Плотность дымовых газов в зависимости от температуры. Курсовая работа: Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи. Расчет процесса горения

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяных паров. В ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара, и поэтому свойства влажного воздуха приближенно можно описать законами идеальных газов.

Основными характеристиками влажного воздуха являются:

1. Абсолютная влажность g , определяющая количество водяных паров, содержащихся в 1 м 3 влажного воздуха. Водяной пар занимает весь объем смеси, поэтому абсолютная влажность воздуха равна массе 1 м 3 водяного пара или плотности пара , кг/м 3

2. Относительная влажность воздуха j выражается отношением абсолютной влажности воздуха к максимально возможной влажности его при том же давлении и температуре или отношением массы водяного пара, заключенной в 1 м 3 влажного воздуха, к массе водяного пара, необходимой для полного насыщения 1 м 3 влажного воздуха при тех же давлении и температуре.

Относительная влажность определяет степень насыщения воздуха влагой:

, (1.2)

где - парциальное давление водяного пара, соответствующее его плотности Па; - давление насыщенного пара при той же температуре, Па; - максимально возможное количество пара в 1 м 3 насыщенного влажного воздуха, кг/м 3 ; - плотность пара при его парциальном давлении и температуре влажного воздуха, кг/м 3 .

Соотношение (1.2) справедливо только тогда, когда можно считать, что пар жидкости является идеальным газом вплоть до состояния насыщения.

Плотность влажного воздуха r представляет собой сумму плотностей водяного пара и сухого воздуха при парциальных давлениях в 1 м 3 влажного воздуха при температуре влажного воздуха Т , К:

(1.3)

где - плотность сухого воздуха при его парциальном давлении в 1 м 3 влажного воздуха, кг/м 3 ; - парциальное давление сухого воздуха, Па; - газовая постоянная сухого воздуха, Дж/(кг×К).

Выражая и по уравнению состояния для воздуха и водяных паров, получаем

, (1.5)

где - массовый расход воздуха и водяного пара, кг/с.

Эти равенства действительны при одном и том же объеме V влажного воздуха и одной и той же температуре. Разделив второе равенство на первое, получим еще одно выражение для влагосодержания

. (1.6)

Подставив сюда значения газовых постоянных для воздуха Дж/(кг×К) и для водяного пара Дж/(кг×К), получим значение влагосодержания, выраженное в килограммах водяного пара на 1 кг сухого воздуха

. (1.7)

Заменив парциальное давление воздуха величиной , где из предыдущего и В – барометрическое давление воздуха в тех же единицах, что и р , получим для влажного воздуха, находящегося под барометрическим давлением

. (1.8)

Таким образом, при заданном барометрическом давлении влагосодержание воздуха зависит только от парциального давления водяного пара. Максимально возможное содержание влаги в воздухе , откуда

. (1.9)

Так как давление насыщения растет с температурой, то максимально возможное количество влаги, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры, причем тем больше, чем выше температура. Если уравнения (1.7) и (1.8) решить относительно и , то получим

(1.10)

. (1.11)

Объем влажного воздуха в кубических метрах, приходящийся на 1 кг сухого воздуха, вычисляется по формуле

(1.12)

Удельный объем влажного воздуха v , м 3 /кг, определяется делением объема влажного воздуха на массу смеси, приходящуюся на 1 кг сухого воздуха:

Влажный воздух как теплоноситель характеризуется энтальпией (в килоджоулях на 1 кг сухого воздуха), равной сумме энтальпий сухого воздуха и водяного пара

(1.14)

где - удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг×К); t – температура воздуха, °С; i - энтальпия перегретого пара, кДж/кг.

Энтальпия 1 кг сухого насыщенного водяного пара при низких давлениях определяется по эмпирической формуле, кДж/кг:

где - постоянный коэффициент, примерно равный энтальпии пара при температуре 0 °С; = 1,97 кДж/(кг×К) – удельная теплоемкость пара.

Подставив значения i в выражение (1.14) и принимая удельную теплоемкость сухого воздуха постоянной и равной 1,0036 кДж/(кг×К), найдем энтальпию влажного воздуха в килоджоулях на 1 кг сухого воздуха:

Для определения параметров влажного газа используются аналогичные рассмотренным выше уравнения.

, (1.17)

где - газовая постоянная для исследуемого газа; Р - давление газа.

Энтальпия газа, кДж/кг,

где - удельная теплоемкость газа, кДж/(кг×К).

Абсолютное влагосодержание газа:

. (1.19)

При расчете контактных теплообменников для теплоносителей воздух-вода можно пользоваться данными табл. 1.1-1.2 или расчетными зависимостями для определения физико-химических параметров воздуха (1.24-1.34) и воды (1.35). Для дымовых газов могут быть использованы данные табл. 1.3.

Плотность влажного газа, кг/м 3:

, (1.20)

где - плотность сухого газа при 0 °С, кг/м 3 ; М г, М п – молекулярные массы газа и пара.

Коэффициент динамической вязкости влажного газа, Па×с:

, (1.21)

где - коэффициент динамической вязкости водяного пара, Па×с; - коэффициент динамической вязкости сухого газа, Па×с; - массовая концентрация пара, кг/кг.

Удельная теплоемкость влажного газа, кДж/(кг×К):

Коэффициент теплопроводности влажного газа, Вт/(м×К):

, (1.23)

где k – показатель адиабаты; В – коэффициент (для одноатомных газов В = 2,5; для двухатомных газов В = 1,9; для трехатомных газов В = 1,72).

Таблица 1.1. Физические свойства сухого воздуха (р = 0,101 МПа)

t , °C	, кг/м 3	, кДж/(кг×К)	, Вт/(м×К)	, Па×с	, м 2 /с	Pr
-20	1,395	1,009	2,28	16,2	12,79	0,716
-10	1,342	1,009	2,36	16,7	12,43	0,712
	1,293	1,005	2,44	17,2	13,28	0,707
	1,247	1,005	2,51	17,6	14,16	0,705
	1,205	1,005	2,59	18,1	15,06	0,703
	1,165	1,005	2,67	18,6	16,00	0,701
	1,128	1,005	2,76	19,1	16,96	0,699
	1,093	1,005	2,83	19,6	17,95	0,698
	1,060	1,005	2,90	20,1	18,97	0,696
	1,029	1,009	2,96	20,6	20,02	0,694
	1,000	1,009	3,05	21,1	21,09	0,692
	0,972	1,009	3,13	21,5	22,10	0,690
	0,946	1,009	3,21	21,9	23,13	0,688
	0,898	1,009	3,34	22,8	25,45	0,686
	0,854	1,013	3,49	23,7	27,80	0,684
	0,815	1,017	3,64	24,5	30,09	0,682
	0,779	1,022	3,78	25,3	32,49	0,681
	0,746	1,026	3,93	26,0	34,85	0,680
	0,674	1,038	4,27	27,4	40,61	0,677
	0,615	1,047	4,60	29,7	48,33	0,674
	0,566	1,059	4,91	31,4	55,46	0,676
	0,524	1,068	5,21	33,6	63,09	0,678
	0,456	1,093	5,74	36,2	79,38	0,687
	0,404	1,114	6,22	39,1	96,89	0,699
	0,362	1,135	6,71	41,8	115,4	0,706
	0,329	1,156	7,18	44,3	134,8	0,713
	0,301	1,172	7,63	46,7	155,1	0,717
	0,277	1,185	8,07	49,0	177,1	0,719
	0,257	1,197	8,50	51,2	199,3	0,722
	0,239	1,210	9,15	53,5	233,7	0,724

Теплофизические свойства сухого воздуха могут быть аппроксимированы следующими уравнениями.

Кинематическая вязкость сухого воздуха при температуре от -20 до +140 °С, м 2 /с:

Па; (1.24)

и от 140 до 400 °С, м 2 /с:

. (1.25)

Таблица 1.2. Физические свойства воды в состоянии насыщения

t , °C	, кг/м 3	, кДж/(кг×К)	, Вт/(м×К)	, м 2 /с		, Н/м	Pr
	999,9	4,212	55,1	1,789	-0,63	756,4	13,67
	999,7	4,191	57,4	1,306	0,7	741,6	9,52
	998,2	4,183	59,9	1,006	1,82	726,9	7,02
	995,7	4,174	61,8	0,805	3,21	712,2	5,42
	992,2	4,174	63,5	0,659	3,87	696,5	4,31
	988,1	4,174	64,8	0,556	4,49	676,9	3,54
	983,2	4,179	65,9	0,478	5,11	662,2	2,98
	977,8	4,187	66,8	0,415	5,70	643,5	2,55
	971,8	4,195	67,4	0,365	6,32	625,9	2,21
	965,3	4,208	68,0	0,326	6,95	607,2	1,95
	958,4	4,220	68,3	0,295	7,52	588,6	1,75
	951,0	4,233	68,5	0,272	8,08	569,0	1,60
	943,1	4,250	68,6	0,252	8,64	548,4	1,47
	934,8	4,266	68,6	0,233	9,19	528,8	1,36
	926,1	4,287	68,5	0,217	9,72	507,2	1,26
	917,0	4,313	68,4	0,203	10,3	486,6	1,17
	907,4	4,346	68,3	0,191	10,7	466,0	1,10
	897,3	4,380	67,9	0,181	11,3	443,4	1,05
	886,9	4,417	67,4	0,173	11,9	422,8	1,00
	876,0	4,459	67,0	0,165	12,6	400,2	0,96
	863,0	4,505	66,3	0,158	13,3	376,7	0,93

Плотность влажного газа, кг/м 3.

Теплота сгорания. Низшая теплота сгорания сухого газообразного топлива Qf колеблется в широких пределах от 4 до 47 МДж/м3 и зависит от его состава - соотношения и качества горючих и негорючих

Компонентов. Наименьшее значение Qf у доменного газа, средний состав которого примерно на 30 % состоит из горючих газов (в основном оксида углерода СО) и примерно на 60 % из негорючего азота N2. Наибольшее

Значение Qf у попутных газов, состав которых отличается повышенным содержанием тяжелых углеводородов. Теплота сгорания природных газов колеблется в узком диапазоне Qf = 35,5…37,5 МДж/м3.

Низшая теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав газообразных топлив, приведена в табл. 3.2. О методах определения теплоты сгорания газообразного топлива см. раздел 3.

Плотность. Различают абсолютную и относительную плотность газов.

Абсолютная плотность газа рг, кг/м3, - это масса газа, приходящаяся на 1 м3 занимаемого этим газом объема. При подсчете плотности отдельного газа объем его киломо — ля принимают равным 22,41 м3 (как для идеального газа).

Относительная плотность газа Ротн представляет собой отношение абсолютной плотности газа при нормальных условиях и аналогичной плотности воздуха:

Ротн = Рг / Рв = Рг / 1,293, (6.1)

Где рг, рЕ - соответственно абсолютная плотность газа и воздуха при нормальных условиях, кг/м3. Относительную плотность газов обычно используют для сопоставления различных газов между собой.

Значения абсолютной и относительной плотности простых газов приведены в табл. 6.1.

Плотность газовой смеси pjM, кг/м3, определяется на основе правила аддитивности, согласно которому свойства газов суммируются соответственно их объемной доле в смеси:

Где Xj - объемное содержание 7-го газа в топливе, %; (рг) ; - плотность j-го газа, входящего в состав топлива, кг/м3; п- число отдельных газов в топливе.

Значения плотности газообразных топлив приведены в табл. П.5.

Плотность газов р, кг/м3, в зависимости от температуры и давления можно подсчитать по формуле

Где р0 - плотность газа при нормальных условиях (Т0 = 273 К и р0 = 101,3 кПа), кг/м3; р и Т- соответственно действительное давление, кПа, и абсолютная температура газа, К.

Практически все виды газообразного топлива легче воздуха, поэтому при утечке газ скапливается под перекрытиями. В целях безопасности перед пуском котла обязательно проверяют отсутствие газа в наиболее вероятных местах его скопления.

Вязкость газов увеличивается с повышением температуры. Значения коэффициента динамической вязкости р, Па-с, можно подсчитать по эмпирическому уравнению Сезер — ленда

Таблица 6.1

Характеристики компонентов газового топлива (при t — О °С чр = 101,3 кПа)

	Химическая	Молярная масса М,	Плотность	Объемные концентра
Наименование газа	Абсолютная	Относительная	Ционные пределы воспламенения газа в смеси с воздухом, %

Горючие газы








Пропилен



Оксид углерода
Сероводород
Негорючие газы
Диоксид углерода
Диоксид серы

Кислород
Воздух атмосфери.
Водяной пар

Где р0- коэффициент динамической вязкости газа при нормальных условиях (Г0 = 273 К и р0 — 101,3 кПа), Па-с; Т - абсолютная температура газа, К; С - коэффициент, зависящий от вида газа, К, принимается по табл. 6.2.

Для смеси газов коэффициент динамической вязкости приближенно можно определить по значениям вязкости отдельных компонентов:

Где gj- массовая доля j-го газа в топливе, %; Цу- коэффициент динамической вязкости j-го компонента, Па-с; п - число отдельных газов в топливе.

В практике широко применяется коэффициент кинематической вязкости V, м2/с, кото
рый связан с динамической вязкостью р через плотность р зависимостью

V = р/р. (6.6)

С учетом (6.4) и (6.6) коэффициент кинематической вязкости v, м2/с, в зависимости от давления и температуры можно подсчитать по формуле

Где v0- коэффициент кинематической вязкости газа при нормальных условиях (Го = 273 К и р0= 101,3 кПа), м2/с; р и Г- соответственно действительное давление, кПа, и абсолютная температура газа, К; С - коэффициент, зависящий от вида газа, К, принимается по табл. 6.2.

Значения коэффициентов кинематической вязкости для газообразных топлив приведены в табл. П.9.

Таблица 6.2

Коэффициенты вязкости и теплопроводности компонентов газового топлива

(при t = 0 °С ир = 101,3 кПа)

Наименование газа	Коэффициент вязкости	Коэффициент теплопроводности ЫО3, Вт/(м-К)	Коэффициент Сезерленда С, К
Динамический р-106, Па-с	Кинематический v-106, м2/с
Горючие газы



Пропилен


Оксид углерода
Сероводород
Негорючие газы Диоксид углерода

Кислород
Воздух атмосферный
Водяной пар при 100 °С

Теплопроводность. Молекулярный перенос энергии в газах характеризуется коэффициентом теплопроводности ‘к, Вт/(м-К). Коэффициент теплопроводности обратно пропорционален давлению и увеличивается с повышением температуры. Значения коэффициента X можно подсчитать по формуле Сезерленда

Где Х,0 - коэффициент теплопроводности газа при нормальных условиях (Г0 = 273 К и Ро = 101,3 кПа), Вт/(м-К); р и Т- соответственно действительное давление, кПа, и абсолютная температура газа, К; С - коэффициент, зависящий от вида газа, К, принимается по табл. 6.2.

Значения коэффициентов теплопроводности для газообразных топлив приведены в табл. П.9.

Теплоемкость газообразного топлива отнесенная на 1 м3 сухого газа, зависит от его состава и в общем виде определяется как

4Л=0 ,01(СН2Н2+Ссос0 +

ССН4СН4 +сСо2сОг +- + сх. Х;), (6.9) где сН2,сС0,сСщ, сС02,…, сх. - теплоемкости составляющих компонентов топлива, соответственно водорода, оксида углерода, метана, диоксида углерода и /-го компонента, кДж/(м3-К); Н2, СО, СН4, С02, …, Хг--

Теплоемкости горючих составляющих газообразного топлива приведены в табл. П.6, негорючих - в табл. П.7.

Теплоемкость влажного газообразного топлива

Сггтл, кДж/(м3-К), определяется как

<тл = ctrn + 0,00124cHzq йтля, (6.10) где drTn- влагосодержание газообразного топлива,

Взрываемость. Смесь горючего газа с воздухом в определенных пропорциях при наличии огня или даже искры может взорваться, т. е. происходит процесс его воспламенения и сгорания со скоростью, близкой к скорости распространения звука. Взрывоопасные концентрации горючего газа в воздухе зависят от химического состава и свойств газа. Объемные концентрационные пределы воспламенения для отдельных горючих газов в смеси с воздухом приведены ранее в табл. 6.1. Наиболее широкими пределами воспламенения обладают водород (4.. .74% по объему) и оксид углерода (12,5…74 %). Для природного газа усредненные нижний и верхний пределы воспламенения составляют по объему соответственно 4,5 и 17 %; для коксового - 5,6 и 31 %; для доменного - 35 и 74 %.

Токсичность. Под токсичностью понимают способность газа вызывать отравление живых организмов. Степень токсичности зависит от вида газа и его концентрации. Наиболее опасными в этом отношении компонентами газа являются оксид углерода СО и сероводород H2S.

Токсичность газовых смесей в основном определяется концентрацией наиболее токсичного из присутствующих в смеси компонентов, при этом его вредное воздействие, как правило, заметно усиливается в присутствии других вредных газов.

Наличие и концентрацию в воздухе вредных газов можно определить специальным прибором - газоанализатором.

Почти все природные газы не имеют запаха. Для обнаружения утечки газа и принятия мер безопасности природный газ до поступления в магистраль одорируют, т. е. насыщают веществом, имеющим резкий запах (например, меркаптанами).

Теплота сгорания различных видов топлива колеблется в широких пределах. Для мазута, например, она составляет свыше 40 МДж/кг, а для доменного газа и некоторых марок горючего сланца - около 4 МДж/кг. Состав энергетических топлив также изменяется в широких пределах. Таким образом, одни и те же качественные характеристики в зависимости от вида и марки топлива могут резко отличаться между собой количественно.

Приведенные характеристики топлива. Для сопоставительного анализа в роли характеристик, обобщающих качество топлива, используют приведенные характеристики топлива, %-кг/МДж, которые в общем виде рассчитывают по формуле

Где хг - показатель качества рабочего топлива, %; Q[ - удельная теплота сгорания (низшая), МДж/кг.

Так, например, для расчета приведенной

Влажности зольности серы S„p и

Азота N^p (для рабочего состояния топлива)

Формула (7.1) приобретает следующий вид, %-кг/МДж:

TOC o "1-3" h z KP=Kl GT; (7.2)

4ф=л7е[; (7.3)

Snp =S’/ Єї; (7.4)

^p=N7 Q[. (7.5)

В качестве наглядного примера показательно следующее сопоставление при условии сжигания различных топлив в котлах одинаковой тепловой мощности. Так, сравнение приведенной влажности подмосковного угля

Марки 2Б (WЈp = 3,72 %-кг/МДж) и назаров-

Ского угля 2Б (W^p = 3,04 %-кг/МДж) показывает, что в первом случае количество влаги, внесенной в топку котла с топливом, будет примерно в 1,2 раза больше, чем во втором, несмотря на то, что рабочая влажность у подмосковного угля (W[ = 31 %) меньше, чем у

Назаровского угля (Wf= 39 %).

Условное топливо. В энергетике для сравнения эффективности использования топлива в различных котельных установках, для планирования добычи и потребления топлива в экономических расчетах введено понятие условного топлива. В качестве условного топлива принято такое топливо, удельная теплота сгорания (низшая) которого в рабочем состоянии равна Qy T = 29300 кДж/кг (или

7000 ккал/кг).

Для каждого натурального топлива имеется так называемый безразмерный тепловой эквивалент Э, который может быть больше или меньше единицы:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Самарский Государственный Технический Университет»

Кафедра «Химическая технология и промышленная экология»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника»

Тема: Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи

Выполнил: Студент Рябинина Е.А.

ЗФ курс III группа 19

Проверил: Консультант Чуркина А.Ю.

Самара 2010 г.

Введение

На большинстве химических предприятий образуются высоко- и низко-температурные тепловые отходы, которые могут быть использованы в качестве вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). К ним относятся уходящие газы различных котлов и технологических печей, охлаждаемые потоки, охлаждающая вода и отработанный пар.

Тепловые ВЭР в значительной степени покрывают потребности в тепле отдельных производств. Так, в азотной промышленности за счет ВЭР удовлетворяется боле 26 % потребности в тепле, в содовой промышленности – более 11 %.

Количество использованных ВЭР зависит от трех факторов: температуры ВЭР, их тепловой мощности и непрерывности выхода.

В настоящее время наибольшее распространение получила утилизация тепла отходящих производственных газов, которые почти для всех огнетехнических процессов имеют высокий температурный потенциал и в большинстве производств могут использоваться непрерывно. Тепло отходящих газов является основной состовляющей энергетического баланса. Его используют преимущественно для технологических, а в некоторых случаях – и для энергетических целей (в котлах-утилизаторах).

Однако широкое использование высокотемпературных тепловых ВЭР связано с разработкой методов утилизации, в том числе тепла раскаленных шлаков, продуктов и т. д., новых способов утилизации тепла отходящих газов, а также с совершенствованием конструкций существующего утилизационного оборудования.

1. Описание технологической схемы

В трубчатых печах, не имеющих камеры конвекции, или в печах радиантно-конвекционного типа, но имеющих сравнительно высокую начальную температуру нагреваемого продукта, температура отходящих газов может быть сравнительно высокой, что приводит к повышенным потерям тепла, уменьшению КПД печи и большему расходу топлива. Поэтому необходимо использовать тепло отходящих газов. Этого можно достигнуть либо применением воздухоподогревателя, нагревающего воздух, поступающий в печь для горения топлива, либо установкой котлов-утилизаторов, позволяющих получить водяной пар, необходимый для технологических нужд.

Однако для осуществления подогрева воздуха требуются дополнительные затраты на сооружение воздухоподогревателя, воздуходувки, а также дополнительный расход электроэнергии, потребляемый двигателем воздуходувки.

Для обеспечения нормальной эксплуатации воздухоподогревателя важно предотвратить возможность коррозии его поверхности со стороны потока дымовых газов. Такое явление возможно, когда температура поверхности теплообмена ниже температуры точки росы; при этом часть дымовых газов, непосредственно соприкасаясь с поверхностью воздухоподогревателя, значительно охлаждается, содержащийся в них водяной пар частично конденсируется и, поглощая из газов диоксид серы, образует агрессивную слабую кислоту.

Точка росы соответствует температуре, при которой давление насыщенных паров воды оказывается равным парциальному давлению водяных паров, содержащихся в дымовых газах.

Одним из наиболее надежных способов защиты от коррозии является предварительный подогрев воздуха каким-либо способом (например, в водяных или паровых калориферах) до температуры выше точки росы. Такая коррозия может иметь место и на поверхности конвекционных труб, если температура сырья, поступающего в печь, ниже точки росы.

Источником теплоты, для повышения температуры насыщенного пара, является реакция окисления (горения) первичного топлива. Образующиеся при горении дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, а затем конвекционной камерах сырьевому потоку (водяному пару). Перегретый водяной пар поступает к потребителю, а продукты сгорания покидают печь и поступают в котел-утилизатор. На выходе из КУ насыщенный водяной пар поступает обратно на подачу в печь перегрева пара, а дымовые газы, охлаждаясь питательной водой, поступают в воздухоподогреватель. Из воздухопо-догревателя дымовые газы поступают в КТАН, где поступающая по змеевику вода нагревается и идет на прямую к потребителю, а дымовые газы – в атмосферу.

2. Расчет печи

2.1 Расчет процесса горения

Определим низшую теплоту сгорания топлива Q р н . Если топливо представляет собой индивидуальный углеводород, то теплота сгорания его Q р н равна стандартной теплоте сгорания за вычетом теплоты испарения воды, находящейся в продуктах сгорания. Также она может быть рассчитана по стандартным тепловым эффектам образования исходных и конечных продуктов исходя из закона Гесса.

Для топлива, состоящего из смеси углеводородов, теплота сгорания определяется, но правилу аддитивности:

где Q pi н - теплота сгорания i -гo компонента топлива;

y i - концентрация i -гo компонента топлива в долях от единицы, тогда:

Q р н см = 35,84 ∙ 0,987 + 63,80 ∙ 0,0033+ 91,32 ∙ 0,0012+ 118,73 ∙ 0,0004 + 146,10 ∙ 0,0001 = 35,75 МДж/м 3 .

Молярную масса топлива:

M m = Σ M i ∙ y i ,

где M i – молярная масса i -гo компонента топлива, отсюда:

M m = 16,042 ∙ 0,987 + 30,07 ∙ 0,0033 + 44,094 ∙ 0,0012 + 58,120 ∙ 0,0004 + 72,15 ∙ 0,0001 + 44,010∙0,001+ 28,01 ∙ 0,007 = 16,25 кг/моль.

кг/м 3 ,

тогда Q р н см , выраженная в МДж/кг, равна:

МДж/кг.

Результаты расчета сводим в табл. 1:

Состав топлива Таблица 1

Определим элементарный состав топлива, % (масс.):

где n i C , n i H , n i N , n i O - число атомов углерода, водорода, азота и кислорода в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав топлива;

Содержание каждого компонента топлива, масс. %;

x i - содержание каждого компонента топлива, мол. %;

M i - молярная масса отдельных компонентов топлива;

М m - молярная масса топлива.

Проверка состава :

C + H + O + N = 74,0 + 24,6 + 0,2 + 1,2 = 100 % (масс.).

Определим теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива, оно определяется из стехиометрического уравнения реакции горения и содержания кислорода в атмосферном воздухе. Если известен элементарный состав топлива, теоретическое количество воздуха L 0 , кг/кг, вычисляется по формуле:

На практике для обеспечения полноты сгорания топлива в топку вводят избыточное количество воздуха, найдем действительный расход воздуха при α = 1,25:

L = αL 0 ,

где L - действительный расход воздуха;

α - коэффициент избытка воздуха,

L = 1,25∙17,0 = 21,25 кг/кг.

Удельный объем воздуха (н. у.) для горения 1 кг топлива:

где ρ в = 1,293 – плотность воздуха при нормальных условиях,

м 3 /кг.

Найдем количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

если известен элементарный состав топлива, то массовый состав дымовых газов в расчете на 1 кг топлива при полном его сгорании может быть определен на основании следующих уравнений:

где m CO2 , m H2O , m N2 , m O2 - масса соответствующих газов, кг.

Суммарное количество продуктов горения:

m п. с = m CO2 + m H2O + m N2 + m O2 ,

m п. с = 2,71 + 2,21 + 16,33 + 1,00 = 22,25 кг/кг.

Проверяем полученную величину:

где W ф - удельный расход форсуночного пара при сжигании жидкого топлива, кг/кг (для газового топлива W ф = 0),

Поскольку топливо – газ, содержанием влаги в воздухе пренебрегаем, и количество водяного пара не учитываем.

Найдем объем продуктов сгорания при нормальных условиях, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива:

где m i - масса соответствующего газа, образующегося при сгорании 1 кг топлива;

ρ i - плотность данного газа при нормальных условиях, кг/м 3 ;

М i - молярная масса данного газа, кг/кмоль;

22,4 - молярный объем, м 3 /кмоль,

м 3 /кг; м 3 /кг;

м 3 /кг; м 3 /кг.

Суммарный объем продуктов сгорания (н. у.) при фактическом расходе воздуха:

V = V CO2 + V H2O + V N2 + V O2 ,

V = 1,38 + 2,75+ 13,06 + 0,70 = 17,89 м 3 /кг.

Плотность продуктов сгорания (н. у.):

кг/м 3 .

Найдем теплоемкость и энтальпию продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур от 100 °С (373 К) до 1500 °С (1773 К), используя данные табл. 2.

Средние удельные теплоемкости газов с р, кДж/(кг∙К) Таблица 2

t , °С

Энтальпия дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива:

где с CO2 , с H2O , с N2 , с О2 - средние удельные теплоемкости при постоянном давлении соответствующих газон при температуре t , кДж/(кг · К);

с t - средняя теплоемкость дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при температуре t , кДж/(кг К);

при 100 °С: кДж/(кг∙К);

при 200 °С: кДж/(кг∙К);

при 300 °С: кДж/(кг∙К);

при 400 °С: кДж/(кг∙К);

при 500 °С: кДж/(кг∙К);

при 600 °С: кДж/(кг∙К);

при 700 °С: кДж/(кг∙К);

при 800 °С: кДж/(кг∙К);

при 1000 °С: кДж/(кг∙К);

при 1500 °С: кДж/(кг∙К);

Результаты расчетов сводим в табл. 3.

Энтальпия продуктов сгорания Таблица 3

По данным табл. 3 строим график зависимости H t = f ( t ) (рис. 1) см. Приложение .

2.2 Расчет теплового баланса печи, КПД печи и расхода топлива

Тепловой поток, воспринятый водяным паром в печи (полезная тепловая нагрузка):

где G - количество перегреваемого водяного пара в единицу времени, кг/с;

H вп1 и Н вп2

Принимаем температуру уходящих дымовых газов равной 320 °С (593 К). Потери тепла излучением в окружающую среду составят 10 %, причем 9 % из них теряется в радиантной камере, а 1 % - в конвекционной. КПД топки η т = 0,95.

Потерями тепла от химического недожога, а также количеством теплоты поступающего топлива и воздуха пренебрегаем.

Определим КПД печи:

где Н ух - энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов, покидающих печь, t ух ; температура уходящих дымовых газов принимается обычно на 100 - 150 °С выше начальной температуры сырья на входе в печь; q пот - потери тепла излучением в окружающую среду, % или доли от Q пол ;

Расход топлива, кг/с:

кг/с.

2.3 Расчет радиантной камеры и камеры конвекции

Задаемся температурой дымовых газов на перевале: t п = 750 - 850 °С, принимаем

t п = 800 °С (1073 К). Энтальпия продуктов сгорания при температуре на перевале

H п = 21171,8 кДж/кг.

Тепловой поток, воспринятый водяным паром в радиантных трубах:

где Н п - энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов па перевале, кДж/кг;

η т - коэффициент полезного действия топки; рекомендуется принимать его равным 0,95 - 0,98;

Тепловой поток, воспринятый водяным паром в конвекционных трубах:

Энтальпия водяного пара на входе в радиантную секцию составит:

кДж/кг.

Принимаем величину потерь давления в конвекционной камере ∆ P к = 0,1 МПа, тогда:

P к = P - P к ,

P к = 1,2 – 0,1 = 1,1 МПа.

Температура входа водяного пара в радиантную секцию t к = 294 °С, тогда средняя температура наружной поверхности радиантных труб составит:

где Δt - разность между температурой наружной поверхности радиантных труб и температурой водяного пара (сырья), нагреваемого в трубах; Δt = 20 - 60 °С;

К.

Максимальная расчетная температура горения:

где t o - приведенная температура исходной смеси топлива и воздуха; принимается равной температуре воздуха, подаваемого на горение;

с п.с. - удельная теплоемкость продуктов сгорания при температуре t п;

°С.

При t max = 1772,8 °С и t п = 800 °С теплонапряженность абсолютно черной поверхности q s для различных температур наружной поверхности радиантных труб имеет следующие значения:

Θ, °С 200 400 600

q s , Вт/м 2 1,50 ∙ 10 5 1,30 ∙ 10 5 0,70 ∙ 10 5

Строим вспомогательный график (рис. 2) см. Приложение , по которому находим теплонапряженность при Θ = 527 °С: q s = 0,95 ∙ 10 5 Вт/м 2 .

Рассчитываем полный тепловой поток, внесенный в топку:

Предварительное значение площади эквивалентной абсолютно черной поверхности:

м 2 .

Принимаем степень экранирования кладки Ψ = 0,45 и для α = 1,25 находим, что

H s /H л = 0,73.

Величина эквивалентной плоской поверхности:

м 2 .

Принимаем однорядное размещение труб и шаг между ними:

S = 2d н = 2 ∙ 0,152 = 0,304 м. Для этих значений фактор формы К = 0,87.

Величина заэкранированной поверхности кладки:

м 2 .

Поверхность нагрева радиантных труб:

м 2 .

Выбираем печь ББ2, ее параметры:

поверхность камеры радиации, м 2 180

поверхность камеры конвекции, м 2 180

рабочая длина печи, м 9

ширина камеры радиации, м 1,2

исполнение б

способ сжигания топлива беспламенное

диаметр труб камеры радиации, мм 152×6

диаметр труб камеры конвекции, мм 114×6

Число труб в камере радиации:

где d н - наружный диаметр труб в камере радиации, м;

l пол - полезная длина радиантных труб, омываемая потоком дымовых газов, м,

l пол = 9 – 0,42 = 8,2 м,

Теплонапряженность поверхности радиантных труб:

Вт/м 2 .

Определяем число труб камеры конвекции:

Располагаем их в шахматном порядке по 3 в одном горизонтальном ряду. Шаг между трубами S = 1,7d н = 0,19 м.

Средняя разность температур определяем по формуле:

°С.

Коэффициент теплопередачи в камере конвекции:

Вт/(м 2 ∙ К).

Теплонапряженность поверхности конвекционных труб определяем по формуле:

Вт/м 2 .

2.4 Гидравлический расчет змеевика печи

Гидравлический расчет змеевика печи заключается в определении потерь давления водяного пара в радиантных и конвекционных трубах.

где G

ρ к в.п. – плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере кон-векции, кг/м 3 ;

d к – внутренний диаметр конвекционных труб, м;

z к – число потоков в камере конвекции,

м/с.

ν к = 3,311 ∙ 10 -6 м 2 /с.

Значение критерия Рейнольдса:

м.

Потери давления на трение:

Па = 14,4 кПа.

Па = 20,2 кПа.

где Σζ к

- число поворотов.

Общая потеря давления:

2.5 Расчет потери давления водяного пара в радиационной камере

Средняя скорость водяного пара:

где G – расход перегреваемого в печи водяного пара, кг/с;

ρ р в.п. – плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере кон-векции, кг/м 3 ;

d р – внктренний диаметр конвекционных труб, м;

z р – число потоков в камере клнвекции,

м/с.

Кинематическая вязкость водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции ν р = 8,59 ∙ 10 -6 м 2 /с.

Значение критерия Рейнольдса:

Общая длина труб на прямом участке:

м.

Коэффициент гидравлического трения:

Потери давления на трение:

Па = 15,1 кПа.

Потери давления на преодоление местных сопротивлений:

Па = 11,3 кПа,

где Σζ р = 0,35 – коэффициент сопротивления при повороте на 180 ºС,

- число поворотов.

Общая потеря давления:

Проведенные расчеты показали, что выбранная печь обеспечит процесс перегрева водяного пара в заданном режиме.

3. Расчет котла-утилизатора

Найдем среднюю температуру дымовых газов:

где t 1 – температура дымовых газов на входе,

t 2 – температура дымовых газов на выходе, °С;

°С (538 К).

Массовый расход дымовых газов:

где В - расход топлива, кг/с;

Для дымовых газов удельных энтальпии определим исходя из данных табл. 3 и рис. 1 по формуле:

Энтальпии теплоносителей Таблица 4

Тепловой поток, передаваемый дымовыми газами:

где Н 1 и H 2 - энтальпия дымовых газов при температуре входа и выхода из КУ соответственно, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кДж/кг;

В - расход топлива, кг/с;

h 1 и h 2 - удельные энтальпии дымовых газов, кДж/кг,

Тепловой поток, воспринятый водой, Вт:

где η ку - коэффициент использования теплоты в КУ; η ку = 0,97;

G n - паропроизводительность, кг/с;

h к вп - энтальпия насыщенного водяного пара при температуре выхода, кДж/кг;

h н в - энталыгая питательной воды, кДж/кг,

Количество водяного пара, получаемого в КУ, определим по формуле:

кг/с.

Тепловой поток, воспринятый водой в зоне нагрева:

где h к в - удельная энтальпия воды при температуре испарения, кДж/кг;

Тепловой поток, предаваемый дымовыми газами воде в зоне нагрева (полезная теплота):

где h x – удельная энтальпия дымовых газов при температуре t x , отсюда:

кДж/кг.

Значение энтальпии сгорания 1 кг топлива:

По рис. 1 температура дымовых, соответствующая значению H x = 5700,45 кДж/кг:

t x = 270 °С.

Средняя разность температур в зоне нагрева:

°С.

270 дымовые газы 210 С учетом индекса противоточности:

где К ф – коэффициент теплопередачи;

м 2 .

Средняя разность температур в зоне испарения:

°С.

320 дымовые газы 270 С учетом индекса противоточности:

187 водяной пар 187

Площадь поверхности теплообмена в зоне нагрева:

где К ф – коэффициент т6плопередачи;

м 2 .

Суммарная площадь поверхности теплообмена:

F = F н + F u ,

F = 22,6 + 80 = 102,6 м 2 .

В соответствии с ГОСТ 14248-79 выбираем стандартный испаритель с паровым пространством со следующими характеристиками:

диаметр кожуха, мм 1600

число трубных пучков 1

число труб в одном пучке 362

поверхность теплообмена, м 2 170

площадь сечения одного хода

по трубам, м 2 0,055

4. Тепловой баланс воздухоподогревателя

Атмосферный воздух с температурой t ° в-х поступает в аппарат, где нагревается до температуры t х в-х за счет теплоты дымовых газов.

Расход воздуха, кг/с определяется исходя их необходимого количества топлива:

где В - расход топлива, кг/с;

L - действительный расход воздуха для сжигания 1 кг топлива, кг/кг,

Дымовые газы, отдавая свою теплоту, охлаждаются от t дгЗ = t дг2 до t дг4 .

где H 3 и H 4 - энтальпии дымовых газов при температурах t дг3 и t дг4 соответственно, кДж/кг,

Тепловой поток, воспринятый воздухом, Вт:

где с в-х - средняя удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг К);

0,97 - КПД воздухоподогревателя,

Конечная температура воздуха (t х в-х ) определяется из уравнения теплового баланса:

К.

5. Тепловой баланс КТАНа

После воздухоподогревателя дымовые газы поступают в контактный аппарат с активной насадкой (КТАН), где их температура снижается от t дг5 = t дг4 до температуры t дг6 = 60 °С.

Съем теплоты дымовых газов осуществляется двумя раздельными потоками воды. Один поток вступает в непосредственный контакт с дымовыми газами, а другой обмени-вается с ними теплотой через стенку змеевика.

Тепловой поток, отданный дымовыми газами, Вт:

где H 5 и H 6 - энтальпии дымовых газов при температуре t дг5 и t дг6 соответственно, кДж/кг,

Количество охлаждающей воды (суммарное), кг/с, определяется из уравнения теплового баланса:

где η - КПД КТАНа, η=0,9,

кг/с.

Тепловой поток, воспринятый охлаждающей водой, Вт:

где G вода - расход охлаждающей воды, кг/с:

с вода - удельная теплоемкость воды, 4,19 кДж/(кг К);

t н вода и t к вода - температура воды на входе и выходе из КТАНа соответственно,

6. Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки

При определении величины КПД синтезированной системы (η ту) используется традиционный подход.

Расчет КПД теплоутилизационной установки осуществляется по формуле:

7. Эксергетическая оценка системы «печь - котел-утилизатор»

Эксергетический метод анализа энерготехнологических систем позволяет наиболее объективно и качественно оценить энергетические потери, которые никак не выявляются при обычной оценке с помощью первого закона термодинамики. В качестве критерия оценки в рассматриваемом случае используется эксергетический КПД, который определяется как отношение отведенной эксергии к эксергии подведенной в систему:

где Е подв - эксергия топлива, МДж/кг;

Е отв - эксергия, воспринятая потоком водяного пара в печи и котле-утилизаторе.

В случае газообразного топлива подведенная эксергия складывается из эксергии топлива (Е подв1 ) и эксергии воздуха (Е подв2 ):

где Н н и Н о - энтальпии воздуха при температуре входа в топку печи и температуре окру-жающей среды соответственно, кДж/кг;

Т о - 298 К (25 °С);

ΔS - изменение энтропии воздуха, кДж/(кг К).

В большинстве случаев величиной эксергии воздуха можно пренебречь, то есть:

Отведенная эксергия для рассматриваемой системы складывается из эксергии, воспринятой водяным паром в печи (Е отв1 ), и эксергии, воспринятой водяным паром в КУ (Е отв2 ).

Для потока водяного пара, нагреваемого в печи:

где G - расход пара в печи, кг/с;

Н вп1 и Н вп2 - энтальпии водяного пара на входе и выходе из печи соответственно, кДж/кг;

ΔS вп - изменение энтропии водяного пара, кДж/(кг К).

Для потока водяного пара, получаемого в КУ:

где G n - расход пара в КУ, кг/с;

h к вп - энтальпия насыщенного водяного пара на выходе из КУ, кДж/кг;

h н в - энтальпия питательной воды на входе в КУ, кДж/кг.

Е отв = Е отв1 + Е отв2 ,

Е отв = 1965,8 + 296,3 = 2262,1 Дж/кг.

Заключение

Проведя расчет по предложенной установке (утилизации теплоты отходящих газов технологической печи) можно сделать вывод, что при данном составе топлива, производительности печи по водяному пару, другим показателям - величина КПД синтезированной системы высокая, таким образом - установка эффективна; это показала также и эксергетическая оценка системы «печь – котел-утилизатор», однако по энергетическим затратам установка оставляет желать лучшего и требует доработки.

Список использованной литературы

1. Хараз Д . И . Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах / Д. И. Хараз, Б. И. Псахис. – М.: Химия, 1984. – 224 с.

2. Скобло А . И . Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / А. И. Скобло, И. А. Трегубова, Ю. К., Молоканов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1982. – 584 с.

3. Павлов К . Ф . Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. Пособие для вузов / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков; Под ред. П. Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

Приложение

Теплофизические свойства газообразных продуктов горения, необходимые для расчетов зависимости различных параметров от температуры данной газовой среды, могут быть установлены на основе приведенных в таблице значений. В частности, указанные зависимости для теплоемкости получены в виде:

C psm = а -1/ d ,

где a = 1,3615803; b = 7,0065648; c = 0,0053034712; d = 20,761095;

C psm = a + bT sm + cT 2 sm ,

где a = 0,94426057; b = 0,00035133267; c = -0,0000000539.

Первая зависимость является предпочтительной по точности аппроксимации, вторая зависимость может быть принята для проведения расчетов меньшей точности.

Физические параметры дымовых газов
(при Р = 0,0981 МПа; р СО2 = 0,13; p H2О = 0,11; р N2 = 0,76 )

t , °С	γ, Н · м -3	с р , Вт(м 2 · °С) -1	λ · 10 2 , Вт(м · К) -1	а · 10 6 , м 2 · с -1	μ · 10 6 , Па · с	v · 10 6 , м 2 · с -1	Pr
	12,704	1,04	2,28	16,89	15,78	12,20	0,72
	9,320	1,07	3,13	30,83	20,39	21,54	0,69
	7,338	1,10	4,01	48,89	24,50	32,80	0,67
	6,053	1,12	4,84	69,89	28,23	45,81	0,65
	5,150	1,15	5,70	94,28	31,69	60,38	0,64
	4,483	1,18	6,56	121,14	34,85	76,30	0,63
	3,973	1,21	7,42	150,89	37,87	93,61	0,62
	3,561	1,24	8,27	183,81	40,69	112,10	0,61
	3,237	1,26	9,15	219,69	43,38	131,80	0,60
	2,953	1,29	10,01	257,97	45,91	152,50	0,59
	2,698	1,31	10,90	303,36	48,36	174,30	0,58
	2,521	1,32	11,75	345,47	40,90	197,10	0,57
	2,354	1,34	12,62	392,42	52,99	221,00	0,56

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

(справочное )

Воздухо- и дымопроницаемость воздуховодов и клапанов

1. Для определения утечек или подсосов воздуха применительно к вентиляционным каналам противодымных систем могут быть использованы следующие формулы, полученные аппроксимацией табличных данных :

для воздуховодов класса Н (в диапазоне давлений 0,2 - 1,4 кПа): ΔL = а (Р - b ) с , где ΔL - подсосы (утечки) воздуха, м 3 /м 2 · ч; Р - давление, кПа; а = 10,752331; b = 0,0069397038; с = 0,66419906;

для воздуховодов класса П (в диапазоне давлений 0,2 - 5,0 кПа): где а = 0,00913545; b = -3,1647682 · 10 8 ; с = -1,2724412 · 10 9 ; d = 0,68424233.

2. Для противопожарных нормально закрытых клапанов числовые значения удельной характеристики сопротивления дымогазопроницанию в зависимости от температуры газа соответствуют данным, полученным при стендовых огневых испытаниях различных изделий на экспериментальной базе ВНИИПО:

1. Общие положения. 2 2. Исходные данные. 3 3. Вытяжная противодымная вентиляция. 4 3.1. Удаление продуктов горения непосредственно из горящего помещения. 4 3.2. Удаление продуктов горения из смежных с горящим помещений. 7 4. Приточная противодымная вентиляция. 9 4.1. Подача воздуха в лестничные клетки. 9 4.2. Подача воздуха в лифтовые шахты.. 14 4.3. Подача воздуха в тамбур-шлюзы.. 16 4.4. Компенсирующая подача воздуха. 17 5. Технические характеристики оборудования. 17 5.1. Оборудование систем вытяжной противодымной вентиляции. 17 5.2. Оборудование систем приточной противодымной вентиляции. 21 6. Режимы управления при пожаре. 21 Список литературы.. 22 Приложение 1. Определение основных параметров пожарной нагрузки помещений. 22 Приложение 2. Теплофизические свойства дымовых газов. 24 Приложение 3. Воздухо- и дымопроницаемость воздуховодов и клапанов. 25

2. тепло, уносимое уходящими газами. Определим теплоемкость дымовых газов при tух =8000С;

3. потери тепла через кладку теплопроводностью.

Потери через свод

Толщина свода 0,3 м, материал шамот. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна температуре газов.

Средняя температура в печи:

По этой температуре выбираем коэффициент теплопроводности шамотного материала:

Таким образом, потери через свод составляют:

где α – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стен к окружающему воздуху, равный 71,2 кДж/(м2*ч*0С)

Потери через стены. Кладка стен выполнена двухслойной (шамот 345 мм, диатомит 115 мм)

Площадь стен, м2:

Методической зоны

Сварочной зоны

Томильной зоны

Торцевых

Полная площадь стен 162,73 м2

При линейном распределении температуры по толщине стены средняя температура шамота будет равна 5500С, а диатомита 1500С.

Следовательно.

Полные потери через кладку

4. Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равным 10% Qх прихода, то есть Qх+Qр

5. Неучтенные потери принимаем в размере 15% Q прихода тепла

Составим уравнение теплового баланса печи

Тепловой баланс печи сведем в табл.1; 2

Таблица 1

Таблица 2

Расход кДж/ч	%
Тепло затрачиваемое на нагрев металла	53
тепло уходящих газов	26
потери через кладку	1,9
потери с охлаждающей водой	6,7
неучтенные потери	10,6
Итого:	100