Список использованных источников

НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ

 

 

Кафедра металлургических технологий и оборудования

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине «Теплотехника»

 

Вариант № 0

 

 

Выполнил: студент гр. ТМиОз-14-34

 

Проверил: Куницина Н.Г.

 

Новотроицк, 2017

Для случая сжигания смешанного газа с теплотой сгорания 12 МДж/м³ определить расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания, калориметрическую температуру горения при коэффициенте расхода (избытка) воздуха n=1,09. Температура подогрева воздуха 340 ˚С. Температура подогрева топлива 250 ˚С. Составить материальный баланс процесса горения.

Состав топлива А, %: СО₂=5,5, О₂=0,4, СО=27,5, Н₂=13,5, СН₄=0,5, N₂=52,6. Влажность топлива А W_А=24 г/м³.

Состав топлива Б, %: СО₂=2,9, О₂=0,5, СО=7, Н₂=58, СН₄=26,7, С₃Н₈=2,4, N₂=2,5. Влажность топлива Б W_Б=30 г/м³.

 

Выполним пересчет каждого топлива с сухой массы на влажную, используя формулы:

 

;

,

где – содержание компонента топлива соответственно во влажной и сухой массе, %;

W – влажность топлива, г/м³;

H₂О – количество воды во влажной массе топлива, %.

 

Для топлива А:

;

;

;

;

;

;

.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты топлива А:

=5,34 +0,39 +26,71 +13,11 +0,49+51,08+2,88= 100 %.

Для топлива Б:

;

;

;

;

;

;

;

.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты топлива Б:

=2,80 +0,48 +6,75 +55,92 +25,74+2,31+2,41+3,59= 100 %.

Определяем теплоту сгорания каждого топлива по формуле:

 

Q^р_н = 127^.СО+108^.Н₂+358^.СН₄+590^.С₂Н₄+555^.С₂Н₂+635^.С₂Н₆+913^.С₃Н₈+

+1185^.С₄Н₁₀+1465^.С₅Н₁₂+234^.Н₂S,

где Q^р_н – низшая теплота сгорания топлива, кДж/м³.

Теплота сгорания топлива А:

Q^р_н(А) = 127·26,71+108·13,11+358·0,49 = 4983,47 кДж/м³.

Теплота сгорания топлива Б:

Q^р_н(Б) = 127^.6,75+ 108·55,92+358^.25,74+913^.2,31 =18220,56 кДж/м³.

Определяем состав смеси двух топлив.

Для этого необходимо определить долю топлива А в смеси топлив из выражения:

 

,

где а – доля топлива А в смеси двух топлив;

Q^р_н(А), Q^р_н(Б) – теплота сгорания соответственно топлива Б и топлива А, кДж/м³;

Q^р_н(см) – теплота сгорания смеси топлив, кДж/м³,

 

.

Состав смеси определяется по формуле:

 

Х^вл(см) = Х^вл(А).а + Х^вл(Б).(1-а),

где Х^вл(см), Х^вл(А), Х^вл(Б) – содержание компонента в смеси топлив и в топливах А и Б соответственно, %.

 

Тогда с учетом формулы состав смеси топлив будет следующий:

СО₂^см =5,34^.0,47+2,8^.0,53 = 3,99 %;

СО^см =26,71· 0,47+6,75^.0,53 = 16,13 %;

Н₂^см = 13,11^.0,47+55,92^.0,53 = 35,80 %;

О₂^см = 0,39^.0,47+0,48^.0,53 = 0,44 %;

СН₄^см =0,49^.0,47+25,74^.0,53 = 13,87 %;

С₃Н₈^см=0+2,31^.0,53 = 1,22 %;

N₂^cм =51,08· 0,47+2,41^.0,53 = 25,28 %;

Н₂О^см =2,88· 0,47+3,59· 0,35 = 3,27 %.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты смеси топлив:

=3,99 +16,13 +35,80 +0,44 +13,87+1,22+25,28+3,27=100 %.

Определяем расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания. Расчет ведём на 100 м³ смеси топлив.

Составляем реакции горения горючих компонентов смеси топлив и на их основе определяем количество требуемого для горения кислорода, а также количество образующихся продуктов сгорания.

а) СО + 1/₂ 0₂ = С0₂

1 м³СО - 0,5 м³ 0₂

16,13 м³ СО - 8,07 м³ 0₂ ;

1 м³СО - 1 м³ С0₂

16,13 м³ СО- 16,13 м³ С0₂.

 

б) Н₂ + 1/₂0₂ = Н₂0

1 м³Н₂ - 0,5 м³ 0₂

35,8 м³ Н₂ - 17,9 м³ 0₂ ;

1 м³ Н₂ - 1 м³ Н₂0

35,8 м³ Н₂ – 35,8 м³Н₂0.

 

в) СН₄ + 20₂ = С0₂ + 2Н₂0

1 м³ СН₄ -2м³ 0₂

13,87 м³ СН₄ - 27,74 м³ 0₂ ;

1 м³ СН₄ - 1 м³ С0₂ и 2 м³ Н₂0

13,87 м³ СН₄ – 13,87 м³ С0₂ и 27,74 м³Н₂0.

 

г) С₃Н₈ + 50₂ = 3С0₂ + 4Н₂0

1 м³ С₂Н₄ - 5 м³ 0₂

1,22 м³ С₂Н₄ - 6,1 м³ 0₂ ;

1 м³ С₂Н₄ - 3 м³ С0₂ и 4 м³ Н₂0

1,22 м³ С₂Н₄ - 3,66 м³ С0₂ и 4,88 м³ Н₂0.

Полученные данные заносим в таблицу 1.

Для определения количества воздуха с учетом коэффициента избытка воздуха, необходимо воспользоваться выражением:

 

,

где – действительный объем воздуха, м³;

– теоретический объем воздуха, м³;

n – коэффициент избытка воздуха.

 

Таблица 1 – Результаты расчета расхода воздуха, состава и количества продуктов сгорания

Участвуют в горении	Образуется продуктов сгорания, м3
Топливо, м3	Воздух, м3
Составля-ющая	Содержание, м3	О2	N2	всего	СО2	Н2О	О2	N2	всего
СО2 СО Н2 О2 СН4 С3Н8 N2 Н2О	3,99 16,13 35,80 0,44 13,87 1,22 25,28 3,27	- 8,07 17,90 -0,44 27,74 6,10 - -	59,37.3,762=223,35	59,37+223,35=282,72	3,99 16,13 - - 13,87 3,66 - -	- - 35,80 - 27,74 4,88 - 3,27		25,28+223,35=248,63
n = 1		59,37 (21 %)	223,35 (79 %)	282,72 (100 %)	37,65 (10,5 %)	71,69 (20,0 %)	-	248,63 (69,5 %)	357,97 (100 %)
n = 1,09		64,71 (21 %)	243,45 (79 %)	308,16 (100 %)	37,65 (9,8 %)	71,69 (18,7 %)	5,34 (1,4 %)	268,73 (70,1 %)	383,41 (100 %)

 

Для определения состава продуктов сгорания, воспользуемся формулой:

 

,

где – содержание i-того компонента в продуктах сгорания, %

– объем i-того компонента в продуктах сгорания, м³;

– общий объем продуктов сгорания, м³.

 

Таким образом, состав продуктов сгорания с учетом данных таблицы 1:

;

;

;

.

 

Для проверки правильности расчета составляется материальный баланс. Материальный баланс представлен в таблице 2.

 

Таблица 2 – Материальный баланс горения смеси двух топлив

Поступило, кг	Получено, кг
Топливо: СО2 = 3,99·44/22,4 = 7,84 СО = 16,13·28/22,4 = 20,16 О2 = 0,44.32/22,4 = 0,63 Н2О = 3,27.18/22,4 = 2,63 Н2 = 35,80·2/22,4 = 3,20 СН4 = 13,87·16/22,4 = 9,91 N2 = 25,28·28/22,4 = 31,60 C3Н8 = 1,22·44/22,4 = 2,40 Воздух: О2 = 64,71.32/22,4 = 92,44 N2 = 243,45.28/22,4 = 304,31 Итого: 475,12 кг.	Продукты сгорания: СО2 = 37,65·44/22,4 = 73,96 Н2О = 71,69.18/22,4 = 57,61 N2 = 268,73·28/22,4 = 335,91 О2 = 5,34.32/22,4 = 7,29   Итого: 474,77 кг.

Рассчитываем погрешность вычислений .

Т.к. погрешность менее 0,5 %, следовательно, расчет проведен правильно.

Из таблицы 1 следует, что для сжигания 100 м³ смеси топлив необходимо затратить 308,16 м³ воздуха при указанной величине коэффициента избытка воздуха, равной 1,09. При этом образуется продуктов сгорания 383,41 м³. Т.е. для сжигания 1 м³ смеси топлив необходимо затратить 3,082 м³ воздуха и образуется продуктов сгорания 3,834 м³.

Определяем калориметрическую температуру горения. Для этого необходимо найти начальную энтальпию (теплосодержание) 1м³ продуктов сгорания:

 

I = I_o + I_в + I_г,

где I – энтальпия продуктов сгорания, кДж/м³;

I_o, I_в, I_г – соответственно количества тепла, получаемые от сжигания топлива и вносимые подогретым воздухом и топливом, кДж/м³.

 

Так как топливо не подогревается предварительно, то I_г=0.

Количество тепла, получаемое от сжигания топлива в расчете на единицу объема продуктов сгорания, определим из выражения:

 

,

 

кДж/м³.

Количество тепла, вносимое подогретым воздухом, может быть определено следующим образом:

 

,

где t_в – температура подогрева воздуха, ⁰С;

с_в – теплоемкость воздуха при 340 ^оС, кДж/(м^3.оС);

V_в – объем воздуха, вносимого в печь, м³.

 

Теплоемкость воздуха определяем методом интерполяции:

кДж/(м^3.оС).

Тогда количество тепла, вносимое подогретым воздухом:

кДж/м³.

Количество тепла, вносимое подогретым топливом, определяем по формуле:

 

,

где t_т – температура подогрева топлива, ^оС;

с_т – теплоемкость топлива при 250 ^оС, кДж/(м^3.оС);

V_т – объем топлива, вносимого в печь, м³.

 

Теплоемкость топлива, состоящего из многих компонентов, определяется из выражения:

 

,

где с_i – теплоемкость i-того компонента топлива при указанной температуре, кДж/(м^3.оС);

– доля i-того компонента топлива в смеси.

 

Определяем теплоемкость всех компонентов топлива при температуре 250 ^оС методом интерполяции:

кДж/(м^3.оС);

кДж/(м^3.оС);

кДж/(м^3.оС);

кДж/(м^3.оС);

кДж/(м^3.оС);

кДж/(м^3.оС);

кДж/(м^3.оС);

кДж/(м^3.оС).

Теплоемкость топлива:

С_т = 1,8444^.0,0399+1,3168^.0,1613+1,3476^.0,0044+1,3000^.0,3580+1,8297^.0,1387+

+2,4285^.0,0122+1,3055^.0,2528+1,5277^.0,0327=1,4207 кДж/(м^3.оС).

Количество тепла, вносимое подогретым топливом:

кДж/м³.

Таким образом, энтальпия продуктов сгорания составит:

кДж/м³.

Далее искомую температуру находим методом подбора. Для этого задаемся возможной температурой горения, например, равной 2100 ˚С, и определяем при этой температуре энтальпию продуктов сгорания с учетом табличных данных и состава продуктов сгорания:

СО₂....................... 0,098 ∙ 5186,81 = 508,3

Н₂О....................... 0,187∙ 4121,79 = 770,8

О₂.........................0,014 ∙ 3314,85 = 46,4

N₂.........................0,701 ∙ 3131,96 = 2195,5

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Итого...................................... 3521,0 кДж/м³.

Сравниваем полученную энтальпию с действительной энтальпией продуктов сгорания. Поскольку I>I₂₁₀₀ , следовательно, искомая температура горения больше, чем 2100 ^оС.

Задаемся температурой горения, равной 2200 ⁰С. Энтальпия продуктов сгорания при этой температуре:

СО₂....................... 0,098 ∙ 5464,20 = 535,5

Н₂О....................... 0,187∙ 4358,83 = 815,1

О₂.........................0,014 ∙ 3487,44 = 48,8

N₂.........................0,701 ∙ 3295,84 = 2310,4

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Итого...................................... 3709,8 кДж/м³.

 

Т.к. I₂₂₀₀>I, то действительная калориметрическая температура горения лежит в пределах 2100 – 2200 ^оС.

Окончательно калориметрическую температуру горения определяем интерполяцией по формуле:

 

,

где – калориметрическая температура горения, ^оС,

 

^оС.

Список использованных источников

 

1 Куницина Н.Г. Расчет горения топлива. Методические указания для выполнения домашних заданий и контрольных работ по дисциплинам «Теплотехника», «Металлургическая теплотехника», Новотроицк: НФ НИТУ «МИСиС», 2015. – 31 с.