Список использованных источников

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский технологический университет

«МИСиС»

НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ

 

 

Кафедра металлургических технологий и оборудования

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине «Теплотехника»

 

Вариант №

 

 

                                                   Выполнил: студент гр.                                                                             

                                                    

                                                         Проверил:  Куницина Н.Г.

 

Новотроицк, 2017

Для случая сжигания смешанного газа с теплотой сгорания 21 МДж/м³ определить расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания, калориметрическую температуру горения при коэффициенте расхода (избытка) воздуха n=1,12. Температура подогрева воздуха 380 ˚С. Температура подогрева топлива 200 ˚С. Составить материальный баланс процесса горения.

Состав топлива А, %: СО₂=15, СО=16, Н₂=39, СН₄=24, С₂Н₄=3, N₂=3. Влажность топлива А W_А=31 г/м³.

Состав топлива Б, %: СН₄=93,2, С₂Н₄=0,3, С₂Н₆=0,4, С₃Н₈=0,6, С₄Н₁₀=0,6, N₂=4,9. Влажность топлива Б W_Б=4,5 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:

=14,44 +15,41 +37,56 +23,11 +2,89+2,89+3,70 = 100 %.

Для топлива Б:

;

;

;

;

;

.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты топлива Б:

=92,679 +0,298 +0,398 +0,597 +0,597+4,874+0,557 = 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) = 127·15,41+108·37,56+358·23,11+590^.2,89 = 15992 кДж/м³.

Теплота сгорания топлива Б:

Q^р_н(Б) = 358^.92,679+590^.0,298+635·0,398+913^.0,597+1185^.0,597 =34860 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 топлив будет следующий:

СО₂^см =14,44^.0,73+0 = 10,54 %;

СО^см =15,41· 0,73+0 = 11,25 %;

Н₂^см = 37,56^.0,73+0 = 27,42 %;

СН₄^см =23,11^.0,73+92,679^.(1-0,73) = 41,89 %;

С₂Н₄^см =2,89^.0,73+0,298^.0,27 = 2,19 %;

С₂Н₆^см=0+0,398^.0,27 = 0,11 %;

С₃Н₈^см=0+0,597^.0,27 = 0,16 %;

С₄Н₁₀^см=0+0,597^.0,27 = 0,16 %;

N₂^cм =2,89· 0,73+4,874^.0,27 = 3,43 %;

Н₂О^см =3,70· 0,73+0,557· 0,27 = 2,85 %.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты смеси топлив:

=10,54 +11,25 +27,42 +41,89 +2,19+0,11+0,16+0,16+3,43+2,85=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 О₂ = СО₂

1 м³СО - 0,5 м³ О₂

11,25 м³ СО - 5,625 м³ О₂ ;

1 м³СО - 1 м³ СО₂

11,25 м³ СО - 11,25 м³ СО₂.

 

б) Н₂ + 1/₂О₂ = Н₂О

1 м³Н₂ - 0,5 м³ О₂

27,42 м³ Н₂ - 13,71 м³ О₂ ;

1 м³ Н₂ - 1 м³ Н₂О

27,42 м³ Н₂ - 27,42 м³Н₂О.

 

в) СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

1 м³ СН₄ -2м³ О₂

41,89 м³ СН₄ - 83,78 м³ О₂ ;

1 м³ СН₄ - 1 м³ СО₂ и 2 м³ Н₂О

41,89 м³ СН₄ – 41,89 м³ СО₂ и 83,78 м³Н₂О.

 

г) С₂Н₄+ 3О₂ = 2СО₂ + 2Н₂О

1 м³ С₂Н₄ - 3 м³ О₂

2,19 м³ С₂Н₄ - 6,57 м³ О₂ ;

1 м³ С₂Н₄ - 2 м³ СО₂ и 2 м³ Н₂О

2,19 м³ С₂Н₄ - 4,38 м³ СО₂ и 4,38 м³ Н₂О.

 

д) 2С₂Н₆ + 7О₂ = 4СО₂ + 6Н₂О

2 м³ С₂Н₆ - 7 м³ О₂

0,11 м³ С₂Н₆ - 0,385 м³ О₂ ;

2 м³ С₂Н₆ - 4 м³ СО₂ и 6 м³ Н₂О

0,11 м³ С₂Н₆ - 0,22 м³ СО₂ и 0,33 м³ Н₂О.

 

е) С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О

1 м³ С₃Н₈ - 5 м³ О₂

0,16 м³ С₃Н₈ - 0,80 м³ О₂ ;

1 м³ С₃Н₈ - 3 м³ СО₂ и 4 м³ Н₂О

0,16 м³ С₃Н₈ – 0,48 м³ СО₂ и 0,64 м³ Н₂О.

 

ж) 2С₄Н₁₀ + 13О₂ = 8СО₂ + 10Н₂О

2 м³ С₂Н₄ - 13 м³ О₂

0,16 м³ С₂Н₄ - 1,20 м³ О₂ ;

2 м³ С₂Н₄ - 8 м³ СО₂ и 10 м³ Н₂О

0,16 м³ С₂Н₄ - 0,64 м³ СО₂ и 0,80 м³ Н₂О.

 

Полученные данные заносим в таблицу 1.

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

 

,

где  – действительный объем воздуха, м³;

 – теоретический объем 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	Содержание, м3	О2	N2	всего	СО2	Н2О	О2	N2	всего
СО2 СО Н2 СН4 С2Н4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 N2 Н2О	10,54 11,25 27,42 41,89 2,19 0,11 0,16 0,16 3,43 2,85	- 5,625 13,71 83,78 6,57 0,385 0,80 1,20 - -	112,07.3,762=421,61	112,07+421,61=533,68	10,54 11,25 - 41,89 4,38 0,22 0,48 0,64 - -	- - 27.42 83,78 4,38 0,33 0,64 0,80 - 2,85		3,43+421,61=425,04
n = 1	100	112,07 (21 %)	421,61 (79 %)	533,68 (100 %)	69,40 (11,3 %)	120,20 (19,6 %)	-	425,04 (69,1 %)	614,64 (100 %)
n = 1,12	100	125,52 (21 %)	472,20 (79 %)	597,72 (100 %)	69,40 (10,2 %)	120,20 (17,7 %)	13,45 (2,0 %)	475,63 (70,1 %)	678,68 (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 с учетом данных таблицы 1:

;

;

;

.

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 = 10,54·44/22,4 = 20,70 СО = 11,25·28/22,4 = 14,06 Н2О = 2,85.18/22,4 = 2,29 Н2 = 27,42·2/22,4 = 2,45                                      СН4  = 41,89·16/22,4 = 29,92     С2Н4  = 2,19·28/22,4 = 2,74          N2 = 3,43·28/22,4 = 4,29                              С3Н8 = 0,16.44/22,4 = 0,31 C2Н6  = 0,11·30/22,4 = 0,15    С4Н10 = 0,16.58/22,4 = 0,41 Воздух: О2 = 125,52.32/22,4 = 179,31 N2 = 472,20.28/22,4 = 590,25                        Итого: 846,88 кг.

Продукты сгорания: СО2 = 69,40·44/22,4 =136,32                                    Н2О = 120,20.18/22,4 = 96,59 N2 = 475,63·28/22,4 = 594,54                              О2 = 13,45.32/22,4 = 19,21   Итого: 846,66 кг.

 

Рассчитываем погрешность вычислений .

Т.к. погрешность менее 0,5 %, следовательно, расчет проведен правильно.

Из таблицы 1 следует, что для сжигания 100 м³ смеси топлив необходимо затратить 597,72 м³ воздуха при указанной величине коэффициента избытка воздуха, равной 1,12. При этом образуется продуктов сгорания 678,68 м³. Т.е. для сжигания 1 м³ смеси топлив необходимо затратить 5,98 м³ воздуха и образуется продуктов сгорания 6,79 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 380 ^оС, кДж/(м^3.оС);

V_в – объем воздуха, вносимого в печь, м³.

 

Теплоемкость воздуха определяем методом интерполяции:

 кДж/(м^3.оС).

Тогда количество тепла, вносимое подогретым воздухом:

 кДж/м³.

Количество тепла, вносимое подогретым топливом, определяем по формуле:

 

,

где t_т – температура подогрева топлива, ^оС;

с_т – удельная теплоемкость подогретого топлива, кДж/(м^3.оС);

V_т – объем топлива, вносимого в печь, м³.

 

Теплоемкость топлива, состоящего из многих компонентов, определяется из выражения:

 

,

где с_i – теплоемкость i-того компонента топлива при указанной температуре, кДж/(м^3.оС);

    – доля i-того компонента топлива в смеси.

 

Теплоемкость компонентов смеси топлив при температуре 200 ^оС:

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС).

Теплоемкость топлива:

С_т = 1,8079^.0,1054+1,3105^.0,1125+1,2979^.0,2742+1,7669^.0,4189+1,3030^.0,0343+

+1,5174^.0,0285+2,328^.(0,0219+0,0011+0,0016+0,0016) =1,4115 кДж/(м^3.оС).

Количество тепла, вносимое подогретым топливом:

 кДж/м³.

Таким образом, энтальпия продуктов сгорания составит:

 кДж/м³.

Далее искомую температуру находим методом подбора. Для этого задаемся возможной температурой горения, например, равной 2200 ˚С, и определяем при этой температуре энтальпию продуктов сгорания с учетом табличных данных и состава продуктов сгорания:

СО₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,102 ∙ 5464,20 = 557,3

Н₂О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,177∙ 4358,83 = 771,5

О₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,02 ∙ 3487,44 = 69,7

N₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,701 ∙ 3295,84 = 2310,4

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

Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3708,9 кДж/м³.

 

Сравниваем полученную энтальпию с действительной энтальпией продуктов сгорания. Поскольку I<I₂₂₀₀ , следовательно, искомая температура горения меньше, чем 2200 ^оС.

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

СО₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,102 ∙ 5186,81 = 529,1

Н₂О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,177∙ 4121,79 = 729,6

О₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,02 ∙ 3314,85 = 66,3

N₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,701 ∙ 3131,96 = 2195,5

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

Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3520,5 кДж/м³.

 

Т.к. I₂₁₀₀<I, то действительная калориметрическая температура горения лежит в пределах 2100 – 2200 ^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.

---

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 70; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!