2. Проектная часть
2.1 Расчет горения топлива
Исходные данные:
W=25г/м3
Состав газа приведен в таблице 1
таблица 1 – Состав сухих газов в процентах, %
СН4 |
С2Н6 |
С3Н8 |
С4Н10 |
С5Н12 |
СО2 |
N2 |
Всего |
90,8 |
5,4 |
1,2 |
0,3 |
0,7 |
0,6 |
1 |
100 |
Решение:
СН4 = 90,8 = 88,06 % [ 1 ]
С2Н6 = 5,4 0,97 = 5,24 %
С3Н8 = 1,2 0,97 = 1,16 %
С4Н10 = 0,3 0,97 = 0,29 %
С5Н12 = 0,7 0,97 = 0,67 %
СО2 = 0,6 0,97 = 0,58 %
N2 = 1 0,97 = 0,97 %
Хн2о = 0,1242 * 25* = 3,02
Н2О = 0,1242* 25*0,97=3,03
Q = 127,7 СО+108 Н2+358 СН4+590С 2Н4+555 С2Н6+636С 2Н6+913С 3Н8+1185С 4Н10+1465С 5Н12+234Н 2S
Q=39798,1 кДж/м3
Определяем количество воздуха, необходимого для жигания топлива, по реакции горения состовляющих газов.
СН4+2О2 СО2+2Н2О
С2Н6+3,5О2 2СО2+3Н2О
С3Н8+5О2 3СО2+4Н2О
С4Н10+6,5О2 4СО2+5Н2О
С5Н12+8О2 5СО2+6Н2О
Таблица 3 – Расход воздуха и количества продуктов сгорания м3/м3
Топливо |
Воздух |
Продукты сгорания |
||||||||
состав |
количество |
О2 |
N2 |
Всего м3 |
СО2 |
Н2О |
О2 |
N2 |
Всего м3 |
|
СН4
С2Н6
С3Н8
С4Н10
С5Н12
СО2
N2
Н2О
|
88,06
5,24
1,16
0,29
0,67
0,58
0,97
3,03 |
176,12
18,34
5,8
1,885
5,36 |
207,505*3,762 |
|
88,06
10,48
3,48
1,16
3,35
0,58 |
176,12
15,72
4,64
1,45
4,02
3,03 |
|
0,97 |
|
|
n=1 |
Σ |
|
207,505 |
780,64 |
988,14 |
107,11 |
204,98 |
|
781,6 |
1090,08 |
% |
100 |
21 |
79 |
100 |
9,7 |
18,7 |
|
71,6 |
100 |
|
n=1.05 |
Σ |
|
217,88 |
819,66 |
1037,54 |
107,11 |
204,98 |
10,4 |
820,7 |
1143,2 |
% |
100 |
21 |
79 |
100 |
9,4 |
17,93 |
0,9 |
71,8 |
100 |
Материальный баланс
СН4=16 88,06=1409
С2Н6=30 5,24=160
С3Н8=44 1,16=51,04
С4н10=58 0,29=17
СО2=44 0,58=26
N2=28 0,97=29
Н2О=18 3,03=58
Воздух
О2=32 217,88=6974
N2=28 819,66=22955
Итого: 31778,5 кг
Получено
СО2=44 107,11=4710,2
Н2О=18 204,98=3689,3
О2=32 10,37=331
N2=28 820,6=22979
Итого: 31778,5 кг
[2]
где – энтальпия, кДж/м3
- физическая теплота сгорания, кДж/м3
– объём продуктов сгорания образующихся при сжигании единицы топлива, м3/м3
- [3]
Где - объём воздуха образующихся при сжигании единицы топлива, м3/м3
теплоёмкость воздуха
- температура подогрева воздуха, 0C
= 10,3754 1,363 410=5798,08
= = 3988.6
= 2300 0C
= 5746.39 0.094=540,16
=4485,34 0,179= 802,87
= 3662,33 0,009=32,96
= 3457,2 0,72=2489,18
Итого: 3865,17
= 2400 0С
=6023,25 0,094=566,18
3620,58 0,72=2606,81
=3837,64 0,009=34,54
= 4724,37 0,179 =845,66
- Итого: 4053,2
Находим калориметрическую температуру при горении:
tk = - ) [4]
tk =2300+ 100=2365,64 0С
2.2 Расчёт геометрических размеров
воздухонагревателя
Исходные данные:
= 250 0С
= 1200 0С
=1.46
= 2,34
насадка выполнена из блочного кирпича со щелевыми каналами и горизонтальными проходами.
Решение:
Так как для топочных камер = 0,95 действительная температура продуктов сгорания равна:
=
Где действительная температура продуктов сгорания, 0С
– калориметрическая температура горения топлива, 0С
= 0,95 1630=1548,5 0С
Принимая снижение температуры продуктов сгорания до поступления в насадку равным 3% от , найдем температуру дымовых газов на входе в насадку сверху:
=0,97 1548,5= 1502 0С
- температура дымовых газов на входе в насадку, 0С
Среднюю за период температуру дыма на входе из насадки примем равной
= 250 0С
При начальной и конечной температурах энтальпия продуктов сгорания равна:
=1502 0С
=3545,36 0,158+2170,65 0,72+2296,88 0,012+2758,49 0,11=2453,8
=462,7 0,158+383,4 0,11+337,4 0,012+336,5 0,72=361,51
= 2891,6= 384,87
= 2375,4=31,59
= 2245,6=1595,72
Иного: 2532,34
=250 0С
= 458.25=65.53
= 383.5 =51.04
= 335,59=4,46
= 325,75=231,48
Иного: 325,75
Согласно приложению энтальпия воздуха на входе в насадку при =250 равна =328,68
Зададим величину падения температуры воздуха в течение воздушного периода = 100 0С Тогда средняя температура дутья на выходе из насадки в течение периода будет равна:
= 0,5 [1200+(1200+100)]= 1250 0С
При котором энтальпия воздуха будет равна:
= 1800,4
Расход продуктов сгорания находим из уравнения теплового баланса насадки:
0,95 ( - ) = ( - )
Где 0,95 – коэффициент, учитывающий потери тепла в насадке.
- время между перекидами в дымовой трубе (сек.)
- длительность воздушного периода (сек.)
Предварительно необходимо задаться временем между перекидками в дымовой трубе периоде = 7200 (2 ч) и длительностью времени на перекидку = 360 сек (0,1ч).
Находится длительность воздушного периода по формуле:
=
= = 2520 сек (0,7ч)
Общая продолжительность цикла равна
= 7200+360+2520 = 10080 (2,8ч)
Теперь определяем расход продуктов сгорания ( )выраженный из формулы
=
= = 74,04
Находим расход смешенного коксодоменного газа на воздухонагреватель:
=
Где - расход продуктов сгорания, или
- объём продуктов сгорания образующихся при сжигании единицы топлива,
= = 29,93
Расход воздуха на горение смешенного газа
=
Где - объём воздуха образующейся при сжигании единицы топлива,
29,93 1,46 = 43,69
Предварительное определение поверхности нагрева насадки
Тепло, затраченное на нагрев воздуха:
= [15]
= 100 (1800,4 – 328,68) 2520 = 370,8 106
Среднелогарифмическая разность температуры:
=
Где – разница между температурами дымовых газов на входе и выходе в насадку,
- разница средних температур на выходе из насадки дыма и дутья,
= = 45,57
Примем скорость дыма равной =2,0 . Скорость воздуха при нормальных условий будет равна:
=
где и - скорость дыма и воздуха соответственно,
= = 2,7
Средние за период температуры дыма и воздуха:
= = 876
= = 750
Средние температуры верха и низа насадки в дымовом и воздушном периоде и за весь цикл:
= =1189
= = 1000
= = 1095
= = 563
= = 500
= = 531
По формулам = + и + находим коэффициент теплоотдачи для верха и низа насадки. Принимая, что воздуходувка подаёт воздух под давлением р=354,5 кПа, найдем действительнуюскорость воздуха по формуле:
=
где температуры верха и низа насадки в воздушном периоде, к
=101,3 кПа
=273 к
= 8,5 = 7
= 8,5 = 30,2
Действительная скорость дыма находим по формуле:
=
где - температуры верха и низа насадки в дымовом периоде, к
= = 8,7
= 2 = 4,2
Определяем коэффициент теплопроводности кирпича насадки:
λ = 1,58+0,00038 t
где t – средняя температура верха и низа насадки,
λ = 1,58+0,00038 1095 = 1,99
λ =1,04+0,00015 t
λ =1,04+0,00015 531= 1,12
данные значения приведены в таблице 5
Таблица 4 - Коэффициент теплоотдачи для верха и низа насадки
Параметр |
Расчётная формула,источник |
Верх |
низ |
|||
Дым |
Воздух |
Дым |
Воздух |
|||
Среднее за период температуры дыма и воздуха, |
|
1189 |
1000 |
563 |
500 |
|
Коэффициент теплопроводности λ 10 к |
Приложения и |
12,52 |
8,06 |
7,11 |
5,75 |
|
Кинематический коэффициент вязкости 106 |
|
219,85 |
177,1 |
87,9 |
79,38 |
|
Определяющий диаметр канала, d м |
|
0,031 |
0,031 |
0,031 |
0,013 |
|
Действительная скорость дыма и воздуха, |
|
8,7 |
7 |
4,2 |
3,02 |
|
Критерий Рейнольдса |
Re = |
1321 |
1553 |
1430 |
1786 |
|
Критерий Нуссельда |
|
5,8 |
9,6 |
8,6 |
14,5 |
|
Коэффициент теплоотдачи конвекцией, конв |
Nu |
23,1 |
20,7 |
19,3 |
22,8 |
|
Коэффициент теплоотдачи излучением, изл |
|
26,9 |
|
3,9 |
|
|
Суммарный коэффициент теплоотдачи, |
|
50 |
20,7 |
23,2 |
22,8 |
Заимствуя значения коэффициента теплопроводности и кинематический коэффициент вязкости воздуха из приложения необходимо учесть, что вязкость газов обратно пропорциональна давлению. Заимствовав из приложения вязкости необходимо разделить на: 354,5/101,3=3,5
Параметр |
Расчётная формула, источник |
Верх динас |
Низ шамот |
Средняя температура насадки, |
|
1095 |
531 |
Объёмная плотность р, |
|
2000 |
2300 |
Коэффициент теплопроводности λ |
|
1,99 |
1,12 |
Теплоёмкость , |
|
1,1 |
1,27 |
Коэффициент температуропроводности a, |
|
9,53 10-7 |
5,38 10-7 |
Критерий Фурье |
|
35,28 |
21,49 |
Коэффициент аккумуляции |
|
0,96 |
0,94 |
=34.69 =0,3429 = 0,43
где - удельная поверхность нагрева
- живое сечение
- удельный объём
Эквивалентная полутолщина кирпича находится по формуле:
=
= = 0,012
Коэффициент аккумуляции находится по формуле:
=
где - безразмерный критерий Фурье
= = 0,96 = = 0,94
Поскольку полученные значения коэффициента аккумуляции тепла вся масса кирпича принимает участие в процессе аккумуляции тепла. В этом случае нет необходимости уменьшать его толщину и можно принять Ş=5,1 для низа насадки и Ş= 2,3 для верха.
Теперь можно найти значения суммарных коэффициентов теплоотдачи от дыма к воздуху по формуле:
=
где χ – суммарный коэффициент теплоотдачи для дыма и воздуха насадки,
-гидравлическое сопротивление отверстия
λ – коэффициент теплопроводности,
- объёмная плотность верха и низа насадки,
– теплоемкость,
Ş – толщина кирпича
Для верха насадки:
= = = 45,78
=
61,67
Средний для всей насадки:
=0,5 ( + )
=0,5 (61,67+45,78)=53,7
Поверхность нагрева находим по формуле:
F =
где - тепло затраченное на нагрев воздуха,
F= = 15152,74
Объём насадки:
V =
V = =436.8
Площадь поперечного сечения в свету:
=
= =37,02
Общая площадь поперечного сечения насадки:
= [28]
= = 107.9
Высота насадки:
Н =
Н = = 4,05 м
Уточняем изменение температуры воздуха за время воздушного цикла. При =100 /с водяной эквивалент( теплоемкость) потока воздуха равна:
=
=100 =147,2
Теплоёмкость насадки:
=
= 15152,74 0,012 = 4,6 106
При = 266544 (74,04 ) теплоёмкость (водяной эквивалент) потока продуктов сгорания будет равна:
=
=74,04 = 39
= = 1,3
= = 2,2
По графику находится значения коэффициента =1,5.
Значение условной постоянной времени воздушного периода:
=
= =3,26
Находим изменение температуры дутья за время воздушного цикла:
=
=0,7 =337
Размеры и массы насадки
Принимаются геометрические параметры насадки, получаемые при расчёте Н= 4,05 Ω=107,9 . Массе кирпича в насдке:
= V 0,5 ( )
=1945,46 0,5 (2000+2300) 0,7= 2928
Коэффициент стройности насадки:
=
= = 12
Данное число удовлетворяет условию равномерного распределения газов по сечению насадки.
Принимается скорость дыма в шахте горения (при нормальных) =2,5 , тогда площадь горизонтального сечения шахты будет равна:
=
= =9,18
Суммарная площадь горизонтального сечения воздухонагревателя:
= +Ω
= 9,18+29,72= 38,7
С учётом футеровки шахты:
= 41
Тогда диаметр воздухонагревателя по внутренней поверхности кладки:
D=
D= = 7.23 м
Оптимальное время между перекидками клапанов:
= -
= -0,1 = 2,01 ч
Оптимальная длительность воздушного периода:
=
= = 0,7 ч