1,569 + 0,0035 + 1,447 + 9,862 +0,437 = 13,32 м³/кг.

Состав продуктов сгорания:

RО₂ = ;

N₂ = ;

Н₂О = ;

О₂ = .

Теоретическая температура горения. Общая энтальпия продуктов сгорания без подогрева воздуха и топлива:

кДж/м³.

По приложению по диаграмме (i–t) при α = 1,2 находим теоретическую температуру горения: t_теор = 1818^оС.

1.8 Произвести расчет горения жидкого топлива заданного химического состава.

Исходные данные: топливо – мазут, следующего химического состава: С^р = 85,9%; Н^р = 9,9%; N^р = 0,3%; О^р = 0,5%; S^р = 0,4%; W^р = 2,8%, А^р = 0,2%. Коэффициент избытка воздуха α = 1,28; влажность воздуха φ^с.в = 13,9 г/м³; температура мазута t = 98°С; температура подогрева воздуха t_в = 300°С.

Решение. Определим количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг мазута. Рассчитаем количество кислорода, окисляющего все горючие компоненты мазута:

= 0,01·(1,867·С^р + 5,6·Н^р + 0,7·S^p – 0,7·O^p) =

= 0,01·(1,867·85,9 + 5,6·9,9 + 0,7·0,4 – 0,7·0,5) = 2,157 м³/кг.

Теоретический расход сухого атмосферного воздуха будет равен:

= (1 + k)· = (1 + 3,76)·2,157 = 10,27 м³/кг.

k = 79/21 = 3,76 – константа, представляющая соотношение азота и кислорода воздуха (принимается, что в качестве окислителя используется атмосферный воздух, состав которого принимают неизменным 21% кислорода и 79% азота).

Теоретический расход влажного воздуха:

= (1 + 0,00124·φ^с.в)· =

= (1+ 0,00124 · 13,9) ·10,27 = 10,44 м³/кг.

0,00124 – объем 1 грамма влаги.

Действительный расход влажного воздуха:

= α · = 1,28 · 10,44 = 13,36 м³/кг.

Определим количество и состав продуктов горения мазута при α = 1.

Количество диоксида углерода:

= 0,01 · 1,867·С^р = 0,01 · 1,867 · 85,9 = 1,604 м³/кг.

Количество диоксида серы:

= 0,01 · 0,7·S^р = 0,01 · 0,7 · 0,4 = 0,003 м³/кг.

Количество водяных паров:

= 0,01·(11,2·Н^р + 1,244·W^р) + 0,00124· φ^с.в · =

= 0,01·(11,2·9,9 + 1,244·2,8) + 0,00124·13,9·10,27 = 1,319 м³/кг.

Количество азота:

= 0,01·0,8·N^р + k· =

= 0,01·0,8·0,3 + 3,76·2,157 = 8,11 м³/кг.

Общий объем продуктов горения при α = 1

= + + + =

= 1,604 + 0,003 + 1,319 + 8,11 = 11,04 м³/кг.

Состав дымовых газов:

СО₂ = ;

SО₂ = ;

N₂ = ;

Н₂О = .

Определяем количество и состав продуктов горения при α = 1,28.

Количество диоксида углерода и диоксида серы останутся такими же, как и при α = 1.

Количество водяных паров увеличится за счет влаги избыточного воздуха:

= + 1,00124· φ^с.в ·(α – 1)· =

= 0,319 + 1,00124·13,9·(1,28 – 1,0)·10,27 = 1,368 м³/кг.

За счет избыточного воздуха увечится и количество азота:

= + k·(α – 1)· = 8,11 + 3,76·(1,28 – 1)·2,157 = 10,48 м³/кг.

В продуктах горения появится свободный кислород избыточного воздуха:

= (α – 1)· = (1,28 – 1)·2,157 = 0,604 м³/кг.

Общий объем продуктов горения при α = 1,28:

= + + + + =

= 1,604 + 0,003 + 1,368 + 10,48 +0,604 = 14,06 м³/кг.

Состав продуктов горения:

СО₂ = ;

SО₂ = ;

N₂ = ;

Н₂О = ;

О₂ = .

Рассчитаем низшую теплоту сгорания мазута:

= 339С^р + 1256Н^р +109·(О^р – S^р) – 25·(9Н^р + W^р) =

= 339 · 85,9 + 1256 · 9,9 + 109·(0,5 – 0,4) – 25·(9 · 9,9 + 2,8) = 37030,5 кДж/кг.

Рассчитаем температуру горения мазута. Сначала определим общее теплосодержание продуктов горения мазута без учета диссоциации, кДж/м³:

i_общ = i_х + i_в + i_т .

Энтальпия единицы объема дымовых газов за счет химической энергии мазута:

i_х = кДж/м³.

Подогретый до 300°С вентиляторный воздух вносит в один кубометр отходящих газов, кДж/м³:

i_в = .

Среднюю теплоемкость воздуха с_в находим по таблице П1.4 (приложение)

с_в = 1,315 кДж/(м³·К).

Тогда:

i_в = кДж/м³.

За счет подогрева мазута единица продуктов горения получает, кДж/м³:

i_т = .

Средняя теплоемкость мазутов в интервале температур 20…100°С изменяется в пределах 1,88…2,28 кДж/(кг·К).

Тогда

i_т = кДж/м³.

i_общ = 2634 + 375 + 15 = 3024 кДж/м³.

Рассчитаем относительное содержание избыточного воздуха в единице продуктов горения мазута:

.

По it–диаграмме для мазутов (приложение, рис.1) находим теоретическую температуру горения: t^теор = 1875°С.

1.9 Произвести расчет горения природного топлива заданного химического состава.

Исходные данные: состав природного газа: СН₄ = 93,0%; С₂Н₆ = 1,2%; С₃Н₈ = 0,7%; С₄Н₁₀ = 0,4%; С₂Н₁₂ = 0,2%; СО₂ = 0,2%, N₂ = 3,3%; Н₂О = 1,0%. Коэффициент избытка воздуха α = 1,2; температура подогрева воздуха t_в = 800°С. Принять: среднюю объемную теплоемкость воздуха, с_в = 0,3175 ккал/(м³·°С); фактический расход единицы объема газообразного топлива, V_т.ф. = 1 м³; среднюю объемную теплоемкость газообразного топлива,

с_т = 0,3666 ккал/(м³·°С); температуру подогрева газообразного топлива, t_т = 20°С.

Решение. Определим низшую теплоту сгорания газа:

= 35482 кДж/кг

Теоретически необходимое количество сухого воздуха:

м³/м³.

При влагосодержании атмосферного воздуха d = 0,01 кг/кг:

м³/м³.

Действительное количество воздуха при коэффициенте расхода α = 1,2:

м³/м³.

Количество и состав продуктов сгорания при α = 1,2:

= 0,01·(СО₂ + СН₄ + 2С₂Н₆ + 3С₃Н₈ + 4С₄Н₁₀ + 5С₂Н₁₂) =

= 0,01·(0,2 + 93,0 + 2·1,2 + 3·0,7 + 4·0,4 + 5·0,2) = 1,003 м³/м³.

= 0,01·(2СН₄ + 3С₂Н₆ + 4С₃Н₈ + 5С₄Н₁₀ + 6С₂Н₁₂ + Н₂О + 0,16·d·L_α) =

= 0,01 · (2 · 93,0 + 3 · 1,2 + 4 · 0,7 + 5 · 0,4 + 6 · 0,2 + 1,0 +

+ 0,16 · 10 · 11,27) = 2,146 м³/м³;

= 0,01·N₂ + 0,79·L_α = 0,01 · 3,3 + 0,79 · 11,3 = 8,953 м³/м³;

= 0,21·(α – 1)· L_теор = 0,21 (1,2 – 1) · 9,39 = 0,384 м³/м³;

= 1,003 + 2,146 + 8,953 + 0,384 = 12,486 м³/м³ ≈ 12,5 м³/м³.

Процентный состав продуктов сгорания:

СО₂ = ;

N₂ = ;

Н₂О = ;

О₂ = .

Определим теоретическую температуру горения. Общее теплосодержание продуктов горения при подогреве воздуха до 800 °С и α = 1,2:

i_общ = .

По диаграмме (i–t) находим теплосодержание при t = 800 °С: = 1109 кДж/м³, тогда

i_общ = .

С помощью уравнений для T_т и T_к при = 1,2 вычисляем теоретическую температуру горения при a = = 1,2: t_теор = 2190 ⁰С. Калориметрическая температура горения: t_к = 2313 ⁰С. 6. Действительная температура печных газов при h = 0,8: C.

Найдем теоретическую температуру горения газообразного топлива при α = 1,2 без учета диссоциации двуокиси углерода и водяного пара:

,

где - физическая теплота, вносимая подогретым воздухом, ккал/м³; - физическая теплота, вносимая подогретым топливом, ккал/м³; - средняя теплоемкость продуктов горения, ккал/(м³ · ^оС); - объем влажных продуктов горения топлива, м³.

Физическую теплоту, вносимую предварительно подогретым воздухом определим по формуле:

= · с_в · t_в = 11,45 · 0,3175 · 800 = 2908,3 ккал/м³.

Физическую теплоту, вносимую предварительно подогретым газообразным топливом определим по формуле:

=V_т.ф.· с_т · t_т = 1 · 0,3666 · 20 = 7,34 ккал/м³.

Приближенно примем, что теплоемкость продуктов горения природного газа, при температуре 1400-1800°С составляет С_г = 0,383 ккал/(м³·°С ).

Подставляя эти данные в формулу расчета теоретической температуры сгорания, получим:

Фактическая температура продуктов горения будет ниже теоретической из-за отдачи тепла в окружающее пространство в зоне горения. Определяется она в зависимости от пирометрического коэффициента η_пир, который определяется экспериментально и зависит от вида топлива, типа печи и режима ее работы и для методических (проходных) печей составляет 0,7…0,75. Найдем фактическую температуру по формуле:

t_ф = η_{пир ·} t_p = (0,7…0,75) · 2371,64 = 1660,1…1778,73 °С.

_{Таблица 1. Характеристика газообразного топлива}

Газ	Обозначение	Теплота сгорания Qнс
		кДж/м3	ккал/м3
Водород	Н,	10820	2579
Окись углерода	СО	12640	3018
Сероводород	Н2S	23450	5585
Метан	СН4	35850	8555
Этан	С2Н6	63 850	15226
Пропан	С3Н8	91300	21795
Бутан	С4Н10	118700	22338
Пентан	С5Н12	146200	34890
Этилен	С2Н4	59200	14107
Пропилен	С3Н6	85980	20541
Бутилен	С4Н8	113 400	27111
Бензол	С6Н6	140400	33528