Горение топлива и расчеты горения

Горение топлива. Реакции горения и газификации.

Смесеобразование и его роль в процессе сжигания топлива. Химическая неполнота сгорания. Избыток воздуха. Горение и газификация.

Особенности горения жидкого, газообразного и твердого топлива. Механическая неполнота сгорания.

Расчеты горения топлива. Объемы воздуха. Состав и объемы продуктов сгорания. Энтальпия продуктов сгорания топлива.

 

Топочные устройства

Способы сжигания топлива и основные виды топок.

Слоевые топки. Основные типы и их особенности.

Факельные топки для сжигания твердого топлива (пылеугольные топки).

Газомазутные топки.

Котельные установки

Общие сведения о котельных установках.

Принцип действия и устройство котельного агрегата.

Естественная и принудительная циркуляция в котельных агрегатах. Прямоточные котельные агрегаты.

Конструкции и принцип действия паровых котельных агрегатов: вертикально-цилиндрические, вертикально-водотрубные, экранного типа. Водогрейные котлы, котлы-утилизаторы.

Тепловой баланс котельного агрегата. КПД и расход топлива.

Основные потери теплоты в котельном агрегате.

Теплоснабжение промышленных предприятий. Теплоносители и их сравнительная характеристика: продукты сгорания топлива (дымовые газы), водяной пар, горячая вода, другие теплоносители. Источники теплоснабжения предприятий.

ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

 

Требования к выполнению и оформлению контрольных работ студентов-заочников определяются исходя из того, что контрольная работа является учебной работой. В контрольной работе студент показывает уровень усвоения дисциплины, который оценивается рецензентом. Требования к оформлению контрольной работы предполагают также знакомство с правилами и нормами оформления инженерной документации и технической литературы.

1 В контрольной работе необходимо выписать полностью условие задачи и исходные данные, которые выбираются по варианту (две последние цифры шифра).

Решение задач необходимо сопровождать кратким пояснительным текстом. В нем даются обоснования выбираемых величин, выполняемых действий, принятых допущений и т.д., поясняются величины, используемые в формулах, с указанием их размерности.

3 Следует избегать применения готовых частных или промежуточных вычислительных формул. Необходимо указывать, из каких основных исходных законов и уравнений и как они получены, обосновывать их применение.

4 Все вычисления необходимо производить в единицах СИ. Схема записи расчетов: обозначение определяемой величины – формула – подставленные числовые значения – результат – размерность. Например:

 

Q = k (t₁ – t₂) F= 846 (36,5 – 27,8) 4,6 = 33940 Вт = 33,94 кВт

Перевод значений величин из практических несистемных единиц в единицы СИ рекомендуется выполнить до осуществления вычислений по формуле. Переводить значения величин из единиц СИ в практические несистемные единицы рекомендуется после получения готового результата.

5 Следует обращать внимание на грамотность записи вычислений. При подстановке численных значений в формулу не допускаются предварительные вычисления (в уме), расшифровка величин или изменение формулы. В случае применения несистемных практических единиц измерения, переводные коэффициенты в формулах необходимо пояснить с указанием размерностей соответствующих величин, из-за которых эти коэффициенты появляются.

6 Необходимо давать ссылку на источник используемой справочной информации (значений величин, формул, рекомендаций). Для общеизвестных теоретических и математических формул ссылки на источники не даются. В ссылке первой цифрой указывается номер источника в списке литературы. Примеры оформления ссылок: [5]; [2, с.48]; [3, рис.12]; [4, табл.6].

7 Следует по возможности дать краткую оценку полученных результатов и их анализ.

8 Для замечаний рецензента в тетради нужно оставлять поля.

9 В конце работы обязательно указать список используемой литературы, выполненный в соответствии с СТБ 1.441.5 – 96, поставить дату, подпись.

Работы, не удовлетворяющие указанным требованиям, не рецензируются.

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

Задача 1

Для заданного процесса изменения состояния идеального газа определить начальные и конечные параметры состояния(р, υ, T) и массу газа. Определить также для 1 кг идеального газа теплоту процесса, работу изменения объема, располагаемую внешнюю работу, изменение внутренней энергии и энтальпии.

Изобразить процесс в рυ– и Ts – диаграммах. Исходные данные выбрать из таблицы 1.

Ответить на вопрос: - Чем отличается удельная газовая постоянная R от газовой постоянной mR (универсальной газовой постоянной)?

Указания

1 Теплоемкость газа считать не зависящей от температуры. Мольные теплоемкости выбрать из таблицы А.1 в зависимости от атомности газа.

2 Удельную газовую постоянную R определять по значениям универ-сальной газовой постоянной и молярной массы газа.

3 Параметры другого не заданного состояния определять, используя со-отношения параметров для идеальных газов (законы идеальных газов).

4 Значения теплоты и работы процесса, изменений внутренней энергии и энтальпии определить по исходным формулам через параметры состояния. Выражения для первого закона термодинамики использовать только для анализа полученных результатов и их проверки.

 

Таблица 1 – Исходные данные к задаче 1

 

Последняя цифра шифра	Процесс	р1, бар	t1, 0С	р2, бар	t2, С	Предпос-ледняя цифра шифра	V1, м3	Газ
	υ = const	1,8		5,6	-		3,4	воздух
	р = const	6,4		-			5,3	О2
	T = const	4,5		1,2	-		6,4	СО
	q = 0	1,8	-	8,5			2,2	N2
	р = const	2,4		-			2,8	CO2
	υ = const	6,5	-	3,5			5,4	SO2
	q = 0	-		1,2			4,7	СО2
	р = const	4,3		-			3,6	воздух
	υ = const	5,8		1,4			6,3	N2
	T = const	3,4		16,4	-		4,2	О2

 

Задача 2

Водяной пар с заданными начальными параметрами, обозначенными индексом 1, перегревается при постоянном давлении в пароперегревателе, где его температура повышается на величину Δt. После пароперегревателя пар дросселируется до давления р₃ = 1,6 бар.

С помощью таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара [5] определить: начальное состояние пара, второй параметр состояния (давление или температуру) насыщенного пара; степень сухости пара; удельные объем, энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию пара в начальном состоянии; массу насыщенного влажного пара (m), кипящей воды (m'₁) и сухого насыщенного пара (m"₁), если задан объем, занимаемый паром (V₁); объем кипящей воды (V'₁) и объем сухого насыщенного пара (V"₁) в начальном состоянии.

С помощью hs-диаграммы водяного пара определить конечные параметры и состояние пара в каждом процессе (р, υ, t, h, s), количество теплоты и работу расширения пара в процессе перегрева и величину перегрева пара Dt_пер после дросселирования. Изобразить процессы в hs-диаграмме.

Исходные данные выбрать из таблицы 2.

Ответить на вопросы

1 В каком состоянии пар называют насыщенным и перегретым?

2 Какое состояние вещества называют влажным паром?

Указание – Величина перегрева пара равна Dt_пер = t – t_н.

 

Таблица 2 – Исходные данные к задаче 2

 

Последняя цифра шифра	t1, ºС	р1, МПа	υ1, м3/кг	h1, кДж кг	s1, кДж кг·К	Предпо-следняя цифра шифра	V1, м3	Δt, ºС
		-	-		-		4,0
	-	0,7	-	-	5,9		3,8
		-	0,22	-	-		3,5
	-	0,4	-		-		3,2
		-	-	-	5,7		2,5
	-	1,2	0,14	-	-		2,2
		-	-		-		3,0
	-	0,9	-	-	5,8		2,4
		-	0,45	-	-		2,8
	-	0,6	-		-		2,0

 

Задача 3

Стальная стенка толщиной d, коэффициент теплопроводности которой l = 51 Вт/(м·К), с одной стороны омывается горячими газами с температурой t_ж1. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке a₁. С другой стороны стенка омывается водой с температурой t_ж2. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде a₂.

Определить коэффициент теплопередачи от газов к воде, плотность теплового потока (удельный тепловой поток) и температуры на поверхностях стенки для двух случаев:

- стенка чистая;

- стенка покрыта слоем накипи толщиной d_н, с коэффициентом теплопроводности l_н = 0,7 Вт/(м·К).

Для случая, когда стенка покрыта слоем накипи, определить также температуру на поверхности соприкосновения стенки и накипи.

При решении задачи стенку считать плоской.

Ответить на вопросы

1 К чему приводит появление накипи на стенке? Проиллюстрировать ответ анализом результатов расчетов.

2 При каких значениях отношения диаметров трубы d₂/d₁ и с какой погрешностью цилиндрическую стенку в расчетах можно приближенно считать плоской?

Данные для решения задачи выбрать из таблицы 3.

 

Таблица 3 – Исходные данные к задаче 3

 

Последняя цифра шифра	d, мм	dн, мм	tж1, ºС	Пред-последняя цифра шифра	tж2, ºС	α1, Вт/(м2·К)	α2, Вт/(м2·К)
		2,0
		2,2
		2,5
		1,6
		1,8
		2,8
		2,4
		1,4
		1,5
		1,2

Задача 4

В паровом калорифере воздух в количестве V_н, м³/ч нагревается от температуры t₂' до t₂''. Давление греющего пара р_1, степень сухости х_1. Температура конденсата на выходе из калорифера t_к.

Определить: необходимую поверхность нагрева и расход пара, если задан коэффициент теплопередачи k. Изобразить графики изменения температуры пара и воздуха.

Ответить на вопросы

1 Как влияет схема движения теплоносителей (прямоточная, противоточная, другие) на теплопередачу в теплообменных аппаратах?

2 Как влияет схема движения теплоносителей на теплопередачу в калорифере при условиях задачи и почему?

Данные для решения задачи выбрать из таблицы 4.

Указания

1 Объемный расход воздуха V_н задан при нормальных условиях (нор-мальные условия: р_н» 1 бар и t_н = 0 ºС).

2 Температура пара в процессе конденсации остается постоянной и только после конденсации происходит охлаждение конденсата. Поэтому уравнение теплового баланса для пара может быть записано только через энтальпии.

3 Энтальпию влажного пара рекомендуется вычислить, пользуясь термо-динамическими таблицами воды и водяного пара [5].

4 Энтальпию конденсата определить по его температуре t_к как энтальпию воды в состоянии насыщения h'.

5 При вычислении среднего логарифмического температурного напора понижением температуры при охлаждении конденсата пренебречь. Температуру горячего теплоносителя во всем аппарате считать постоянной, равной температуре насыщения (t^'₁ ≈ t^"₁ = t_н).

 

Таблица 4 – Исходные данные к задаче 4

 

Последняя цифра шифра	Vн, м3/ч	р1, бар	х1	k, Вт/(м2·К)	Предпослед- няя цифра шифра	t'2, ºС	t"2, ºС	tк, ºС
		4,0	0,97
		3,6	0,98
		3,8	0,94
		1,6	0,96
		3,7	0,99
		3,5	0,95
		2,4	0,96
		4,5	0,93
		4,2	0,97
		2,7	0,98

 

Задача 5

Задано топливо, величина присоса воздуха по газовому тракту ∆α, температура уходящих газов t_ух, давление пара в котле р, паропроизводительность котельного агрегата D и температура питательной воды t_пв.

Определить: состав рабочей массы топлива и его низшую теплоту сгорания (по формуле Менделеева), значение коэффициента избытка воздуха на выходе из котлоагрегата α_yx, теоретический (при α = 1,0) и действительный (при α_yx) объемы воздуха и продуктов сгорания 1кг (1м³) топлива. Вычислить энтальпию уходящих газов при заданной температуре уходящих газов t_yx и α_yx и потерю теплоты с уходящими газами q₂.

Составить тепловой баланс котельного агрегата, определить КПД брутто, расход натурального и условного топлива (кг/с и т/ч для твердого и жидкого топлива, м³/с и м³/ч для газообразного топлива).

Непрерывной продувкой котлоагрегата пренебречь.

Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 5.

Указания

1 Элементарный состав топлива приведен в таблицах А.2 и А.3.

2 Коэффициент избытка воздуха в топке α_т принимается в зависимости от вида топлива и типа топки по таблице А.6.

3 Энтальпия газов и воздуха приведена в таблице А.4.

4 Потерю теплоты с уходящими газами (q₂ %) определить по формуле

 

H_yx - H_воз

q₂ = ─────── (100-q₄),

Q_н^Р

 

где Н_ух – энтальпия уходящих газов при t_yx и α_yx;

Н_воз – энтальпия воздуха, поступающего в котлоагрегат при α_yx,

 

Н_воз = α_yxVºс_рвt_х.в,

 

Vº – теоретическй объем сухого воздуха;

С_рв – изобарная объемная теплоемкость воздуха, с_рв = 1,3 кДж/(м³·К);

t_х.в – температура холодного воздуха, равная 30ºС;

Q_н^p – низшая теплота сгорания топлива по рабочей массе; для газообразного топлива применяется низшая теплота сгорания по сухой массе Q_н^с;

q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания, %.

5 Потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания q₃ и q_4;; принять согласно таблице А.6 в зависимости от вида топлива и типа топки.

6. Потери теплоты от наружного охлаждения определить по таблице А.5 в зависимости от паропроизводительности котла.

6 Потери с физической теплотой шлаков (q₆ %) определить по формуле

 

q₆ = а _шлА^р(сt)_зл/ Q_н^p,

 

где а _шл – доля золы топлива в шлаке, а _шл = 1 – а _ун;

а _ун – доля золы топлива, уносимой с газами; для слоевых топок выбирается из таблицы А.6.

Энтальпию золы (сt)_золы принимают для сухого шлака при температуре 600ºС, (сt)_зл = 560 кДж/кг.

7 Считать, что котельный агрегат производит сухой насыщенный пар.

8 Расход топлива В кг/с(м³/с) без учета непрерывной продувки опреде-лить по формуле

 

,

 

где D – паропроизводительность котельного агрегата, кг/с;

h_п – энтальпия пара, выходящего из котельного агрегата, кДж/кг; в задаче в соответствии с указанием 7 принять h_п = h"

h_пв – энтальпия питательной воды, кДж/кг;

- КПД брутто котельного агрегата.

Значения величин h и h_п.в берутся по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара [5].

Если значение подставляется в процентах, в формуле расхода топлива необходимо добавить множитель 100.

 

Таблица 5 – Исходные данные к задаче 5

 

Послед-няя цифра шифра	Вид топлива	Δα	tух, ºС	D, т/ч	Пред-последняя цифра шифра	р, МПа	tn.в, ºС
	Челябинский уголь Б3	0,20		20,0		2,2
	Газ «Саратов-Москва»	0,24		10,0		1,4
	Мазут сернистый	0,19		4,0		2,0
	Донецкий уголь Г	0,26		2,5		0,5
	Газ «Дашава-Киев»	0,23		6,5		1,8
	Ткибульский уголь Г	0,18		10,0		1,6
	Подмосковный уголь Б2	0,21		8,0		0,7
	Мазут малосернистый	0,15		25,0		1,2
	Кузнецкий уголь Д	0,17		12,0		2,4
	Газ «Ставрополь-Москва»	0,15				0,9

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учеб. пособие: - 2-е изд. / В.В. Нащокин. – М.: Высшая школа, 1975. – 496 с.

2. Баскаков, А.П. Теплотехника / А.П. Баскаков, В.В. Берг, О.К. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова. – М.: Энергоиздат, 1991. – 224 с

3. Андрианова, Т.Н. Сборник задач по технической термодинамике: учеб. пособие / Т.Н. Андрианова, Б.В. Дзампов, В.Н. Зубарев, С.А. Ремизов, Н.Я. Филатов. – М.: Изд-во МЭИ, 2000. –356 с.

4. Краснощеков, Е.А. Задачник по теплопередаче / Е. А. Краснощеков, А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1975. – 288 с.

5. Александров, С.Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара / С.Л. Александров, Б.А. Григорьев. – М.: Изд-во МЭИ, 1999. – 168 с.

 

Приложение А

(справочное)

 

Таблица А.1 – Мольные теплоемкости идеальных газов по молекулярно-кинетической теории

 

Газы	μcu, кДж/кмоль·К	μcр, кДж/кмоль·К	k = cр/сu
Одноатомные	12,5	20,8	1,667
Двухатомные	20,8	29,1	1,4
Трех- и многоатомные	29,1	37,4	1,286

 

Таблица А.2 – Элементарный состав рабочей массы некоторых твердых и жидких топлив

 

Месторождение, марка	Состав по массе, %
Ср	Нр	Sр	Nр	Oр	Wр	Aр
Уголь донецкий Г	55,2	3,8	3,2	1,0	5,8	8,0
Уголь кузнецкий Д	58,7	4,2	0,6	1,9	9,7		13,2
Уголь подмосковный Б2	28,7	2,2	2,7	0,6	8,6		25,2
Уголь челябинский Б3	37,3	2,8	2,0	0,9	10,5		29,5
Уголь ткибульский Г	45,4	3,5	1,3	0,9	8,9		27,0
Мазут малосернистый	84,65	11,7	0,6	-	0,3	3,0	0,05
Мазут сернистый	83,8	11,2	1,4	-	0,5	3,0	0,1

 

Таблица А.3 – Состав некоторых природных горючих газов

 

Название газопровода	Состав сухого газа по объему, %
СН4	С2Н6	С2Н8	С4Н10	С5Н12	N2	СО2
Саратов-Москва	84,5	3,8	1,9	0,9	0,3	7,8	0,8
Ставрополь-Москва	93,8	2,0	0,8	0,3	0,1	2,6	0,4
Дашава-Киев	88,9	10,3	0,1	0,1	-	0,4	0,2

 

Таблица А.4 – Энтальпия 1м³ газов и воздуха и 1кг золы

 

t, ºC	(ct)RO2, кДж/нм3	(ct)N2, кДж/нм3	(ct)H2O, кДж/нм3	(ct)возд, кДж/нм3	(ct)золы, кДж/кг
	170,0	129,6	151,0	130,0	81,0
	207,4	155,6	181,6	156,2	98,8
	226,1	168,6	196,9	169,3	107,7
	244,8	181,6	212,2	182,4	116,6
	263,5	194,6	227,5	195,5	125,5
	282,2	207,6	242,8	208,6	134,4
	301,0	220,7	258,2	221,8	143,3

 

 

Таблица А.5 – Потери теплоты от наружного охлаждения котлов

с хвостовыми поверхностями (q₅)

 

Паропроизводи-тельность D, кг/с	q5, %	Паропроизводи-тельность D, кг/с	q5, %
1,0	3,1	5,0	1,35
1,5	2,6	6,0	1,2
2,0	2,2	7,0	1,1
2,5	2,0	8,0	1,0
3,0	1,8	10,0	0,9
3,5	1,7	15,0	0,8
4,0	1,55	20,0	0,7
4,5	1,45	25,0	0,6

 

Таблица А.6 – Основные характеристики некоторых топок

промышленных котлов

 

Тип топки	Вид топлива	Коэффициент избытка воздуха, αт	Потери теплоты	Доля золы топлива в уносе, а ун
q3 от химической неполноты сгорания, %	q4 от механической неполноты сгорания, %
Слоевые с неподвижной колосниковой решеткой (D ≤ 10 т/ч)	Каменные угли	1,4	0,5-1,0	5,5-6,5	0,11-0,2
Бурые угли	1,4	0,5-1,0	6,0–8,0	0,15-0,25
Слоевые с цепной колосниковой решеткой (D ≥ 10 т/ч)	Каменные угли	1,3	0,5-1,0	5,5-6,5	0,11-0,2
Бурые угли	1,3	0,5-1,0	6,0–8,0	0,15-0,25
Камерные (газомазутные)	Мазут	1,1	0,5-1,0	-	-
Газ	1,1	0,5-1,0	-	-

 

 

Учебное издание

 

ТЕПЛОТЕХНИКА

 

Программа курса, методические указания и контрольные задания

для студентов специальностей