Список использованных источников

Национальный исследовательский технологический университет

«МИСиС»

НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ

 

 

Кафедра металлургических технологий и оборудования

 

 

 

 

Домашнее задание

по дисциплине «Теплотехника»

 

Вариант

 

 

Выполнил: студент гр.

 

Проверил: Куницина Н.Г.

 

Новотроицк, 2016

Для случая сжигания смешанного газа с теплотой сгорания 11 МДж/м³ определить расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания, калориметрическую температуру горения при коэффициенте расхода (избытка) воздуха n=1,05. Температура подогрева воздуха 400 С. Топливо не подогревается. Составить материальный баланс процесса горения.

Состав топлива А, %: СО=3, Н₂=12, СН₄=58, С₂H₄=27. Влажность топлива А W_А=14 г/м³.

Состав топлива Б, %: СО₂=1, СО=32,5, Н₂=0,5, N₂=66. Влажность топлива Б W_Б=22 г/м³.

 

Выполним пересчет каждого топлива с сухой массы на влажную, используя формулы:

 

;

,

где – содержание компонента топлива соответственно во влажной и сухой массе, %;

W – влажность топлива, г/м³;

H₂О – количество воды во влажной массе топлива, %.

 

Для топлива А:

;

;

;

;

.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты топлива А:

=2,95 +11,79 + 57,01 +26,54 +1,71= 100 %.

Для топлива Б:

;

;

;

;

.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты топлива Б:

=0,97 +31,64 +0,49 +64,24 +2,66= 100 %.

Определяем теплоту сгорания каждого топлива по формуле:

 

Q^р_н = 127^.СО+108^.Н₂+358^.СН₄+590^.С₂Н₄+555^.С₂Н₂+635^.С₂Н₆+913^.С₃Н₈+

+1185^.С₄Н₁₀+1465^.С₅Н₁₂+234^.Н₂S,

где Q^р_н – низшая теплота сгорания топлива, кДж/м³.

 

Теплота сгорания топлива А:

Q^р_{н (А)} = 1272,95+10811,79+35857,01+590^.26,54=37716,15 кДж/м³.

Теплота сгорания топлива Б:

Q^р_{н (Б)} = 12731,64+1080,49=4071,2 кДж/м³.

Определяем состав смеси двух топлив.

Для этого необходимо определить долю топлива А в смеси топлив из выражения:

,

где а – доля топлива А в смеси двух топлив;

Q^р_н(А), Q^р_н(Б) – теплота сгорания соответственно топлива Б и топлива А, кДж/м³;

Q^р_н(см) – теплота сгорания смеси топлив, кДж/м³,

.

Состав смеси определяется по формуле:

 

Х^вл(см) = Х^вл(А).а + Х^вл(Б).(1-а),

где Х^вл(см), Х^вл(А), Х^вл(Б) – содержание компонента в смеси топлив и в топливах А и Б соответственно, %.

 

Тогда с учетом формулы состав смеси будет следующий:

СО^см =2,950,206+31,64^.0,794=25,74 %;

СО₂^см =0,97 0,794=0,77 %;

Н₂^см = 11,79^.0,206+0,49^.0,794=2,82 %;

СН₄^см =57,010,206=11,74 %;

С₂Н₄^см =26,54 0,206=5,47 %;

N₂^cм =64,24 0,794=51,00 %;

Н₂О^см =1,71 0,206+2,66 0,794 = 2,46 %.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты смеси топлив:

=25,74 +0,77 +2,82 +11,74 +5,47+51,00+2,46=100 %.

Определяем расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания. Расчет ведём на 100 м³ смеси топлив.

Составляем реакции горения горючих компонентов смеси топлив и на их основе определяем количество требуемого для горения кислорода, а также количество образующихся продуктов сгорания.

а) СО + 1/₂ 0₂ = С0₂

1 м³СО - 0,5 м³ 0₂

25,74 м³ СО - 12,87 м³ 0₂ ;

1 м³СО - 1 м³ С0₂

25,74 м³ СО- 25,74 м³ С0₂.

 

б) Н₂ + 1/₂0₂ = Н₂0

1 м³Н₂ - 0,5 м³ 0₂

2,82 м³ Н₂ - 1,41 м³ 0₂ ;

1 м³ Н₂ - 1 м³ Н₂0

2,82 м³ Н₂ - 2,82 м³Н₂0.

 

в) СН₄ + 20₂ = С0₂ + 2Н₂0

1 м³ СН₄ -2м³ 0₂

11,74 м³ СН₄ - 23,48 м³ 0₂ ;

1 м³ СН₄ - 1 м³ С0₂ и 2 м³ Н₂0

11,74 м³ СН₄ - 11,74 м³ С0₂ и 23,48 м³Н₂0.

 

г) С₂Н₄ + 30₂ = 2С0₂ + 2Н₂0

1 м³ С₂Н₄ - 3 м³ 0₂

5,47 м³ С₂Н₄ - 16,41 м³ 0₂ ;

1 м³ С₂Н₄ - 2 м³ С0₂ и 2 м³ Н₂0

5,47 м³ С₂Н₄ - 10,94 м³ С0₂ и 10,94 м³ Н₂0.

Полученные данные заносим в таблицу 1.

Для определения количества воздуха с учетом коэффициента избытка воздуха, необходимо воспользоваться выражением:

 

,

где – действительный объем воздуха с учетом коэффициента избытка воздуха, м³;

– теоретический объем воздуха (без учета коэффициента избытка воздуха), м³;

n – коэффициент избытка воздуха.

 

Таблица 1 – Результаты расчета расхода воздуха, состава и количества продуктов сгорания

Участвуют в горении	Образуется продуктов сгорания, м3
Топливо, м3	Воздух, м3
Составля-ющая	Содержа-ние, м3	О2	N2	всего	СО2	Н2О	О2	N2	всего
СО2 СО Н2 СН4 N2 C2Н4 Н2О	0,77 25,74 2,82 11,74 5,47 2,46	- 12,87 1,41 23,48 - 16,41 -	54,17 3,762 = 203,79	54,17+203,79=257,96	0,77 25,74 - 11,74 - 10,94 -	- - 2,82 23,48 - 10,94 2,46		51+203,79=254,79
n = 1		54,17 (21)	203,79 (79)	257,96 (100)	49,19 (14,31)	39,7 (11,55)	-	254,79 (74,14)	343,68 (100)
n = 1,05		56,88 (21)	213,98 (79)	270,86 (100)	49,19 (13,79)	39,7 (11,14)	2,71 (0,76)	264,98 (74,31)	356,58 (100)

 

Для определения состава продуктов сгорания, воспользуемся формулой:

 

,

где – содержание i-того компонента в продуктах сгорания, %

– объем i-того компонента в продуктах сгорания, м³;

– общий объем продуктов сгорания, м³.

 

Таким образом, состав продуктов сгорания:

;

;

;

.

Для проверки правильности расчета составляется материальный баланс. Материальный баланс представлен в таблице 2.

 

Таблица 2 – Материальный баланс горения смеси двух топлив

Поступило, кг	Получено, кг
Топливо: СО2 =0,7744/22,4=1,51 СО =25,7428/22,4=32,18 Н2О =2,46.18/22,4 =1,98 Н2 =2,822/22,4=0,25 СН4 =11,7416/22,4=8,39 N2 =5128/22,4=63,75 C2Н4 =5,4728/22,4=6,84 Воздух: О2 =56,88.32/22,4=71,26 N2 =213,98.28/22,4=257,48 Итого: 443,64 кг.	Продукты сгорания: СО2 =49,1944/22,4=96,62 Н2О =39,7.18/22,4 =11,90 N2 =264,9828/22,4=331,23 О2 =2,71.32/22,4=3,87     Итого: 443,62 кг.

 

Рассчитываем погрешность вычислений .

Из таблицы 1 следует, что для сжигания 100 м³ смеси топлив необходимо затратить 270,86 м³ воздуха при указанной величине коэффициента избытка воздуха, равной 1,05. При этом образуется продуктов сгорания 356,58 м³.

Определяем калориметрическую температуру горения. Для этого необходимо найти начальную энтальпию (теплосодержание) 1м³ продуктов сгорания:

 

I = I_o + I_в + I_г,

где I – энтальпия продуктов сгорания, кДж/м³;

I_o, I_в, I_г – соответственно количества тепла, получаемые от сжигания топлива и вносимые подогретым воздухом и топливом, кДж/м³.

 

Так как топливо не подогревается предварительно, то I_г=0.

Количество тепла, получаемое от сжигания топлива в расчете на единицу объема продуктов сгорания, определим из выражения:

 

,

кДж/м³.

Количество тепла, вносимое подогретым воздухом, может быть определено следующим образом:

,

где t_в – температура подогрева воздуха, ⁰С;

с_в – теплоемкость воздуха при 400 ^оС, кДж/(м^3.оС);

V_в – объем воздуха, вносимого в печь, м³,

кДж/м³.

Таким образом, энтальпия продуктов сгорания составит:

кДж/м³.

Далее искомую температуру находим методом подбора. Для этого задаемся возможной температурой горения, например, равной 2000 С, и определяем при этой температуре энтальпию продуктов сгорания с учетом табличных данных и состава продуктов сгорания:

СО₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1379 4919,51 = 678,40

Н₂О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1114 3889,72 = 433,31

О₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,0076 3142,76 = 23,88

N₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,7431 2976,25 = 2211,65

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3347,24 кДж/м³.

 

Сравниваем полученную энтальпию с действительной энтальпией продуктов сгорания. Поскольку I>I₂₀₀₀ , следовательно, искомая температура горения больше, чем 2000 ^оС.

Задаемся температурой горения, равной 2100 ⁰С. Энтальпия продуктов сгорания при этой температуре:

СО₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1379 5186,81 = 715,26

Н₂О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1114 4121,79 = 459,17

О₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,0076 3314,85 = 25,19

N₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,7431 3131,96 = 2327,36

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3526,98 кДж/м³.

 

Т.к. I₂₁₀₀>I, то действительная калориметрическая температура горения лежит в пределах 2000 – 2100 ^оС.

Окончательно калориметрическую температуру горения определяем интерполяцией по формуле:

,

где – калориметрическая температура горения, ^оС,

^оС.

 

 

Список использованных источников

 

1 Куницина Н.Г. Расчет горения топлива. Методические указания для выполнения домашних заданий и контрольных работ по дисциплинам «Теплотехника», «Металлургическая теплотехника», Новотроицк: НФ НИТУ «МИСиС», 2015. – 31 с.