Работа 6. АНАЛИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Для хроматографа типа ЛХМ-8МД:

γд = 3 % − дрейф нулевой линии; γф = 0,5 % − уровень флуктуационных помех; γсв = 1 % − сходимость высот пиков в изотермическом режиме для газовых проб; γh и γω0,5 − приведенные погрешности измерения высоты и ширины пика,

%

где оh и оω0,5 − абсолютные погрешности определения высоты и ширины пика соответственно (не менее ± 0,1 мм).

III. Описание лабораторной установки

Лабораторной установкой является хроматограф типа ЛХМ-8МД (рис. 36), состоящий из блока анализатора 4, крышки с детектором по теплопроводности в собственном термостате (находится в блоке анализатора); блока подготовки газов 5, блока управления 3, блока программирования 2, электронного потенциометра 1 типа КСП4.

Блок анализатора состоит из термостата, газовой панели, газового дозатора и терморегулятора испарителя. Газовая панель подключается к блоку подготовки газов через газовый дозатор. Инертный газ-носитель из баллона 1 (рис.37) через стандартный баллонный редуктор 2 под давлением (0,5...1,0) МПа подается на вход блока подготовки газов, где, пройдя через фильтр3 и редуктор дав-

Рис. 36. Блоки хроматогрофа типа ЛХМ-8МД

116

Рис. 37. Схема движения газовых потоков в хроматографе ЛХМ-8МД

ления 4, разделяется на два потока, в каждом из которых имеются элементы регулирования и стабилизации давления и расходов 5. Затем газ поступает на промежуточную панель блока анализатора. Оба газовых потока поступают в узлы ввода пробы − испарители 7, причем один из потоков предварительно проходит через кран-дозатор 6. Анализируемая проба (продукты горения) может быть введена в хроматограф специальным шприцем через испаритель 7 или с помощью крана газового дозатора 6. Из испарителей смесь газа-носителя и анализируемой пробы поступает в разделительные колонки 8, а с выхода колонок бинарная смесь (газ-носитель +ί-й компонент анализируемой пробы) поступает в детектор 9. Электрические сигналы, пропорциональные содержанию каждого ί-го компонента, с детектора поступают на потенциометр, где фиксируются на диаграммной ленте в виде хроматограммы.

На электрической панели блока анализатора расположен бесконтактный терморегулятор испарителя.

Под верхней крышкой блока анализатора на термостате установлена детекторная крышка с детектором по теплопроводности и испарителем. Разделительные колонки подсоединены одними концами к выходу из испарителя, а другими − ко входу детектора.

Блок управления содержит: регулятор, предназначенный для поддержания заданной температуры в термостатах колонок и детектора, стабилизатор напряжения, питающий детектор, преобразователь сигнала детектора в величину, пригодную для измерения и записи потенциометром. Блок программирования предназначен для установки и автоматического поддержания необходимой температуры в термостате колонок по линейному закону.

117

ПРИЛОЖЕНИЕ ЛР2

Поправки к показаниям на калибр

ПРИЛОЖЕНИЕ ЛР3

Область допустимого тока детектора

123

ПРИЛОЖЕНИЕ ЛР 4

Порядок работы калориметра с регистратором

1.Провести подготовку к эксперименту в соответствии с пп. 1...7 раздела IV работы 4.

2.Собрать электрическую схему регистратора (по указанию преподавате-

ля).

3.Установить заполненный водой сосуд (без бомбы) в гнездо, образованное внутренней оболочкой 12 (рис. 30) на подставки 11 и проверить устойчивость его положения. Закрыть сосуд крышкой 6 и подсоединить разъем нагревателя к гнездам на крышке. Установить на место крышку 5 калориметра.

4.Установить термопреобразователи сопротивления (ТС) блока измерительного в предназначенные для них отверстия на крышке калориметра.

5.Включить тумблер «Сеть» на лицевой панели блока измерительного; нажать клавиши «5В», «Период», «Сеть» на цифровом вольтметре Щ1516: прогреть регистратор в течение 1 ч.

6.Установить переключатель «Работа Откл. Калибровка» на лицевой панели блока измерительного в положение «Откл.», а ручкой «Установка нуля», расположенной на этой же панели, установить показания вольтметра Щ1516 на значение ±0,0001 В, затем переключатель установить в положение «Работа».

7.Подать питание на калориметр от розетки «В-08-М 220 В» на задней панели измерительного блока; включить на передней панели калориметра кнопки «Сеть», «Мешалки», «Нагреватели оболочки». После установления автоматического режима поддержания температуры воды в оболочке калориметра откалибровать регистратор, для этого:

а) включить кнопку «Нагреватели сосуда» и установить температуру воды

вкалориметрическом сосуде немного выше, чем в оболочке (показание вольтметра Щ1516 должно находиться в пределах 3,7530...3,7540 В); выключить кнопку «Нагреватели сосуда»; следить за изменением показаний Щ1516 и в момент, когда показание станет равным 3,7500 В, перевести переключатель «Работа Откл. Калибровка» в положение «Калибровка» и записать новое показание Щ1516 (после установления показаний);

б) вернуть переключатель в положение «Работа»; провести операцию калибровки 5 раз и найти среднее арифметическое значение величины скачка показаний вольтметра;

в) вычислить значение относительной погрешности калибровки, %

U К

где UК = 2,9187 В, U − средняя величина скачка, полученная при калибровке.

124

Если К>0,05%, произвести подстройку регистратора потенциометром «Регулировка чувствительности» на лицевой панели измерительного блока и повторить калибровку до достижения значения К≤0,05 %.

8.Провести операции раздела IV, п. 8 «а», «б», «в», «г». Включить кнопку «Нагреватели сосуда», выждать до установления показаний вольтметра - 0,1500 В, выключить кнопку «Нагреватели сосуда». Запись в протокол полуминутных отсчетов в начальном периоде начинать от значения 0,0000

Вна индикаторе Щ1516 (при этом температура воды в сосуде будет равна

25±0,2 °С.

Провести операции по п. 9 «б» и далее до п. 14, записывая показание вольтметра Щ1516 по третьему сигналу зуммера.

9.После окончания эксперимента тумблеры «Работа Откл. Калибровка» и «Вкл. Откл.» на лицевой панели регистратора поставить в положение

«Откл.».

ВНИМАНИЕ! При извлечении калориметрического сосуда из калориметра при температуре окружающей среды меньше 20 ˚С или больше 30 ˚С ТС поместите в сосуд с водой, имеющей температуру 25…28˚ С, во избежание перегрузки входа усилителя измерительного блока.

3.5.Методические указания к выполнению практических занятий

Всоответствии с Государственным образовательным стандартом специалисты, выпускники теплоэнергетических специальностей вузов, должны не только понимать физику процессов, происходящих при работе оборудования, в частности, при работе топливоиспользующего оборудования, но и уметь применять теоретические знания при решении практических задач как при конструировании и наладке, так и при эксплуатации его.

Наиболее глубокое понимание любого явления достигается путем аналитического и экспериментального изучения влияния на него различных факторов. Практические занятия по дисциплине «топливо и теория горения» позволяют студентам на конкретных примерах оценить воздействие различных влияющих факторов на экономичность и надежность процессов сжигания различных топлив, на тепловое и температурное состояние горящего факела, продуктов сгорания и поверхностей теплообмена. При решении предлагаемых ниже задач студенты изучают методики и приобретают навыки практических расчетов, необходимых в дальнейшей инженерной деятельности.

При решении задач рекомендуется следующая точность расчетов: величины, имеющие большее численное значение (энтальпия, температура, объемы), ограничиваются одним знаком после запятой; удельные объемы − двумя знаками после запятой; величины, имеющие малые численные значения (доли трехатомных газов, избытки воздуха и др.), − тремя знаками после запятой.

125

Задача 1

Элементарный состав горючей массы кузнецкого угля марки СС:

НГ=3,3 %; СГ=80,2 %; NГ=2,1 %; ОГ=14 %; SГ=0,4 %. Зольность на сухую массу

АС=22,12 %. Определить элементарный состав топлива на рабочую массу, если

WР=15,0 %.

Порядок решения. Коэффициент пересчета масс имеет вид К=0,01(100- WP-AP)/100. Пересчет зольности с сухой массы на рабочую АР=0,01АС(100-WР). Определяем элементарный состав на рабочую массу: СР=СГ К; ОР=ОГ К;

НР=НГ К; NP=NГ К; SP=SГ К. Полный элементарный состав рабочей массы: СР+НР+ОР+NP+SP+AP+WP должен быть равен 100 %.

Задача 2

У Кузнецкого угля (элементарный состав − см. задачу 1) низшая теплота сгорания QPH=23990 КДж/кг. Определить QCH, QГН, QРВ.

Порядок решения

QРН=13020 кДж/кг. При сжигании угольной пыли этого угля по схеме замкнутой сушки вся влага рабочего состава топлива подается с пылью в топку. При переходе на сжигание по схеме разомкнутой сушки в топку подается пыль с влажностью Wпл = 10,0 %. Насколько увеличится низшая теплота сгорания?

Порядок решения

QПЛ = (QP + 25,1W P ) 100 −W ПЛ − 25,1W ПЛ .

H H 100 −W P

126

Задача 4

В топке сжигается смесь топлив:GТ=25 т/ч твердого топлива с Qнр=20934

кДж/кг и VГ=15 103 м3/ч газа с теплотой сгорания Qсн =36 103 кДж/м3. Определить условную теплоту сгорания смеси топлив.

Порядок решения

При сжигании твердого или жидкого топлива в смеси с газообразным, расчет ведется по условной теплоте сгорания, отнесенной к 1 кг твердого или жидкого топлива,

(QHP )см = QHP + x QHC ,

где x = VГ .

GT

Задача 5

Определить теоретически необходимое количество воздуха при сжигании смеси твердого и газообразного топлива (ирша-бородинского угля марки Б2 и Бухарского природного газа) с теплотами сгорания соответственно QPH=15670 кДж/кг и QСН=36720 кДж/м3. Доля природного газа в общем тепловыделении q″=0,4.

Порядок решения

Для смеси твердого (или жидкого) топлива с газообразным теоретически необходимое для горения объемное количество воздуха определяются соотношением

VB0 =VB0′ + xVB0′′,

количество газа, приходящееся на 1 кг твердого топлива,

x =1 − q′ QHP , q′ QHC

q′ =1 − q′′.

Задача 6

Определить размеры коробов уходящих газов установки, сжигающей сернистый мазут. Расход мазута Вм=8,3 кг/с, температура уходящих газов

127

υуг=150 °С при избытке воздуха αуг=1,18. Принять скорость уходящих газов wг = 10 м/с, соотношение сторон газохода 1:4, количество коробов 2.

Порядок решения

1.Определяется объем продуктов сгорания на 1 кг топлива, м3/кг:

vГ =VГ0 +1,0161 (α −1)vBC .

2.Секундный расход уходящих газов при нормальных условиях, м3/с:

3. Необходимое сечение одного газохода, м2:

FГ = VУГ .

2wГ

4.Линейные размеры газохода в:h, м:

Задача 7

Определить энтальпии продуктов сгорания в точках газового тракта:

1) υ = 1700 °С, α = 1,1; 2) υ = 850 °С, α = 1,16 при подаче в эти точки газов рециркуляции υр = 390 °С, αР = 1,2, доля рециркуляции rр = 0,15. Топливо − мазут сернистый.

Порядок решения

1.Энтальпия газов при α>1 определяется из выражения

H Г = H Г0 + (α −1)H B0 + HЭЛ ;

вычисляем энтальпию газов для точек 1), 2) и энтальпию газов рециркуля-

ции.

2. Энтальпии газов в точках 1) и 2) после смешения с газами рециркуляции определяем из выражения

H Г = НГ + rНГР,

где НГ и НГР − энтальпии газов основного потока и рециркулируемых газов.

128

Задача 8

Рассчитать скорость витания угольной частицы размерами а×в×с→1×0,4×0,3 мм в потоке дымовых газов, имеющих температуру ТГ=1400 К, плотность при нормальных условиях ρГО=1,293 кг/м3 , коэффициент кинематической вязкости νг=220 10-6 м2/с. Плотность частицы ρЧ=1250 кг/м3.

Порядок решения

1.Плотность газового потока, кг/м3

ρГ = ρГО 273T .

2.Диаметр шара, аэродинамически подобного частице, мм

где δэ − в метрах.

4. Критерий Шиллера (с погрешностью до 10 %)

4а. Критерий Шиллера (с погрешностью до 25 %)

5. Скорость витания из выражения (с погрешностью 10 % и 25 %)

Задача 9

Частица угольной пыли размерами а×в×с→0,9×0,35×0,3 мм движется в вертикальной трубе-сушилке высотой L = 10 м, подхваченная потоком сушильного агента, имеющего скорость wг=20 м/с, температуру Тг = 1200 К, плотность ρг = 1,25 кг/м3, коэффициент кинематической вязкости νг = 150 10-6 м2/с. Плотность частицы ρЧ=1000 кг/м3. Определить время пребывания частицы в трубе.

Порядок решения

1.Диаметр шара, аэродинамически подобного частице, мм

δэ = 3 6а πв с .

2.Критерий Кирпичева

Ki = δЭ 10−3 3 4g(ρЧ − ρГ ) . 3. Критерий Шиллера при R≤100

5. Проверка возможности применения использованной в расчете формулы по п. 3,

Re = wBδЭ . vГ

6.Время пребывания частицы угля в сушилке

τ = L . wГ − wВ

Задача 10

Взакрытом сосуде при адиабатных условиях происходит воспламенение

игорение газовой смеси с кинетическими характеристиками: Е=105 кДж/кмоль,

kО=5 106 с-1. Адиабатическая температура горения Та=2200 К, начальная температура смеси: а) ТО1=350 К, б) ТО2=1000 К.

Определить для а) и б): периоды индукции τИНД1 и τИНД2; температуру воспламенения смеси; температуру в точке максимума тепловыделения; периоды горения τГ1 и τГ2 .

130

Порядок решения

1. Определим безразмерные начальные температуры смеси Θ01 и Θ02 и кри-

где для закрытого сосуда ξa = 0,0125exp Arr

θ0

и определим, во сколько раз уменьшится период индукции с ростом начальной температуры смеси от 350 К до 1000 К.

3. Определим температуру воспламенения смеси

TB = θBTa ,

где θв = 0,6exp(0,04Arr).

Эта температура, соответствующая максимуму второй производной температуры по времени, может считаться физико-химической константой смеси, так как при адиабатных условиях горения не зависит ни от начальной температуры смеси, ни от схемы организации процесса.

4. Температура в точке максимума тепловыделения определяется по формуле

Эта температура является максимумом первой производной температуры по времени, как и ТВ, она не зависит от начальной температуры смеси.

5. Периоды горения τГа и τГб определяются из выражения

τг = ξг / kо,

131

Анализ решения по п. п. 2 и 5 покажет, что при низких начальных температурах смеси период горения τГ составляет незначительную часть периода индукции τИНД и процесс выгорания топлива в основном зависит от периода индукции.

Задача 11

Рассчитать количество NO2, образующегося при работе котла на мазуте при следующих условиях: адиабатическая температура в ядре факела Та=2237 К; объем топки VТ=1440 м3; коэффициент избытка воздуха на выходе из топки αТ=1,05; расход топлива В=8,5 кг/с; содержание азота в топливе Nр=0,21 %; объем теоретически необходимого воздуха Vо=10,61 м3/кг; объем продуктов сгорания VГ=13,38 м3/кг, объем сухих продуктов сгорания VсухГ=11,56 м3/кг. Котел работает под разрежением.

Порядок решения

1. По теории Семенова - Зельдовича - Франк-Каменецкого образование оксидов азота происходит в результате цепных реакций в присутствии атомарного азота и кислорода:

О+ N →k1 NO + N ;

2←

k3

N + O →k2 NO + O,

2←

k3

где k1 ; k2 ; k3 ; k4 − константы скорости прямых и обратных реакций. Определяем константу скорости реакции k2 по экспериментальной зави-

симости, м3/(моль)

k2 = 4 1019 exp − 540,1 106 .RT

2.Определяем концентрацию кислорода, кмоль/м3

где р − давление дымовых газов в топке котла (р = 0,981 105 Па), Т=ТМ - максимальная температура газов в топке, Тм = (0,8…0,87) Та 1790 К.

3.Определяем концентрацию азота, кмоль/м3

4. Определяем константу равновесия процесса образования оксидов азота КР: константы равновесия первой и второй ценных реакций равны соответственно

Скобки у индексов концентраций обозначают значения равновесных концентраций.

С другой стороны, константа равновесия для химически реагирующей смеси идеальных газов имеет вид

ных веществ и продуктов реакции; νi − коэффициенты стехиометрического

уравнения реакции (принимаются положительными для продуктов реакции и отрицательными для исходных веществ).

При расчете константы равновесия КР необходимо использовать табличные значения Si и Нi , приводимые в справочниках (например Термодинами-

ческие свойства индивидуальных веществ/ Л.В. Гурвич, Г.А. Хачкурузов, В.А. Медведев и др. − М.: Изд-во АН СССР, 1961, Т. 1 и 2). Для рассматриваемой в

5.Вычисляем равновесную концентрацию оксида азота

133

C(NO) = K p CN 2 CO2 .

6.Определяем начальную концентрацию атомарного азота, кмоль/м3

C =β N p 273 ,

N0 14VГTм

где β − поправка на степень конверсии азота топлива, для мазута β=0,5. 7. Определяем время пребывания продуктов сгорания в топке, с

τ = VT 273 ,

BVГTм

где В − расход топлива, кг/с.

8. Определяем безразмерное время реакции образования оксидов азота в топке

Ho = k2 CO2 CN0 τ/ C(NO),

и безразмерную концентрацию оксида азота

σNO = 2 exp((2 2Ho))+−1 . exp 2 2Ho 1

9. Рассчитываем концентрацию оксида азота

CNO = σNOC(NO),

и определяем количество генерируемого при заданных условиях работы котла диоксида азота

Задача 12

Как изменится выход NO2 в атмосферу, если коэффициент избытка воздуха на выходе из топки α″Т=1,1? Остальные условия принять из задачи 11.

Примечание: VГсух =VГсух′ + 0,05V 0 ;

VГ =VГ′ + 0,0161 0,05V 0 ,

где Vгсух′ и Vг′ равны соответственно Vгсух и Vг , взятым из задачи 11.

134

Задача 13

Как изменится выход NO2 в атмосферу, если ТМ станет равным 1690 К? Остальные условия принять из задачи 11.

Задача 14

Определить нормальную скорость распространения пламени, если на цилиндрической горелке диаметром 2 10-2 м получено конусное пламя с высотой конуса 2 10-2 м. В горелку подается водородовоздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха α=1,1 , а количество подаваемого водорода VН2=3 10-4 м3/с.

Порядок решения

1. Стехиометрическое количество воздуха, подаваемого на сжигание 1 м3 газообразного топлива, м3/м3

а действительное количество воздуха, м3/м3

VB = αVBO .

2.Расход газовоздушной смеси через горелку, м3/с

V=VH 2 (1 +VB ).

3.Площадь боковой поверхности конуса, м2

S= πr h2 + r2 ,

где h и r − высота и радиус основания конуса.

4.Нормальная скорость распространения пламени

U H = VS .

Задача 15

Определить диаметр ячеек сетки, не пропускающей пламя, для топливовоздушной смеси, кинетические константы которой: Е = 129,8 кДж/моль; kО=2,14 1014 с-1. Адиабатическая температура горения Та = 2183 К; температура сетки 300 К, коэффициент теплоотдачи α=11,0 Вт/(м2К); ср=1,04 кДж/(кгК);

135

ρО=1,17 кг/м3 .

Порядок решения

1.Определим критерий Аррениуса

Arr = R ETa

и безразмерную температуру сетки

θ0 = T .

Ta

2.Критическое значение критерия теплоотвода

μкр = 6,25 10−4 exp(− 0,28Arrθ0 ).

3.Определим критический диаметр ячеек сетки. Для этого критическое значение критерия теплоотвода приравняем текущему его значению

где U − периметр ячейки сетки, F − площадь ячейки; для круглой ячейки

136