К работе, высылаемой на повторную проверку (если она выполнена в другой тетради), должна обязательно прилагаться незачтенная работа.
На экзамене необходимо представить зачтенную работу, в которой все отмеченные рецензентом погрешности должны быть исправлены.
Последовательность выполнения расчетов определяется порядком излагаемых ниже рекомендаций. Затем дается пример выполнения расчетно-графического задания. Цель примера – разъяснить ход решения, но не воспроизвести его полностью. Поэтому в ряде случаев промежуточные расчеты опускаются. Но при выполнении задания все преобразования и числовые расчеты должны быть обязательно последовательно проделаны с необходимыми пояснениями. В конце должны быть даны ответы.
Порядок выполнения работы
1. Расчет низшей теплоты сгорания, теплоемкости топлива, расхода воздуха и выхода продуктов полного сгорания твердого и жидкого топлива
Элементарный состав твердых и жидких топлив записывается в виде суммы содержания в них углерода С, водорода Н, кислорода О, серы S, азота N, золы А и влаги W (в процентах по массе). Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения могут быть разными. Поэтому в справочной литературе приводится более постоянный состав горючей массы топлива (см. табл.1).
|
|
Расчеты горения твердого или жидкого топлива выполняются на основе данных об элементарном составе рабочей массы конкретного топлива. Пересчет элементарного состава горючей массы топлива на рабочую производится при помощи коэффициента
(100 – Ар – Wр)/100.
Например, Ср = Сг(100 – Ар – Wр)/100.
Правильность проведенных расчетов определяется выполнением равенства
Ср+Нр+Ор+Nр+Sр +Ар+Wр = 100%.
Для составления тепловых балансов процесса горения необходимо знать величину теплоты сгорания сжигаемого топлива. При отсутствии экспериментальных и справочных данных низшая теплота сгорания твердых или жидких топлив может быть приближенно определена по формуле Д.И.Менделеева (в МДж/кг):
Qнр = 0,339 Ср + 1,03Нр – 0,109 (Ор – Sр) – 0,0251Wр.
Необходимое для составления теплового баланса значение теплоемкости рабочей массы твердого и жидкого топлива определяется по следующим формулам (в кДж/(кг. К):
для твердого топлива
Ст = 4,19 Wр/100 + Сс(100 - Wр )/100;
для жидкого топлива
Ст = 1,738 + 0,0251(Тт - 273),
|
|
где Сс - теплоемкость сухой массы твердого топлива (для каменного угля теплоемкость составляет 1,09 кДж/(кг∙К) без учета ее изменения с температурой).
Минимальное (теоретическое) количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, находится по формуле (в м3/кг):
V0 = 0,0889 (Ср + 0,375Sр) +0,265Нр – 0,0333Ор.
Действительное количество воздуха определяется произведением коэффициента избытка воздуха α и теретически необходимого количества воздуха (в м3/кг)
Vв = α V0.
Объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 кг топлива в теоретически необходимом количестве воздуха, равен (в м3/кг)
Vго = VRO2 + VN2о + Vн2о0,
где объемы продуктов сгорания каждого компонента будут:
выход сухих трехатомных газов, м3/кг,
VRО2 = 0,01866 (Ср + 0,375Sр);
теоретический выход азота, м3/кг,
VN20 = 0,008Nр + 0,79V0;
теоретический выход водяных паров, м3/кг,
VН2О0 = 0,111Нр + 0,0124Wр + 0,00124dвVо
г де dв – содержание влаги в воздухе, г/м3.
Объем продуктов сгорания при сжигании 1 кг топлива в действительном количестве воздуха определяется по формуле (в м3/кг)
Vг = VRО2 + VN20 + VН2О + (α – 1)V0.
где VН2О - выход водяных паров, м3/кг,
VН2О = VН2О0 + 0,0161 (α – 1)V0.
2. Расчет низшей теплоты сгорания, теплоемкости топлива, расхода воздуха и выхода продуктов полного сгорания газообразного топлива
Элементарный состав газообразных топлив приводится как процентное (по объему) содержание отдельных газов: метана СН4, этанаС2Н6, пропана С3Н8, бутана С4Н10, пентана С5Н12, окиси углерода СО, водорода Н2, кислорода О2, азота N2 и т.д.
Низшую теплоту сгорания сухих газообразных топлив при отсутствии экспериментальных данных определяют (в Мдж/м3) как сумму произведений теплот сгорания горючих компонентов и их содержания в 1 м3 газообразного топлива:
Qнс = 0,01(QCН4СН4 + QC2Н6С2Н6 + QС3Н8С3Н8 + QС4Н10С4Н10 + …),
где СН4, С2Н6 и т.д. – содержание горючих газов в сухом газовом топливе, в % по объему;
QСН4, QC2Н6 и т.д. – низшая теплота сгорания соответствующих газов, Мдж/м3 (приведена в таблице 1.2 данного пособия).
Необходимое для составления теплового баланса значение теплоемкости газообразного топлива в кДж/(м3∙К) определяется по следующей формуле:
Ст = 0,01(СН2Н2 + ССОСО + ∑СCmНnСmНn + СN2N2 + CО2О2 + …),
где СН2, ССО, СmНn, и т.д. - средние изобарные теплоемкости в кДж/(м3∙К) соответствующих индивидуальных газов в интервале от 0оС до температуры топлива tт, значения которых приведены в таблице 1.3 данного пособия;
Н2 , СО, СmНn и т.д. - содержание соответствующих газов в газообразном топливе.
Минимальное (теоретическое) количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 м3 газообразного топлива, находится по формуле (в м3/м3):
V0 = 0,0476 [0,5СО + 0,5Н2 + 1,5Н2S + ∑(m + n/4)CmHn – О2];
Действительное количество воздуха определяется произведением коэффициента избытка воздуха α и теоретически необходимого количества воздуха (в м3/м3)
Vд = α V0.
Объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1м3 топлива в теоретически необходимом количестве воздуха, равен (в м3/м3):
Vго = VRO2 + VN2о + Vн2о0,
где объемы продуктов сгорания каждого компонента будут:
|
|
выход сухих трехатомных газов,м3/м3,
VRО2 = 0,01(СО2 + СО + Н2S + ∑mCmHn);
теоретический выход азота,м3/м3,
VN20 = 0,01(N2 + 79V0);
теоретический выход водяных паров, м3/м3 ,
VН2О0 = 0,01(Н2 + Н2S + ∑0,5nCmHn) + 0,00124dг + 0,0161V0,
где dг – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа (при t = 10оС принимают dг = 10 г/м3).
Объем продуктов сгорания при сжигании 1 кг топлива в действительном количестве воздуха определяется по формуле (в м3/м3):
Vг = VRО2 + VN20 + VН2О + (α – 1)V0.
где VН2О - выход водяных паров, м3/м3
VН2О = VН2О0 + 0,0161 (α – 1)V0.
3. Определение температуры горения
Температура горения, получаемая в условиях полного сгорания топлива и использования всего тепла для нагрева продуктов сгорания без учета явления диссоциации, называется адиабатической (калориметрической) температурой, оС:
tк = (Qнр + VвСвtв + Стtт) / ∑ViCi,
Здесь ∑ViCi = VRO2СRO2 + VN20СN2 + VН2ОСH2O + (α – 1)V0Св,
где VRO2, VN20, VН2О, (α – 1)V0 = Vвизб - выход в м3/м3 соответственно сухих трехатомных газов, азота, водяных паров и избыточного воздуха в продуктах сгорания;
СRO2, СN2, СH2O, Св –теплоемкости в кДж/(м3∙К) продуктов сгорания (соответственно сухих трехатомных газов, азота, водяных паров) и избыточного воздуха.
Поскольку теплоемкость продуктов сгорания и избыточного воздуха, нагретых до tк , зависит от искомой калориметрической температуры горения, подсчет ведут по методу последовательных приближений, определяя каждый раз средневзвешенную теплоемкость продуктов сгорания и избыточного воздуха.
Определить калориметрическую температуру можно также методом линейной интерполяции, основанным на том, что подсчет ведут задаваясь определенной температурой продуктов сгорания t1 (2000 оС при малом содержании в топливе балласта и более низкой температурой при высоком содержании балласта), а затем подсчитывают средневзвешенную теплоемкость продуктов сгорания от нуля до t1. Потом подсчитывают, какой теплотой сгорания должно обладать топливо, если продукты его сгорания нагреты до температуры t1:
|
|
Q1 = (∑ViCi)∙t1 - VвСвtв – Стtт.
Если подсчитанная таким путем теплота сгорания топлива Q1 ниже действительной теплоты сгорания Qнр, то задаются температурой t2 на
100 оС выше, чем t1, и аналогичным путем определяют значение Q2. Если же подсчитанная теплота сгорания выше Qнр, то задаются температурой t2 на 100 оС ниже, чем t1, и определяют значение Q2 при этой температуре. Если действительная теплота сгорания топлива Qнр находится между Q1 и Q2, то определяют калориметрическую температуру методом линейной интерполяции
tк = t1 + (t2 - t1)(Qнр – Q1) / (Q2 - Q1), если Q1 < Qнр, а Q2 > Qнр,
или
tк = t2 + (t1 - t2)(Qнр – Q2) / (Q1 - Q2), если Q1 > Qнр. а Q2 < Qнр.
Теоретическая температура горения определяется из теплового баланса адиабатического процесса горения топлива с учетом явления диссоциации при допущении,что энтальпия продуктов сгорания не меняется в результате диссоциации СО2 и Н2О. Поэтому формула для расчета теоретической температуры горения принимает вид:
t теор = (Qнр + VвСвtв + Стtт – qд) / ∑ViCi,
где Vi и Ci – выход и теплоемкость продуктов сгорания без учета их диссоциации;
qд – теплота, затрачиваемая на диссоциацию продуктов сгорания, кДж/кг (кДж/м3).
Потери теплоты от диссоциации СО2 и Н2О:
qд = 12640 αд VСО2 + 10800 βд VН2О,
где VСО2 и VН2О – выход соответственно диоксида углерода и водяного пара при полном сгорании топлива без учета диссоциации, м3/кг (м3/м3);
αд и βд - степень диссоциации соответственно диоксида углерода и водяного пара в долях (принимается по данным таблиц 1.5 и 1.6).
Как и в случае с определением калориметрической температуры, подсчет теоретической температуры горения производится методом последовательных приближений либо методом линейной интерполяции.