Расчет цистерны автогудронатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Применение битума как одного из наиболее известных инженерно-строительных материалов основано на его адгезионных и гидрофобных свойствах. Область применения битума достаточно широка: он применяется при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений и т. Д. Главным же потребителем битума является дорожное строительство, где битум используется как вяжущий материал. Один из нескольких способов доставки битума к месту ремонта дорог (отдаленного от места получения и хранения битума) -- это автогудронаторы. Они обеспечивают: забор материала на битумной базе из нагревателей битума и битумохранилищ, сохранение температуры битумного материала в цистерне при транспортировании его без подогрева и подогрев материала до рабочей температуры битума (Т=160-180^оС); возможность транспортирования битумных материалов на значительные расстояния; равномерность распределения битумных материалов с точным регулированием норм розлива на единицу поверхности; распределение материала под давлением. Всё это соблюдается при соблюдении температурного режима битума, его рабочей температуры, который остается постоянным благодаря отопительной системе автогудронатора.

Цель данной работы - произвести тепловой расчет цистерны автогудронатора при известных условиях транспортировки битума, схемы обогрева цистерны и материала изоляции цистерны.

Для этого были поставлены следующие задачи:

1. рассчитать процесс горения топлива;

2. рассчитать теплоизоляцию цистерны;

3. определить теплоту сгорания и расход топлива;

4. определить размеры жаровых труб для подогрева битума.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Битумы

Нефтяные битумы представляют собой полутвердые продукты, состоящие из углерода и водорода, содержащие определенное количество кислород-, серо-, азотсодержащих соединений.

Применение битума как одного из наиболее известных инженерно-строительных материалов основано на его адгезионных и гидрофобных свойствах. Область применения битума достаточно широка: он применяется при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений и т. Д. Главным же потребителем битума является дорожное строительство.

Основным сырьем для производства битумов в нашей стране являются остаточные продукты нефтепереработки: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций и др.

Различают три основных способа получения нефтяных битумов. Концентрированием нефтяных остатков путем перегонки их в вакууме получают остаточные битумы. Для получения остаточных битумов может быть использовано только сырье с большим содержанием асфальто-смолистых веществ, которые в достаточном количестве присутствуют в тяжелых высокосмолистых сернистых нефтях.

Окисление кислородом воздуха различных нефтяных остатков и их композиций при температуре 180-300 ^оС (окисленные битумы). Окисление воздухом позволяет существенно увеличить содержание асфальто-смолистых веществ, наиболее желательного компонента в составе битумов. Процесс насыщения битума кислородом или окисление повышает его начальные показатели теплостойкости и пластичности. Для производства окисленных битумов БашНИИНП предложено классифицировать нефти по содержанию (%, масс.) в них асфальтенов (А), смол (С) и твердых парафинов (П). Нефть считается пригодной для производства окисленных битумов, если выполняется условие

А + С - 2.5П ? 0 при А + С > 6 (1)

Смешением различных окисленных и остаточных битумов, а также нефтяных остатков и дистиллятов между собой получают компаундированные битумы.

Вязкие битумы, применяемые в дорожном покрытии, используются как вяжущее между каменными материалами. В зависимости от марки асфальта содержание битума в нем составляет 5,5-8 %. Долговечность дорожного покрытия во многом зависит от марки применяемого битума и его качества. В соответствии с ГОСТ 22245-90 вязкие битумы для дорожного строительства вырабатываются двух типов: БНД и БН и маркируются по пенетрации при 25 °С.

При строительстве и ремонте дорог битум может быть разжижен растворителем (керосиновая фракция). Разжиженные битумы разделяются на быстро-, средне- и медленно затвердевающие марки. Для предварительной обработки поверхностей применяют битумные эмульсии, которые готовят с применением коллоидных мельниц, добавляя к битуму воду и эмульгаторы [8].

1.2 Машины и оборудование для работы с битумом

Рабочая температура битумных материалов определяет способ их перевозки, хранения и подачи потребителю. Рабочая температура твердых нефтяных битумов 130-180, твердых сланцевых битумов 110-130, жидких битумов колеблется от 10-20 до 60-12, каменноугольных и торфяных дегтей, применяемых в дорожном строительстве, 40-120.

Наиболее сложным является битумное хозяйство при применении твердых нефтяных и сланцевых битумов. Доставка этих материалов с мест их добычи и переработки производится в специальных вагонах-цистернах или бункерных полувагонах. Цистерны наполняют битумом при температуре около 200 ^оС. При наличии термоизоляции битум в течение 8-10 дней сохраняет температуру, обеспечивающую его текучесть и слив из цистерн самотеком. Через 8-10 дней битум застывает, и для слива его необходимо подогреть до температуры текучести (60 - 80 ^оС).

Широко применяют бункерные полувагоны с четырьмя опрокидывающимися бункерами. Бункера двустенные, с расстоянием между стенками. Бункера заполняются горячим битумом, который в пути застывает. При разгрузке в полости между стенками подают пар. В местах соприкосновения с внутренней стенкой тонкий слой битума расплавляется. При опрокидывании бункера битум вываливается из него. Применение бункерных полувагонов в летнее время затруднительно, так как битум находится в текучем состоянии. Для подогрева битумных материалов перед разгрузкой из цистерн и полувагонов в хранилище получили распространение передвижные парообразователи, применяемые также для местного подогрева битума в хранилищах временного типа, не снабженных постоянной системой подогрева.

1.2.1 Оборудование для разогрева битума до рабочей температуры

Нагреватели битума могут быть оборудованы обогревательными устройствами в виде топок для твердого, жидкого и газообразного топлива, из которых горячие газы проходят по жаровым трубам и дополнительным газоходам, установленным внутри котла, и змеевикам для пропуска пара или масла, расположенным внутри котла. При определении количества полезной теплоты необходимо иметь в виду, что в котел в большинстве случаев поступает битум, подогретый до температуры 80-100 °С, и в котле происходит только его подогрев до рабочей температуры (140-160 °С).

1.2.2 Машины и оборудование для транспортирования и распределения битума (автобитумовозы и автогудронаторы)

Для распределения на поверхности дорожного покрытия битумных вяжущих материалов как горячих (битум, деготь), так и холодных (эмульсии, разжиженные битумы и дегти, мазут, нефть) ровным слоем в определенных количествах (от 0,5 л/м² и более) предназначены автогудронаторы (гудронаторы). Для обеспечения достаточного проникания битума вглубь обрабатываемого щебеночного слоя распределение производится под давлением 0,2-0,6 Мпа, что способствует лучшему сцеплению битумного материала со щебнем.

Гудронаторы классифицируют по назначению - гудронаторы строительные и ремонтные. Строительные гудронаторы обычно имеют бак вместимостью 3000 л и выше (до 20 000 л), а ремонтные - бак небольшой вместимостью (до 400 л). Гудронаторы бывают ручными, смонтированными на ручной двухколесной тележке (ремонтные); прицепными, смонтированными на автомобильном прицепе или на специальной тележке, присоединяемой к большегрузной цистерне; полуприцепными, смонтированными на полуприцепе седельного типа; самоходными, смонтированными на шасси грузового автомобиля (автогудронаторы) (рис.1). Рабочие операции в автогудронаторе осуществляются с помощью насоса. Компрессорные гудронаторы наполняются в результате разряжения, создаваемого в цистерне с помощью компрессора, а распределение производится под давлением сжатого воздуха в цистерне.

Рис. 1. Схемы машин для транспортирования и розлива битума: 1-цистерна; 2-теплоизоляция; 3-сетчатый фильтр; 4- заливная горловина; 5-указатьль уровня; 6-запорный клапан; 7-большой кран; 8-переливные устройства; 9-насос; 10-трубопроводный разлив; 11-шаровые соединения; 12-малые краны; 13-трубопровод циркуляции; 14-рычаги управления большим краном; 15-рычаги управления распределения; 16-рычаги управления малым краном; 19-приемный трубопровод; 20-топливный бак насоса; 21-распределитель средний; 22-распределитель промежуточный; 23-распределители концевые.

Автогудронаторы применяют при постройке щебеночных и гравийных покрытий способами поверхностной обработки, пропитки и смешения на месте. Они должны обеспечивать: забор материала на битумной базе из нагревателей битума и битумохранилищ; сохранение температуры битумного материала в цистерне при транспортировании его без подогрева и подогрев материала до Т =160-180°С; возможность транспортирования битумных материалов на значительные расстояния; равномерность распределения битумных материалов с точным регулированием нормы розлива на единицу поверхности; распределение материала под давлением.

Основными частями гудронатора являются: цистерны для битумного материала; отопительная система; циркуляционно-распределительная система, посредством которой осуществляется циркуляция материалов при подогреве и их распределение; битумный насос с приводом от коробки передач автомобиля или от отдельного двигателя; система управления; шасси, на котором установлены агрегаты.

Цистерна имеет теплоизолирующий слой, проложенный между стенками цистерны и кожухом для предохранения вяжущего материала от остывания. Внутри цистерны имеются перегородки для уменьшения силы удара жидкости о стенки во время движения автогудронатора. Сверху расположен загрузочный люк с фильтром. Цистерна имеет указатель уровня, термометр с выводом сигнала на панель. Внутри цистерны установлены жаровые трубы и сливная труба. Нагревательная система автогудронатора имеет две форсунки. Для разогрева битума в трубах и в насосе имеется переносная форсунка. Горячие газы, образующиеся при сгорании топлива, проходят по жаровым трубам, разогревают вяжущий материал и выходят через дымовую трубу.

Распределительная система автогудронатора (рис. 2) позволяет выполнять следующие операции: перекачивать горячий или холодный вяжущий материал из котла в цистерну; перемешивать материал во время подогрева; распределять вяжущий материал через сопла распределительных труб; распределять вяжущий материал через ручной распределитель и с перепуском части его в цистерну; отсасывать остатки вяжущего материала из распределительной системы; перекачивать вяжущий материал из одной емкости в другую; освобождать цистерну от остатков вяжущего материала. Распределительные трубы предназначены для равномерного разбрызгивания вяжущего материала по покрытию. В отверстия труб вставлены сопла. Распределительные трубы можно поднимать и опускать на нужную высоту, а также поворачивать соплами вверх по окончании розлива, чтобы битум не затекал в сопла и не застывал в них.

Прицепные гудронаторы позволяют использовать для перевозки битума цистерны более простые, чем у автогудронатора, и обслуживать одним гудронатором несколько цистерн. Прицепной распределитель битума имеет оборудование для розлива вяжущих материалов, двигатель, насос и распределительную систему. Принцип его работы не отличается от работы описанного выше автогудронатора. Распределитель соединен с цистерной гибким рукавом [1].

Рис. 2. Дозировочно-распределительная система автогудронатора: 1 - люк; 2 - краны; 3 - штуцер; 4 - трубопровод соответственно выдачи и приемный; 5 -циркулярные краны; 6 - система обеспечения расхода на единицу длины; 7 - выходной канал;8 - солнечные шестерни; 9- ось сателлитов; 10- расходомер; 11 - вариатор; 12-опорное колесо; 13 - распределитель; 14- битумный насос.

1.3 Автогудронатор ДС-39Б

Автогудронатор ДС-39Б применяется при проведении дорожных строительно-ремонтных работ на автомобильных дорогах для распределения по поверхности дороги органических вяжущих материалов на основе гудрона (битум, дёготь). А также автогудронатор ДС-39Б предназначен для транспортировки этих жидкостей, (как в холодном, так и в горячем виде) с мест производства или хранения с температурой + 200 градусов Цельсия. При этом тепло жидкости, перевозимой ДС-39Б, теряется очень медленно, в зависимости от окружающей температуры.

В составе основного рабочего оборудования состоит цистерна для перевозки гудроновых жидкостей. Цистерна ДС-39Б обладает отличной вместимостью (около 4000 литров), что позволяет ДС-39Б тратить меньше времени на дополнительную заправку, в результате, это свойство ДС-39Б косвенно влияет на окупаемость ДС-39Б, делая её быстрее. Ещё один немаловажный фактор в ДС-39Б - это отличный запас сохранения температуры жидкости. Это достигается полной термоизоляцией цистерны, при транспортировке ДС-39Б битума, температура в цистерне падает не более чем на 4% от перепада температур окружающей ДС-39Б среды.

При прибытии ДС-39Б в пункт назначения (место ремонта или укладки дорожного покрытия), содержимое цистерны ДС-39Б необходимо подогреть до определённой температуры. Эта операция выполняется ДС-39Б при помощи одной стационарной горелки через жаровую трубу U-образного типа, в качестве горючего в этой системе используется дизельное топливо, скорость увеличения температуры в цистерне ДС-39Б - не менее 10 С⁰ в час.

Управление всеми рабочими операциями ДС-39Б осуществляется из кабины ДС-39Б при помощи пневматической системы ДС-39Б. Привод же в действие рабочих агрегатов специальной установки осуществляется от коробки передач шасси ДС-39Б через коробку отбора мощности ДС-39Б, при помощи гидравлической системы ДС-39Б. Лёгкость в управлении обуславливает такой большой спрос на автогудронатор ДС-39Б и большое число коммунальных хозяйств, которые изъявляют желание купить ДС-39Б. К тому же продажа ДС-39Б проводится по сравнительно низким ценам, в результате чего купить ДС-39Б может почти каждое дорожно-строительное или коммунальное предприятие.

Распределение ДС-39Б по поверхности дорожного полотна производится при помощи специального распределителя битума (циркулярного типа с запорными соплами). В процессе распределения такой жидкости по асфальтобетонной поверхности одну из главных ролей играет площадь, которую охватывает ДС-39Б при работе. Ширина распределения битума достигает почти 5 метров [3], [12].

1.4 Отопительная система автогудронатора

Отопительная система автогудронаторов (рис. 3) состоит из двух жаровых труб, горелок, топливного бака, топливопроводов и системы подачи топлива. Система предназначена для нагревания битума до 180°С и поддержания его рабочей температуры. Расчет отопительной системы включает в себя определение количества теплоты, необходимое для подогрева битума за конкретное время теплоты сгорания и часового расхода топлива; количество теплоты, передаваемое от горячих газов к битуму через жаровые трубы, определяют площадь жаровых труб. При известной длине жаровых труб, их форме и площади находят диаметр жаровых труб.

Рис. 3. Схема отопительной системы с жаровыми трубами. 1-жаровая труба; 2-стационарная горелка; 3-вентиль стационарной горелки; 4-распределительный вентиль; 5-переносная горелка; 6-вентиль переносной горелки; 7-шланг переносной горелки; 8-ресивер; 9-вентиль воздухопровода; 10-тонкий вентиль; 11-топливный бак [1].

1.5 Основы теплопередачи

Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют теплоносителями (один, более нагретый, - горячим, а другой, менее нагретый, - холодным теплоносителем).

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

Процесс передачи тепла протекает во времени и в пространстве. Распределение температуры в различных точках пространства называется полем температур или температурным полем. Кроме изменения в пространстве, температурное поле может изменяться также и во времени. В общем случае температура t является функцией координат х, у, z и времени ф, т.е. t = f(x, у, z, ф). Соединив в пространстве точки с одинаковой температурой, получим так называемые изотермические поверхности.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температура является функцией только системы координат, т.е. t = f(x, у, z) и не зависит от времени. При неустановившемся (нестационарном) процессе температура изменяется в пространстве t =(х, у, z, ф).

1.5.1 Теплопроводность

Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное).

Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т.е. отношения dT/dx разности температур на концах стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м²) и коэффициента теплопроводности материала [в соответствующих единицах Вт/(м*К)]. Соотношение между этими величинами было выведено французским математиком Ж.Фурье и имеет следующий вид:

(2)

где - тепловой поток,

- коэффициент теплопроводности,

Это соотношение называется законом теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота передается в направлении, обратном градиенту температуры.

Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из величин - коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры. Для здания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.

1.5.2 Конвекция

При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим силам нагретая часть среды движется вверх. Данное явление называется конвекцией.

Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости среды; очень важны также размер и форма нагревателя. Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона:

где - тепловой поток (измеряемый в ваттах),

- площадь поверхности источника тепла (в м²),

Т_w и T_Г - температуры источника и его окружения (в Кельвинах).

Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м²·К). Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность - это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные. Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой. Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса.

1.5.3 Лучистый теплообмен

Третий вид теплопередачи - лучистый теплообмен - отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение -- это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды - радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения - возникают в отсутствие разности температур.

На рис. 4 представлена зависимость энергии теплового (инфракрасного) излучения от длины волны. Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра.

Рис. 4. Зависимость интенсивности излучения от длины волны

Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана -- Больцмана:

где q - тепловой поток (в Вт),

А - площадь поверхности излучающего тела (в м²),

Т₁ и Т₂ - температуры (в кельвинах) излучающего тела и окружения, поглощающего это излучение,

- постоянная Стефана - Больцмана, равна (5,66961±0,00096)·10^-8 Вт/(м²·К⁴).

Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя - так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана - Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального [13].

битум цистерна автогудронатор тепловой

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Исходные данные:

· Автогудронатор ДС-39Б, с объемом цистерны для битумного материала V_ц =4000 л;

· Система подогрева материала в цистерне двумя стационарными горелками на дизельном топливе;

· Материал - нефтяной дорожный битум марки БНД 90/130 [8], ²⁰= 1023 кг/м³ [6], начальная температура битума 180 ⁰С, скорость падения температуры битума в цистерне на 1,5град/ч

· Теплоизоляция цистерны - стекловолокно, коэффициент теплопроводности изоляции =0,000070 кВт/(м²·⁰С) [6];

2.1 Расчет процесса горения топлива

Топливом для работы горелок автогудронаторов служит дизельное топливо. Данные по элементному составу взяты из литературного источника [14] и сведены в таблице 1.

Таблица 1 Элементный состав дизельного топлива

Элемент	Ст	Нт	Sт	Oт	Nт
Содержание,%	86,4	13,4	0,5	1,0	0,02

Ввиду отсутствия данных по содержанию влаги и азота в составе топлива, а также их незначительным вкладом в величину теплоты сгорания, можно пренебречь их содержанием. Расчет удельной низшей теплоты сгорания топлива определяем по формуле Д.И. Менделеева [11]

(5)

где С_Т, Н_Т, S_Т, О_Т, N_Т- содержание в топливе соответственно углерода, водорода, серы, кислорода, азота.

W_Т - содержание влаги в составе топлива, %; 33915, 125600 и 10880 - теплоты сгорания соответственно углерода, водорода и серы, а 2500 - теплота конденсации воды, кДж/кг.

Тогда удельная низшая теплота сгорания топлива равна:

2.1.1 Сгорание веществ и определение расхода воздуха

Реакция сгорания углерода в общем виде определяется уравнением

В составе воздуха азот занимает 79% объема, а кислород 21 %. Поскольку объемы молекул отличаются незначительно, то соотношения следовательно с одной молекулой кислорода в зону горения вносится 3.76 молекул азота с молекулярной массой 28.

С учетом принесенного азота уравнение горения углерода будет иметь вид:

При переходе к массе в килограмм-молях уравнение примет вид

Разделив все слагаемые уравнения (8) на (12), найдем массу кислорода, необходимую для горения 1 кг углерода и массу азота и углекислого газа (кг), получаемых в результате реакции горения:



Поскольку доля углерода в составе 1 кг топлива равна, уравнение (8) примет вид:

(10)

Реакция сгорания водорода и серы протекают аналогично:

После преобразований получаем:

при сгорании кг серы

Из уравнений горения компонентов топлива (10), (13) и (14) определяем теоретический расход (кг) кислорода m_т.о и воздуха m_т.в для сгорания 1 кг топлива:

(16)

Действительный расход воздуха m_д.в (кг) для сжигания 1 кг топлива выше теоретического расхода воздуха и определяем по формуле

где - коэффициент избытка воздуха для полного сжигания топлива; = 1.2 для легкого жидкого топлива (дизельное топливо).

Подставим данные по элементному составу дизельного топлива из таблицы 1 в (16):

Тогда расход воздуха на сгорание 1 кг топлива составит:

2.1.2 Состав и масса продуктов горения топлива

Для азота

Для сернистого газа

Общая масса продуктов горения



Необходимо помнить, что , допустимое отклонение должно быть не более 0.03 кг [1].

2.1.3 Средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания

Средняя удельная теплоемкость (кДж/(кг·К)) продуктов сгорания определяется по формуле (24):

где - удельные теплоемкости соответствующих газов, кДж/(кг·).

Теплоемкость газов при постоянном давлении изменяется с изменением температуры по следующим зависимостям:

Плотность дизельного топлива ²⁰=860 кг/м³ [6], тогда относительная плотность составит =0.860 кг/м³:

где - относительная плотность дизельного топлива,

a - поправка на изменение плотности при изменении температуры на один градус,

a=0.000686 [11].

Теплоемкость рассчитываем по формуле Крэга [11]:

(31)

Все тепло, внесенное в топку, разогревает продукты сгорания до теоретической температуры горения топлива t_Т.Т. (К) в соответствии с тепловым балансом:

где Q_Т - потери тепла топкой в окружающее пространство, кДж/кг топлива, Q_Т=0.03 Q_В;

Q_Х - потери от химической неполноты сгорания топлива кДж/ кг топлива,

Q_Х=0.02 Q_В;

Q_М - потери от механической неполноты сгорания, кДж/ кг топлива, Q_М=0.03Q_В;

с_в - теплоемкость сухого воздуха, с_в=1.01 кДж/(кг·К);

t_в - температура воздуха, t_в=293 К;

с_Т - теплоемкость дизельного топлива при t_Т, с_Т = 1.97 кДж/ (кг·К);

t_Т - температура вспышки дизельного топлива, t_Т = 313 К [4];

с_ср - средняя теплоемкость продуктов сгорания (4.1.3.25 - 4.1.3.29);

t_Т.Т. - теоретическая температура горения топлива

Левая часть уравнения определяет количество теплоты, вносимое в топку с каждым килограммом топлива и обозначается Q_вн:

Подставив в правую часть уравнения (32) значение с_ср из формулы (24) и вместо теплоемкостей газов их значения, получим уравнение теплового баланса процесса горения в функции теоретической температуры горения:

Раскрываем скобки и группируем члены обозначив:

получим:

Решаем полученное квадратное уравнение:

Получим теоретическую температуру горения топлива = 1790 К

Действительная температура горения топлива составит:

где у - коэффициент прямой отдачи тепла от факела лучеиспусканием; у=0.25 [1].

Тогда

2.2 Расчет теплоизоляции цистерны

При расчете теплоизоляции цистерны определяют толщину слоя изоляции по количеству теплоты, выделяемой битумом при его остывании за 1 ч не более чем на 1,5⁰С; количество тепла, которое может быть передано в окружающую среду через наружную поверхность цистерны при заданных условиях. Приравняв количество теплоты, теряемое битумом, и количество теплоты, проходящее через стенку цистерны, определяем толщину слоя изоляции.

Количество тепла Q (кДж), выделяемое при остывании битума за 1 ч:

где - масса битума, кг;

- удельная теплоемкость битума,

;

- начальная температура битума, ;

- температура битума через 1 ч транспортирования,

.

Таблица 2 Теплоемкость битума в зависимости от температуры [6]

Температура битума, 0С	1.0-20	30-60	60-100	100-150	150-180
Теплоемкость, кДж/(кг·0С)	1.1-1.25	1.25-1.45	1.45-1.65	1.65-1.85	1.85-2.2

Плотность битума при 20⁰С ²⁰=1023 кг/м³ [6]. Тогда относительная плотность составит , а при t=180 ⁰С определяем по уравнению А.К. Мановяна [11]:

Тогда масса битума составит:

где - объем цистерны, по условию .

Количество тепла, выделяемое при остывании битума на 1.5 ⁰С, из (38) следует:

Количество теплоты (кДж), теряемое битумом через внешнюю поверхность в окружающее пространство:

где k - коэффициент теплопередачи, кВт/(м²·⁰С);

- площадь поверхности цистерны, м²;

- средняя температура битума, ⁰С; ;

- температура наружного воздуха, .

Площадь поверхности эллиптической цистерны (рис.5):

где - площадь эллиптических торцов цистерны, м²;

- боковая площадь цистерны, м².

где a и b - полуоси эллипса торцовых днищ, м² (см. рис.5); по условию a=0.8 м, b=0.6 м.

где - длина цистерны, =2.7 м по условию.

Тогда площадь поверхности цистерны составит:

Рис. 5. Цистерна автогудронатора

Коэффициент теплопередачи через трехслойную стенку от горячего битума к воздуху:

где - коэфициефнт теплоотдачи от битума к металлической стенке цистерны,

=0.097 кВт/(м2·0С);

- толщина стенки цистерны, =0.004 м;

- коэффициент теплопроводности стали (марки Ст3СП), =0.046 кВт/(м2·0С);

- толщина слоя теплоизоляции, м;

- коэффициент теплопроводности теплоизоляции,

=0.000070 кВт/(м2·0С) для стекловолокна;

- толщина стенки кожуха, =0.001 м;

- теплопроводность стали;

- коэффициент теплоотдачи от кожуха цистерны наружному воздуху, кВт/(м2·0С),

где н_Г - скорость движения автогудронатора, м/с;

D_ср. - средний диаметр цистерны.

Тогда при скорости движения автогудронатора н_Г =80 км/ч =22.2 м/с коэффициент теплоотдачи составит:



Для условий стоянки в безветренную погоду вместо скорости н_Г принимаем скорость конвективного движения воздуха вокруг цистерны, н_Г =0.5 м/с.

Приравнивая правые части уравнений (38) и (41) и выразив, получим [1]:

2.3 Расчет отопительной системы

При расчете отопительной системы определяют количество тепла, необходимое для подогрева битума за определенное время; теплоту сгорания и часовой расход топлива; количество тепла, передаваемое от горячих газов к битуму через жаровые трубы. Затем, приравнивая количество тепла, необходимое для нагрева битума, и количество тепла, проходящее через стенку жаровой трубы, определяют площадь жаровых труб. При расчете принимаем, что скорость нагрева битума н_н.б.=15 ⁰С/час.

Часовое количество тепла, вырабатываемое отопительной системой (кДж):

где =2.2 кДж/(кг·⁰С) (см. таблицу 2).

Расход топлива отопительной системой автогудронатора (кг/ч):

где - полезно используемое тепло от сжигания 1 кг топлива, кДж/кг.

Количество полезно используемого тепла зависит от теплоты сгорания топлива и суммы потерь тепла. Потери тепла при работе форсунок (%) составляют от химической неполноты сгорания q_х=2%; от механической неполноты сгорания q_м=5%; потери горелкой в открытое пространство q_о.п.=6%; потери с дымовыми газами q_д.г.=15%.

Общие потери тепла (%):

Полезно используемое тепло (кДж/кг) от сжигания 1 кг топлива:

Тогда расход топлива составит:

Чтобы определить поверхность жаровых труб запишем основное уравнение теплопередачи:



где - тепловой поток, кВт;

- коэффициент теплопередачи, кВт/(м²·⁰С);

- площадь поверхности жаровых труб, м²;

- средняя разность температур.

Определим коэффициент теплопередачи, :

где - коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке жаровой трубы,

кВт/(м²·⁰С);

- толщина стенки, ;

- коэффициент теплопроводности стали, кВт/(м²·⁰С);

- коэффициент теплоотдачи от стенки жаровой трубы к битуму,

кВт/(м²·⁰С).

Находим :

где

-

-;

- температура дымовых газов,

Тогда поверхность жаровых труб составит:

Жаровые трубы имеют U - образную форму. Длину каждой ветви жаровых труб принимаем равной 0.8 длины цистерны L_ц; тогда общая длина жаровых труб, :

где z - число жаровых труб; z=2.

Используя значения, полученные в формулах (57) и (58) диаметр жаровых труб составит [2]:

2.4 Выбор материала жаровых труб

Приняв во внимание то, что действительная температура горения топлива t_Д.Т. =1069.5⁰С, целесообразно в качестве материала жаровых труб вблизи горелки, где самая высокая температура, сталь, который имеет температуру плавления 1100 - 1200⁰С[15] и размягчается только вблизи температуры плавления. Его коэффициент теплопроводности равен 0,0323 кВт/(м^{2 0}С).

3. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Схема самоходного автогудронатора

2. Схема отопительной системы автогудронатора.

3. Эскиз распределительного устройства.

ВЫВОДЫ

В проделанной работе все задачи были решены:

1. Рассчитан процесс горения топлива, действительная температура горения t_Д.Т =1069.5

2. Рассчитана теплоизоляция цистерны (l₂=5.56·10^-2 [м]);

3. Определена низшая теплота сгорания и расход топлива (Q_н=4.31·10⁴ [кДж/(кг топлива)]; Q_Т.О.С.=3.42 [кг/час]);

4. Определены размеры жаровых труб для подогрева битума: диаметр (D_Ж.Т.=5.5·10^-2 [м]) и общая длина (УL_Ж.Т.=8.64 [м]).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дорожно-строительные машины и комплексы: учебник для вузов/ В.И. Баловнев и др.; под общ. ред. В.И. Баловнева. - Москва-Омск: СибАДИ, 2001. - 528 с.

2. Артемьева К.А., Алексеева Т.В., Белокрылов В.Г. Дорожные машины: в 2-ух частях. Ч.П. Машины для устройства дорожных покрытий. М.: Машиностроение, 1982, 396 с.

3. Васильев А.А. Дорожные машины: учебник для автомобильно-дорожных техникумов. М.: Машиностроение, 1987, 416 с.

4. Технология переработки нефти. В 2-х частях. Часть первая. Первичная переработка нефти. /Под ред. О.Ф. Глаголевой и В.М. Капустина.- М.: Химия, КолосС, 2007.- 400 с.

5. Краткий справочник физико-химических величин. /Под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономаревой. - Л.: Химия, 1983. - 232с.

6. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности неорганических и органических веществ. /Коллектив авторов. СПб: НПО Профессионал. 2003.

7. Дорожные машины. Теория, конструкция и расчет./ Под общей ред. Н.Я. Хархуты.

8. Битумные материалы. Под ред. Хайберга. М.: Химия. 1974.

9. Монастырский О.В. Организация разогрева битума и мастик в строительстве. М.: Транспорт, 1973.

10. Справочник конструктора дорожных машин. Под ред. И. П. Бородачева. М.: Машиностроение, 1973.

11. Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. - 2-е изд., пер. и доп. - М., Химия, 1980. - 256 с.

12. http://www.rus-parts.ru/ds-39b.htm

13. Михеев М.А. Основы теплопередачи. - 2-е изд., 1949. - 396 с.

14. Кузнецов Б.Н. Моторные топлива из альтернативного нефти сырья// Соросовский образовательный журнал -2000. - Т.6. - С. 51-56.

15. Марочник сталей и сплавов. http://www.splav.kharkov.com

Размещено на Allbest.ru