Состав топлива для выполнения расчетов горения выбирается из таблиц по указанию преподавателя.
Необходимо учитывать, что для газообразных топлив состав дается на сухой газ, для твердых и жидких топлив - на горючую массу.
Зная состав горючей массы топлива, а также содержание в топливе золы и влаги, пересчитывают топливо на рабочую массу. Сухое газообразное топливо пересчитывают на влажный газ, который подлежит сжиганию.
Пересчет состава топлива производят по формулам:
для горючей массы топлива:
Ср = Сг ((100-(Ар + Wp))/100) = 85 ((100-(23 + 8))/100) = 58,65 %;
Nр = Nг ((100-(Ар + Wp))/100) = 2,2 ((100-(23 + 8))/100) = 1,52%;
Oр = Oг ((100-(Ар + Wp))/100) =6,2 ((100-(23 + 8))/100) =4,28%;
Нр = Нг ((100-(Ар + Wp))/100) = 5,3 ((100-(0,2 + 2))/100) = 3,66%;
Sр = Sг ((100-(Ар + Wp))/100) = 1,3 ((100-(0,2 + 2))/100) = 0,897 %;
Расход воздуха на горение
Необходимое количество воздуха для горения определяется по теоретическому количеству кислорода, вступающего в реакцию окисления с учетом некоторого избытка, обеспечивающего полное сгорание топлива. Учитывают, что кислород, имеющийся в топливе, участвует в реакциях горения.
В расчетах принимают следующий состав воздуха: азот - 79.0%, и кислород - 21% по объему. Теоретически необходимый для горения расход воздуха L0 определяют по формулам:
для твердых и жидких топлив:
= 0,0889Ср + 0,265Нр - 0,0333(Ор - Sр)= 0,0889х58,65+ 0,265х3,66 - 0,0333(4,28 - 0,897) = 6,02 нм3/кг
где: Ср,Нр, Ор, Sр- составляющие рабочего топлива, в % по массе.
Действительный расход воздуха с учетом коэффициента расхода воздуха равен:
Lα= αL0, нм3/нм3
Lα= 1,5 х 6,02 = 9,03 нм3/нм3
где: α - коэффициент расхода воздуха, показывающий отношение действительного количества воздуха, введенного для горения к теоретически необходимому:
α = Lα/ L0
α = 1,5=12,48/10,4= 1,5
Расход атмосферного воздуха (теоретический - L0,действительный - Lα) при влагосодержании d (г/кг сух.воздуха) определяется по зависимостям:
Lо’ = (1+0,0016 d) L0, нм3/нм3
Lо’=(1+0,0016 х 9) 6,02 = 6,107 нм3/нм3
Lα’=(1+0,0016 х 9) 9,03= 9,16 нм3/нм3
Объем продуктов горения
При полном сгорании топлива образуются продукты горения в виде СО2, Н2О, N2, и SO2, а если горение происходит с избытком горения, то и О2.
Общий объем продуктов горения при сжигании топлива с теоретически необходимым расходом воздуха α = 1:
Vα = VCO2 + VN2 + VH2O + VSO2 + VO2, нм3/кг (нм3/нм3)
Vα = 2,96 + 9,86+1,47+0,019+0,44 = 14,75 нм3/кг (нм3/нм3)
Объемы отдельных составляющих продуктов горения твердого и жидкого топлива подсчитываются по следующим формулам:
VCO2 =0,01855Срф, нм3/кг
VCO2 =0,01855 х 55,72 = 1,033 нм3/кг
где: Срф - фактически сгоревший углерод, с учетом механического недожига:
Срф = (0,95 + 0,97) СР, %
Срф = 0,96 х 58,65 = 55,72 %
VSO2 = 0,007 SP, нм3/кг
VSO2 =0,007 х 0,897 = 0,0067нм3/кг
VН2О = 0,112НР + 0,0124 (Wp + 100ωпар) + 0,0016dLα, нм3/кг
VН2О = = 0,112х3,66+ 0,0124 (8 + 100 х 0) + 0,0016х9х9,16= 0,64нм3/кг
где: ωпар - весовое количество пара, вводимого для распыления жидкого топлива, кг/кг топлива (принимаем ωпар = 0);
VN2 = 0,79 Lα + 0,008 N2P, нм3/кг
VN2 = 0,79х9,16+ 0,008х1,52=7,25 нм3/кг
VO2 = 0,21 (α - 1) Lo, нм3/кг
VO2 =0,21 (1,5 - 1) 6,107= 0,64 нм3/кг
Влагосодержание продуктов горения определяют по их составу:
dг = (804 VН2О) / (1,977 VCO2 + 1,251 VN2 + 1,429 VO2), г/кг сух.газа.
dг =(804х0,64) / (1,977х1,033 + 1,251х7,25+ 1,429х0,64)=42,79 г/кг сух.газа.
Температура горения
При расчете процесса горения топлива определяют теоретическую температуру, учитывающую тепловыделение без потерь, и действительную температуру газов, усредненную по массе и приближенную к практическим условиям. Аналитический расчет теоретической температуры горения довольно сложен.
Для упрощенного определения температур горения пользуются «h -t» диаграммой, построенной для продуктов горения с учетом диссоциации.
Предварительно определяют тепло продуктов полного сгорания топлива:
h = QHP / Vα
h = 23930,14/14,75 = 1622,38
где:QHP - теплота сгорания топлива, кДж/кг.
Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива определяют по формуле Д.И.Менделеева, зная элементарный состав рабочего топлива:
QHP = 339СР + 1030НР - 108,9 (ОР - SР) - 25 WP, кДж/кг
QHP = 339х58,65+ 1030х3,66- 108,9 (4,28 - 0,897)- 25х8 = 23930,14 кДж/кг
Зная величину h по «h - t » диаграмме при заданном α находят теоретическую температуру горения tT.
Действительная температура горения tД определяется по «h - t » диаграмме с учетом потерь тепла при горении топлива по величине h':
' = h х η,
'= 1622,38 х 0,78 = 1265ºС
где: η - пирометрический коэффициент процесса горения,
η = 0,78
Технологический расчет
В результате технологического расчета определяют основные размеры сушильного туннеля и требуемое их количество для обеспечения заданной производительности.
По размерам вагонетки и высоте садки определяют поперечное сечение (ширину и высоту) туннеля.
При сушке на полочных вагонетках ширину туннеля определяют с учетом зазоров между вагонеткой и стойкой туннеля 50-100 мм по формуле:
В = b + 2(50÷100), мм
В = 1100 + 2х50 = 1200 мм
где: b - ширина вагонетки, мм
Высота туннеля:
Н = h + 100, мм
Н = 1540 + 100 = 1640 мм
h= hc + 370, мм
hc= a х hn + bизд.хa + (a - 1)* hз= 6х50+120х6+(6-1)х30 = 1170 мм.
где: h - высота от головки рельса до верха садки, включающая высоту собственно вагонетки и высоту садки.
Высота садки определяется из раскладки изделий на полочную вагонетку (по чертежу). Изделия укладываются на ребро. Зазоры между полками и изделиями 50 мм, толщина полки 50 мм.
Количество изделий по ширине:
nв =подбир. = 10 шт.
nв х hизд. + (nв - 1) х hз1 + 2хhз2= 10х65 + (10-1)х30 + 2х50 = 1020 мм.
Количество изделий по длине:
nl=подбир. = 4 шт.
nlх lизд. + (hl- 1) х hз1 + 2хhз2 = 4х250 + (4 - 1)х 30 + 2х50 = 1190 мм.
Вместимость вагонетки (NB= 10х4х6 = 240, шт. изделий и GB, т) определяют из раскладки:
B = (NB х mизд.)/ 1000,т
GB =(240 х 3,51)/ 1000 = 0,8424 т
изд = ρ х Vизд.
изд = 1800 х 0,00195 = 3,51 кг
где: mизд - вес изделия, кг; ρ - плотность материала изделия, кг/м3; Vизд - объем изделия(0,12х0,25х0,065 = 0,00195), м3.
Часовую производительность сушильной установки рассчитывают по формуле:
ч = GГ / (ZГ (1 - m) η),т/ч
ч = 52650 / (7800 (1 - 0,13) 0,95) = 8,17 т/ч
Г = NГ х mизд.
Г = 150000000 х 0,00351 =52650 т/год
где: GГ - годовая производительность сушилки, т/год; NГ - годовая программа, шт. изделий; ZГ = 325 х 24 = 7800 ч - годовой фонд рабочего времени, ч;- среднегодовой брак при сушке и обжиге, в долях единицы; η = 0,95 ÷ 0,98 - коэффициент использования оборудования.
Количество вагонеток, находящихся в сушилке:
n = (Gч х τ)/ GB,шт.
n =(8,17 х 26)/ 0,8424 = 252 шт.
где: τ - продолжительность сушки;
а количество вагонеток, поступающих в час:
n’= n/ τ, шт.
n’=252/26 = 10шт
Принимая количество вагонеток в туннеле: nТ = 25÷30 шт., определяют количество туннелей Т:
Т = n/ nТ.шт
Т1 =252/25 = 10,08шт
Т2=252/26 = 9,69шт
Т3 =252/27 = 9,33 шт
Т4 =252/28 = 9шт
Т5 =252/29 = 8,68шт
Т6 =252/30 = 8,4шт
Изменяя nТ, подбирают Т по возможности ближе к целому числу и округляют до целого. Сушильные установки, состоящие из нескольких туннелей, обычно строятся блоками. В одном блоке может быть до 30 туннелей с общим распределительным боровом для подачи и отбора сушильного агента. Если при расчете получается больше 30 туннелей, то принимаются несколько блоков nб с учетом запасных туннелей (на каждые 8-10 принимают один туннель запасной).
Определяют длину туннеля:
L = lb- nt,мм
L =1250х28 = 35 000 мм
Конструктивно принимают длину туннеля на 0,5 м больше расчетной с целью компенсации длины разбега вагонеток.
Наружные стены сушилки выполнены из красного строительного кирпича толщиной 380 мм, внутренние (между туннелями) - 250 мм.
Сверху сушилка покрыта железобетонными плитами толщиной 70…100 мм и слоем шлаковой теплоизоляционной засыпки толщиной 150…300 мм. Поверхность засыпки во избежание распыла покрывается цементной коркой толщиной 30 мм, двери - деревянные, толщиной 50 мм.
Общая ширина блока сушилок:
ВС = Т' х В + (Т' - 1) δст.вн. + 2 δст.нар., мм
ВС = 10 х 1200 + (10 - 1) 250 + 2 х 380 = 15010 мм
где: Т' - количество туннелей в блоке с учетом запасных; В - ширина туннеля, мм; δст.вн - толщина внутренней стенки, мм; δст.нар - толщина наружной стенки,мм.
Теплотехнический расчет
При теплотехническом расчете процесса сушки находят необходимое для подачи в сушилку количество сушильного агента, часовые расходы тепла и топлива, а также удельный расход тепла, отнесенный к 1 кг испаряемой в процессе сушки влаги.
Зная часовую производительность сушилки по высушенному материалу Gч и относительную влажность до и после сушки определяют часовое количество испаряемой влаги.
ИСП. = Gч ((ωН - ωК)/(100 - ωН))1000, кг/ч
ИСП. = 8,17 ((20 - 7)/(100 - 20))1000 = 1328 кг/ч
Параметры процесса сушки определяют по «h - d» диаграмме. Для смеси воздуха с дымовыми газами построение процесса сушки на «h - d» диаграмме выполняют следующим образом.
туннельный сушилка горение топливо
Находится точка А по параметрам атмосферного воздуха: температура tB, влагосодержание dB или относительная влажность φВ.
Точка В’ находится по параметрам топочных газов tГ и dГ, определенным из расчета горения топлива (tГ равно действительной температуре горения tД).
Точки А и В' соединяются примой линией. На пересечении этой примой с линией, соответствующей температуре сушильного агента при входе в сушилку находится точка В, которая является началом сушильного процесса и характеризуется следующими параметрами (tн,hн,dн,φн).
Теоретический процесс сушки изображен линией ВС, постоянного теплосодержания сушильной смеси. Точка С находится на пересечении линии построенного теплосодержания hН с линией постоянного конечного параметра для выбранного режима сушки - температуры tК или относительной влажности φК сушильной смеси, выходящей из сушилки. Влагосодержание сушильной смеси в точке С равно dг=40,64; dН= 11.
Для теоретического процесса сушки часовой расход сушильной смеси определяется по формуле:
Lтсм = (1000 х GИСП)/(dг - dН), кг сух.газов/ч,
Lтсм == (1000 х 1328)/(40,64 - 11) = 44804 кг сух.газов/ч,
Действительный процесс сушки идет с уменьшением теплосодержания сушильной смеси по линии ВЕ. Для этого, чтобы найти на диаграмме точку Е, как конечную действительного процесса сушки, надо знать величину изменения теплосодержания сушильной смеси в конце сушки относительно точки С за счет потерь тепла:
hпот = Qпот/LдСМ, кДж/кг сух.газов
hпот = 224291,4 /44804 = 12,02кДж/кг
Для сушильных установок непрерывного действия сумма потерь тепла равна:
пот = Qм +Qтр +Qокр, кДж/ч,
пот = 533,66 + 145252,8 + 78504,94=224291,4кДж/ч,
где: Qм - расход тепла на нагрев сушильного материала;
м = Gч х См(tм.к. - tм.н.), кДж/ч;
м = 8,17 х 0,92(95 - 24) = 533,66 кДж/ч;
где: Gч - производительность сушилки по высушенному материалу,кг/ч; См - теплоемкость материала, кДж/кг град; tм.к. и tм.н - конечная и начальная температура материала,град; Qтр - расход тепла на нагрев транспортирующих устройств (вагонеток):
тр = mв.м.•n’•Cв.м. • (tв.м.к. - tв.м.н)+ mв.д.•n’•Cв.д. • (tв.д.к. - tв.д.н), кДж;
тр = 200•11•0,48 • (115 - 24)+ 24•11•2,45• (100 - 24) = 145252,8кДж;
где: mв.м - масса металлической части вагонетки, кг; mв.д - масса деревянной части вагонетки, кг; Cв.м. - теплоемкость стали, кДж/кг град; Cв.д. - теплоемкость дерева, кДж/кг град; tв.м.к., tв.м.н - начальная и конечная температура металлической части вагонетки, град; tв.д.к., tв.д.н - начальная и конечная температуры деревянной части вагонетки, град; Qокр - потери тепла через ограждения сушильной установки в окружающую среду:
окр = 3,6(tс.а.с. - tокр.в.)(Кст.• Fcт + Kпокр• Fпокр + Kдв •Fдв), кДж/ч
Qокр = 3,6(73,5 - 24)(1,63• 114,8+ 0,288• 524,4 + 2,08•49,23) = 78504,94 кДж/ч
где: Кст, Kпокр,Kдв - коэффициенты теплопередачи соответственно наружной стенки, покрытия и дверки:
К = 1/(1/α1 + Σ δ/λ + 1/α2), Вт/м2 град;
Кст = 1/(1/α1 + Σ δст/λст + 1/α2);
Кст =1/(1/14 + 0,38/0,85 + 1/10,5) = 1,63 Вт/м2 град;
покр =1/(1/α1 + δж.б./λж.б. + δшл.з/λшл.з + δц/λц + 1/α2)
покр= 1/(1/14 +0,1/1,69 + 0,2/0,046 + 0,03/0,407+ 1/10,5) = 0,215 Вт/м2 град;
Kдв = 1/(1/α1 + δдв/λдв + 1/α2)
Kдв = 1/(1/14 + 0,05/0,162 + 1/10,5) = 2,10 Вт/м2 град;
где: α1 - коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к внутренней поверхности сушильной установки, Вт/м2 град; α2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности сушилки к окружающему воздуху, Вт/м2 град; δ - толщина слоя ограждения, м; λ - теплопроводность материала ограждения, Вт/м2 град; tс.а.с - средняя температура сушильного агента в установке:
tс.а.с = (tс.а.н+tс.а.к)/2, град;
tс.а.с = (115+32)/2 = 73,5 град
где: tокр.в - температура окружающего воздуха, град; Fcт - площадь наружных стенок блока, м2; Fпокр. - площадь покрытия блока, м2; Fдв. - площадь дверок (общая) блока, м2;
cт = 2LH nб
cт = 2 х 35 х 1,64 х 1 = 114,8 м2
покр = LВсnб
покр = 35 х 15,01 х 1 = 524,5 м2
дв. = 2LВсnб
дв = 2 х 1,64 х 15,01 х 1 = 49,23 м2
где: nб - количество блоков сушилок (принимается по расчетному количеству туннелей с учетом запасных).
Определив общие потери тепла, находят величину уменьшения влагосодержания сушильной смеси в конце теоретического процесса.
hпот = Qпот/LдСМ, кДж/кг сух.газов
hпот =224291,4 /44804 = 12,02кДж/кг
Величина hпот выражена в тех же единицах теплосодержания, как и на «h-d» диаграмме, поэтому откладывают величину hпот вниз от точки С и получают вспомогательную точку Д.
Действительный часовой расход сушильной смеси определяют по формуле:
Lдсм = (1000 • GИСП)/(dк - dН), кг сух.газов/ч,
Lдсм = (1000 • 1328)/(38 - 10) = 47428,57 кг сух.газов/ч
lтсм = 1000/(dк - dН), кг сух.газов/кг исп.влаги
lтсм = 1000/ (38 - 10) = 35,71 кг сух.газов/ч
dK= 44; dn = 10.
Расход тепла на сушку находят по формуле:
= Lдсм (h’н - hв) - 4,2 GИСПtм.н.,
= 39058,8(142 - 38) - 4,2 х 1328 х 24 = 3928252,8
где: h’н - начальное теплосодержание сушильной смеси без учета теплосодержания водяных паров продуктов горения(142); определяется по точке кДж/кг сух.газов; hв - теплосодержания неподогретого атмосферного воздуха,(38) кДж/кг сух.возд; 4,2 GИСПtм.н - количество тепла(кДж/ч), внесенного в сушилку влагой материала (кг/ч) при температуре материала tм.н и теплоемкости 4,2 кДж/кг.
Разность (h’н - hв) представляет собой количество тепла (кДж/кг сух.возд), израсходованного на нагрев воздуха.
Часовой расход топлива при его теплотворности QpH (кДж/кг или кДж/нм3) составляет:
В = Q/ (QНР η), кг/ч(кн3/ч)
В = 3928252,8/ (23083,96х 0,9) = 189,1 кг/ч(кн3/ч)
где: η - к.п.д. тонки, η = 0.9
Удельный расход тепла на сушку определяется по формуле:
qуд = (В • QНР) / GИСП, кДж/кг исп.влаги.
qуд =(189,1х 23083,96)/1328 = 3287,03 кДж/кг исп.влаги
Список литературы:
1. Кокшарев В.Н., Кучеренко А.А. Тепловые установки, Учебник. -К.: Вища школа, 1990 г.
2. Перегудов В.В., Роговой М.И., Тепловые процессы и установки в технологии строительных изделий и деталей. -М.: Стройиздат, 1983.
. Лариков Н.Н. Теплотехника. -М.: Стройиздат, 1985.
. Почапский Н.Ф., Пономаренко Б.Т., Левченко В.Н., Фирсов Н.Н. Расчет и конструирование тепловых установок. -К.: УМКВО, 1989.
. Никифорова Н.М. Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов и изделий. -М.: Высшая школа, 1981.
. Кучеренко А.А. Тепловые установки заводов сборного железобетона. -К.: Вища школа, 1977.