Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011

Вид материала

Курс лекций

Содержание 5.1. Температура горения 5.2. Коэффициент использования тепла топлива 5.3. Расчет горения природного газа 5.4. Расчет горения мазута 5.5. Теплопередача в печах F – площадь всей поверхности данного элемента засыпки, м; Z

Подобный материал:

• Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 1206.2kb.
• Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 1244.1kb.
• Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 877kb.
• Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика», 1246.47kb.
• Рабочая программа для студентов Vкурса по специальности 140104 промышленная теплоэнергетика, 69.12kb.
• Рабочая программа для студентов IV курса специальности 100700 промышленная теплоэнергетика, 243.31kb.
• Рабочая программа для студентов Vкурса специальности 290800. Промышленная теплоэнергетика, 63.46kb.
• Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 356.38kb.
• Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 329.37kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «экономика» Для студентов специальностей:, 1055.87kb.

5.1. Температура горения

Под температурой горения понимают температуру, которую имеют газообразные продукты сгорания за счет выделенного при сгорании топлива тепла.

Различают действительную, теоретическую и калориметрическую (жаропроизводительность) температуры горения.

Действительная температура – температура, которую имеют продукты сгорания в конкретных условиях сжигания топлива:

К.

Эта температура зависит от качества и удельного расхода топлива, коэффициента расхода воздуха, физического тепла, вносимого топливом и воздухом, условий теплообмена и т. д. Однако определение Т_Д не представляется возможным из-за затруднения в определении q_пот, поэтому введено понятие теоретической температуры горения:

, К.

Если пренебречь потерями тепла на диссоциацию продуктов сгорания, получим калориметрическую температуру сгорания:

, К.

При отсутствии подогрева топлива и воздуха:

, К.


Рис. 5.1. Диаграммы i–t для газов:
а) природного, коксового и смеси коксового и доменного при >12 МДж/м³;
б) паровоздушного генераторного, смеси коксового и доменного
при = 812 МДж/м³, мазута, каменного угля, кокса;
в) водяного, генераторного, смеси коксового и доменного
при < 8 МДж/м³, бурых углей, горючих сланцев, торфа и дров:
V_L, %: 1 – 0 (продукты сгорания без воздуха); 2 – 20; 3 – 40; 4 – 60; 5 – 80; 6 – чистый воздух, где V_L – объем воздуха, подаваемого на горение


Калориметрическая температура (жаропроизводительность) является физической характеристикой топлива.

.

Пирометрический коэффициент h_пир зависит от условий сжигания топлива и определяется экспериментально. Приближенные значения пирометрического коэффициента для камерных печей (газовое и жидкое топливо) 0,73–0,83; для туннельных печей 0,78–0,83. При беспламенном способе сжигания газа h_пир » 0,9.

Калориметрическую и теоретическую температуры горения можно определить по общей энтальпии продуктов горения диаграммам (i–t) (рис. 5.1).


5.2. Коэффициент использования тепла топлива

Сравнительную оценку отдельных видов топлива дает термодинамический коэффициент использования тепла топлива h (КИТ):

.


Рис. 5.2. Коэффициенты использования тепла:
а) коксового газа, Q_н = 1660 кДж/м³; б) водяного газа,
Q_н = 10467 кДж/м³; в) смеси доменного и коксового газов,
Q_н = 8374 кДж/м³; г) мазута, нефти, Q_н = 43815 кДж/м³;
д) метана. V_z, %:
1 – 0; 2 – 20; 3 – 40; 4 – 60; 5 – 80; 6 – чистый воздух,
где V_z – объем воздуха, подаваемого на горение


КИТ показывает долю тепла, используемую на покрытие потерь тепла рабочим пространством и совершение полезной работы нагрева материала в печи. Величины h_т для некоторых видов топлива в зависимости от температуры отходящих газов показаны на рис. 5.2.


5.3. Расчет горения природного газа

Состав природного газа, %: 93,0 СН₄; 1,2 С₂Н₆; 0,7 С₃Н₈; 0,4 С₄Н₁₀; 0,2 С₅Н₁₂; 0,2 СО₂; 3,3 N₂; 1,0 Н₂О.

1. Теплота сгорания газа:





2. Теоретически необходимое количество сухого воздуха:



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



3. Действительное количество воздуха при коэффициенте расхода a = 1,2:



4. Количество и состав продуктов сгорания при a = 1,2:











Процентный состав продуктов сгорания:





;



5. Теоретическая температура горения.

Общее теплосодержание продуктов горения при подогреве воздуха до 800 ⁰С и a = 1,2:



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



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.


5.4. Расчет горения мазута

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 %. Принимаем a = 1,2. Воздух поступает без подогрева.

1. 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.

2. Теплота сгорания мазута:



3. Теоретически необходимое для горения количество сухого воздуха:



Количество атмосферного воздуха при влагосодержании d = 0,01 кг/кг:



4. Действительное количество воздуха при a = 1,2:



5. Количество и состав продуктов полного сгорания при a = 1,2:











Состав продуктов сгорания:

;



;



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



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

7. Действительную температуру горения при h_г = 0,8 находим по диаграмме (i–t) при



T_д » 1500 ^оС.


5.5. Теплопередача в печах

Тепло, выделяемое при сгорании топлива, передается нагреваемому материалу и внутренней футеровке печей. Для обеспечения эффективной тепловой работы печи, улучшения использования тепла продуктов сгорания необходимо при расчете конструкции печей учитывать особенности всех видов теплопередачи.

Конвекция. Тепло конвекцией передается от движущихся газов к поверхностям стен печи и изделий. Различают свободную и вынужденную теплоотдачу при конвекции.

Формулы для расчета нагреваемого или охлаждаемого тела (при свободной конвекции), расположенного в неограниченном объеме, имеют вид (см. раздел 5):



1) при 10^–3 < PrCr < 5 · 10² :

; с = 1,18; n = 1/8;

2) при 5 · 10² < PrGr < 2 · 10⁷ :

; с = 0,54; n = 1/4;

3) при PrGr > 2 · 10⁷ : ;

с = 0,135; n = 1/3;

4) Nu = 0,45 при PrGr < 10^–3.

Значения коэффициентов А для воздуха приведены в табл. 5.5.

Таблица 5.5 Значения коэффициентов А для воздуха при различных температурах Температура,оС А1 А2 А3 –50 –20 0 20 50 100 200 300 500 1000 0,279 – 0,291 – 0,302 0,310 0,337 0,349 0,372 0,407 1,50 1,44 1,42 1,36 1,32 1,27 1,22 1,10 1,00 0,815 1,94 1,83 1,69 1,57 1,48 1,33 1,13 1,00 0,815 0,558

Если теплоотдающая поверхность обращена кверху, то α_к увеличивается на 30 %, если книзу – уменьшается на 30 %.

Физические характеристики относятся к средней температуре t_ср = 0,5(t_ст + t_в). За линейный размер l принимают: для горизонтальной трубы – диаметр, для вертикально расположенной трубы или пластины – высоту участка теплообмена, для горизонтальной плиты – меньшую ее сторону.

Процесс теплообмена в замкнутом ограниченном непроточном объеме можно рассчитывать по приближенной формуле:

,

где l – коэффициент теплопроводности среды;

e – коэффициент, учитывающий влияние конвекции, при (GrPr)_ср > 10³;

;



За определенную температуру принимают:



При вынужденном движении коэффициент теплоотдачи в канале с постоянной температурой стенки при ламинарном движении можно определять по формулам:

– для круглой трубы (канала):

при ( ;

при Nu = 3,66;

– для плоской щели:

при Nu = 1,85 ;

при Nu = 7,60.

Для прямых гладких труб и каналов любой формы поперечного сечения коэффициент теплоотдачи при турбулентном режиме можно определить по формуле (раздел 5):



Для воздуха и продуктов горения Pr = 0,72 = сonst, Nu = 0,018Re^0,8.

Приведенные формулы справедливы для > 50. Для коротких труб и каналов значения коэффициентов теплоотдачи a_к необходимо умножить на поправочный коэффициент (табл. 5.6).

Таблица 5.6 Значения поправочного коэффициента при разных отношениях Re 1 2 5 10 15 20 30 40 50 1 · 104 1,65 1,50 1,34 1,23 1,17 1,13 1,07 1,03 1,00 2 · 104 1,51 1,40 1,27 1,18 1,13 1,10 1,05 1,02 1,00 5 · 104 1,34 1,27 1,18 1,13 1,10 1,08 1,04 1,02 1,00 1 · 105 1,28 1,22 1,15 1,10 1,08 1,06 1,03 1,02 1,00 1 · 106 1,14 1,10 1,08 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00

Влияние диаметра канала на теплопередачу конвекцией определяют по формулам:

Вт/(м² °С)

В высокотемпературных печах коэффициент теплоотдачи конвекцией приближенно можно определять по формуле:



Для теплообмена в слое кусковых материалов различной формы:

Nu = 0,106 Re при 20 < Re < 200;

Nu = 0,61 Re^0,67 при Re > 200;

;

где F – площадь всей поверхности данного элемента засыпки, м²;

Z – расход газа (по массе), протекающего через слой, отнесенный к полной площади поперечного сечения слоя, кг/(м² · с);

h – коэффициент вязкости, Н · с/м².

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при нагревании газов не равен коэффициенту теплоотдачи конвекцией при охлаждении (табл. 5.7).

В промышленных установках при нагревании и охлаждении воздуха коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к изменяется от 1 до 60 Вт/(м² · °С). При скорости воздуха (или дымовых газов) w = 8 м/с (d = 0,1 м) и t_ср =  100 ^оС α_к » 23 Вт/(м² · °С), при скорости w = 300 м/с α_к » 872 Вт/(м² · °С).

Таблица 5.7 Значения коэффициентов α при охлаждении и нагревании воздуха Темпера- тура, оС αк, Вт/(м2 · °С), при нагревании охлаждении 0 3,5 4,5 60 1,81 2,36