Илющенко Д.В. Домашние расчётные задания по теплотехнике
Подождите немного. Документ загружается.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению домашних заданий по курсу “Теплотехника”
для направления “Металлургия”
(МЧ, МС, МЛ, МФХ)
Мариуполь, 2008
2
УДК 621.036 (076.5)
Методические указания к выполнению домашних заданий
по курсу “Теплотехника” для направления “Металлургия” (МЧ,
МС, МЛ, МФХ). Сост. Илющенко Д.В. – Мариуполь: ПГТУ,
2008. – 35 с.
В методических указаниях приведены условия к домашним
расчетным работам, выполняемым студентами групп МЧ, МС,
МЛ и МФХ по курсу “Теплотехника”, а также методические ре-
комендации по их выполнению и справочный материал.
Составитель Д.В. Илющенко
Ответственный за выпуск
проф., д.т.н.
В.А. Маслов
3
ВВЕДЕНИЕ
При изучении дисциплины “Теплотехника” студентами на-
правления “Металлургия” (группы МЧ, МС, МЛ, МФХ) выпол-
няются три домашних расчетных задания.
Целью выполнения заданий является закрепление теоретиче-
ского лекционного материала путем его применения к решению
практических задач, а также приобретение навыков пользования
справочными материалами.
Домашние расчетные задания выполняются по следующим
разделам: “Топливо и основы его сжигания”, “Теплопровод-
ность при стационарном режиме”, “Теплопроводность при не-
стационарном режиме”.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ
ДОМАШНИХ ЗАДАНИЙ
При оформлении домашних заданий необходимо придержи-
ваться требований ДСТУ 3008-95.
Домашние задания выполняются на листах формата А4.
Титульный лист обязательно должен содержать номер и на-
звание домашнего задания. На втором листе необходимо при-
вести полное условие выполняемого задания с указанием всех
исходных данных.
При оформлении задания обязательно пояснять каждый шаг
решения.
При нахождении какого-либо параметра должна быть приве-
дена расчетная формула, после которой необходимо перечис-
лить все входящие в нее величины с указанием их размерностей.
Затем в соответствии с записью формулы производится подста-
новка численных значений и записывается полученный резуль-
тат с обязательным указанием размерности.
В случае если результаты расчетов требуется представить в
графическом виде, график вычерчивается обязательно с соблю-
дением масштаба.
Выполнение и сдача домашних заданий происходит в соот-
ветствиие с установленным регламентом.
4
ДОМАШНИЕ РАСЧЕТНЫЕ ЗАДАНИЯ
Задание 1 Расчет горения топлива
Рассчитать расход воздуха, количество, плотность и состав
продуктов горения, калориметрическую и действительную тем-
пературы горения смеси двух газообразных топлив.
Исходные данные
• вид газообразных топлив – задается преподавателем, а их
состав берется по приложению 1;
• коэффициент расхода воздуха α – задается преподавателем;
• температура подогрева воздуха t
в
= 200 + 20·п, °С;
• температура подогрева топлива t
т
= 100 + 10·п, °С;
• теплота сгорания смеси
природно-коксовой
р
н
см
Q = 18,7 + 0,3·п, МДж/м
3
;
природно-доменной
р
н
см
Q = 4,8 + 0,7·п, МДж/м
3
;
коксо-доменной
р
н
см
Q = 5,2 + 0,3·п, МДж/м
3
;
• пирометрический коэффициент
пир
η
= 0,6 + 0,01·п,
где n – порядковый номер студента в журнале.
Алгоритм расчета
1. Пересчет сухого состава каждого из индивидуальных га-
зообразных топлив на влажный
• содержание водяного пара во влажном газе, %
100
00124201
0012420
2
г
г
d,
d,
OH
⋅+
⋅
=
или
100
6803
2
г
г
d,
d
OH
+
=
,
(1.1)
где d
г
– влагосодержание газообразного топлива, г/м
3
.
Влагосодержание природного газа может приниматься рав-
ным 10 г/м
3
, коксового – 25 ÷ 30 г/м
3
, доменного – 30 ÷ 35 г/м
3
.
• состав влажного газа
100
100
2
OH
ХХ
сухвл
−
= или
г
сухвл
d,
ХХ
12420100
100
+
=
,
(1.2)
5
где
сухвл
ХХ , – процентное содержание компонентов (СН
4
,
СО, Н
2
и др.) во влажном и сухом газе соответственно.
2. Расчет низшей рабочей теплоты сгорания каждого газооб-
разного топлива, кДж/м
3
(
+++=
42
357001075012640010 CHHCO,Q
р
н
+
+
+
+
1048362
1186009110063500 HCHCHC
)
SHHC
2125
23400146100
+
+
,
(1.3)
где ...,CH,H,CO
42
– процентное содержание соответствую-
щих компонентов в газообразном топливе.
3. Определение состава смешанного газообразного топлива
• доля каждого из газообразных топлив в смеси
р
н
р
н
р
н
р
н
QQ
QQ
x
см
21
2
−
−
=
,
(1.4)
где x – доля первого газа в смеси (имеющего теплоту сгора-
ния
р
н
Q
1
); очевидно, что (1 – x) – доля второго газа (имеющего
теплоту сгорания
р
н
Q
2
).
• состав смешанного газообразного топлива, %
(
)
xOCxOCCO
см
−
′
′
+
′
=
1
;
(
)
xHCxHCCH
см
−
′
′
+
′
= 1
444
;
(
)
xHxHH
см
−
′
′
+
′
= 1
222
и т.д.,
(1.5)
где ...,,,
24
HHCOC
′
′
′
– процентное содержание компонентов в
первом газообразном топливе;
...,,,
24
HHCOC
′
′
′
′
′
′
– процентное содержание компонентов во
втором газообразном топливе.
Примечание: В последующих формулах индекс “см” опуска-
ется.
4. По вычисленному составу смешанного газообразного топ-
лива контролируется его теплота сгорания и сравнивается с за-
данной. Вычисления производятся по формуле (1.3) при этом
подставляется состав, рассчитанный в п.3.
6
5. Вычисление плотности смешанного топлива, кг/м
3
100422
1
i
n
i
i
т
C
,
⋅=
∑
=
µ
ρ
,
(1.6)
где µ
i
– молекулярная масса i-го компонента топлива,
кг/кмоль;
C
i
– содержание i-го компонента в топливе, %;
22,4 – объем 1 киломоль газа при нормальных условиях,
м
3
/кмоль;
n – число компонентов смеси.
6. Расчет расхода воздуха
• теоретический расход сухого воздуха, м
3
/м
3
[
2
836242
55325050010
O
.в.с
o
K
HCHC,CHH,CO,,
L
+++++
=
]
2
22125104
51856
O
K
OSH,HCHC, −+++
,
(1.7)
где
242
...,,,, OCHHCO
– процентное содержание компонентов
смешанного газообразного топлива;
2
O
K – доля кислорода в воздухе.
Обычно расчет ведут на сухой атмосферный воздух с содер-
жанием
в
O
2
= 21 % и
в
N
2
= 79 % (т.е.
2
O
K = 0,21). Может также
использоваться обогащенный кислородом воздух, в этом случае
расход воздуха на сжигание единицы топлива снижается.
• действительный расход сухого воздуха, м
3
/м
3
.в.с
o
.в.с
LL
α
α
= ,
(1.8)
где α – коэффициент расхода воздуха.
• действительный расход влажного воздуха, м
3
/м
3
(
)
.в.с
в
.в.в
Ld,L
αα
00124201+= ,
(1.9)
где d
в
– влагосодержание воздуха, г/м
3
.
Влагосодержание воздуха может приниматься равным 10 ÷
20 г/м
3
.
7
7. Расчет количества и состава дымовых газов (продуктов
горения)
• выход
2
CO , м
3
/м
3
[
+++++=
10483624
432010
2
HCHCHCCHCO,V
CO
]
2125
5 COHC
+
+
;
(1.10)
• выход OH
2
, м
3
/м
3
[
+++++=
104836242
5432010
2
HCHCHCCHH,V
OH
]
.в.с
в
Ld,OHSHHC
α
00124206
22125
++++
;
(1.11)
• выход
2
N , м
3
/м
3
(
)
.в.с
ON
LKN,V
α
22
1010
2
−+=
;
(1.12)
• выход
изб
O
2
(избыточного кислорода), м
3
/м
3
(
)
.в.с
oOO
LKV
изб
1
22
−=
α
;
(1.13)
• выход
2
SO , м
3
/м
3
SH,V
SO 2
010
2
=
,
(1.14)
где ...,CH,H,CO
42
– процентное содержание компонентов
смешанного газообразного топлива;
• общий выход продуктов горения, м
3
/м
3
22222
SOONOHСO.г.д
VVVVVV
изб
++++=
;
(1.15)
• состав продуктов горения, %
100
2
2
.г.д
CO
V
V
CO =
;
100
2
2
.г.д
OH
V
V
OH =
;
100
2
2
.г.д
N
V
V
N =
;
100
2
2
.г.д
O
V
V
O
изб
изб
=
;
100
2
2
.г.д
SO
V
V
SO =
;
(1.16)
• плотность продуктов горения, кг/м
3
100422
6432281844
22222
⋅
+
+
+
+
=
,
SOONOHCO
изб
.г.д
ρ
,
(1.17)
где
2
CO
,
OH
2
,
2
N
,
изб
O
2
и
2
SO
– содержание указанных
компонентов в продуктах горения, %.
8
8. Определение калориметрической температуры горения
Калориметрическая температура горения определяется фор-
мулой
.г.д.г.д
.т.ф.в.ф
р
н
к
Vс
QQQ
t
см
++
= ,
(1.18)
где
.в.ф
Q – физическое тепло подогретого воздуха, кДж/м
3
;
.т.ф
Q – физическое тепло подогретого газообразного топлива,
кДж/м
3
;
.
г
.
д
с – средняя теплоемкость продуктов горения в интервале
температур 0-t
к
, кДж/(м
3
·К).
Учитывая, что
.
в
.
с
в
.
в
.
ф
LhQ
α
= , а
т
.
т
.
ф
hQ = , получим:
.
г
.
д
.
г
.
д
т
.
в
.
с
в
р
н
к
Vс
hLhQ
t
см
++
=
α
,
(1.19)
где
в
h – энтальпия воздуха, кДж/м
3
;
т
h – энтальпия топлива, кДж/м
3
.
Энтальпия воздуха может быть вычислена следующим обра-
зом, кДж/м
3
[
(
)
+⋅+=
2
0001577031381
Oввв
Kt,,th
(
)
(
)
]
2
10001107027991
Oв
Kt,, −⋅++
,
(1.20)
где
в
t – температура подогрева воздуха, °С.
Энтальпия топлива, кДж/м
3
ттт
tсh
=
,
(1.21)
где
т
t – температура подогрева топлива, °С;
т
с – средняя теплоемкость топлива в интервале температур
0-t
т
, кДж/(м
3
·К):
(
+++=
83624
83624
010 HCcHCcCHc,c
HCHCCHпал
+++++
22125104
22125104
NcCOcHCcHCc
NCOHCHC
)
OHcSHcOcHcCOc
OHSHOHCO 2222
2222
+++++
,
(1.22)
9
где
4
CH
c ,
62
HC
c ,
83
HC
c ,… – средние теплоемкости соответст-
вующих компонентов смешанного газообразного топлива в ин-
тервале температур 0-t
т
, кДж/(м
3
·К);
4
CH ,
62
HC ,
83
HC ,… – процентное содержание компонентов
смешанного газообразного топлива.
Значение средних теплоемкостей газов приведены в прило-
жениях 3 и 4.
Определить калориметрическую температуру непосредствен-
но из зависимости (1.19) невозможно, т.к. теплоемкость дымо-
вых газов
..гд
с является в свою очередь функцией температуры,
которая рассчитывается. В связи с этим определение калоримет-
рической температуры производится методом последовательных
приближений или с использованием ht-диаграммы.
• метод последовательных приближений
Определяется калориметрическая энтальпия продуктов горе-
ния, кДж/м
3
.
г
.
д
т
.
в
.
с
в
р
н
к
V
hLhQ
h
см
++
=
α
.
(1.23)
Задается предполагаемая калориметрическая температура
1
t
(для используемых в металлургии горючих газов калориметри-
ческая температура обычно лежит в пределах 1700 ÷ 2600 °С).
Рассчитывается энтальпия продуктов горения при принятой
температуре
1
t :
(
)
22222
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
010 SOhOhNhOHhCOh,h
t
SO
t
O
t
N
t
OH
t
CO
.г.д
изб
++++=
,
(1.24)
где
2
CO
,
OH
2
,
2
N
,
изб
O
2
и
2
SO
– содержание указанных ком-
понентов в продуктах горения, %;
1
2
t
CO
h
,
1
2
t
OH
h
,
1
2
t
N
h
,
1
2
t
O
h
и
1
2
t
SO
h
– энтальпии соответствующих
компонентов при температуре
1
t , кДж/м
3
.
Значения энтальпий берутся по приложению 2.
Затем выбирается температура
2
t , отличающаяся от
1
t на
100 °С. Рассчитывается энтальпия продуктов горения при при-
нятой температуре
2
t :
10
(
)
22222
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
010 SOhOhNhOHhCOh,h
t
SO
t
O
t
N
t
OH
t
CO
.г.д
изб
++++=
.
(1.25)
При выборе значения температуры
2
t необходимо исходить
из того, что
к
t должна находиться в интервале температур
1
t ÷
2
t , а следовательно, и калориметрическая энтальпия
к
h
должна находиться соответственно в интервале
21
.
г
.
д
.
г
.
д
hh ÷ .
Если
21
.
г
.
дк
.
г
.
д
hhh << , то калориметрическая температура
к
t
находится по формуле
100
12
1
1
.
г
.
д
.
г
.
д
.
г
.
дк
к
hh
hh
tt
−
−
+=
.
(1.26)
Если
к
h находится вне интервала
21
.
г
.
д
.
г
.
д
hh ÷ , то расчет про-
должается, для чего принимается новое значение температуры и
рассчитывается энтальпия продуктов горения при этой темпера-
туре. Эти действия повторяются до тех пор, пока
к
h не окажется
в интервале между рассчитанными значениями энтальпий.
• определение калориметрической температуры горения по
ht-диаграмме
В этом методе калориметрическая температура горения опре-
деляется графическим путем. Для этого строится зависимость
энтальпии продуктов горения от температуры (ht-диаграмма) в
интервале температур 1700 ÷ 2600 °С. Для построения ht-
диаграммы рассчитывается энтальпия продуктов горения при
заданных температурах (температуры следует принимать через
100 °С) по формуле:
(
)
22222
22222
010 SOhOhNhOHhCOh,h
t
SO
t
O
t
N
t
OH
t
CO
.г.д
изб
++++=
,
(1.27)
где
2
CO
,
OH
2
,
2
N
,
изб
O
2
и
2
SO
– содержание указанных
компонентов в продуктах горения, %;
t
CO
h
2
,
t
OH
h
2
,
t
N
h
2
,
t
O
h
2
и
t
SO
h
2
– энтальпии соответствующих
компонентов при температуре
t
, кДж/м
3
.
По расчетным данным в координатах h-t строится график за-
висимости
(
)
tfh
.
г
.
д
= (рис. 1.1).