методичка по теплотехнике

Задания и методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Основы теплотехники» Екатеринбург, ФГАОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. универ-т», 2013. 46 с.

ВВЕДЕНИЕ

Каждая высокотемпературная технология формирует особые требования к характеристикам применяемых видов топлива, что диктуется соображениями получения качественной продукции и технико-экономическими показателями соответствующей технологии. Отсюда необходимость всестороннего изучения свойств и характеристик различных видов топлива в условиях их промышленного использования. Эти сведения служат исходными данными для любого теплотехнического анализа процесса горения топлива.

Полученные характеристики горения топлива служат базовыми для составления тепловых балансов промышленных печей и различных тепловых агрегатов. Для расчетов режимов плавления и нагрева металла, режимных и конструктивных параметров устройств для утилизации теплоты отходящих продуктов горения, устройств, обеспечивающих подачу воздуха, необходимого для горения топлива (вентиляторы, воздуходувки, инжекторы), и эвакуацию продуктов горения (дымовые трубы, эжекторы, дымососы). Кроме того, количество и состав продуктов горения топлива во многом определяют степень экологической опасности выбросов в атмосферу.

Топливо представляет собой горючее вещество, при окислении (горении) которого выделяется сравнительно большое количество тепловой энергии, используемой в металлургических технологиях для нагрева и плавления металлов и сплавов, нагрева жидких и газообразных сред и в других целях. Процесс, сопровождающийся окислением горючих компонентов различных видов топлива, назван сжиганием.

Топливо должно удовлетворять ряду дополнительных признаков: наличию горючего вещества в топливе в количестве, которое способно обеспечить его использование в качестве источника тепловой энергии; возможностью управления процессом сжигания; газообразным состоянием продуктов горения, образующихся при сжигании топлива, что существенно облегчает организацию их транспорта от теплового агрегата в окружающую среду; наличием в топливе и в продуктах его горения относительно малого количества вредных веществ, представляющих угрозу загрязнению окружающей среды, а также способности сохранять свои энергетические свойства при длительном хранении и транспортировке.

Перечисленным признакам удовлетворяют горючие вещества органического происхождения, содержащиеся в угле, нефти, природном и попутном газах. Этим же признакам удовлетворяют и некоторые виды побочных продуктов различных технологий, в частности, металлургического производства — доменный и коксовый газы. Последние, по существу, относятся также к органическим видам топлива, так как являются производными технологических процессов, использующих каменный уголь или продукты его термического разложения.

На практике довольно часто для получения тепловой энергии используют не один вид топлива (природный газ, мазут, каменный уголь и т. п.), а одновременно несколько, которые формируют, так называемое, комбинированное топливо, состоящее из двух-трех видов, что диктуется технологическими требованиями. Так, на металлургических заводах широко применяют двойные смеси коксового и доменного газов, природного и доменного, природного и коксового, а иногда и тройные — природного, доменного и коксового газов. Часто с целью повышения радиационных характеристик факела газообразное топливо сжигают совместно с мазутом (газо-мазутные смеси).

1. РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Характеристики процесса горения определяют для достижения следующих целей:

— получение данных для расчета и оценки аэродинамического сопротивления трубопроводов подачи воздуха к топливосжигающим устройствам. Эти данные необходимы для подбора дутьевых средств – вентиляторов, воздуходувок, инжекторов и т. п.;

— получение данных для расчета дымовых каналов, предназначенных для удаления из рабочего пространства печи или теплового агрегата продуктов горения топлива, и определения газодинамического сопротивления на пути движения продуктов горения. Эти данные обычно используются для выбора и расчета дымовых труб, дымососов, эжекторов, обеспечивающих эвакуацию продуктов горения в атмосферу или в установки улавливания пыли, обезвреживания и утилизации газовых компонентов;

— получение данных о составе продуктов горения, необходимых для расчета тепло – и массообменных процессов в рабочем пространстве металлургических печей и других высокотемпературных тепловых агрегатах;

— получение данных о теплоте сгорания топлива. Эти данные используются в расчетах тепловых балансов процесса горения;

— получение данных о температуре горения топлива для анализа условий, обеспечивающих реализацию металлургических технологий;

— получение данных для определения путей коррекции температур горения за счет применения смесей различных видов топлива, нагретых газовых сред (воздуха и газа) или организации рециркуляции продуктов горения.

Основу расчета процесса горения топлива составляют законы сохранения веществ и энергии, а выражения, которые используются для расчетов, получены в результате решения уравнений материальных и тепловых балансов процессов горения топлива. Все расчеты, служащие достижению перечисленных выше целей, могут быть выполнены по данным элементарного анализа участвующих в процессах горения веществ на основании стехиометрических соотношений соответствующих химических реакций горения этих веществ.

Методики расчета процесса горения любого вида топлива предназначены для определения основных характеристик этого процесса. Такими характеристиками являются:

1.  Объем кислорода, необходимый для полного окисления горючих компонентов топлива в соответствии с реакциями горения – ;

2.  Теоретические расходы (α = 1,0) сухого Lα и влажного воздуха, учитывающие степень обогащения его кислородом;

3.  Практические расходы (α > 1,0) сухого Lα и влажного воздуха, учитывающих условия сжигания топлива при конкретном коэффициенте избытка воздуха;

4.  Выход и состав продуктов горения при теоретических (α = 1,0) и практических (α > 1,0) условиях сжигания топлива;

5.  Теплота сгорания топлива, состав которого соответствует рабочему состоянию;

6.  Теоретические и балансовые температуры горения.

Перечисленные характеристики позволяют решать многие задачи использования топлива в металлургии. Для некоторых, наиболее часто встречающихся, задач в следующих разделе приведены примеры расчетов горения различных видов топлива и их смесей.

Закон сохранение энергии использован при расчете температур горения того или иного вида топлива.

Исходными данными для расчетов процесса горения являются вид топлива, конструкции топливосжигающего устройства, влияющая на выбор величины коэффициента избытка воздуха и допустимого топлива, а также температуры подогрева воздуха и топлива.

1.1. Аналитический метод расчета процесса горения газообразного топлива

Обычно газ, который используют для осуществления промышленных технологий, является влажным. Состав влажного газа может быть, в общем случае, представлен следующим образом:

Поскольку химический состав газообразного топлива приводится на сухую массу, тонеобходимо пересчитать его состав на рабочую (влажную) массу.

При полном горении газа этого состава в атмосферном воздухе протекают реакции:

Приведенные стехиометрические соотношения позволяют определять объемы кислорода по каждой реакции горения, необходимые для обеспечения полного горения. Так, например, для окисления объема оксида углерода требуется кислорода по объему в 2 раза меньше, т. е. 0,5 по отношению к содержанию . Такое же соотношение справедливо и при окислении водорода. При сжигании метана, сероводорода и тяжелых углеводородов подобные соотношения составляют соответственно 2,0; 1,5 и Таким образом, выражение, с помощью которого можно рассчитать объем кислорода, необходимого для полного окисления горючих компонентов газообразного топлива, принимает вид:

Здесь коэффициент 0,01 учитывает переход от оценки компонентов газообразного топлива в процентах к объемным долям их содержания в 1 м3 топлива.