2.3 Определение температуры горения топлива

Различают три вида температур горения топлива: калориметрическую (t_k), теоретическую (t_т) и действительную (t_д).

Калориметрическая температура – это температура, до которой нагрелись бы продукты полного горения, если бы все тепло топлива и воздуха пошло на нагрев газов. Для определения этой температуры составляют уравнение теплового

баланса:

(2.13)

где – низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

q_т – физическое тепло топлива, кДж/кг;

q_в – физическое тепло воздуха, кДж/кг;

V_пг – объем продуктов горения, м³/кг;

С_пг – средняя теплоемкость продуктов горения в интервале температур 0– t_k, кДж/м^3.°С.

Низшую теплотворную способность жидкого топлива расчитывают по эмпирической формуле Менделеева [4]:

кДж/кг, (2.14)

где и т.д. – содержания составляющих в топливе по рабочей массе, %.

По формуле (2.14):

Физическое тепло топлива определяется по формуле:

кДж/кг, (2.15)

где С_т – теплоемкость топлива при температуре подогрева, кДж/(м^3.°С);

t_т – температура подогрева топлива, °С;

V_т – объем топлива, м³.

В данной курсовой работе принято, что подаваемое топливо не подогревается. Следовательно, физическое тепло топлива равно нулю и в расчетах не учитывается.

Физическое тепло воздуха определяется по формуле:

кДж/кг, (2.16)

где С_в – теплоемкость воздуха при температуре подогрева, кДж/(м^3.°С);

t_т – температура подогрева воздуха, °С;

V_т – объем воздуха, м³.

По заданию курсовой работы температура подогрева воздуха t_в = 270°С. По справочной литературе для температуры t_в = 270°С теплоемкость воздуха

равна [2]: С_в = 1,38кДж/(м^3.°С). Объем воздуха при коэффициенте избытка воздуха α_в = 1,2 равен: V_в =12,3124 м³/кг. Тогда физическое тепло воздуха по формуле (2.16) составляет:

кДж/кг.

Таким образом, калориметрическая температура определяется по выражению:

°С. (2.17)

Однако определить калориметрическую температуру невозможно, т.к. теплоемкость продуктов горения является функцией искомой температуры, поэтому калориметрическую температуру чаще всего определяют методом последовательного приближения, т.е. путем подбора. Суть метода заключается в сравнении энтальпии топлива с энтальпией продуктов горения, определенной с использованием известной низшей теплоты сгорания и объема продуктов горения. Энтальпия топлива определяется по следующему выражению:

кДж/м³. (2.18)

Энтальпия продуктов горения определяется суммированием энтальпий каждой составляющей продуктов горения при заранее принятой калориметрической температуре. Исходя из экспериментальных данных, калориметрическую температуру выбирают из интервала °С.

Объем продуктов горения, по произведенным ранее расчетам, равен: V_пг = 1347,069 м³/кг. Для того, чтобы отнести объем продуктов горения к одному килограмму топлива необходимо разделить его на сто, т.е. V_пг = 13,471 м³/кг. Тогда энтальпия топлива в соответствии с формулой (2.18) будет составлять:

кДж/м³.

Пусть в первом приближении калориметрическая температура °С. Тогда энтальпия составляющих продуктов горения при этой

температуре:

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³.

следовательно, необходимо повторно произвести расчет, приняв калориметрическую температуру равную: °С. Энтальпия продуктов горения при этой температуре равна:

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³.

следовательно, необходимо повторно произвести расчет, приняв калориметрическую температуру равную: °С. Энтальпия продуктов горения при этой температуре равна:

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³

следовательно, необходимо повторно произвести расчет, приняв калориметрическую температуру равную: °С. Энтальпия продуктов горения при этой температуре равна:

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³;

кДж/м³

следовательно, искомая калориметрическая температура t_k будет находиться в интервале температур 2000–2100 °С.

Искомое значение калориметрической температуры определяют по следующему выражению [4]:

°С; (2.19)

По формуле (2.19):

°С.

Теоретическая температура горения топлива – это температура, до которой нагревались бы продукты горения, если бы на их нагревание пошло бы все тепло, введенное в рабочее пространство печи за вычетом потерь тепла на диссоциацию газов: углекислого газа и влаги. Эту температуру определяют по формуле:

°С, (2.20)

где – низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

q_т – физическое тепло топлива, кДж/кг;

q_в – физическое тепло воздуха, кДж/кг;

q_дис – потери тепла при диссоциации газов, кДж/кг;

V_пг – объем продуктов горения, м³/кг;

С_пг – средняя теплоемкость продуктов горения в интервале температур 0– t_k, кДж/м^3.°С.

Поскольку потери тепла на диссоциацию при температурах, развивающихся в рабочем пространстве печи (до 1500 °С), невелики, теоретическую температуру при практических расчетах можно считать равной калориметрической [4].

Действительная температура горения – это температура, которую имеют продукты горения в конкретных условиях процесса сжигания топлива с учетом потерь, связанных с теплоотдачей в рабочем пространстве печи. Эта температура может быть определена по формуле:

°С, (2.21)

где q_потерь – количество тепла, отдаваемое в процессе горения окружающей среде и расходуемое на нагрев металла.

На практике определение q_потерь невозможно, поэтому для определения действительной температуры горения топлива вводится понятие пирометрического коэффициента, равного отношению:

(2.22)

Пирометрический коэффициент зависит от условий сжигания топлива, конструкции и режима работы печи. Для кузнечной камерной печи пирометрический коэффициент лежит в пределах [4]: η_пир = 0,75–0,85.

Принимается η_пир = 0,75. В этом случае действительная температура в печи из формулы (2.22) равна:

°С;

°С.

Для дачи заключения о годности заданного источника тепловой энергии для нагрева заданного металла, определяют требуемую температуру продуктов горения топлива и сравнивают ее с действительной температурой t_д.

Требуемую температуру продуктов горения можно определить по следующей формуле [4]:

°С, (2.23)

где – конечная температура металла в печи (максимальная температура начала ковки), °С;

Δt – температурный напор между t_пп и поверхностью садки, °С.

Максимальная температура начала ковки определяется по справочной литературе. Для стали Ст4 эта температура равна [4]: °С.

При обычном нагреве металла температурный напор для кузнечной камерной печи принимают равным [4]: Δt = 50–150 °С. Принимается Δt = 100 °С. Тогда требуемая температура продуктов горения по формуле (2.23) равна:

°С.

Поскольку заданный источник тепловой энергии пригоден для нагрева заданного металла, т.к. он обеспечивает необходимую температуру печного пространства.