Термодинамический анализ технической системы
Расчет горения топлива в воздухе, состава и удельного объема выхлопных газов, горения природного газа в атмосфере. Определение параметров камеры смешения, сушилки, топки. Составление энергетических балансов. Эксергетический баланс изучаемой системы.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.02.2015 |
| Размер файла | 511,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
59
Размещено на http://www.allbest.ru/
59
Размещено на http://www.allbest.ru/
КУРСОВАЯ РАБОТА
Термодинамический анализ технической системы
Введение
эксергетический топливо выхлопной термодинамический
Сушкой называется термический процесс удаления из твердых материалов или растворов содержащейся в них влаги путём её испарения.
Изделие или материал приходится сушить в зависимости от их назначения для разных целей. Твёрдое топливо, например, подсушивают для повышения теплоты сгорания, улучшения процесса горения, древесину - для увеличения прочности, предохранение от гниения и плесени, различные другие изделия - для облегчения обработки, увеличения долговечности, предотвращения сжатия, искривления и растрескивания. Ряд материалов подвергается сушке для уменьшения их веса и тем самым удешевления транспортировки, изменение физических свойств (например, уменьшения теплопроводности).
Перечень материалов, подвергающихся в процессе их обработки также и сушке, чрезвычайно велик. Глубина обезвоживания материала в каждом отдельном случае определяется многими причинами.
В некоторых случаях перед сушкой материалов целесообразно предварительное обезвоживания их механическим или физико-химическим способом.
Механическое обезвоживание материалов более экономно, чем тепловая сушка, однако оно применимо только для материалов допуска, допускающих деформация (торфяная масса, текстиль, шерсть и т.п.) При этом одно механическое обезвоживание материала в большинстве случаев является недостаточным, так как оно обеспечивает только частичное удаление свободной влаги. Поэтому часто комбинируются различные способы удаления влаги.
Сушка материалов имеет большое распространение в различных производствах. Назначение сушки может быть различным в зависимости от того, какой материал подвергается этому процессу. В некоторых случаях она является завершающей фазой технологического процесса, придает материалу свойства, необходимые для его использования. Иногда сушка является промежуточной стадией технологического процесса.
Сушка материала - это процесс удаления из него жидкости, природа которой отлична от природы самого материала. В подавляющем большинстве случаев удалению подлежит вода. Однако иногда из высушиваемого материала удаляются другие жидкости.
Сушилки, работающие на смеси топочных газов с воздухом, получили в настоящее время большое распространение. Топочные газы в большинстве случаев получаются в специальных топках, и если они имеют высокую температуру, то для получения сушильного агента с требуемой температурой их разбавляют воздухом.
При полном сгорании (с избытком воздуха) горючей части твердого или жидкого топлива, состоящей из углерода С, водорода Н и серы S, продукты сгорания будут состоять из СО2, Н2О, SO3, N2 и О2. В случае, если топливо не содержит серы, продукты сгорания отличаются от чистого воздуха только некоторым содержанием углекислоты и повышенным содержанием азота и водяных паров. Положение значительно усложняется, если происходит неполное сгорание, так как в этом случае продукты сгорания засорены не только сажей, т.е. частицами несгоревшего углерода, но и продуктами сухой перегонки в виде СО и ряда углеводородов, которые, как правило, химически активны, обладают специфическим запахом, сравнительно низкой точкой кипения и т.д. Таким образом, одним из основных требований применения сушки топочными газами является осуществление полного сгорания.
Воздух и дымовые газы поступают в топку. Некоторое количество дымовых газов поступает в камеру смешения. Основным отличием топок сушильных установок от топок паровых котлов является то, что в них может иметь место более низкая температура горения топлива. С целью защитить стенки топки от действия высоких температур и улучшить горение коэффициент избытка воздуха при сжигании твердого топлива принимают равным 2 - 2,5, а затем топочные газы разбавляют воздухом или циркулирующей в сушилке смесью до требуемой температуры.
Основное требование, предъявляемое к топочным устройствам сушильных установок, состоит в том, чтобы в топке происходило полное сгорание топлива без наличия сажи, а продукты сгорания содержали минимальное количество частичек золы.
1. Описание энергетического расчета системы
1.1 Расчет горения топлива в воздухе. Расчет состава и удельного объема выхлопных газов
Природный газ является высокоэффективным энергоносителем и ценным химическим сырьем. Он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами топлива и сырья:
- стоимость добычи природного газа значительно ниже, чем других видов топлива; производительность труда при его добыче выше, чем при добыче нефти и угля;
- отсутствие в природных газах оксида углерода предотвращает возможность отравления людей при утечках газа;
- при газовом отоплении городов и населенных пунктов гораздо меньше загрязняется воздушный бассейн;
- при работе на природном газе обеспечивается возможность автоматизации процессов горения, достигаются высокие КПД;
- высокие температуры в процессе горения (более 2000°С) и удельная теплота сгорания позволяют эффективно применять природный газ в качестве энергетического и технологического топлива.
Целью расчета горения топлива в воздухе является нахождение состава дымовых газов, действительного объема и средней объемной изобарной теплоемкости газов (температура выходных газов задана).
Целью расчета горения топлива в воздухе является нахождение состава дымовых газов, его температуры и средней объемной изобарной теплоемкости газов.
Объемный состав природного газа:
Плотность компонентов при нормальных условиях вычисляется по следующей формуле [1, с. 36, формула (1.4)]:
где , - молярная масса компонента.
- объем при нормальных условиях
:
:
:
:
:
:
Теплоемкости компонентов топлива [1, с. 64]:
где - показатель адиабаты;
R, - универсальная газовая постоянная;
r - объемная концентрация вещества.
Таблица 1.1 - Объемный состав природного газа
|
Элемент |
CH4 |
C 2H6 |
C3 H8 |
C 4H10 |
N2 |
H2O |
|
|
Объёмное содержание r, % |
80,4 |
9,0 |
5,0 |
3,7 |
1,2 |
0,7 |
|
|
Показатель адиабаты k |
1,33 |
1,33 |
1,33 |
1,33 |
1,4 |
1,33 |
:
;
:
;
:
;
:
;
:
;
:
Общая теплоемкость топлива, кДж/(мК) [1, с. 179, формула (7.57)]:
Физическая энтальпия топлива, кДж/м:
где tт - температура топлива.
Состав сухого воздуха:
Таблица 1.2 - Объемный состав сухого воздуха
|
Элемент |
N2 |
CO2 |
O2 |
Ar |
|
|
Объёмное содержание r, % |
78,09 |
0,03 |
20,95 |
0,93 |
|
|
Молярная масса µ, кг/кмоль |
28 |
44 |
32 |
40 |
Молярная масса компонента рассчитывается по следующей формуле, кг/ кмоль [1, с. 177, формула (7.45)]:
Содержание:
Содержание:
Содержание:
Содержание:
Содержание , соответствующее влагосодержанию 20 г./кг [1, с. 314, формула 11.99]:
Влажный воздух содержит сухого воздухах [1, с. 309, формула 11.43]:
Молярная масса сухого воздуха, кг/кмоль [1, c. 177, формула 7.46]:
Состав влажного воздуха рассчитывается по следующим формулам [1, с. 178, формула 7.50]:
Содержание:
Содержание компонентов во влажном воздухе [1, с. 309, формула 11.49]:
Содержание
Содержание:
Содержание:
Содержание:
Теплоемкость влажного воздуха рассчитывается по следующей формуле, кДж/ (м3 я гр):
где ;
;
Энтальпия ВВ, кДж/м:
где - действительный объем воздуха, м3/м3; (формула );
Теплота сгорания, кДж/м3 [4, c. 10, формула 2.10]
где - объемный состав;
- низшая теплота сгорания каждого компонента, ккал/м3 [4, с. 10]
- низшая теплота сгорания метана;
- низшая теплота сгорания этана;
- низшая теплота сгорания пропана;
- низшая теплота сгорания бутана;
Коэффициент избытка воздуха подбирается под содержание кислорода в сухих отходящих газах (10%) - .
Теоретическое количество ВВ, :
Теоретически необходимый объём воздуха для полного сгорания 1 м3 топлива [4, с. 16, формула 4.13]:
где - элемент состава природного газа;
m и n - количество атомов углерода и водорода соответственно в молекулах углеводорода природного газа;
Теоретический объём , , [4, с. 16, формула 4.14]:
Теоретический объём , [4, с. 16, формула 4.15]:
Теоретический объём , : [4, с. 16, формула 4.16]:
Теоретический объём Ar, : [4, с. 16, формула 4.9]:
Теоретический объём дымовых газов, :
Действительный объем воздуха, :
Действительный объём , :
Действительный объём , :
Действительный объём , :
Действительный объём , :
Действительный объём , :
Теперь рассчитываем объем дымовых газов, :
Содержание в ДГ будет [1, с. 16, формула 4.9]:
Состав сухих дымовых газов действительного потока:
Смешение выхлопных газов с воздухом:
Рисунок 1.1 - Смешение потоков выхлопных газов и влажного воздуха в T-s диаграмме
Рисунок 1.2 - Смешение потоков выхлопных газов и влажного воздуха в p-v диаграмме
Расход выхлопных газов определен выше (формула).
Состав выхлопных газов, который поступает на смешение с воздухом [1, с. 176, формула (7.37)]:
Содержание азота:
Содержание трехатомных газов:
Содержание водяных паров:
Содержание кислорода рассчитано выше (формула).
Содержание аргона:
Температура выхлопных газов (задано) - 460?С.
Средние объемные изобарные теплоемкости компонентов рассчитываются по следующим формулам [1, с. 179, формула 7.57]:
:
:
:
:
:
Объемные изобарные теплоемкости веществ находятся как функции от температуры.
Общая объёмная изобарная теплоемкость ДГ, кДж/(мК):
Находим расход воздуха на м3 ВГ:
Чтобы обеспечить сгорание топлива в топке с необходимо получить поток (смесь дымовых газов с воздухом), в котором объемный процент кислорода .
Если 13% > , то
иначе .
где - удельный расход воздуха на 1 мі топлива, мі/мі;
- удельный расход ВГ на 1 мі, поступающего в ГТД, мі/мі (формула);
- объемное содержание кислорода в действительных дымовых газах(формула);
- объемное содержание кислорода в поступающем воздухе (формула);
Состав воздуха, поступающего на смешение, рассчитан выше (формула).
Теплоемкость сухой компоненты и теплоемкость водяных паров находятся в зависимости от температуры воздуха.
Теплоемкость влажного воздуха рассчитывается выше (формула ):
;
Смесь дымовых газов с воздухом:
Расход смеси:
;
где , м3/ м3 - расход воздуха;
, м3/ м3 - расход выхлопных газов.
Определяем объемный процент каждого компонента в смеси, иначе говоря, находим ее состав [1, с. 177, формула 7.37]:
где - процентное содержание i - го компонента смеси, %;
- объем i - го компонента в дымовых газах, мі/мі;
- объемный процент i - го компонента смеси, %;
- объем i - го компонента во влажном воздухе, мі/мі;
Изобарная удельная теплоемкость смеси определяется как [1, с. 179, формула 7.57]:
где - средняя изобарная удельная объемная теплоемкость i-го компонента в смеси, кДж/м3;
- объемная доля i - го компонента в смеси, %.
Расчет смеси покажем на примере одного компонента смеси - N2:
Процентное содержание N2 в смеси:
Средняя удельная теплоемкость компонента в смеси:
Результат расчета смеси дымовых газов дан в таблице 1.3.
Таблица 1.3 - Состав смеси дымовых газов с воздухом
|
Элемент |
N2 |
RO2 |
H2O |
Ar |
O2 |
смесь |
|
|
Объёмное содержание r, % |
72,03 |
3,39 |
10,72 |
0,86 |
13 |
100 |
|
|
Удельная теплоемкость компонента в смеси,
|
0,9413 |
0,0631 |
0,1654 |
0,0080 |
0,1766 |
1,354 |
|
|
Объём элемента Vi в смеси, м3/м3 |
27,5 |
1,3 |
4,1 |
0,3 |
5 |
38,1 |
Энтальпия выхлопных газов действительного состава на 1 м3 выхлопных газов:
где - средняя объёмная изобарная теплоемкость дымовых газов (формула ).
Энтальпия выхлопных газов действительного состава на 1 м3 природного газа:
Энтальпия вносимого влажного воздуха на метр воздуха:
где - теплоемкость влажного воздуха, (формула);
- температура влажного воздуха.
Найдем температуру смеси:
Находим энтальпию смеси:
;
1.2 Расчет горения природного газа в атмосфере ВГ по схеме «воздух - модифицированное топливо»
Для расчёта топки используем условную схему разделения потока окислителя на балласт и воздух. Состав МТ представлен в Таблица 1.4.
59
Размещено на http://www.allbest.ru/
59
Размещено на http://www.allbest.ru/
ПГ - природный газ; окислитель - дымовые газы из ГТУ; ДГ - дымовые газы после топки; РГ - реакция горения; балласт - негорючие элементы окислителя.
Рисунок 1.3 - Расчётная схема горения топлива в окислителе для топки
Состав модифицированного топлива определяем смешением балласта и природного газа. Доля каждого компонента в модифицированном топливе рассчитывается по формуле [1, стр. 309]:
где - объёмная доля компонента в модифицированном топливе;
и - соответственно объёмные доли компонента в природном газе и в балласте;
и - соответственно расходы природного газа и балласта;
Таблица 1.4 - Состав модифицированного топлива
|
Состав модифицированного топлива |
ПГ |
Балласт |
МТ |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
СО |
0,0% |
0% |
0,0% |
|
|
Н2 |
0,0% |
0% |
0,0% |
|
|
СН4 |
79,3% |
0% |
9,5% |
|
|
С2Н4 |
0,0% |
0% |
0,0% |
|
|
С2Н6 |
8,9% |
0% |
1,1% |
|
|
С3Н8 |
4,9% |
0% |
0,6% |
|
|
С4Н10 |
3,7% |
0% |
0,4% |
|
|
С5Н12 |
0,0% |
0% |
0,0% |
|
|
СmНn* |
0,0% |
0% |
0,0% |
|
|
СО2 |
0,0% |
9,7% |
8,5% |
|
|
О2 |
0,0% |
0% |
0,0% |
|
|
N2 |
1,2% |
67,9% |
59,8% |
|
|
Н2О |
2,0% |
21,6% |
19,3% |
|
|
H2S |
0,0% |
0% |
0,0% |
|
|
Ar |
0% |
0,81% |
0,7% |
Таблица 1.5 - Рабочая масса компонентов
|
Компонент природного газа |
Молярная масса |
Низшая теплота сгорания |
Плотность при нормальных условиях |
В расчет |
||
|
Нормативный метод |
Тымчак |
|||||
|
кг/ кмоль |
ккал/ м3 |
ккал/ м3 |
кг/ м3 |
% |
||
|
СО |
28,011 |
3018 |
3016 |
1,2505 |
0,0% |
|
|
Н2 |
2,016 |
2579 |
2577 |
0,0900 |
0,0% |
|
|
СН4 |
16,042 |
8555 |
8558 |
0,7162 |
9,5% |
|
|
С2Н4 |
28,052 |
14107 |
14105 |
1,2523 |
0,0% |
|
|
С2Н6 |
30,068 |
15226 |
15235 |
1,3423 |
1,1% |
|
|
С3Н8 |
44,094 |
21795 |
21802 |
1,9685 |
0,6% |
|
|
С4Н10 |
58,12 |
28338 |
28345 |
2,5946 |
0,4% |
|
|
С5Н12 |
72,151 |
34890 |
34900 |
3,2210 |
0,0% |
|
|
СmНn* |
114,22 |
14107 |
17000 |
5,0991 |
0,0% |
|
|
СО2 |
44,011 |
0 |
0 |
1,9648 |
8,5% |
|
|
О2 |
32 |
0 |
0 |
1,4286 |
0,0% |
|
|
N2 |
28,016 |
0 |
0 |
1,2507 |
59,8% |
|
|
Н2О |
18,016 |
0 |
0 |
0,8043 |
19,3% |
|
|
H2S |
34,082 |
5585 |
5534 |
1,5215 |
0,0% |
|
|
Ar |
39,948 |
0 |
0 |
1,7834 |
0,7% |
|
|
Проверка материального состава топлива по балансу |
100% |
Теплоемкость топлива, не зависящая от температуры:
Ср=1,374 кДж/ (м3 ? К);
Физическая энтальпия топлива, кДж/м3:
;
где температура модифицированного топлива:
0С;
где - энтальпия балласта, которая рассчитывается следующим образом
- средняя объёмная изобарная теплоемкость газов;
- температура балласта;
;
Определяем коэффициент избытка воздуха модифицированного топлива б=1,155, подбирается под заданный кислород сухих отходящих газов.
Температура воздуха tв=298 0С, она совпадает с температурой окислителя.
Температура топлива tт=271 0С, совпадает с температурой модифицированного топлива, которая рассчитывалась выше.
Состав сухого воздуха задан выше (Таблица 1.2).
Состав влажного воздуха рассчитан выше (формула).
Исходя из этих данных, можем найти теплоемкость влажного воздуха:
где = 1,542 кДж/ (м3? 0С) при t = 298 0С.
кДж/ (м3я 0С); ё
Энтальпия вносимого воздуха кДж/м3;
Теплота сгорания топлива модифицированного топлива рассчитывается аналогично теплоте сгорания природного газа (формула .
Результат расчета приведен в таблице 1.6:
Таблица 1.6 - Теплота сгорания модифицированного топлива
|
Теплота сгорания (Рассчитывается по составу) |
Далее в расчетах используется |
||||||
|
топлива: (теплота сгорания из норм. метода) |
0 |
эта величина |
|||||
|
влажного |
ккал/м3 |
1115 |
кДж/м3 |
4667 |
|||
|
сухого |
ккал/м3 |
1524 |
кДж/м3 |
4667 |
|||
|
Теплота сгорания высшая на рабочую массу |
ккал/м3 |
1471,4721 |
|||||
|
Теплота сгорания высшая на рабочую массу |
кДж/м3 |
6161,0535 |
|||||
|
Объем водяных паров при сжигании в сухом воздухе |
м3/м3 |
0,460824 |
|||||
|
Теплота парообразования водяных паров в д.г. |
ккал/кг |
600 |
Расчет количества воздуха, необходимого для горения модифицированного топлива (формула ):
где состав задан в таблице 1.5.
Теоретические расходы газов рассчитываются аналогично, как при горении природного газа (формулы , , , , ).
Расход воздуха и выход газов при горении топлива приведен в (Таблице 1.7):
Таблица 1.7 - Расход воздуха и выход газов при горении топлива
|
Расход воздуха и выход газов при горении топлива: |
|||
|
При сжигании 1 м3 газообразного топлива: |
Размерность |
Значение |
|
|
теоретическое количество влажного воздуха, V0 |
м3/м3 |
1,43 |
|
|
теоретический объём азота, VN20 объём трёхатомных газов, VRO2 |
м3/м3 |
1,66 |
|
|
м3/м3 |
0,24 |
||
|
теоретический объём водяных паров, VH2O0*) |
м3/м3 |
0,53 |
|
|
теоретический объём аргона, VAr0*) |
м3/м3 |
0,02 |
|
|
теоретический объём дым. газов, V0д |
м3/м3 |
2,45 |
|
|
теоретическая масса воздуха, V0 теоретическая масса азота, VN20 |
кг/м3 |
1,816 |
|
|
кг/м3 |
2,078 |
||
|
теоретическая масса трёхатомных газов, VRO2 |
кг/м3 |
0,47 |
|
|
теоретическая масса водяных паров, VH2O0*) |
кг/м3 |
0,43 |
|
|
теоретическая масса аргона, VAr0*) |
кг/м3 |
0,04 |
|
|
теоретическая масса дымовых газов, V0д |
кг/м3 |
3,01 |
|
|
плотность теоретических дымовых газов |
кг/м3 |
1,228 |
|
|
содержание азота в теорет. прод. сгорания, VN20 |
% по объему |
67,81% |
|
|
содержание трёхатомных газов в - «-, VRO2 |
% по объему |
9,70% |
|
|
содержание водяных паров в - «-, VH2O0*) |
% по объему |
21,68% |
|
|
содержание аргона в - «-, VH2O0*) |
% по объему |
0,81% |
Действительные расходы газов рассчитываются аналогично, как при горении природного газа (формулы , , , , , ).
Расчет дымовых газов приведен в (Таблица 1.8):
Таблица 1.8 - Расчет действительных дымовых газов
|
Действительные дымовые газы |
|||
|
При сжигании 1 м3 газообразного топлива: |
Размерность |
Значение |
|
|
действительный объем воздуха, Vвз |
м3/м3 |
1,7 |
|
|
действительная масса воздуха, Gвз |
кг/м3 |
2,1 |
|
|
избыточный объем воздуха, (альфа-1)*V0 |
м3/м3 |
0,2 |
|
|
избыточная масса воздуха, (альфа-1)*Gвз |
кг/м3 |
0,3 |
|
|
действительный объём дымовых газов, Vг |
м3/м3 |
2,672 |
|
|
действительная масса дымовых газов, Gг |
кг/м3 |
3,3 |
|
|
плотность действительных дым. газов |
кг/м3 |
1,231 |
|
|
объём азота в действительных д.г., VN2 |
м3/м3 |
1,83 |
|
|
объём трёхатомных газов в действ. д.г., VRO2 |
м3/м3 |
0,2378 |
|
|
объём водяных паров в действ. д.г., VH2O |
м3/м3 |
0,5421 |
|
|
объём кислорода в действительных д.г., VO2 |
м3/м3 |
0,0442 |
|
|
объём аргона в действительных д.г., VAr |
м3/м3 |
0,0146 |
|
|
Объем д. г. |
м3/м3 |
2,665 |
|
|
азота, VN2 |
% объемн. |
68,53% |
|
|
трёхатомных газов, VRO2 |
% объемн. |
8,92% |
|
|
водяных паров, VH2O |
% объемн. |
20,34% |
|
|
кислорода, VO2 |
% объемн. |
1,66% |
|
|
аргона VAr |
% объемн. |
0,55% |
|
|
Баланс |
% объемн. |
100,0% |
|
|
Состав сухих д.г. действительного потока |
Доля |
Процентное содержание |
|
|
азота, VN2 |
% объемн. |
86,0% |
|
|
трёхатомных газов, VRO2 |
% объемн. |
11,2% |
|
|
водяных паров, VH2O |
% объемн. |
0,0% |
|
|
кислорода, VO2 |
% объемн. |
2,1% |
|
|
аргона VAr |
% объемн. |
0,7% |
|
|
Баланс 100,0% |
Расчет адиабатной температуры горения:
Энтальпия дымовых газов на м3 топлива по низшей теплоте сгорания:
где - энтальпия вносимого воздуха;
h, - физическая энтальпия топлива в КУ;
Энтальпия дымовых газов на м3 топлива на м3 воздуха:
Температура действительных дымовых газов:
где , - энтальпия дымовых газов на м3 топлива по высшей теплоте сгорания;
, - средняя объёмная изобарная теплоемкость газов;
?С;
Адиабатная температура горения:
?С;
Результат расчета адиабатной температуры горения приведен в (Таблица 1.9).
Таблица 1.9 - Расчет адиабатной температуры горения
|
Расчет адиабатной температуры горения |
||||
|
Расчетная температура горения (адиабатная) |
1350 |
|||
|
Теоретическая температура горения (адиабатная) |
?С |
приближенная |
1351 |
|
|
Средние объёмные изобарные теплоемкости газов: |
кДж/ (м3? гр) |
1,5853 |
||
|
N2 |
0,9802012 |
кДж/ (м3? гр) |
1,4304 |
|
|
CO2 |
0,2054131 |
кДж/ (м3? гр) |
2,3020 |
|
|
H2O |
0,3694135 |
кДж/ (м3? гр) |
1,8158 |
|
|
O2 |
0,0251337 |
кДж/ (м3? гр) |
1,5155 |
|
|
Ar |
0,0051213 |
кДж/ (м3? гр) |
0,9335 |
|
|
по низшей теплоте сгорания |
||||
|
Энтальпия дымовых газов на м3 топлива |
кДж/ м3 |
5705 |
||
|
Энтальпия дымовых газов на м3 дыма |
кДж/ м3 |
2140,9 |
||
|
по высшей теплоте сгорания |
||||
|
Энтальпия дымовых газов на м3 топлива |
кДж/ м3 |
7198 |
||
|
Температура дествительных дымовых газов |
оС |
1700 |
Расчет требуемого количества окислителя:
Требуемый расход окислителя:
где - требуемый расход воздуха в окислителе
= 0,653 - количество воздуха ВГ в% от расхода смеси.
Требуемый расход воздуха в окислителе:
,
где - расход ПГ на топку КУ (задаемся расходом природного газа на топку 1 м3;
- коэффициент избытка воздуха модифицированного топлива;
- теоретическое количество влажного воздуха в КУ;
Минимальный расход окислителя, при котором обеспечивается заданная концентрация кислорода на выходе топки, такая же, что и при горении ПГ с коэффициентом избытка воздуха равном 1,155 определяется: расходом топлива в топку КУ, требуемым коэффициентом избытка воздуха, теоретическим количеством воздуха в окислителе, равном 65,3%, количеством балласта в окислителе, равном 34,7%.
Расчет требуемого расхода окислителя приведен в таблице (1.10)
Таблица 1.10 - Расчет требуемого расхода окислителя
|
Требуемый расход окислителя, обеспечивающий концентрацию |
м3/час |
21 |
|
|
Заданный для репера коэффициент избытка воздуха при горении ПГ |
1,100 |
||
|
Заданная концентрация кислорода на выходе топки с ПГ равна |
1,67% |
||
|
Коэффициент избытка воздуха модифицированного топлива (подбирается) |
1,155 |
||
|
с той концентрацией кислорода на выходе топки, равной |
1,66% |
2. Расчет элементов системы
2.1 Расчет камеры смешения
Так как при горении топлива весь расчет мы производили на 1 м3 модифицированного топлива, то реальный выход дымовых газов на 1м3 природного газа мы найдем как:
,
где - объем действительных дымовых газов на 1 м3 модифицированного топлива (Таблица 1.8);
- расход МТ на 1м3 ПГ;
;
Составим материальный баланс и энергетический баланс, для нахождения расхода в точках ДГ3 и gДГ1:
где - присос воздуха в камеру смешения (7% от ).
Решая систему, получим:
Для определения состава точки ДГ 3 смешиваем потоки дымовых газов gДГ 1, при температуре 460 ?С, и ДГ 2, при температуре 1350 ?С, на выходе получаем поток с новым составом и температурой 700 ?С.
Составы точек ДГ 1 и Д Г2 рассчитаны выше.
Расчет состава точки ДГ 3 приведем на примере расчета одного компонента смеси - N2:
Процентное содержание N2 в смеси:
где - содержание азота в потоке ДГ 1;
- содержание азота в потоке ДГ 2;
Средняя удельная теплоемкость компонента в смеси:
Результат расчета состава точки ДГ 3 приведен в таблице 2.1:
Таблица 2.1 - Состав и теплоемкость точки ДГ 3
|
Состав действительных д. г. |
Доля |
Процентное содержание |
|||
|
азота, VN2 |
% объемн. |
69,59% |
|||
|
трёхатомных газов, VRO2 |
% объемн. |
7,19% |
|||
|
водяных паров, VH2O |
% объемн. |
17,32% |
|||
|
кислорода, VO2 |
% объемн. |
5,2% |
|||
|
Аргона VAr |
% объемн. |
0,8% |
|||
|
Баланс |
% объемн. |
100,00% |
|||
|
t=700?С |
|||||
|
Средние объёмные изобарные теплоемкости газов: |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,45727 |
|||
|
N2 |
0,941861 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,3534 |
||
|
CO2 |
0,150209 |
кДж/ (м3 ? гр) |
2,0890 |
||
|
H2O |
0,284219 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,6414 |
||
|
O2 |
0,074468 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,4311 |
||
|
Ar |
0,006514 |
кДж/ (м3 ? гр) |
0,9335 |
Подставляя значения в формулу, получаем = 87,21 ;
Из материального баланса имеем:
;
;
Т.к. на 1 м3 природного газа приходится 23,27 м3/м3 дымовых газов (формула ), то удельный расход топлива на генерацию gДГ1:
Аналогично находим удельный расход топлива на генерацию ДГ1:
Удельный расход топлива, подаваемый в топку приняли равным 1м3/ч.
2.2 Расчет сушильной камеры
Материал - калийная соль;
Соль на входе:
Точка на схеме (Рисунок 2.2) - СМ1;
Температура t=140C;
Влажность на общую массу w1=6,1%;
Расход G=22 т/час;
Соль на выходе:
Точка на схеме (Рисунок 2.2) - СМ2;
Влажность на общую массу w2=0,1%;
Температура t=1350C;
Теплоемкость изобарная, удельная массовая (не зависит от температуры) - Ср=0,693кДж/кг*0С;
Тракт сушильного агента:
Точка на схеме (Рисунок 2.2) - ДГ5;
Температура СА t=1500C;
Присосы воздуха:
ПВСК =1%;
Рассеяние энергии через ограждающие конструкции - 2%;
В первую очередь рассмотрим поток сушильного материала (калийная соль).
Найдем количество влаги содержащейся в точке СМ1 [3, с. 11, формула 1.6]:
где - расход до сушильной камеры, кг/час;
- влажность на общую массу (перед СК);
- влажность на общую массу (после СК).
Или в пересчете на объемный расход:
Количество калийной соли выходящее из сушильной камеры вычислим из разности [3, с. 10, формула 1.5]:
Предположим, что на рециркуляцию поступает 56,6% от расхода после сушильной камеры. Можно сказать, что состав дымовых газов в точках ДГ 4 и ДГ 5 будет одинаков в связи с тем, что состав в точках ДГ 4 и ДГ 5' изменяется исключительно из-за поступления влаги из калийной соли. Эта же влага удаляется в точке раздела потока ДГ 5, так как она не может поступать на рециркуляцию. Влага удаляется вместе с потоком дымовых газов ДГ 5'. Состав точки ДГ 4 приведен в таблице (2.3). Состав точки ДГ 5 приведен в таблице (2.2)
Выше указанные предположения, знание состава дымовых газов в точке ДГ 3 (состав дан в таблице (2.1)) и количества выделившейся влаги из калийной соли позволяют нам найти средние объемные изобарные теплоемкости всех потоков участвующих в рассматриваемой системе потоков сушильной камеры.
Для определения состава точки ДГ 4 смешиваем потоки дымовых газов ДГ 5, при температуре 150 ?С, и ДГ 3, при температуре 700 ?С, на выходе получаем поток с новым составом и температурой 510 ?С.
Расчет состава точки ДГ 5 приведем на примере расчета одного компонента смеси - N2:
Процентное содержание N2 в смеси:
Процентное содержание Н2O в смеси:
где - содержание азота в потоке ДГ 3;
, м3 - объем влаги, выделившийся при сушке соли.
Средняя удельная теплоемкость компонента в смеси:
Таблица 2.2 - Результаты расчета состава и теплоёмкости для ДГ 5
|
Состав действительных дымовых газов |
Доля |
Процентное содержание |
||
|
азота, VN2 |
% объемн. |
69,55% |
||
|
трёхатомных газов, VRO2 |
% объемн. |
7,19% |
||
|
водяных паров, VH2O |
% объемн. |
17,37% |
||
|
кислорода, VO2 |
% объемн. |
5,20% |
||
|
аргона VAr |
% объемн. |
0,7% |
||
|
Баланс |
% объемн. |
100,00% |
||
|
t = 150 ?С |
||||
|
Средние объёмные изобарные теплоемкости газов: |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,36601 |
||
|
N2 |
0,901972 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,2969 |
|
|
CO2 |
0,125354 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,7444 |
|
|
H2O |
0,262954 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,5141 |
|
|
O2 |
0,069223 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,3312 |
|
|
Ar |
0,006511 |
кДж/ (м3 ? гр) |
0,9335 |
Зная состав точки ДГ 5, определяем состав точки ДГ 4:
Расчет состава точки ДГ 4 приведем на примере расчета одного компонента смеси - N2:
Процентное содержание N2 в смеси:
где - содержание азота в потоке влажного воздуха;
, м3 - объем дымовых газов, идущих на рециркуляцию.
Средняя удельная теплоемкость компонента в смеси:
Таблица 2.3 - Результаты расчета теплоёмкости и состава для ДГ 4
|
Состав действительных дымовых газов |
Доля |
Процентное содержание |
||
|
азота, VN2 |
% объемн. |
69,62% |
||
|
трёхатомных газов, VRO |
% объемн. |
7,12% |
||
|
водяных паров, VH2O |
% объемн. |
17,21% |
||
|
кислорода, VO2 |
% объемн. |
5,35% |
||
|
аргона VAr |
% объемн. |
0,7% |
||
|
Баланс |
% объемн. |
100,00% |
||
|
t=510 ?C |
||||
|
Средние объёмные изобарные теплоемкости газов: |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,42268 |
||
|
N2 |
0,925516 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,3293 |
|
|
CO2 |
0,141990 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,9948 |
|
|
H2O |
0,273948 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,5916 |
|
|
O2 |
0,074696 |
кДж/ (м3 ? гр) |
1,3966 |
|
|
Ar |
0,006528 |
кДж/ (м3 ? гр) |
0,9335 |
Энергетический баланс сушильной камеры будет иметь вид:
Приняв, ранее оговоренное , выражаем из :
Запишем энергетический и материальный баланс для точки смешения ДГ4, ДГ3 и ДГр (Рисунок 2.2):
Отсюда имеем:
Подставляя в материальный баланс, получаем:
Найдя из расчета камеры смешения абсолютные величины объёмов можем найти суммарный расход топлива:
Расход топлива, поступающий на ДГ1:
Расход топлива, поступающий на gДГ1:
Расход топлива в топку:
Зная расход топлива можно определить абсолютные величины расходов:
2.3 Расчет топки
Поскольку, расчет топки, выполненный в «Excel», мы выполняли без учета присоса воздуха (0,4% от расхода окислителя) и рассеяния, через ограждающие стенки топки (3,1%), необходимо пересчитать абсолютные величины объёмов. Для этого составим энергетический баланс топки:
где Q, - теплота сгорания влажного топлива;
- физическая энтальпия топлива;
- присос воздуха в топку;
, м3 - рассеяние энергии через стенки.
Откуда получим:
;
= 535,3 ;
Из баланса камеры смешения , по пересчитанному , находим = 2168,32 и = 1656 .
3. Балансы энергий
3.1 Баланс энергии топки
Баланс энергии для топки был расписан выше . Согласно рисунку 2.3 распишем потоки, входящие в топку и выходящие из неё.
Распишем потоки энергий:
Входная энергия:
Выходная энергия:
Входная энергия:
Выходная энергия:
Дисбаланс 0%.
3.2 Баланс энергии камеры смешения
Баланс энергии для камеры смешения был расписан выше . Согласно рисунку 2.1 распишем потоки, входящие в топку и выходящие из неё.
Распишем потоки энергий:
Входная энергия:
Выходная энергия:
Входная энергия:
Выходная энергия:
Дисбаланс 0%.
3.3 Баланс сушильной камеры
Баланс энергии для сушильной камеры был расписан выше . Согласно рисунку 2.2 распишем потоки, входящие в топку и выходящие из неё.
Распишем потоки энергий:
Входная энергия:
;
Выходная энергия:
Входная энергия:
Выходная энергия:
Дисбаланс 0%.
3.4 Баланс всей системы
Для составления баланса всей системы распишем все потоки энергий, входящие в систему и выходящие из неё, с учетом присосов энергии и рассеяния энергии через ограждающие стенки всех элементов, входящих в систему.
Составим баланс энергии для всей системы:
Входная энергия:
,04
;
Выходная энергия:
;
Входная энергия:
Выходная энергия:
Дисбаланс 0,04%, что допустимо.
4. Эксергетический баланс системы
Эксергия - часть энергии, равная максимальной полезной работе, которую может совершить термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергией иногда называется работоспособность системы. Использование понятия эксергии даёт возможность количественно определить влияние неравновесия термодинамических процессов на эффективность преобразования энергии, то есть позволяет вычислять особенности второго начала термодинамики: выделить ту часть энергии, которая не может быть использована из-за газодинамических явлений, трения, теплообмена. Такой подход даёт возможность анализировать степень термодинамической доскональности того или другого элемента установки и не требует предварительной оценки работоспособности всей установки в целом.
4.1 Методика эксергетического расчета
Эксергия топлива, , [2, с. 220, формула 18.101]
где , кДж/м3 - высшая теплота сгорания топлива;
Эксергия дымовых газов:
Концентрационная составляющая эксергии дымовых газов [2, с. 210, формула 18.57]
где T0, К - температура окружающей среды;
- содержание i - го элемента в дымовых газах;
Ri - универсальная газовая постоянная;
Термомеханическая составляющая эксергии дымовых газов [2, с. 210, формула 18.57]
где T0, К - температура окружающей среды;
- энтропия дымовых газов, при температуре потока;
- энтропия дымовых газов, при температуре окружающей среды;
R - универсальная газовая постоянная;
Полная эксергия дымовых газов, :
Потери эксергии, :
где - внешние потери эксергии [2, с. 282, формула 8.260];
- внутренние потери эксергии;
4.2 Эксергетический расчет топки
Аналогично тому, как расписывались потоки, при составлении энергетического баланса топки, рассчитаем эксергии потоков входящих и выходящих из топки, согласно рисунку (2.3).
Эксергия топлива:
Термомеханическая составляющая:
Эксергия в точке ДГ 1:
Эксергия в точке ДГ 2:
Термомеханическая составляющая эксергии рассеяния в окружающую среду:
Концентрационная составляющая:
Эксергия в точке ДГ 1:
Эксергия в точке ДГ 2:
Эксергия рассеяния в окружающую среду:
Полная эксергия потока ДГ 1:
Полная эксергия потока ДГ 2:
Полная эксергия потока рассеяния:
Потери эксергии:
Внешние потери эксергии:
Внутренние потери эксергии:
Результаты расчета приведены в таблице (4.1):
Таблица 4.1 - Результат расчета эксергии топки
|
Составляющая эксергии |
EТВ, МДж/ч |
ЕДГ1, МДж/ч |
ЕВЗ, МДж/ч |
EДГ2, МДж/ч |
EП, МДж/ч |
Eос, МДж/ч |
|
|
Термомеханическая |
- |
26,9 |
0 |
703,7 |
0 |
0,83 |
|
|
Концентрационная |
- |
9,6 |
0 |
45,6 |
0 |
1,24 |
|
|
Полная |
1297,3 |
36,5 |
0 |
749,3 |
0 |
2,07 |
|
|
Потери |
=1,68 МДж/ч |
=581 Дж/ч |
4.3 Эксергетический расчет камеры смешения
Аналогично тому, как расписывались потоки, при составлении энергетического баланса камеры смешения, рассчитаем эксергии потоков входящих и выходящих из элемента, согласно рисунку (2.1). Результаты расчета приведены в таблице (4.2):
Таблица 4.2 - Результат расчета эксергии камеры смешения
|
Составляющая эксергии |
ЕДГ2, МДж/ ч |
ЕgДГ1, МДж/ ч |
EДГ3, МДж/ ч |
EП, МДж/ ч |
Eос, МДж/ ч |
|
|
Термомеханическая |
703,7 |
396,7 |
1037,5 |
0 |
0,02 |
|
|
Концентрационная |
45,6 |
143,2 |
214,6 |
0 |
0,08 |
|
|
Полная |
749,3 |
539,9 |
1251,1 |
0 |
1 |
|
|
Потери |
=0,1 МДж/ ч |
=38 Дж/ ч |
4.4 Эксергетический расчет сушильной камеры
Аналогично тому, как расписывались потоки, при составлении энергетического баланса камеры сушильной камеры, рассчитаем эксергии потоков входящих и выходящих из элемента, согласно рисунку (2.2). Результаты расчета приведены в таблице (4.3):
Таблица 4.3 - Результат расчета эксергии сушильной камеры
|
Составляющая эксергии |
Eдг4, МДж/ ч |
Едг5, МДж/ ч |
Есм1, МДж/ ч |
Eсм2, МДж/ ч |
EП, МДж/ч |
Eос, МДж/ ч |
|
|
Термомеханическая |
975,60 |
103,90 |
- |
- |
0 |
2,08 |
|
|
Концентрационная |
275,80 |
336,60 |
- |
- |
0 |
6,70 |
|
|
Полная |
1251,40 |
440,50 |
4426,40 |
4156,40 |
0 |
8,78 |
|
|
Потери |
=28,8 МДж/ ч |
=1045,0 МДж/ ч |
Эксергию калийной соли принимаем постоянной, равной 201,2 , [2, с. 517]
4.5 Эксергетический КПД системы
Эксергетический КПД [2, с. 232, формула (18.134)]:
Заключение
В данной курсовой работе были рассчитаны все основные характеристики сушильной установки с дымовыми газами в качестве сушильного агента. Установлены параметры рабочего тела в характерных точках системы, его физические характеристики и составы. Рассчитаны параметры элементов технической системы. Также построены полосовые диаграммы Сэнки и Грассмана.
Были рассчитаны расходы дымовых газов. Это позволило составить энергетические балансы, как всей системы, так и каждого элемента в частности. Рассчитать потери энергии в окружающею среду через ограждающие конструкции. В итоге найден общий расход топлива, который составил Bт=24,86 м3/ч.
Были составлены эксергетические балансы системы, отдельных элементов. Вычислены потери эксергии каждого компонента. В итоге эксергетический КПД сушильной установки
Список использованных источников
1. Хрусталев, Б.М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. / Б.М. Хрусталев, А.П. Несенчук, В.Н Романюк. Минск: УП «Технопринт», 2004. Ч. 1. 487 с.
2. Хрусталев, Б.М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. / Б.М. Хрусталев, А.П. Несенчук, В.Н Романюк. Минск: УП «Технопринт», 2004. Ч. 2. 560 с.
3. Филоненко Г.К., Лебедев П.Д. Сушильные установки. - Москва: «Госэнергоиздат», 1952. - 296 с.
4. Кузнецов, Н.В. Тепловой расчет котельных аппаратов. - Москва: «Энергия», 1973. - 265 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Расчет необходимого объема воздуха и объема продуктов сгорания топлива. Составление теплового баланса котла. Определение температуры газов в зоне горения топлива. Расчет геометрических параметров топки. Площади поверхностей топки и камеры догорания.
курсовая работа [477,7 K], добавлен 01.04.2011Методика расчета горения топлива на воздухе: определение количества кислорода воздуха, продуктов сгорания, теплотворной способности топлива, калориметрической и действительной температуры горения. Горение топлива на воздухе обогащённым кислородом.
курсовая работа [121,7 K], добавлен 08.12.2011Определение теплоты сгорания для газообразного топлива как суммы произведений тепловых эффектов составляющих горючих газов на их количество. Теоретически необходимый расход воздуха для горения природного газа. Определение объёма продуктов горения.
контрольная работа [217,6 K], добавлен 17.11.2010Основы теории диффузионного и кинетического горения. Анализ инновационных разработок в области горения. Расчет температуры горения газов. Пределы воспламенения и давления при взрыве газов. Проблемы устойчивости горения газов и методы их решения.
курсовая работа [794,4 K], добавлен 08.12.2014Типы топок паровых котлов, расчетные характеристики механических топок с цепной решеткой. Расчет необходимого объема воздуха и объема продуктов сгорания топлива, составление теплового баланса котла. Определение температуры газов в зоне горения топлива.
методичка [926,6 K], добавлен 16.11.2011Описание конструкции камерной топки парового котла, краткая характеристика топлива. Расчет необходимого объема воздуха и объема продуктов сгорания топлива. Площадь поверхностей топки и камеры догорания. Расчет температуры газов на выходе из топки.
курсовая работа [3,9 M], добавлен 07.04.2018Проектно-экономические параметры парогенератора. Привязка расчета горения топлива к котлоагрегату. Тепловой баланс парогенератора и расход топлива. Расчет характеристик топки, площади поверхности стен топки и площади лучевоспринимающей поверхности топки.
курсовая работа [444,2 K], добавлен 03.01.2011Пересчет состава и теплоты сгорания топлива. Тепловой баланс парогенератора. Предварительная расчетная схема и конструктивные размеры топки. Определение тепловыделения в топке и теоретической температуры горения. Характеристики и расчет экономайзера.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 21.05.2016Определение расхода воздуха и количества продуктов горения. Расчет состава угольной пыли и коэффициента избытка воздуха при спекании бокситов во вращающихся печах. Использование полуэмпирической формулы Менделеева для вычисления теплоты сгорания топлива.
контрольная работа [659,6 K], добавлен 20.02.2014Расчет теоретического объёма расхода воздуха, необходимого для горения природного газа и расчет реального объёма сгорания, а также расчет теоретического и реального объёма продуктов сгорания. Сопоставление расчетов, используя коэффициент избытка воздуха.
лабораторная работа [15,3 K], добавлен 22.06.2010
