Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров

Кафедра топлива и теории горения

Курсовая работа

по дисциплине "Топливо и теория горения"

РАСЧЁТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

г. Санкт-Петербург

2014 г.



Введение

Цель работы:

· Расчёт процесса горения различных видов топлива

· Составление материального и теплового баланса процесса горения

· Определение теоретических и действительных объёмов воздуха, необходимого для сгорания топлива, и продуктов сгорания

· Расчёт температуры в камере сгорания

горение топливо сушильный тепловой



Описание расчётной схемы

Установка предназначена для получения горячего сушильного агента, представляющего собой смесь продуктов сгорания и воздуха, для группы сушильных установок. Схема процесса горения топлива и последующего разбавления продуктов сгорания воздухом с целью получения энергоносителя в виде смеси горячих газов в заданном количестве и с заданной температурой представлена на рис.1.

Рис. 1. Расчётная схема

Условные обозначения на рис. 1: В_т - расход топлива (кг/с; м³/с); t_т - температура топлива (єС); d_т - влагосодержание топлива (кг/кг; кг/м³); G_в - расход воздуха (окислителя), подаваемого в камеру сгорания (м³/с); t_в - температура воздуха, подаваемого на горение (єС); d_в - влагосодержание воздуха (кг/м³); q₃, q₄, q₅, q₆ - потери теплоты в камере сгорания, соответственно, с химическим недожогом, механическим недожогом, в окружающую среду (через обмуровку) и с физическим теплом шлака (%); G_ксг - расход продуктов сгорания (м³/с); - температура дымовых газов на выходе из камеры сгорания (єС); I_ксг - энтальпия продуктов сгорания (кДж/кг; кДж/м³); G_в.см - расход воздуха, подаваемого в камеру смешения для разбавления продуктов сгорания (м³/с); t_в.см - температура воздуха, подаваемого в камеру смешения (єС); q_5.см - потери теплоты в окружающую среду в камере смешения (%); G_эн - расход энергоносителя после камеры смешения (м³/с); - температура энергоносителя (єС); I_эн - энтальпия энергоносителя (кДж/кг; кДж/м³).

В камеру сгорания подаются топливо и окислитель (воздух). Образовавшиеся в процессе горения продукты сгорания поступают в камеру смешения, где разбавляются дополнительным воздухом с целью получения энергоносителя с заданной температурой. Полученный энергоноситель поступает к потребителю (для сушки топлива или других сыпучих материалов).

Таблица 1. Исходные данные для расчёта

Вариант				5
Расход энергоносителя, Gэн , м3/с		5
Температура энергоносителя, ?эн , ?С	550
Потери тепла q5 в камере сгорания, %	1,4
Потери тепла q5.см в камере смешения, %	1,5
Вид топлива			Камен.уголь
Бассейн / марка			Кузнецкий Г
Состав твёрдого и жидкого топлива, %
Влажность, Wr			8,0
Зольность, Ar			14,3
Сера, Srо+P			0,5
Углерод, Сr			63,3
Водород, Нr			4,4
Азот, Nr				2,1
Кислород, Or			7,4

d_в = 0,01 кг/м³ - влагосодержание воздуха;

t_в = 30 єС - температура воздуха, подаваемого на горение в камеру сгорания и для разбавления продуктов сгорания в камере смешения.

Определить:

· Расход топлива - B_т , кг/с;

· Объёмный расход воздуха, подаваемого в камеру сгорания - G_в , м³/с;

· Объёмный расход воздуха, подаваемого в камеру смешения для обеспечения заданной температуры энергоносителя - G_в.см , м³/с;

· Температуру газов за камерой сгорания - , єС;

· Состав газов за камерой смешения, %;

1. Теплота сгорания твёрдого и жидкого топлива (кДж/кг) определяется, исходя из состава топлива, с помощью эмпирической формулы Д.И. Менделеева:

Q_i^r =339C^r+1030H^r+109S^r_o+p -109O^r-25W^r=339*63,3 + 1030*4,4 +109*0,5 - 109*7,4 - 25*8 = 21458,7 + 4532 + 54,5 - 806,6 - 200 = 25038,6 кДж/кг

2. Теоретические объёмы воздуха (м³/кг) и продуктов сгорания твёрдого топлива , , , (м³/кг) определяются, исходя из состава топлива на основе материального баланса процесса горения :

V_в⁰ = (100/21) V⁰ _О2 =0,0889 C^r +0,265 H^r+0,033S^r-0,033 O^r=

0,0889*63,3+0,265*4,4+0,033*0,5-0,033*7,4=6,56 м³/кг

V⁰_RO2=0,01(1,866С^r+0,7S^r)=0,01(1,866*63,3+0,7*0,5)=1,185 м³/кг

V⁰_N2 = V^возд_N2 + V^T_N2 = 0,79 V_в⁰ + (N^r/100)(22,4/28)= 0,79 V_в⁰ +0,8 N^r/100=0,79*6,56 + 0,8*(2,1/100)=5,199 м³/кг

V⁰_Н20=0,111Н^r+0,0124W^r+0,0161 V_в⁰=0,111*4,4+0,0124*8+0,0161*6,56 =0,693 м³/кг

V⁰_г = V⁰_RO2+ V⁰_N2 +V⁰_Н20=1,185 +5,199 +0,693 =7,077 м³/кг



3. Действительные объёмы воздуха (м³/кг; м³/м³) и продуктов сгорания топлива , , , (м³/м³) рассчитываются с учётом выбранного коэффициента избытка воздуха в камере сгорания б согласно табл. 2.

Таблица 2. Расчетные характеристики камер сгорания

Топливо	Коэффициент избытка воздуха на выходе из камеры сгорания б	Потери теплоты c хим. недожогом q3 , %	Потери теплоты с мех. недожогом q4 , %
Антрацит	1,2 - 1,25	0,5 - 1	3 - 6
Полуантрацит	1,2 - 1,25	0,5 - 1	3 - 5
Тощий уголь	1,2 - 1,25	0,5 - 1	2 - 5
Каменный уголь	1,2 - 1,25	0,5 - 1	2 - 4
Бурый уголь	1,15 - 1,2	0 - 0,5	1 - 3
Фрезерный торф	1,15 - 1,2	0 - 0,5	1 - 3
Сланец	1,15 - 1,2	0 - 0,5	2 - 3
Мазут	1,05 - 1,1	0,5	0
Природный газ	1,05 - 1,1	0,5	0
Попутный газ	1,1 - 1,15	0,5 - 1	0
Генераторный, коксовый и доменный газ	1,05 - 1,1	0,5	0
Биогаз	1,05 - 1,1	0,5	0

б= 1,23 , откуда получаем :

V= V_в⁰ * б = 6,56 * 1,23 = 8,069 м³/кг

V_{RO2 =} V⁰_RO2=1,185 м³/кг

V_R2= V⁰_N2+( б-1) V_в⁰=5,199 +(1,23-1) 6,56 =6,708 м³/ кг

V_Н20= V⁰_Н20+0,0161(б-1) V_в⁰=0,693+0,0161(1,23-1) 6,56 =0,717 м³/ кг

V_г= V_{RO2 +}V_R2 +V_Н20=1,185+6,708+0,717 =8,61 м³/ кг



4. Температура газов на выходе из камеры сгорания определяется из уравнения теплового баланса камеры сгорания:

Q_p=Q_i^r+i_тл+Q_ф+Q_в- располагаемая теплота

Q_p=25038,6 +26,776 +243,27 = 25308,646 кДж/кг

=0,8+3+1,4=5,2 % - сумма потерь теплоты в камере сгорания

- энтальпия продуктов сгорания

Располагаемая теплота твёрдого топлива принимается в зависимости от физической теплоты топлива i_тл , которая зависит от температуры и теплоёмкости поступающего на горение топлива:

i_тл = с_тлt_тл ,

где с_тл - удельная теплоемкость топлива, кДж/(кг°C); t_тл - температура топлива, С.

Температура твёрдого топлива (для летнего периода) принимается равной t_тл = 20 °С, а теплоёмкость топлива определяется по формуле:

= 0,042*8 + 1,09*(1-0,01*8)=1,339 кДж/(кг·°С).

i_тл= с_тлt_тл = 1,339*20 = 26,776 кДж/кг

Тепло, вносимое с воздухом, кДж/кг (кДж/м₃):

=1,23*6,56*1,005*30=243,27 кДж/кг

где с_в - теплоёмкость воздуха при температуре t_в.

Потери теплоты с химическим и механическим недожогом q₃ и q₄ выбираются, в зависимости от вида сжигаемого топлива, по табл. 3.

Таблица 3

Топливо	Коэффициент избытка воздуха на выходе из камеры сгорания б	Потери теплоты c хим. недожогом q3 , %	Потери теплоты с мех. недожогом q4 , %
Каменный уголь	1,2 - 1,25	0,5 - 1	2 - 4

Энтальпии теоретических объёмов воздуха и продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха б=1 для всех видов топлива (кДж/кг, кДж/м³) определяются как:

;

.

В приведенных формулах: (с)_в , , , - энтальпии 1 м³ соответственно воздуха, трёхатомных газов, водяных паров и азота.

Таким образом, энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха > 1 в камере сгорания:

.

При условии, что воздух состоит из 79 % азота и 21 % кислорода, а также имеет определённое влагосодержание, энтальпия продуктов сгорания:

,

где ; .

+0,79*(a-1) =5,199 +0,79*(1,23-1)*6,56 =6,391 м³/кг

(1,185*2,3372+0,717 *1,8541+6,391 *1,4451+0,317*1,5306)* =13,82*

Таким образом, уравнение теплового баланса (1) преобразуется следующим образом:

. (2)

Решение уравнения теплового баланса (2) относительно температуры в камере сгорания в явном виде не имеет решения, поскольку входящие в это уравнение теплоёмкости продуктов сгорания сами являются функцией температуры .

Определить можно, используя метод последовательных приближений, или графоаналитический метод (рис.2).

Из уравнения теплового баланса температура на выходе из камеры сгорания:

, єС .

Запишем эту зависимость в виде двух функций:



Рис. 2. Графоаналитический метод определения температуры в камере сгорания

Решение задачи относительно сводится к нахождению условий, при которых y₁ = y₂. Значение y₁ и y₂ рассчитываются не менее по трём значениям , близким к ожидаемому. Пересечение прямой y₁ и расчётной кривой y₂ даёт искомую температуру на выходе из камеры сгорания .

При t=1500 ⁰C

=25308,646 *((100-5,2)/100)*1/13,82 = 1736 ⁰С

При t=1700 ⁰C



=25308,646 *((100-5,2)/100)*1/14,01= 1712 ⁰С

При t=1800 ⁰C

=25308,646 *((100-5,2)/100)*1/14,078=1704 ⁰С

Принимаем =1720 ⁰С

Таблица 4. Теплоёмкости газов и воздуха

5. В уравнении теплового баланса всего процесса учитываются тепловые потери не только в камере сгорания, но и в камере смешения:

, (3)

где Q_в.см - тепло, вносимое в камеру смешения воздухом, предназначенным для разбавления продуктов сгорания, кДж/кг (кДж/м³); q_5.см - потери тепла через обмуровку в камере смешения, %; I_эн - энтальпия энергоносителя (смеси продуктов сгорания и воздуха), кДж/кг (кДж/м³).

Теплота, вносимая в камеру смешения воздухом, предназначенным для разбавления продуктов сгорания Q_в.см , складывается из теплоты сухого воздуха и водяных паров, содержащихся в нём :



.

При этом

,

где - объём сухого воздуха, необходимого для разбавления продуктов сгорания, отнесенный к 1 кг (1 м³) топлива, м³/кг (м³/м³); - удельный объём водяного пара; , - теплоёмкость сухого воздуха и водяных паров при температуре t_в , кДж/(м³•єС), d_в - влагосодержание воздуха, кг/м³.

Таким образом:

(4)

Энергоноситель (сушильный агент), в данном случае, представляет собой смесь

· продуктов сгорания топлива, полученных при б=1,

· избыточного количества сухого воздуха,

· сухого воздуха, вводимого в камеру смешения для разбавления

продуктов сгорания,

· водяных паров, содержащихся в избыточном воздухе,

· водяных паров, содержащихся в воздухе, подаваемом в камеру

смешения.

Следовательно, энтальпия энергоносителя, кДж/кг (кДж/м³):



. (5)

Энтальпия теоретического объёма продуктов сгорания в энергоносителе:

, (6)

=(1,185 *2,0220 + 5,199 *1,3630 + 0,717*1,6050)*550=6485 кДж/кг

где теплоёмкости продуктов сгорания определяются по .

Энтальпия воздуха, поступающего с дымовыми газами из камеры сгорания в камеру смешения, представляет собой сумму энтальпий сухого воздуха и водяных паров :

, (7)

= 6,56 *(1,3745+1,24*0,01*1,6050)*550=5549 кДж/кг

где и - средние в интервале температур от t_в до теплоёмкости соответственно сухого воздуха и энергоносителя.

Энтальпия воздуха, подаваемого в камеру смешения для разбавления продуктов сгорания:

, (8)

*(1,3745+1,24*0,01*1,6050)*550=*846

Подставив в левую часть уравнения теплового баланса всего процесса (3) уравнение (4), а в правую часть - уравнения (6, 7, 8), можно получить зависимость с одним неизвестным и определить .

(25038,6 *0,963+*(1,3745+1,24*0,01*1,6050)*30)*(100-1,5)/100=

=6485+0,23*5549+*846

(24111,6+*46,14)*0,948=7761+*846

22858+*43,74=7761+*846

*846-*43,74=22858-7761

802,26=15097

=18,8 м³/кг

Тогда удельный расход воздуха, необходимый для разбавления продуктов сгорания в камере смешения, м³/кг (м³/м³):

=18,8+1,24*0,01*18,8=19 м³/кг

6. Расход топлива В_т (кг/с; м³/с) определяется из уравнения материального баланса процесса получения заданного количества энергоносителя после камеры смешения.

Объёмный расход энергоносителя, м³/с:

, (9)

где - объёмный расход продуктов сгорания, образующихся в камере сгорания при б=1; - объёмный расход избыточного воздуха, предназначенного для сжигания топлива; - объёмный расход воздуха, подаваемого в камеру смешения для разбавления продуктов сгорания.

Все вышеперечисленные объёмные расходы могут быть выражены через расчётный расход топлива В_т.р :



; (10)

; (11)

, (12)

где - объёмный расход избыточного сухого воздуха, подаваемого в камеру сгорания;

- объёмный расход водяных паров в избыточном воздухе.

При известном расходе энергоносителя , подставив зависимости (10, 11, 12) в формулу (9), можно определить секундный расчётный расход топлива В_т.р, необходимый для получения заданного количества энергоносителя.

5=7,077 * В_т.р +(0,23*6,56* В_т.р +1,24*6,56*0,01* В_т.р )+19* В_т.р

5=27,667 В_т.р

В_т.р =0,181 кг/с

Тогда полный расход топлива, кг/с (м³/с):

.

=0,181 *100/(100-1,4)=0,184 кг/с

Объёмный расход воздуха, необходимый для сжигания топлива определяется по найденному расчётному расходу топлива, м³/с:

,

1,23*6,56*0,184*(1+1,24*0,01)=1,503 м³/с

=19*0,184=3,496 м³/с , где - расход воздуха, подаваемого в камеру смешения для разбавления продуктов сгорания.

7. Суммарный объём продуктов сгорания равен 100 %, поэтому состав продуктов сгорания, %:

RO₂ =(1,185/8,61)*100=13,8 %

N₂= (6,391/8,61)*100=74,2 %

O₂=(0,317/8,61)*100=3,7 %

H₂O=(0,717/8,61)*100=8,3 %

В результате разбавления продуктов сгорания воздухом в камере смешения в энергоносителе увеличивается количество кислорода, азота и водяных паров, м³/кг (м³/м³):

=6,391+0,79*18,8=21,24 м³/кг

=0,317+0,21*18,8=4,26 м³/кг

=0,717+1,24*0,01*18,8=0,95 м³/кг

Общий выход энергоносителя:

=1,185+21,24+4,26+0,95=27,64 м³/кг

Состав энергоносителя, %:

=(1,185/27,64 )*100=4,3 %

=(21,24/27,64)*100=76,8%

=(4,26/27,64)*100=15,5 %

=(0,95/27,64)*100=3,4 %

Размещено на Allbest.ru