Расчет горения топлива

Состав газа: H₂ -12%; CO-10%; CO₂-10%; CH₄-0.5%; N₂-72.5%.

В горении участвуют:

CH₄+2O₂ = CO₂+2H₂O

2H₂+O₂ = 2H₂O

2CO+O₂ = 2CO₂

Lт = 0, 0476 (0, 5СО + 0, 5 Н₂ +2 СН₄) =

=0, 0476 (0, 5 · 10 + 0, 5 · 12 + 2 · 0, 5) = 0, 57 м³,

где СО, Н2, СН4 – содержание оксида углерода, водорода и метана в газообразном топливе, процент на единицу объема.

Практически в печах сжигают топливо с действительным расходом, превышающим теоретический.

Действительный расход воздуха, м:

Lд = · Lт = 1, 1 · 0, 57 = 0, 627 м³,

где - коэффициент расхода воздуха.(для газа – 1, 05 - 1, 15).

Выход продуктов горения на единицу сжигаемого газообразного топлива на 1 м³:

V= 0.01 (CO + CO2 + CH4) = 0.01 (10 + 0.5 +5) = 0, 155 м³;

V= 0.01 (H2 + 2CH4) = 0.01 (12 + 1) = 0, 13 м³;

V = 0.01 (N2 + 0.79 Lт) = 0.01(72.5 + 0.79 · 0.57)= 1.175 м³;

V = V+ V+ V = 1.46 м³;

Действительный выход продуктов горения:

Vд = V + ( -1) Lт = 1, 517 м³.

где V , V , V - объемы соответствующих газов на 1 м³ газообразного топлива;

V - теоретический выход продуктов.

Состав продуктов горения %:

CO2 = = ; N2 = %;

H2O = %; O2 = %;

Низкая теплота сгорания топлива, кДж/ м³ найдена из соотношения:

где CH4, H2, CO - содержание горючих продуктов в рабочем топливе.

Q = 35800·0, 005 +10760·0, 12 +12645·0, 1 = 2734 кДж/м³.

2.5.3 Определение основных размеров рабочего пространства нагревательного устройства

Определяем критерий В_i для заданных деталей:

B_i=S* α _изл+к / λ,

где S - радиус или половина толщины детали, м;

λ - коэффициент теплопроводности стали;

α - суммарный коэффициент теплоотдачи.

α _изл+к = 0, 03С_пр(Т/100)³+10 Вт/м²час град;

где С_пр=4, 9/[(1/ε ₁)+F₁ (1/ε ₂ -1) /F₂],

ε 1 - степень черноты обрабатываемой стали, принимаем равной 0, 3;

ε 2 - степень черноты огнеупорной кладки, принимаем 0, 75;

F₁ - поверхность металла, воспринимает тепло.

F₁= 2, 96 м²;

Внутренняя поверхность печи F₂=9, 25 м³;

С_пр=4, 9/((1/0, 3)+2, 96(1/0, 75-1)/9, 25) =1, 4 ккал/ м²час град;

λ =25Вт/м²с

α _изл+к =0, 03С_пр(Т/100)³+15=0, 03·1, 4·((1150+273)/100)³+15=136 ккал/м²час град.

B_i=S* α _изл+к / λ =0, 01·136/25=0, 05

2.5.4 Выполнение тепловых расчетов и составления теплового баланса печи

Для теплового расчета и определения мощности печи необходимо знать коэффициенты теплопроводности и удельной теплоемкости кладки и деталей.

Коэффициенты теплопроводности.

λ = Вт/м² ·°C приняты следующие:

кирпич шамотный

λ =1, 04+1, 51·10 t_ср ;

магнезит

λ =7, 20 - 4, 20·10 t_ср;

диатомитовый кирпич

λ =0, 16+3, 15·10 t_ср.

Теплоемкость материала кожуха печи (сталь) принимаем равной 30 ккал/м час град_.

Удельная теплоемкость С ^ккал/_{м час град}. Теплоемкость материалов кладки мало зависит от температуры. Ее можно принять равной 0, 22^ккал/_{м час град.}; среднюю теплоемкость стали кожуха принимаем 0, 11^ккал/_{м час град}, среднюю теплоемкость деталей при 20 ° С принимаем 0, 11, а при 1100-1200°С 0, 19 ^ккал/_{м час °С}.

Расходные стороны.

1. Теплота, которая расходуется на нагрев стали:

Q = G · C (tk – tн) = 0, 707 · 0, 0047 · (1170-20) = 3, 75 кВт,

tk, tн – соответственно конечная и начальная температура металла, °C;

G – производительность печи, кг/с.

2. Потери теплоты с продуктами сгорания:

Q = Vг · Сд · tг · В = 1, 517 · 1, 57 · 1200 · В = 2858 В кВт,

где Сд – средняя теплоемкость продуктов сгорания (1, 57 кДж/м³ ·°C) при температуре отходящих газов tг = 1200°C;

В – неизвестные расхода топлива, м³ /с (кг/с).

3. Потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания:

Q = В · q · Q = 0.02 · 2734 В = 54, 68 В кВт,

Величину q выражают в долях низкой рабочей теплоты, то, что сгорает, при сжигании газов она меняется от 0, 01 до 0, 03.

4. Потери теплоты кладкой печи:

Q = (tг – tв) · F / (1/ + ),

где tг, tв – температура соответственно газов и окружающего воздуха, °C;

F – наружная площадь поверхности кладки, м²;

- коэффициент теплоотдачи соответственно воздуха и кладки, Вт/м² ·°C (20 и 15 Вт/м² ·°C соответственно);

S - толщина слоя, м;

- теплопроводность i-го слоя, Вт/м·°C.

Значение теплопроводности слоев выбираем по средним температурам и высчитываем по следующим формулам:

- внутреннего слоя: tср1 = 0, 5(tг + t2)

- промежуточного: tср2 = 0, 5(tг + tв)

- наружная слоя: tср3 = 0, 5(t2 + tв)

Для слоя шамота tср2 = 0, 5(1170+20) = 595 °C; для внутреннего слоя - tср1 = 0, 5(1170+595) = 740 °C; для наружного - tср3 = 0, 5(595+20) = 308 °C.

Теплопроводность слоев для трехслойной кладки, Вт/м·°C:

- магнезит

= 7, 20 - 4, 2 · 10 · 740 = 6, 89;

- шамот

= 1, 04 + 1, 51 · 10 · 595 = 1, 13;

- диатомит

= 0, 16 + 3, 15 · 10 · 308 = 0, 26;

Принимаем площадь поверхности кладки равной ее наружной поверхности.

Площадь поверхности передней и задней стен:

Fп.ст. = 1, 7 · 1, 95 = 3, 32 м²;

Fз.ст. = Fп.ст. = 3, 32 м²;

Площадь торцевых стен:

Fт.ст. = 2 (1, 95 · 3, 48) = 13, 57 м²;

Площадь свода и пода:

Fсв. = Fпод. = (1, 7 · 3, 48) = 5, 916 м².

Тогда площадь кладки печи

Fкл = 3, 32 · 2 + 13, 57 + 5, 916 · 2 = 32, 03 м².

Q = кВт.

Qз = F · q = 0, 364 · 1940 = 0, 706 кВт;

где F = 0, 364, м² – площадь окна. Если размеры окна а × в, то его площадь,

F = (а+0, 4)(в+0, 4) = (0, 3+0, 4)(0, 12+0, 4) = 0, 364 м²;

q – плотность теплового потока.(при tпечи = 1200°C принимаем 1940 Вт/м²).

6. Расходы теплоты излучением через открытое окно:

Qиз = Со F · Ф · = 5, 7 () 0, 364 · 0, 97 · 1 = 94, 745 кВт,

где Тпечи – температура в печи, К;

Ф – коэффициент диафрагмирования, равен 0, 97.

7. Неучтенные потери теплоты Qн.п..

Неучтенные потери теплоты принимают равными 10% потерь теплоты через кладку печи, т.е. Qн.п. = 0, 1.

Qн.п = 0, 1 · Q = 0, 1 · 49, 085 = 4, 9085 кВт;

Прибыльные стороны

1. Химическая теплота топлива, кВт:

QX = В · Q = 2734 В;

2. Теплота подогретого воздуха, кВт:

Qв = В · Lд · Св · tв = 0, 627 · 1, 434 · 1200 В = 1078 В,

где Св – теплоемкость воздуха при температуре подогретого воздуха tв = 1200°C, равна 1, 434 кДж/(м³ ·°C).

3. Теплота подогретого топлива, кВт:

Qт = Ст · tт · В = 1, 57 · 1200 В = 1884 В;

где Ст – теплоемкость подогретого до температуры tт топлива, Дж/(м³ ·°C)

4. Теплота экзотермических реакций окисления стали:

Qэкз = 56, 5 · G · а = 56, 5 · 0, 0047 · 1 = 0, 265 кВт,

где а – угар стали, %.

В соответствии с законом сохранения энергии Q = Q . Поэтому:

2734 В+1078 В+1884 В+0, 265=

=3, 75+2858 В+54, 64+0, 706+94, 745+49, 085+4, 9;

После подсчета получаем:

2783 В = 152, 745;

Среднечасовой расход топлива составляет:

В = 0, 0548 м³ /с или 198 м³ /ч.