Заврин В.Г. Тепломассообменное оборудование предприятий
Подождите немного. Документ загружается.
Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.
Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.
111
определяем
Δt
n,
при которой F минимальна. Берем первую производную,
приравниваем ее к нулю
22
ΔΔΔ
Δ
)tt(k
Q
tk
Q
)td(
dF
nm
m
nn
n
n
−
+−=
,
получаем
22
ΔΔ
mm
m
nn
n
tk
Q
tk
Q
=
.
Для выяснения условия минимума, берем вторую производную
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
332
2
ΔΔ
2
(Δ
mm
m
nn
n
n
tk
Q
tk
Q
)td
Fd
,
она положительна при всех значениях
Δt.
Тогда
mn
nm
n
m
kQ
kQ
t
t
=
Δ
Δ
.
При минимальной общей поверхности нагрева отношение полезных
разностей температур прямо пропорционально корню квадратному из произ-
ведения отношения тепловых нагрузок на обратное отношение коэффициен-
тов теплопередачи.
При одинаковых тепловых нагрузках обоих корпусов
m
n
n
m
k
k
t
t
=
Δ
Δ
.
Расчетные формулы при одинаковых тепловых нагрузках:
n
kkkkkk
t
t
13121
1
1
Δ
Δ
+⋅⋅⋅+++
=
(20.17)
и
n
n
k
k
tt
1
1
ΔΔ =
, (20.18)
а при различных тепловых нагрузках:
nn
kQkQkQkQ
kQt
t
+⋅⋅⋅+++
=
332211
11
1
Δ
Δ
(20.19)
Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.
Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.
112
и
1
1
1
ΔΔ
Q
Q
k
k
tt
n
n
n
⋅=
. (20.20)
20.9. Выпаривание с минимальной суммарной поверхностью нагрева
при одинаковых поверхностях отдельных корпусов
Чтобы поверхность нагрева была одинакова
n
nn
k
k
Q
Q
t
t
1
11
Δ
Δ
⋅=
.
Для минимума
n
nn
k
k
Q
Q
t
t
1
11
Δ
Δ
⋅=
;
приравняв
1
Δ
Δ
Δ
Δ
11
==
t
t
t
t
nn
,
получаем Δt
n
= Δt
1
.
Условие может быть соблюдено, если полезные разности температур
одинаковы по корпусам, но тогда:
n
nn
k
k
Q
Q
t
t
1
11
1
Δ
Δ
==
, т. е.
11
k
k
Q
Q
nn
=
,
т. е. тепловые нагрузки должны быть обратно пропорциональны коэффици-
ентам теплопередачи.
Условия: полезная разность температур для всех корпусов должна быть
одной и той же, а тепловые нагрузки должны быть обратно пропорциональ-
ны коэффициентам теплопередачи. Это условие может быть выполнено при
определенных отборах экстрапара, и если экстрапар найдет применение, то
указанный способ наиболее эффективен.
Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.
Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.
113
21. ТОПЛИВО.
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСТАНОВКИ
Под топливом понимаются вещества, способные в результате взаимо-
действия и превращения могут выделять энергию, которую можно техниче-
ски использовать. Топливо используют:
•
как энергетическое – для получения тепловой и электрической энергии;
•
как технологическое – сырье для химической промышленности и печей;
•
энерготехнологическое – топливо подвергают термической перера-
ботке, летучие вещества и смолу используют в химической промышленно-
сти,
а остальную часть сжигают в топках паровых котлов для получения тепловой
и электрической энергии.
Горючие элементы твердого и жидкого топлива: углерод – С, водород – Н,
и часть серы S. Балласт подразделяют на внутренний топливный – находя-
щийся в связанном состоянии кислород О и азот N и внешний – влага и ми-
неральные примеси. Вследствие того, что связи между элементами топлива
неизвестны, состав топлива рассмат
ривается из отдельных, не связанных
друг с другом элементов. Поэтому такой состав топлива называют элемен-
тарным.
Углерод – основная горючая составляющая; в каменном угле, мазуте
С = 75÷90 %, в древесине, торфе С = 50÷60 %. Чем больше возраст топлива,
тем больше в нем углерода.
Водород. С увеличением воз
раста топлива количество водорода умень-
шается. В топливе водорода от 1 до 25 %.
Кислород. Чем моложе топливо, тем больше в нем кислорода. В топливе
может быть до 40 % кислорода.
Азот в твердом топливе находится в связанном состоянии от 0,5 до 3,0 %.
Сера в топливе находится в ви
де органических соединений S
О
, сернистых
соединений с железом S
К
и сернокислых соединений в виде сульфатов – S
С
. Ор-
ганическая и колчеданная сера при горении образуют SO
2
и SO
3
, поэтому эта
сера называется летучей или горючей: S
Л
= S
О
+ S
К
%. Сульфатная сера при
горении переходит в состав золы, не участвуя в горении, поэтому сульфатная
сера называется негорючей или нелетучей. Сера – нежелательный элемент
в топливе, продукты сгорания серы образуют кислоту, которая вызывает кор-
розию.
Зола – минеральный остаток при сгорании, результат разложения и час-
тичного окисления минеральных примесей. В состав золы входят окислы
MgO, CaO, Na
2
O, K
2
O, SiO
2,
FeO, Al
2
O
5
.
Влага подразделяется на внешнюю и внутреннюю (гигроскопическую).
Топливо, добытое из недр земли – рабочая масса топлива (см. рис. 36).
C
р
+ H
р
+ O
р
+ N
р
+ S
р
+ A
р
+ W
р
= 100 %.
Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.
Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.
114
Рис. 36. Характеристика масс топлива
Топливо, содержащее гигроскопическую влагу, характеризуется анали-
тической (воздушно-сухой) массой.
Для получения аналитической пробы топливо высушивается в лабора-
тории в естественных условиях до постоянной массы.
C
a
+ H
a
+ O
a
+ N
a
+ S
a
+ A
a
+ W
a
= 100 %
Топливо, высушенное искусственно при t = 105
÷
ºС, характеризуется
сухой массой:
C
С
+ H
С
+ O
С
+ N
С
+ S
С
+ A
С
= 100 %.
Горючая часть топлива состоит только из углерода, водорода и серы.
Азот является инертным газом, а кислород участвует в горении, но эти газы
находятся в связанном состоянии с другими элементами топлива, поэтому их
включение в состав горючей массы условно:
C
Г
+ H
Г
+ O
Г
+ N
Г
+ S
Г
= 100 %
Топливо без золы, влаги и серы характеризуется органической массой.
Этот состав условен, так как сера может быть в виде органических соединений:
C
0
+ H
0
+ O
0
+ N
0
= 100 %
Расчеты ведут на рабочую массу. Поэтому приходится производить пе-
ресчет масс. Например, для получения формулы пересчета аналитической
массы на рабочую составляют уравнения:
C
a
+ H
a
+ O
a
+ N
a
+ S
a
+ A
a
= 100 – W
а
C
р
+ H
р
+ O
р
+ N
р
+ S
р
+ A
р
= 100 – W
р
Аналитическая масса топлива
Сухая масса топлива
Условно горючая масса
Условно органическая масса
W О+N
C
S
A
Н
Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.
Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.
115
Отношение суммы членов левых частей равенств равно отношению пра-
вых частей, поэтому для любого компонента топлива можно записать
a
p
ap
a
p
a
p
100
100
100
100
W
W
X; X
W
W
X
X
−
−
−
−
=
=
и т. д.
При изучении свойств топлива, заложенных в основу классификации,
обратите внимание на влажность, теплоту сгорания, выход летучих веществ,
содержание углерода, водорода и кислорода.
При рассмотрении газообразного топлива обратите внимание, что состав
газообразного топлива задается в объемных процентах, в то время как состав
твердого и жидкого топлива – в весовых.
Расчеты горения топлива вы
полняют как при проектировании, так и при
контроле действующих установок. Методики расчета различны, так как не-
которые величины при поверочном расчете берут из показаний приборов,
например состав продуктов сгорания.
Полное горение топлива является условием наиболее экономичной ра-
боты установок. Для полного горения топлива необходимы условия: хорошее
смесеобразование горючего и окислит
еля, достаточные температурные усло-
вия и достаточное количество окислителя.
При рассмотрении процесса горения составим тепловой и материальный
баланс – баланс процесса горения. В состав продуктов сгорания входят трех-
атомные газы
2
SO
2
CO
2
RO
VVV +
=
, объем водяных паров
O
2
H
V
, теоретическое
количество азота
0
2
N
V
и избыточный воздух, не участвующий в процессе го-
рения
(
)
0
в
1αΔ V V −=
,
где α – коэффициент избытка воздуха;
V
0
– теоретически необходимое количество воздуха м
3
/м
3
или м
3
/кг.
При расчете процессов горения записывают уравнения горения углеро-
да, водорода и серы
С + О
2
→ СО
2
12 кг С + 32 кг О
2
→ 44 кг СО
2
1 кг С требует 32/12 кг О
2
2Н
2
+ О
2
→ 2Н
2
О 4 кг Н
2
+ 32 кг О
2
→ 36 кг Н
2
О
1 кг Н
2
требует 32/4 кг О
2
S + О
2
→ SО
2
32 кг S + 32 кг О
2
→ 64 кг SО
2
1 кг S требует 32/32 кг О
2
Учитывая плотность кислорода р
О2
= 32/ 22,4 кг/м
3
, а также содержание
кислорода в воздухе 21 %, получим теоретически необходимое количество
воздуха
V
0
= V
О2
·100/21 = 0,0889 (С
Р
+ 0,375 S
Р
) + 0,265 Н
Р
– 0,0333 О
Р
м
3
/кг.
Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.
Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.
116
Величину К
Р
= С
Р
+ 0,375 S
Р
называют условный углерод топлива. Вели-
чину V
0
можно получить другим путем:
ppp
pp
p
O 0333,0H265,0 0,089
32 21
O 22,4
2 2 21
H 22,4
12 21
22,4
o
−+=
⋅
⋅
−
⋅⋅
⋅
+= K
K
V
м
3
/кг.
Объем водяных паров
кг./м α 0,016
0,804 100
100H9
18 1000
α 4,22
18
4,22
18 100
4,22
2 100
H 4,22
30
дуг
PP
0
BВ
д
PP
OH
2
V
WW
Vd
W
W
V
+
⋅
++
=
=
⋅
⋅⋅
++
⋅
+
⋅
=
Общий объем газов V
г
слагается из объема сухих газов V
сг
и объема
водяных паров V
вп
впсгг
VVV
+
=
м
3
/кг.
При горении газообразного топлива протекают реакции типа
СН
4
+ 2О
2
= СО
2
+ 2Н
2
О,
т. е. с каждого углерода получается СО
2
, а с водорода – половина Н
2
О. Воз-
духа требуется в 100/21 = 4,76 раз больше, чем кислорода.
Пример горения углеводородов типа С
m
Н
n
:
()
OH/2)(CO O/4 HC
22
1
2
nmnm
n
i
nm
+→++
∑
=
.
Расход кислорода
(
)
100
HC/4
1
o
2
O
∑
=
+
=
n
nm
i
nm
V
м
3
/м
3
.
Теоретический расход воздуха
()
nm
n
i
nmV HC/4 0476,0
1
0
⋅+⋅=
∑
=
м
3
/м
3
.
Объем трехатомных газов
∑
=
=
n
nm
i
m
V
1
100
HC
2
RO
м
3
/м
3
.
Объем водяных паров при горении
()( )
100/HC/2
1
OH
2
nm
n
i
nV
∑
=
=
м
3
/м
3
.
С использованием вышеуказанных соображений получим рабочие фор-
мулы:
1. Теоретически необходимое количество воздуха
()
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+++++=
∑
=
n
i
m
nmV
1
22 n42B
O SH5,1HC /4 CH2H 0,50,5CO 0,0476
, м
3
/м
3
.
Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.
Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.
117
2.
Объем трехатомных газов
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
++++=
∑
=
m
i
nm
V
1
22 4RO
O C SHHC CHCO 0,01
2
, м
3
/м
3
.
3.
Теоретический объем азота
100/N79,0
2
00
2
N
+= VV , м
3
/м
3
,
где N
2
– азот топлива, %.
4.
Объем избыточного воздуха
∆V
в
= (α – 1 ) V
0
, м
3
/м
3
.
5.
Объем водяных паров
()
0
1
г2 42
O
2
H
α 0,016 124,0 SHHC /2 2CH H 0,01 VdnV
m
i
nm
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∑
++++=
=
м
3
/м
3
.
6.
Общий объем дымовых газов
B
0
NOHROг
222
VVVVV Δ+++=
, м
3
/м
3
.
21.1. Теплота сгорания топлива
Теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделяемой
при полном сгорании 1 кг жидкого или твердого топлива, либо 1 м
3
газооб-
разного топлива.
Теплота сгорания топлива рассчитывается по данным элементарного со-
става топлива или экспериментальным путем – калориметрами.
Экспериментально теплоту сгорания топлива определяют калориметром,
состоящим из металлического сосуда, заполненного водой и сосуда-бомбы,
внутри которого помещают исследуемое топливо. Полость сосуда-бомбы за-
полнена кислородом под давлением 2÷3 МПа (20÷30 кгс/см
2
). Если сжечь то-
пливо, воспламенив его электрическим током, то по повышению температу-
ры воды в сосуде можно найти количество выделившейся теплоты.
При аналитическом определении предполагают, что горючие состав-
ляющие не связаны друг с другом, а имеющийся в топливе кислород связан
только с водородом:
С + О
2
= СО
2
+ 34080 кДж/кг;
2С + О
2
= 2СО + 10250 кДж/кг;
2Н
2
+ О
2
= 2Н
2
О (пар) + 120160 кДж/кг;
2Н
2
+ О
2
= 2Н
2
О (вода) + 142770 кДж/кг;
S + О
2
= SО
2
+ 9127 кДж/кг.
Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.
Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.
118
С кислородом связано 2/16 = 1/8 массовых долей водорода. Поэтому
(
)
(
)
PPP
л
PPPP
H
H 9 25,12 S27,918/O H 7,1427C 8,340 WQ +−+−+=
, кДж/кг.
Указанная формула расходится с экспериментом, так как в формуле не
раскрыты связи между элементами. Поэтому при расчете теплоты сгорания
жидкого и твердого топлива рекомендуют пользоваться формулами:
Дюлонга
(
)
S 67,1048/O H 45,1444C 29,339
P
л
PPPP
В
+−+=Q
, кДж/кг;
и Д. И. Менделеева
(
)
(
)
PPP
л
PP
H 9 25,12 SO 108,86 H 1256C 13,339
PР
H
WQ +−−−+=
, кДж/кг.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшая теплота сгора-
ния выделяется при полном сгорании 1кг твердого или жидкого топлива или
1 м
3
горючего газа при условии, что образующиеся при сгорании водяные
пары конденсируются и возвращается их теплота конденсации.
Низшая теплота сгорания та, которая выделяется при полном сгорании
1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м
3
горючего газа, но теплота кон-
денсации при этом не учитывается, так как в промышленных печах продукты
сгорания не охлаждаются до температуры конденсации паров.
(
)
PPP
B
P
H
H 9 25,12 WQQ +−=
, кДж/кг.
Теплота сгорания газообразного топлива кДж/м
3
(ккал/м
3
) может быть
определена по правилу аддитивности (сложения):
∑
=
⋅=
n
i
iHi
gQQ
1
H
,
где g
i
– объемные доли отдельных газов в смеси.
.кДж/м ,HC 1404 HC 1134
HC 858,8 HC 590,6 HC 1460 HC 2,1186HC 912,3
HC 637,3 HC 5,560358,2CH CO 3,126H 108
3
6684
634212510483
622242
P
H
++
+++++++
+++++=Q
21.2. Калориметрическая температура
и жаропроизводительность топлива
Выражение для калориметрической температуры горения получается из
балансового «ящика» (см. рис. 37).
Химическая энергия топлива
P
H
Q
, физическая теплота воздуха
BB
0В
ф
α tCVQ =
, физическая теплота топлива
TT
T
ф
tCQ =
расходуется на на-
Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.
Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.
119
грев дымовых газов и в адиабатных условиях газы приобретают калоримет-
рическую температуру горения:
()
B
0
OHOHN
0
NRORO
TTBB
0P
H
K
1-α
α
222222
CVCVCVCV
tCtCVQ
t
⋅+⋅++
++
=
, ˚C.
Рис. 37. Принципиальная схема процесса горения
Теплоемкость газов зависит от температуры, поэтому при расчетах ка-
лориметрической температурой задаются, а потом уточняют до сходимости
50÷100
о
С. Если топливо и воздух не подогревать, а коэффициент избытка
воздуха принять α = 1, рассчитанная температура называется жаропроизво-
дительностью топлива t
ж
г
o
г
P
н
ж
1
C
V
Q
t ⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
,
т. е. топливо может иметь большую теплоту сгорания, но меньшую жаропро-
изводительность. Сравните метан СН
4
и окись углерода СO. Подогрев возду-
ха и топлива повышает температуру горения, однако, для различных видов
топлива это повышение различное. Если топливо не подогревается, то кало-
риметрическая температура
t
к
=
о
к
t
+ ∆t
к
,
где
о
к
t – калориметрическая температура без подогрева воздуха;
∆t
к
– повышение калориметрической температуры вследствие подогрева
воздуха.
Величина
()
B
o
г
_
o
г
ВB
o
к
1 -α
α
CVCV
tCV
t
+
=Δ
,
ТТ
tC
BB
O
α tCV
P
H
Q
B
O
N
OH
кo
2
2
2
VV
V
tV
r
Δ
r
V
Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.
Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.
120
т. е.
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⋅+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
⋅⋅
=Δ
B
K
B
B
_
B
г
_
0
0
г
BK
α
1 - α
α
1
1
t
C
t
C
C
C
V
V
tt
,
где
г
_
C
– средняя теплоемкость газов;
K
B
t
C – теплоемкость воздуха при усреднении до t
к
;
в
B
t
C
– теплоемкость воздуха при усреднении до t
в
.
Основное влияние на величину ∆t
к
оказывает отношение
(
)
oo
г
VV . Для
высококалорийных видов топлив это отношение ~ 1,1 (природный газ, ма-
зут), а для низкокалорийных ~ 2,2 (доменный генераторный газ), т. е. добавок
к температуре горения при подогреве воздуха до одинаковой температуры
у высококалорийных видов топлив больше, чем у низкокалорийных.
Обогащение дутья кислородом увеличивает температуру горения, по-
скольку объем дымовых газов уменьшается за счет количества балластного
азота.
Программой предусматривается выполнение расчет
а кузнечной камер-
ной печи.
Исходные данные для расчета:
1.
Тип и назначение печи.
2.
Производительность печи.
3.
Начальная и конечная температура нагрева.
4.
Форма нагреваемых изделий и материал.
5.
Вид топлива и его характеристика.
6.
Температура подогрева воздуха.
Для расчета внешнего теплообмена необходимы ориентировочные раз-
меры рабочего пространства, которые затем уточняются.