Учебное пособие 294
.pdf282-2021
ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ
Методические указания
к расчетам на ЭВМ характеристик продуктов сгорания топлив ТГУ с построением It – диаграммы для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство», профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция», 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения», всех форм обучения
Воронеж 2021
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
Кафедра теплогазоснабжения и нефтегазового дела
ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ
Методические указания
к расчетам на ЭВМ характеристик продуктов сгорания топлив ТГУ с построением It – диаграммы для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство», профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция», 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения», всех форм обучения
Воронеж 2021
УДК 621.1 ББК 31.3я7
Составители: А. Т. Курносов, Д. Н. Китаев
Теплогенерирующие установки: методические указания к расчетам на ЭВМ характеристик продуктов сгорания топлив ТГУ с построением It – диаграммы для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство», профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция»,13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения», всех форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет; сост.: А. Т. Курносов, Д. Н. Китаев. – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. – 11 с.
Приводится методика расчета характеристик продуктов сгорания топлив ТГУ, представлены исходные данные и результаты вычисления на ЭВМ, приведен результат построения I-t диаграммы продуктов сгорания топлива.
Предназначены для студентов бакалавриата, направления подготовки 08.03.01 «Строительство», профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция» и 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения», всех форм обучения при выполнении практических заданий, курсовой работы, проекта и выпускных квалификационных работ по ТГУ.
Табл. 3. Библиогр.: 6 назв.
УДК 621.1 ББК 31.3я7
Рецензент – Т. В. Щукина, канд. техн. наук, доцент кафедры жилищно-коммунальное хозяйство ВГТУ
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
ВВЕДЕНИЕ
Настоящий период развития науки и техники характеризуется использованием электронно-вычислительных машин (ЭВМ), в том числе и в практике проектирования и автоматизированных расчетов теплогенерирующих установок (ТГУ).
Современный инженер не мыслим без знания и умения пользоваться ЭВМ. Применение ЭВМ позволяет не просто механизировать расчетные процессы, но и приводит к качественно новому этапу, когда технические и экономиче-
ские задачи могут решаться с высокой точностью с рассмотрением нескольких вариантов проектных решений и отысканием оптимального по заданным критериям [4,6].
Применение ЭВМ в учебном процессе позволяет свести к минимуму нетворческую трудоемкую расчетную работу и использовать сэкономленное время для более глубокого изучения учебных курсов.
Целью настоящих методических указаний является научить студентов использовать ЭВМ для выполнения практических расчетов и разделов курсовых и выпускных квалификационных работ бакалавриата по теплогенерирующим установкам в программе «Расчет характеристик продуктов сгорания топлив ТГУ», зарегистрированной в отраслевом фонде алгоритмов и программ [1].
Данные методические указания посвящены расчетам на ЭВМ характеристик продуктов сгорания различных видов топлива ТГУ. Под характеристиками продуктов сгорания понимаются такие параметры и величины, которые необходимы для теплового расчета теплогенераторов [2]. К таким величинам относят объемы и энтальпии продуктов сгорания топлив при теоретическом и действительном объеме воздуха, а также объемные доли трехатомных газов и водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Расчеты перечисленных величин для возможных температур и коэффициентов избытка воздуха в газовом тракте котлоагрегата являются трудоемкой задачей, что предопределяет необходимость применения ЭВМ.
3
1. РАСЧЕТ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТОПЛИВ
1.1. Твердое и жидкое топливо
Теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания твердого или жидкого топлива определяют по формуле:
V 0 =0,0889(CР +0,375SЛР )+0,256H Р −0,0333ОР .
Объем трехатомных газов:
VRO2 =0,01866(CР +0,375SЛР ).
Объем водяных паров:
при α = 1, VН02О =0,111НР +0,0124WР +0,0161V0 , при α > 1, VН2О =VН02О +0,0161(α −1)V 0 .
Объем двухатомных газов:
при α = 1, VR02 =0,008N Р +0,79V 0 ,
при α > 1, VR02 =0,008N Р +(α −0,21)V 0 .
Полный объем дымовых газов:
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
(1.6)
VГ =VRO |
+VR |
+VН |
О . |
(1.7) |
2 |
2 |
2 |
|
|
Объемные доли трехатомных газов и водяных паров:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
= |
VRО2 |
, r |
= |
VН2О |
. |
|
|
(1.8) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RO |
|
|
|
Н О |
|
|
VГ |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
VГ |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Энтальпия продуктов сгорания: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
I |
Г |
=V |
(сt) |
CO |
+V0 |
(сt) |
N |
|
+V0 |
(сt) |
H |
O |
+(α −1)V |
0 ( |
сt) |
В |
+ |
0,0025.АР (сt) |
З |
(1.9) |
||||
|
RO2 |
|
R2 |
|
2 |
Н2О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При вычислении энтальпии продуктов сгорания, программой используются значения теплоемкостей компонентов для соответствующих температур, представленные в табл. 1.1.
4
Таблица 1.1
Энтальпии 1 м3 газов, воздуха и 1 кг золы
t, °С |
(сt)CO |
(сt)N |
2 |
(сt)H O |
(сt) |
В |
(сt) |
З |
|
2 |
|
2 |
|
|
|||
100 |
40,61 |
30,95 |
35,95 |
31,63 |
19,3 |
|||
200 |
85,38 |
62,08 |
72,72 |
63,62 |
40,4 |
|||
600 |
292,5 |
192,06 |
231,42 |
198,18 |
133,8 |
|||
1000 |
526,3 |
332,4 |
411,5 |
343,3 |
235 |
|||
1400 |
773,64 |
479,78 |
611,24 |
495,88 |
378 |
|||
1800 |
1028,16 |
631,44 |
826,02 |
652,5 |
522 |
|||
1.2. Газообразное топливо
Для газообразного топлива характеристики продуктов сгорания определяются по следующему алгоритму.
Теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сжигания топлива определяется по формуле:
V |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
(1.10) |
|
|
=0,0476 0,5СО+0,5Н2 +1,5Н2S |
+∑ m+ |
|
Cm Hn |
−O2 . |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Объем трехатомных газов: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
V 0 =0,01 СО +СО+ Н |
S + |
∑ |
mC |
m |
H |
n |
−O |
. |
|
|
(1.11) |
|||||
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||||
Объем водяных паров: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
0 |
|
Н2S + Н2 |
+ |
∑ |
n |
|
|
|
|
|
|
+0,0161V |
0 |
, |
(1.12) |
|
|
|
при α = 1, VН2О =0,01 |
2 |
CmHn +1,24 |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при α > 1, VН2О =VН02О +0,0161(α −1)V 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.13) |
||||||
Объем двухатомных газов: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
при α = 1, VR0 |
=0,01N Р +0,79V 0 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.14) |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при α > 1, VR0 |
=0,01N Р +(α −0,21)V 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.15) |
|||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Полный объем дымовых газов и объемные доли трехатомных газов и водяных паров определяются как для твердого и жидкого топлива.
Энтальпия продуктов сгорания:
5
I |
Г |
=V |
(сt) |
CO |
+V0 |
(сt) |
N |
|
+V0 |
(сt) |
H |
O |
+(α −1)V0 |
(сt) |
В |
. |
(1.16) |
|
RO2 |
|
R2 |
|
2 |
Н2О |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2. УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТОВ
Исходными данными для расчета являются:
а) химический состав топлива, принимаемый по справочникам [2,3] в зависимости от месторождения:
- для твердого и жидкого топлива необходимо знать содержание углерода СР, водорода НР, кислорода ОР, азота NР, влаги WР, золы АР;
- для газообразного топлива содержание метана СН4, этана С2Н4, пропана С3Н6, бутана С4Н10, пентана С5Н12, азота N2, углекислого газа СО2, сероводорода Н2S, кислорода О2, водорода Н2 и окиси углерода СО;
б) низшая теплота сгорания топлива Qнр ;
в) коэффициент избытка воздуха в топке αт, в газоходах пароперегревателя αпп, первого и второго кипятильного пучка α1, α2, в экономайзере αэк, после последней хвостовой поверхности нагрева αух.
Согласно [2,5] коэффициенты избытка воздуха в топке принимаются: для природного газа αт = 1,1; для мазута αт = 1,2; для твердого топлива αт =1,35÷1,5, а допустимые присосы воздуха в газоходах теплогенератора следующие:
для слоевой топки (твердое топливо) − αт =0,1; |
||
для камерной топки (газ, мазут) − |
αт =0,05; |
|
для газоходов конвективных поверхностей нагрева: |
||
первый кипятильный пучок – ∆α1 |
=0,05 ; |
|
второй кипятильный пучок – ∆α2 |
=0,1; |
|
пароперегреватель – αпп =0,03; |
|
|
чугунный экономайзер – |
αэк =0,1; |
|
воздухоподогреватель трубчатый – αвп =0,1 (на каждую ступень). Для расчета в автоматизированном режиме исходные данные заносятся в соответствующие таблицы программы. Табл. 2.1 представляет собой форму ввода исходных данных для твердого топлива или мазута, а табл. 2.2. для газо-
образного топлива.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
||
|
Характеристики мазута, угля и коэффициенты избытка воздуха |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ср |
Sлр |
Нр |
Ор |
N р |
Wр |
A р |
α m |
α nn |
α 1 |
α 2 |
α эк(вn) |
α ух |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6
Таблица 2.2
Характеристики газообразного топлива и коэффициенты избытка воздуха
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
2 |
2 |
2 |
2 |
|
2 |
m |
nn |
1 |
2 |
вп(эк) |
ух |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
||||||||||||
СН |
Н |
Н |
Н |
Н |
N |
CO |
S |
O |
CO |
H |
а |
а |
а |
а |
|
а |
С |
С |
С |
С |
H |
а |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример заполнения таблицы исходных данных для твердого топлива представлен в прил. 1.
После ввода исходных данных осуществляется автоматический расчет по формулам (1.1)-(1.16) и в табличной форме представляются результаты расчета (прил.1).
По результатам расчета программа строит It - диаграмму продуктов сгорания топлива в интервале температур 100-1800 °С с шагом 20 °С. Пример построения диаграммы представлен в прил. 2.
It − диаграмма позволяет оперативно и многократно определять энтальпии по заданным температурам или, наоборот, по заданным энтальпиям – температуры, что необходимо для расчета элементов котлоагрегата. Для удобства и точности определения параметров, в программе дополнительно строятся фрагменты диаграммы: в интервале 100-200 °С с шагом 2°С; в интервале 200-1000 °С и 1000-1800 °С с шагом 10 °С.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Расчет характеристик продуктов сгорания топлива ТГУ (программа). Отраслевой фонд алгоритмов и программ 31 октября 2007 г. № гос. рег. 50200702253. Москва.
2.Тепловой расчет котлов (нормативный метод). Издательство НПО ЦКТИ, СПб,1998. – 256с.
3.Роддатис, К. Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности. / К. Ф. Роддатис. – М.: Энергоиздат, 1989. – 487 с.
4.Курносов, А. Т. Расчеты на ЭВМ при курсовом и дипломном проектировании теплогенерирующих установок: учебное пособие./ А. Т Курносов. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1988. –160 с.
5.Курносов, А. Т. Конструкции и характеристики теплогенераторов и их топочных устройств / А. Т. Курносов, Д. Н. Китаев, А. С. Бабич. – Воронеж. Изд-во ВГАСУ, 2007. – 50с.
6.Курносов, А.Т. Современные и перспективные теплогенераторы: конструкции и расчеты на ЭВМ.: учебное пособие./ А. Т Курносов. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1985. – 112 с.
7
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Пример заполнения исходных данных и результаты расчета
СР |
SЛР |
НР |
ОР |
NР |
WР |
АР |
αТ |
αПП |
α1 |
α2 |
αЭК |
αУХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
63,8 |
1,7 |
1,2 |
1,3 |
0,6 |
8,5 |
22,9 |
1,3 |
0 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
1,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вид топлива: |
Донецкий АСШ |
QНР=4990 ккал/кг |
8
|
αТ |
αПП |
α1 |
α2 |
αЭК |
αУХ |
Vo |
6,0032 |
6,0032 |
6,0032 |
6,0032 |
6,0032 |
6,0032 |
VRO2 |
1,2024 |
1,2024 |
1,2024 |
1,2024 |
1,2024 |
1,2024 |
VR2 |
6,5483 |
- |
7,1486 |
7,7489 |
8,3493 |
8,9496 |
VH2O |
0,3642 |
- |
0,3739 |
0,3836 |
0,3932 |
0,4029 |
VГ |
8,1149 |
- |
8,7249 |
9,3349 |
9,9449 |
10,5549 |
rRO2 |
0,1482 |
- |
0,1378 |
0,1288 |
0,1209 |
0,1139 |
rH2O |
0,0449 |
- |
0,0429 |
0,0411 |
0,0395 |
0,0382 |
|
|
|
|
|
|
|
t, °C |
αТ |
αПП |
α1 |
α2 |
αЭК |
αУХ |
100 |
322,663 |
- |
360,579 |
398,494 |
436,41 |
474,325 |
200 |
652,557 |
- |
728,72 |
804,884 |
881,047 |
957,21 |
600 |
2058,24 |
- |
2294,74 |
2531,25 |
2767,75 |
3004,26 |
1000 |
3591,09 |
- |
4000,7 |
4410,32 |
4819,93 |
5229,54 |
1400 |
5209,31 |
- |
5800,93 |
6392,54 |
6984,16 |
7575,78 |
1800 |
6877 |
- |
7655,76 |
8434,52 |
9213,28 |
9992,04 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Результат построения It – диаграммы |
|
|
|
|
|
|
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
10000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
энтальпия |
6000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
5000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
1400 |
1500 |
1600 |
1700 |
1800 |
|
|
|
|
|
|
|
топка |
|
1-й пучок |
|
2-й пучок |
|
экономайзер |
|
уход. газы |
температура |
|||||