6948

20

3. Методические указания по подготовке к практическим занятиям

2.1Общие рекомендации по подготовке к практическим занятиям

Входе подготовки к практическим занятиям необходимо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, а также с новыми публикациями в периодических изданиях: журналах, газетах и т.д. с учетом рекомендаций преподавателя и требования учебной программы.

При подготовке к занятиям можно также подготовить краткие конспекты по вопросам темы. Также важно самостоятельно решать пройденные на занятиях задачи во время подготовки, для выработки соответствующих навыков.

Своевременное и качественное выполнение самостоятельной работы базируется на соблюдении настоящих рекомендаций и изучении рекомендованной литературы. Студент может дополнить список использованной литературы современными источниками, не представленными в списке рекомендованной литературы, и в дальнейшем использовать собственные подготовленные учебные материалы при написании курсовых и дипломных работ.

Введение и рациональное использование энергетического потенциала традиционных видов топлива.

низшая теплота сгорания – количество теплоты, которое выделяется при сжигании 1кг или 1м3 сухого топлива без учёта теплоты конденсации водяных паров;

высшая теплота сгорания учитывает теплоту конденсации водяных паров.

Определение низшей и высшей теплоты сгорания.

Для природного газа определяется по следующим зависимостям:

Q = 358CH4 + 636C2H6 + 913С3H8 + 1189C4H10 + 1465C5H12

CH4, C2H6, … - содержание в природном газе метана, этана, … в % по объёму.

358, 636, … - низшая теплота сгорания каждого компонента формулы, пересчитанная на 1% горючего компонента, содержащегося в природном газе.

Q = 398CH4 + 699C2H6 + 992С3H8 + 1285C4H10 + 1578C5H12 QCB = 1,11QCH

Конденсация продуктов сгорания природного газа наступает при снижении t ух. газов ниже 55-65° С. Когда t ух. газов выше t т. росы, весь расчёт ведётся по низшей теплоте сгорания, и наоборот, при t ух. газов ниже t т. росы по высшей теплоте сгорания (даже когда происходит только на выходе из самой последней ступени).

Также, важную роль играют определения, приводимые ниже. Жаропроизводительность топлива – максимальная температура горения, разви-

ваемая при полном сгорании топлива без избытка в условиях, когда всё выделяющееся при сгорании тепло полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания. При подсчёте жаропроизводительности температура топлива и воздуха принимают равной нулю.

Определение жаропроизводительности топлива:

Q t = V ∙ C

V – объём продуктов сгорания

C – средневзвешенная теплоёмкость от 0 до tmax.

Для инженерных расчётов значение теплоёмкости можно принять равным 1,67 кДж/(м3·° С).

21

Пределы воспламеняемости смеси, состоящей из нескольких горючих газов, зависят от пределов воспламеняемости составных частей смеси и могут быть ориентировочно определены по формуле Ле Шателье.

100

ПВ – предел воспламеняемости (нижний или верхний, %)

a, b, c, d – содержание горючих составляющих в минимальном газе в % от объёма

A, B, C, D – значения пределов воспламеняемости (нижнего и верхнего) каждой отдельной составной части газа.

Важно также отметить, что у всех математических зависимостей в рамках данной дисциплины есть свои границы применимости, так, например, данная формула справедлива только для горючей части смесей газов и не учитывает влияние балластных примесей

Практическое применение рациональных схем систем ТГС.

Для успешного выполнения расчёта комплексных рациональных схем использования теплоты уходящих газов по методу обратного баланса необходимо пользоваться следующей методикой.

1. После составления схемы использования теплоты после каждого устройства проставляют состав продуктов сгорания и их температуру.

Рис. 13. Предварительная схема комплексного использования теплоты уходящих газов.

2. Определяем полное или неполное сгорание топлива: при полном сгорании топлива в дымовых газах содержатся CH4, Н2, CO.

Если сгорание полное, то для определения коэффициента избытка воздуха можно воспользоваться опытной таблицей «Состав и теплотехнические характеристики продуктов полного сгорания природного газа» [2,3] фрагмент которой приводится ниже:

h – коэффициент разбавления сухих продуктов сгорания

При неполном сгорании коэффициент избытка воздуха определяется по следующей зависимости:

α = O% 2CO% 1,5CO ) 0,5H% 2 CO% CO CH+

22

3. Следует обратить внимание на значение t ух. газов, если t выше tт.р. (55-65° С), то расчёт всей установки осуществляется по низшей теплоте сгорания, если ниже tт.р. – по высшей теплоте сгорания.

Особенности расчётов по низшей теплоте сгорания

Опытным путём был найден коэффициент z, зависящий от t продуктов сгорания и степени их разбавления избыточным воздухом, т.е. от содержания в сухих продуктах полного сгорания CO2, а в продуктах неполного сгорания – суммы CO2, CO и CH4. Благодаря данному коэффициенту значительно упрощается нахождение потерь теплоты с уходящими газами.

Для всех ступеней, кроме последней, потери теплоты с уходящими газами определяются по следующей зависимости:

q% = 0,01 ∙ z ∙ tух

В данной формуле z определяется по таблице «Значение величины Z для природного газа» [2,3] в зависимости от состава продуктов сгорания и их температурного диапазона. Фрагмент этой таблицы приводится ниже:

Особенности расчётов по высшей теплоте сгорания

Для всех ступеней, кроме последней, необходимо выполнить пересчёт по высшей теплоте сгорания:

q% = 0,01ztух ∙ 0,9 11

Для того чтобы рассчитать последнюю ступень, необходимо воспользоваться следующей зависимостью:

q% = zВ tух ) 0,85t qун

zВ – величина, определяемая в зависимости от состава продуктов сгорания (CO2 + CO + CH4) и t уходящих газов в диапазоне от 0 до 50° С.

qун – потери теплоты, обусловленные содержанием в продуктах сгорания несконденсировавшегося воздушного пара.

Эти величины определяются по таблице «Значения коэффициентов zВ и qун», [1,2] фрагмент которой приводится ниже:

Пример: Комплексная схема использования теплоты уходящих газов представлена 2 агрегатами – промышленной печью с tух = 400° С (после неё) с содержанием в продуктах сгорания CO2=9,2%, и рекуператором с tух=200° С (после него), состав продуктов сгорания: CO2=8%. Определить, как изменились потери теплоты с уходящими газами при установке рекуператора.

Поскольку tух после рекуператора выше tт.р., расчёт производим по низшей теплоте сгорания.

23

Рис. 14. Окончательная схема комплексного использования теплоты уходящих газов. При t=400° С и содержанием CO2=9,2% по таблице находим величину z, равную

5,20.

После рекуператора по содержанию CO2=8% и tух=200° С определяем z=5,57.

После печи q2 = 0,01 · 5,57 (200-0,85 · 20) = 10,2

В результате установки рекуператора потери теплоты с уходящими газами снизились на 10,6%.

Лабораторные занятия как разновидность практических занятий.

Лабораторные занятия – это одна из разновидностей практического занятия, являющаяся эффективной формой учебных занятий в организации высшего образования.

Лабораторные занятия имеют выраженную специфику в зависимости от учебной дисциплины, углубляют и закрепляют теоретические знания.

На этих занятиях студенты осваивают конкретные методы изучения дисциплины, обучаются экспериментальным способам анализа, умению работать с приборами и современным оборудованием.

Лабораторные занятия дают наглядное представление об изучаемых явлениях и процессах, студенты осваивают постановку и ведение эксперимента, учатся умению наблюдать, оценивать полученные результаты, делать выводы и обобщения.

Следовательно, ведущей целью лабораторных работ является овладение техникой эксперимента, умение решать практические задачи путем постановки опыта.

Лабораторные занятия – существенный элемент учебного процесса в организации высшего образования, в ходе которого обучающиеся фактически впервые сталкиваются с самостоятельной практической деятельностью в конкретной области. Лабораторные занятия, как и другие виды практических занятий, являются средним звеном между углубленной теоретической работой обучающихся на лекциях, семинарах и применением знаний на практике. Эти занятия удачно сочетают элементы теоретического исследования и практической работы.

Выполняя лабораторные работы, студенты лучше усваивают программный материал, так как многие определения и формулы, казавшиеся отвлеченными, становятся вполне конкретными, происходит соприкосновение теории с практикой, что в целом содействует пониманию сложных вопросов науки и становлению студентов как будущих специалистов.

В целях интеграции теории и практики в организациях высшего образования в последнее время получают широкое распространение комплексные лабораторные работы, проводимые на широком техническом фоне с применением разнообразной аппаратуры в условиях, близких к реальным, в которых будет работать будущий специалист.

24

4. Методические указания по организации самостоятельной работы

4.1 Общие рекомендации для самостоятельной работы

Самостоятельная работа студентов является основным способом овладения учебным материалом в свободное от обязательных учебных занятий время.

Целями самостоятельной работы студентов являются:

-систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений студентов;

-углубление и расширение теоретических знаний;

-формирование умений использовать нормативную, правовую, справочную документацию и специальную литературу;

-развитие познавательных способностей и активности студентов:

-формирования самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации.

Самостоятельная работа выполняется в два этапа: планирование и реализация. Планирование самостоятельной работы включает:

-уяснение задания на самостоятельную работу;

-подбор рекомендованной литературы;

-составление плана работы, в котором определяются основные пункты предстоящей подготовки.

Составление плана дисциплинирует и повышает организованность в работе.

На втором этапе реализуется составленный план. Реализация включает в себя:

-изучение рекомендованной литературы;

-составление плана (конспекта) по изучаемому материалу (вопросу);

-взаимное обсуждение материала.

Необходимо помнить, что на лекции обычно рассматривается не весь материал. Оставшаяся восполняется в процессе самостоятельной работы. В связи с этим работа с рекомендованной литературой обязательна.

Работа с литературой и иными источниками информации включает в себя две группы приемов: техническую, имеющую библиографическую направленность, и содержательную. Первая группа – уяснение потребностей в литературе; получение литературы; просмотр литературы на уровне общей, первичной оценки; анализ надежности публикаций как источника информации, их относимости и степени полезности. Вторая – подробное изучение и извлечение необходимой информации.

Для поиска необходимой литературы можно использовать следующие способы:

-поиск через систематический каталог в библиотеке;

-просмотр специальных периодических изданий;

-использование материалов, размещенных в сети Интернет.

Для того, чтобы не возникало трудностей понимания текстов учебника, монографий, научных статей, следует учитывать, что учебник и учебное пособие предназначены для студентов и магистрантов, а монографии и статьи ориентированы на исследователя. Монографии дают обширное описание проблемы, содержат в себе справочную информацию и отражают полемику по тем или иным дискуссионным вопросам. Статья в журнале кратко излагает позицию автора или его конкретные достижении в исследовании какой-либо научной проблемы.

В процессе взаимного обсуждения материала закрепляются знания, а также приобретается практика в изложении и разъяснении полученных знаний, развивается речь.

При необходимости студенту следует обращаться за консультацией к преподавате-

лю.

25

Составление записей или конспектов позволяет составить сжатое представление по изучаемым вопросам. Записи имеют первостепенное значение для самостоятельной работы студентов. Они помогают понять построение изучаемого материала, выделить основные положения, проследить их логику.

Ведение записей способствует превращению чтения в активный процесс. У студента, систематически ведущего записи, создается свой индивидуальный фонд подсобных материалов для быстрого повторения прочитанного. Особенно важны и полезны записи тогда, когда в них находят отражение мысли, возникшие при самостоятельной работе.

Можно рекомендовать следующие основные формы записи: план, конспект, тезисы. План – это схема прочитанного материала, краткий (или подробный) перечень вопросов, отражающих структуру и последовательность материала. Подробно составленный

план вполне заменяет конспект.

Конспект – это систематизированное, логичное изложение материала источника. Объем конспекта не должен превышать 10 страниц. Шрифт Times New Roman, кегль 14, интервал 1,5. Список литературы должен состоять из 5-8 источников, по возможности следует использовать последние издания учебных пособий и исследований.

Тезисы — это последовательность ключевых положений из некоторой темы без доказательств или с неполными доказательствами. По объему тезисы занимают одну страницу формата А4 или одну – две страницы в ученической тетради. В конце тезисов студент должен сделать собственные выводы.

4.2Темы для самостоятельного изучения по разделам

2.Рациональное использование энергетического потенциала традиционных видов топлива.

Оценка эффективности и экологической безопасности рациональных схем систем ТГС для не рассмотренных на занятиях схем.

3.Практическое применение рациональных схем систем ТГС.

Рациональные схемы систем ТГС на примере предприятий, не рассмотренных на занятии отраслей промышленности.

Схемы автономных систем энергообеспечения.

4. Использование альтернативных видов топлива.

Комбинированное использование альтернативных источников энергии, которые не рассматривались на занятии.

4.3 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

Приводится в конце пособия – список рекомендуемой литературы.

26

5. Методические указания по выполнению расчетно-графической работы

Расчетно-графическая работа состоит из двух больших разделов:

1.выбор отрасли промышленности, описание оборудования и технологических про-

цессов;

2.выбор комплексной схемы использования теплоты, содержащей не менее двух теплоутилизационных устройств, которые могут быть использованы при заданных параметрах продуктов сгорания.

По заданию преподавателя или по рекомендации научного руководителя студент рассматривает конкретную отрасль промышленности.

Далее происходит сбор материала по тематике и составляется подробное описание данной отрасли (5-10 стр.). Например, если студент досталась кузнечная промышленности, то, прежде всего, дается общая классификация:

Кузнечные цеха различаются:

∙по виду производства, которое может быть единичным, мелкосерийным, крупносерийным и массовым;

∙по производственной мощности — годовому выпуску продукта:. цеха, т;

∙по технологии изготовления поковок: свободная ковка на молота: и ковочных прессах, штампование на молотах, горизонтально-ковочных машинах, автоматах, механических ковочных прессах и т. д.;

∙по наибольшему весу поковки или штамповки.

∙Кроме того, кузнечные цехи по назначению можно разделить на следующие виды:

∙кузнечно-штамповочные при машиностроительных заводах; характер продукции их определяется видом машиностроения — автомобилестроение, двигателестроение, тяжелое машиностроение и т. д.;

∙кузнечно-штамповочные массового производства; изготовление метизов, железнодорожных накладок, слесарно- и деревообрабатывающего инструментария, предметов широкого потребления и т. д.;

∙подсобные при заводах для изготовления мелких поковок для основного производства, для инструмента, а также для ремонта заводского оборудования.

Также для лучшего понимания вопроса, студент на (3-7 стр.) подробно описывает оборудование, применяемое в данной отрасли:

Для работ в кузнечных цехах применяются молоты разных типов: паровоздушные, приводные пневматические и механические (рессорные и фрикционные с доской и ремнем. Также для работ используются прессы: механические ковочные, штамповочнокалибровочные, чеканочные, обрезные, фрикционные, а также горизонтально-ковочные машины, автоматы и полуавтоматы, ковочные вальцы.

Важно также, чтобы студенты использовали при описании оборудования иллюстративный материал и различные технологические схемы, которые позволят их самим более наглядно представить особенности выбранной отрасли промышленности.

После проделанной работы с литературными источниками студент более конкретно определяется с топливоиспользующей установкой, и на основании своих знаний, полученных на лекционных и практических занятиях, начинает собирать комплексную схему по использованию теплоты продуктов сгорания.

27

В данном примере рассмотрена нагревательная печь, за которой устанавливается рекуператор охлаждающий продукты сгорания с 922,15ºС до 392ºС и контактный экономайзер, который с 347 ºС охлаждает продукты сгорания до 140ºС (рис. 15).

Рис. 15. Схема комплексного использования теплоты в кузнечно-термическом цехе

Далее приводится пример возможных расчетов в соответствии с ранее выбранным методом теплотехнических расчетов:

Характеристики природного газа

Источник газа – Ямбургское месторождение.

Состав газа:

СН4 – 98,6% С2Н6 - 0,1% С3Н8 - ----% С4Н10 - ----% С5Н12 - ----% N2 - 1,2% СО2 - 0,1%

Плотность газа ρ – 0,725 кг/м3 Низшая теплота сгорания по таблице35360 кДж/м3

Определение объемов воздуха, расходуемого на горение, и образующихся продуктов сгорания.

Суммарный расход кислорода, необходимый для полного сгорания 1 м3 природного газа Vo0, подсчитывают по формуле (6.3) [2], м3:

Vо20=0,01 (2CH4+3,5C2H6+5 C3H8+6,5C4H10+8 C5H12)= = 0,01(2*98,6+3,5*0,1)=0,2007 м3

где CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12 – содержание в природном газе метана, этана, пропана, бутана, и пентана в процентах по объему.

С учетом коэффициента избытка воздуха:

Vо2= 3* Vо20= 1,1*0,2007=0,221 м3

Vо2 изб.=( 3 - 1) *Vо20=0,1*0,2007=0,02007 м3

Объем воздуха составит

VВ= 4,76* Vо2= 4,76*0,221=1,052 м3

Объем водяного пара считают по формуле (без учета влаги содержащейся в воздухе и га-

зе) (6.7) [2]:

Vн2о=0,01 (2CH4+3 C2H6+4 C3H8+5 C4H10+6 C5H12)= =0,01(2*98,6+3*0,1)=0,2002 м3

Объем двуокиси углерода рассчитывается по формуле (6.6) [2]:

VСО2=0,01 (2CО2 + CH4 + 2 C2H6+3 C3H8+4 C4H10+5 C5H12)=

28

=0,01 (0,1+98,6+2*0,1)=0,101м3

Объем азота в продуктах сгорания рассчитывается по формуле (6.8) [2]: VN2=3,76 Vо2 + 0,01 N2= 3,76*0,221 + 0,01*1,2=1,01 м3

Объем сухих продуктов сгорания рассчитывается по формуле

Vс.г.= VСО2 + Vо2 изб. + VN2=0,101+0,02007+1,01=1,131

Суммарный объем продуктов сгорания равен:

VΣ= Vн2о+ Vс.г.=1,131+0,2002=1,331

Состав сухих продуктов сгорания в процентах по объему составит соответственно

CО2= VСО2/ Vс.г.*100=(0,101/1,131)*100=8,93% О2= (0,02007/1,131)*100=1,77%

N2= (0, 01/1,131)*100=89,302%

Исходя из состава продуктов сгорания, для дальнейших расчетов, корректируем и принимаем коэффициент избытка воздуха 3=1,29 (таблица 6.2 [2]).

Расчет схемы комплексного использования теплоты в кузнечно-термическом цехе

Произведем расчет потерь теплоты по формуле (6.18) [2] q2печь= 0,01*z1* (tух.г.печь- 0,85*tвозд),

где z1 – коэффициент, зависящий от температуры продуктов сгорания и степени их разбавления избыточным воздухом, т.е. содержания в сухих продуктах полного сгорания CО2, а в продуктах неполного сгорания суммы (CО2+ CО+ CH4), табл.6.1 [2];

tух.г.печь – температура уходящих из печи продуктов сгорания топлива, оС; tвозд – температура окружающего воздуха, 20 оС.

q2печь=0,01*5,7*(1000-0,85*20)= 56,031%

Коэффициент использования топлива (КИТ) в данной работе определяем без учета теплоты вследствие неполноты сгорания q3.

КИТпечь=100 - q2печь=100 – 56,031= 43,97%

Так как уходящие газы не уходят в окружающую среду, q2печь на выходе из печи рассчитывается, без учета температуры воздуха, по формуле:

q2печь= 0,01*z* tух.г.печь,

q2печь= 0,01*5,7* 1000=57 % КИТпечь=100 - q2печь=100-57=43%.

По пути выходящих газов из печи в рекуператор, температура меняется, и рассчитывается по формуле:

z1 - коэффициент, соответствующий выходным параметрам продуктов сгорания и степени их разбавления избыточным воздухом из предшествующей ступени, табл.6.1 [2];

z2 - коэффициент, соответствующий входным параметрам продуктов сгорания и степени их разбавления избыточным воздухом в последующую ступень, табл.6.1 [2];

t – падение температуры на один погонный метр, оС. Для целей данной работы принимаем 2 оС;

В результате прохождения продуктов сгорании по газоходу происходит их разбавление избыточным воздухом за счет подсоса. Вследствие чего изменяется коэффициент избытка воздуха 3. Для целей данной работы принимаем на один метр газохода 3 =+0,01. Длина газохода принимается равной 10 м. Следовательно, на входе в рекуператор 3 =1,39.

Исходя из 3 =1,39 по таблице 6.18 [2] состав продуктов сгорания будет следующим: CО2 = 8,2%, О2 = 6,4%, N2 = 85,4%.

tII'=( 1000*(5,7/6,05) – 2*10) = 922,15 оС.

29

Температура на выходе из рекуператора ОПТТМ принимается равной 392 оС., коэффициент избытка воздуха 3 увеличивается на 0,2 и составляет 1,49. Следовательно, состав продуктов сгорания будет следующим: CО2 = 7,6%, О2 = 7,5%, N2 = 84,9%.

q2рек= 0,01*z* tух.г.рек,

q2рек= 0,01*6,05* 392,15=23,73 % КИТрек+печь=100 - q2рек=100-23,73=76,27 %. КИТрек= КИТрек+печь - КИТпечь = 76,27 – 43= 33,27 %

Для дальнейшей утилизации теплоты уходящих газов предлагается использовать контактный экономайзер.

В результате прохождения продуктов сгорании по газоходу происходит их разбавление избыточным воздухом за счет подсоса. Вследствие чего изменяется коэффициент избытка воздуха 3. Для целей данной работы принимаем на один метр газохода 3 =+0,01. Длина газохода принимается равной 10 м. Следовательно, на входе в утилизатор 3 =1,59. Следовательно, состав продуктов сгорания будет следующим: CО2 = 7,0%, О2 = 8,5%, N2 = 84,5%.

Температура на входе в утилизатор составит:

tII'=( 392,15*(6,05/6,45) – 2*10) = 347,8 оС.

Температура на выходе из контактного экономайзер принимается равной 140 оС., коэффициент избытка воздуха 3 увеличивается на 0,1 и составляет 1,69. Следовательно, состав продуктов сгорания будет следующим: CО2 = 6,7%, О2 = 9,1%, N2 = 84,2%.

Далее произведем расчет потерь теплоты на выходе из утилизатора по формуле (6.18) [2], как для последней ступени:

q2ут= 0,01*z1* (tух.г.ут- 0,85*tвозд)=0,01*6,5*(140-0,85*20)=8,0 % КИТрек+печь+ут =100 - q2ут =100-8,0=92 %

КИТут= КИТрек+печь+ут - КИТрек+печь = 92 – 76,27 =15,73 % КИТпечь + КИТрек+печь + КИТрек+печь+ут + q2ут =

=43+33,27+15,73+8=100 %

Определение достигаемой экономии газа

Аналитически определить достигаемую экономию газа при использовании рекуператора можно по формуле (3.1) [1]:

Э = q2печь*R/ КИТпечь + q2печь*R,

где R – степень рекуперации или доля располагаемой теплоты, отводимой из печи уходящих газов, возвращенных в печь с нагретым воздухом.

Э =57*0,57/43+57*0,57=33,25%

Итак, достигаемая экономия 33,3 % сжигаемого газа, а теплота нагретого в рекуператоре воздуха, подаваемого на горелки, соответствует лишь 27% теплоты сжигаемого в печи топлива.

Количество воды, подогреваемое контактным способом W, рассчитывается по формуле:

W = 95*B*( q2рек - q2ут)/(tк – t н),

где В – расход газа, 40 м3/ч;

tк – температура нагретой воды на выходе из экономайзера, оС; tн – температура воды на входе в экономайзер, оС.

W = 95*40*( 23,73 - 8,0)/(55– 5)=1195,48 т/ч