2. Проектная часть

2.1 Расчет горения топлива

Исходные данные:

W=25г/м³

Состав газа приведен в таблице 1

таблица 1 – Состав сухих газов в процентах, %

СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	СО2	N2	Всего
90,8	5,4	1,2	0,3	0,7	0,6	1	100

Решение:

СН₄ = 90,8 = 88,06 % [ 1 ]

С₂Н₆ = 5,4 0,97 = 5,24 %

С₃Н₈ = 1,2 0,97 = 1,16 %

С₄Н₁₀ = 0,3 0,97 = 0,29 %

С₅Н₁₂ = 0,7 0,97 = 0,67 %

СО₂ = 0,6 0,97 = 0,58 %

N₂ = 1 0,97 = 0,97 %

Х_н2о = 0,1242 * 25* = 3,02

Н₂О = 0,1242* 25*0,97=3,03

Q = 127,7 СО+108 Н₂+358 СН₄+590С ₂Н₄+555 С₂Н₆+636С ₂Н₆+913С ₃Н₈+1185С ₄Н₁₀+1465С ₅Н₁₂+234Н ₂S

Q=39798,1 кДж/м³

Определяем количество воздуха, необходимого для жигания топлива, по реакции горения состовляющих газов.

СН₄+2О₂ СО₂+2Н₂О

С₂Н₆+3,5О₂ 2СО₂+3Н₂О

С₃Н₈+5О₂ 3СО₂+4Н₂О

С₄Н₁₀+6,5О₂ 4СО₂+5Н₂О

С₅Н₁₂+8О₂ 5СО₂+6Н₂О

Таблица 3 – Расход воздуха и количества продуктов сгорания м³/м³

Топливо			Воздух			Продукты сгорания
состав		количество	О2	N2	Всего м3	СО2	Н2О	О2	N2	Всего м3
СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 СО2 N2 Н2О		88,06 5,24 1,16 0,29 0,67 0,58 0,97 3,03	176,12 18,34 5,8 1,885 5,36	207,505*3,762		88,06 10,48 3,48 1,16 3,35 0,58	176,12 15,72 4,64 1,45 4,02 3,03		0,97
n=1	Σ		207,505	780,64	988,14	107,11	204,98		781,6	1090,08
	%	100	21	79	100	9,7	18,7		71,6	100
n=1.05	Σ		217,88	819,66	1037,54	107,11	204,98	10,4	820,7	1143,2
	%	100	21	79	100	9,4	17,93	0,9	71,8	100

Материальный баланс

СН₄=16 88,06=1409

С₂Н₆=30 5,24=160

С₃Н₈=44 1,16=51,04

С₄н₁₀=58 0,29=17

СО₂=44 0,58=26

N₂=28 0,97=29

Н₂О=18 3,03=58

Воздух

О₂=32 217,88=6974

N₂=28 819,66=22955

Итого: 31778,5 кг

Получено

СО₂=44 107,11=4710,2

Н₂О=18 204,98=3689,3

О₂=32 10,37=331

N₂=28 820,6=22979

Итого: 31778,5 кг

[2]

где – энтальпия, кДж/м³

- физическая теплота сгорания, кДж/м³

– объём продуктов сгорания образующихся при сжигании единицы топлива, м³/м³

- _[3]

Где - объём воздуха образующихся при сжигании единицы топлива, м³/м³

_{теплоёмкость воздуха}

_{- температура подогрева воздуха, 0C}

= 10,3754 _{1,363 410=5798,08}

_{= = 3988.6}

_{= 2300 0C}

_{= 5746.39 0.094=540,16}

_{=4485,34 0,179= 802,87}

_{= 3662,33 0,009=32,96}

_{= 3457,2 0,72=2489,18}

_{Итого: 3865,17}

_{= 2400 0С}

_{=6023,25 0,094=566,18}

_{3620,58 0,72=2606,81}

_{=3837,64 0,009=34,54}

_{= 4724,37 0,179 =845,66}

_{- Итого: 4053,2}

_{Находим калориметрическую температуру при горении:}

t_k = - _{) [4]}

t_k =2300+ _{100=2365,64 0С}

2.2 Расчёт геометрических размеров

воздухонагревателя

Исходные данные:

= 250 ⁰С

= 1200 ⁰С

=1.46

= 2,34

насадка выполнена из блочного кирпича со щелевыми каналами и горизонтальными проходами.

Решение:

Так как для топочных камер = 0,95 действительная температура продуктов сгорания равна:

₌

_Где действительная температура продуктов сгорания, ⁰С

_{– калориметрическая температура горения топлива,} ⁰С

= 0,95 _1630=1548,5 ⁰С

Принимая снижение температуры продуктов сгорания до поступления в насадку равным 3% от , найдем температуру дымовых газов на входе в насадку сверху:

=0,97 _{1548,5= 1502} ⁰С

- температура дымовых газов на входе в насадку, ⁰С

Среднюю за период температуру дыма на входе из насадки примем равной

= 250 ⁰С

При начальной и конечной температурах энтальпия продуктов сгорания равна:

=1502 ⁰С

=3545,36 _{0,158+2170,65 0,72+2296,88 0,012+2758,49 0,11=2453,8}

=462,7 _{0,158+383,4 0,11+337,4 0,012+336,5 0,72=361,51}

_{= 2891,6= 384,87}

_{= 2375,4=31,59}

_{= 2245,6=1595,72}

_{Иного: 2532,34}

=250 ⁰С

_{= 458.25=65.53}

_{= 383.5 =51.04}

_{= 335,59=4,46}

_{= 325,75=231,48}

_{Иного: 325,75}

_{Согласно приложению энтальпия воздуха на входе в насадку при =250 равна =328,68}

Зададим величину падения температуры воздуха в течение воздушного периода = 100 ⁰С Тогда средняя температура дутья на выходе из насадки в течение периода будет равна:

_{= 0,5 [1200+(1200+100)]= 1250} ⁰С

При котором энтальпия воздуха будет равна:

_{= 1800,4}

_{Расход продуктов сгорания находим из уравнения теплового баланса насадки:}

0,95 ₍ - _{) = ( - )}

_{Где 0,95 – коэффициент, учитывающий потери тепла в насадке.}

_{- время между перекидами в дымовой трубе (сек.)}

_{- длительность воздушного периода (сек.)}

_{Предварительно необходимо задаться временем между перекидками в дымовой трубе периоде = 7200 (2 ч) и длительностью времени на перекидку = 360 сек (0,1ч).}

_{Находится длительность воздушного периода по формуле:}

₌

_{= = 2520 сек (0,7ч)}

_{Общая продолжительность цикла равна}

= 7200+360+2520 = 10080 (2,8ч)

Теперь определяем расход продуктов сгорания ( )выраженный из формулы

=

= = 74,04

Находим расход смешенного коксодоменного газа на воздухонагреватель:

=

Где - расход продуктов сгорания, или

- объём продуктов сгорания образующихся при сжигании единицы топлива,

= = 29,93

Расход воздуха на горение смешенного газа

=

Где - объём воздуха образующейся при сжигании единицы топлива,

29,93 _{1,46 = 43,69}

Предварительное определение поверхности нагрева насадки

Тепло, затраченное на нагрев воздуха:

= _[15]

= 100 _{(1800,4 – 328,68) 2520 = 370,8 106}

Среднелогарифмическая разность температуры:

=

Где – разница между температурами дымовых газов на входе и выходе в насадку,

- разница средних температур на выходе из насадки дыма и дутья,

= = 45,57

Примем скорость дыма равной =2,0 . Скорость воздуха при нормальных условий будет равна:

=

где и - скорость дыма и воздуха соответственно,

= = 2,7

Средние за период температуры дыма и воздуха:

= = 876

= = 750

Средние температуры верха и низа насадки в дымовом и воздушном периоде и за весь цикл:

= =1189

= = 1000

= = 1095

= = 563

= = 500

= = 531

По формулам = + и + находим коэффициент теплоотдачи для верха и низа насадки. Принимая, что воздуходувка подаёт воздух под давлением р=354,5 кПа, найдем действительнуюскорость воздуха по формуле:

=

_{где температуры верха и низа насадки в воздушном периоде, к}

_{=101,3 кПа}

=273 к

₌ 8,5 _{= 7}

₌ 8,5 _{= 30,2}

Действительная скорость дыма находим по формуле:

₌

_{где - температуры верха и низа насадки в дымовом периоде, к}

= = 8,7

= 2 _{= 4,2}

Определяем коэффициент теплопроводности кирпича насадки:

_{λ = 1,58+}0,00038 _t

_{где t – средняя температура верха и низа насадки,}

λ = 1,58+0,00038 _{1095 = 1,99}

λ =1,04+0,00015 _t

_λ =1,04+0,00015 _{531= 1,12}

данные значения приведены в таблице 5

Таблица 4 - Коэффициент теплоотдачи для верха и низа насадки

Параметр	Расчётная формула,источник	Верх		низ
		Дым	Воздух		Дым	Воздух
Среднее за период температуры дыма и воздуха,		1189	1000		563	500
Коэффициент теплопроводности λ 10 к	Приложения и	12,52	8,06		7,11	5,75
Кинематический коэффициент вязкости 106		219,85	177,1		87,9	79,38
Определяющий диаметр канала, d м		0,031	0,031		0,031	0,013
Действительная скорость дыма и воздуха,		8,7	7		4,2	3,02
Критерий Рейнольдса	Re =	1321	1553		1430	1786
Критерий Нуссельда		5,8	9,6		8,6	14,5
Коэффициент теплоотдачи конвекцией, конв	Nu	23,1	20,7		19,3	22,8
Коэффициент теплоотдачи излучением, изл		26,9			3,9
Суммарный коэффициент теплоотдачи,		50	20,7		23,2	22,8

Заимствуя значения коэффициента теплопроводности и кинематический коэффициент вязкости воздуха из приложения _{необходимо учесть, что вязкость газов обратно пропорциональна давлению. Заимствовав из приложения вязкости необходимо разделить на: 354,5/101,3=3,5}

Параметр	Расчётная формула, источник	Верх динас	Низ шамот
Средняя температура насадки,		1095	531
Объёмная плотность р,		2000	2300
Коэффициент теплопроводности λ		1,99	1,12
Теплоёмкость ,		1,1	1,27
Коэффициент температуропроводности a,		9,53 10-7	5,38 10-7
Критерий Фурье		35,28	21,49
Коэффициент аккумуляции		0,96	0,94

=34.69 =0,3429 = 0,43

где - удельная поверхность нагрева

- живое сечение

- удельный объём

Эквивалентная полутолщина кирпича находится по формуле:

=

= = 0,012

Коэффициент аккумуляции находится по формуле:

=

где - безразмерный критерий Фурье

= = 0,96 = = 0,94

Поскольку полученные значения коэффициента аккумуляции тепла вся масса кирпича принимает участие в процессе аккумуляции тепла. В этом случае нет необходимости уменьшать его толщину и можно принять Ş=5,1 для низа насадки и Ş= 2,3 для верха.

Теперь можно найти значения суммарных коэффициентов теплоотдачи от дыма к воздуху по формуле:

=

где χ – суммарный коэффициент теплоотдачи для дыма и воздуха насадки,

-гидравлическое сопротивление отверстия

λ – коэффициент теплопроводности,

- объёмная плотность верха и низа насадки,

– теплоемкость,

Ş – толщина кирпича

Для верха насадки:

= = = 45,78

=

61,67

Средний для всей насадки:

=0,5 ₍ + )

=0,5 _{(61,67+45,78)=53,7}

Поверхность нагрева находим по формуле:

F =

где - тепло затраченное на нагрев воздуха,

F= = 15152,74

Объём насадки:

V =

V = =436.8

Площадь поперечного сечения в свету:

=

= =37,02

Общая площадь поперечного сечения насадки:

= [28]

= = 107.9

Высота насадки:

Н =

Н = = 4,05 м

Уточняем изменение температуры воздуха за время воздушного цикла. При =100 /с водяной эквивалент( теплоемкость) потока воздуха равна:

₌

=100 _=147,2

Теплоёмкость насадки:

₌

_{= 15152,74 0,012 = 4,6 106}

При = 266544 (74,04 ) теплоёмкость (водяной эквивалент) потока продуктов сгорания будет равна:

₌

_{=74,04 = 39}

= = 1,3

= = 2,2

По графику находится значения коэффициента =1,5.

Значение условной постоянной времени воздушного периода:

=

= =3,26

Находим изменение температуры дутья за время воздушного цикла:

=

=0,7 ₌₃₃₇

Размеры и массы насадки

Принимаются геометрические параметры насадки, получаемые при расчёте Н= 4,05 Ω=107,9 . Массе кирпича в насдке:

= V _{0,5 ( )}

_{=1945,46 0,5 (2000+2300) 0,7= 2928}

_{Коэффициент стройности насадки:}

=

= = 12

Данное число удовлетворяет условию равномерного распределения газов по сечению насадки.

Принимается скорость дыма в шахте горения (при нормальных) =2,5 , тогда площадь горизонтального сечения шахты будет равна:

=

= =9,18

Суммарная площадь горизонтального сечения воздухонагревателя:

= +Ω

= 9,18+29,72= 38,7

С учётом футеровки шахты:

= 41

Тогда диаметр воздухонагревателя по внутренней поверхности кладки:

D=

D= = 7.23 м

Оптимальное время между перекидками клапанов:

₌ -

= -0,1 = 2,01 ч

Оптимальная длительность воздушного периода:

=

= = 0,7 ч