Розрахунок горіння твердих горючих відходів

Зміст

Вступ Розрахунок горіння твердих горючих відходів Розрахунок топкового пристрою Розрахунок втрат тиску в циклонній камері

Тепловий розрахунок циклонної камери Література

Вступ

Горючі відходи мають різний фракційний склад, починаючи від дрібних включень у суміші до особливо великих, що в значній мірі ускладнює задачу створення універсального топкового пристрою для їхнього спалювання.

При відповідній підготовці, у циклонних топках можна спалювати відходи, без сажистих виділень. Таке рішення викликане тим, що застосування циклонного принципу спалювання палива є одним з найбільш ефективних методів інтенсифікації процесів горіння. Циклонні топки мають наступні переваги: простота і надійність у роботі, можливість максимальної механізації й автоматизації, високі тепло-напруги.

У циклонному процесі транспортування дрібноі крупнодробленого пального здійснюється газоповітряним потоком. У топці цього типу паливна суміш у кусковому вигляді циркулює по спеціально організованому обтічному контуру стільки, скільки необхідно для її згорання.

Час перебування та інтенсивність обдування часток газоповітряним потоком практично не обмежені.

Температура запалення твердих горючих відходів у циклонній камері забезпечується роботою мазутної форсунки (після розпалу мазутну форсунку повинно бути відключено).

1. Розрахунок горіння твердих горючих відходів

Склад робочої маси горючих відходів визначається за табл.1,2 враховуючи склад ТПВ.

Таблиця 1

Склад ТПВ, %

Таблиця 2

Властивості горючих компонентів промислових відходів

1. Теоретична кількість сухого повітря при коефіцієнті надлишку повітря б = 1, м³/кг:

V_n⁰ = 0,0889(C^r + 0,375S^r) + 0,265H^r — 0,0333O^r = 0,0889 (19,5109 +

+ 0,375*0,1518) + 0,265*2,4387−0,0333*13,2369 = 1,945 м³/кг

2. Теоретичний об'єм продуктів згорання (б = 1), м³/кг:

V_N⁰= 0,79 V_n⁰+0,8N^r/100 = 0,79*1,945+0,8*0,5738/100 = 1,541 м³/кг.

V_RO⁰=1,866*(C^r+0,375S^r)/100 = 1,866*(19,5109+0,375*0,1518)/100 =

= 0,365 м³/кг.

V_HO⁰= 0,111H^r+0,0124W^r+0,016 V_n⁰ = 0,111 * 2,4387 + 0,0124 * 44,315 +

+ 0,016*1,945 = 0,85 м³/кг.

3. Об'єм водяної пари, м³/кг, при надлишку повітря б = 1,6:

V_HO = V_HO⁰+0,0161 V_n⁰(б -1)= 0,85+0,0161*1,945*(1,6−1) = 0,869 м³/кг

4. Повний об'єм димових газів, м³/кг, при надлишку повітря б = 1,6:

V_? = V_RO⁰+ V_N⁰+ V_HO⁰+0,0161 V_n⁰(б -1) = 0,365 + 1,541 + 0,85 + 0,0161 *

1,945 * (1,6−1) = 2,77 м³/кг

5. Приймаємо середню питому теплоємність газів за таблицею «Середня питома теплоємність повітря та газів в залежності від температури», t_гор=1000⁰С:

с_RO = 2,2 кДж/м³*К; с_N = 1,39 кДж/м³*К; с_НO = 1,72 кДж/м³*К.

6. З урахуванням впливу горючої B^r, мінеральної A^r та вологої W^r складових твердого палива, його середня теплоємність (в інтервалі температур 24−100⁰С) може бути визначена наступним чином (при t_пал= 100⁰С):

с_пал = 0,01 [(1+0,0008V^r) (C^r+H^r+S^r) + 0,8A^r + 4,19W^r] = 0,01 [(1 + 0,0008

* 58,7844)(19,5109+2,4387+0,1518)+0,8*19,6388+4,19*44,315] = 2,245

кДж/кг*К

7. Ентальпія палива, кДж/кг:

Н_пал = с_пал* t_пал = 2,245*373=837,4 кДж/кг

8. Середню питому теплоємність повітря визначаємо за табл.: «Середня питома теплоємність повітря та газів в залежності від температури», t_пов=200 ⁰С: с_пов = 1,33 кДж/м³*К.

9. Ентальпія повітря, кДж/кг:

Н_пов = с_пов* t_пов * V_n⁰ * б = 1,33*473*1,945*1,6=1957,73 кДж/кг

10. Калориметрична температура, ⁰С:

t_кал = (Q^r_i+ Н_пал+ Н_пов)/(V_RO⁰* с_RO+ V_N⁰* с_N+ V_HO⁰* с_НO+ V_n⁰* с_пов *(б -1))

=(6601,56+837,4+1957,73)/(0,365*2,2+1,541*1,39+0,85*1,72+1,945*1,33

*(1,6−1)) = 1576,86 К.

t_кал = 1576,86 К = 1303,86⁰С

11. Теоретична температура згоряння не відрізняється від калориметричної через малу дисоціацію Н₂О і СО₂.

12. Дійсна температура згоряння, ⁰С:

t_д = t_кал (1-q₅/100)(1-у) = 1303,86*(1−5/100)*(1−0,15) = 1052,86 ⁰С ,

де q₅ — коефіцієнт, який враховує втрати в навколишнє середовище, %, приймаємо q₅ = 5%,

у — коефіцієнт, який враховує пряму віддачу і дорівнює 0,15.

13. Перевірка розрахунків:

д = (t_гор — t_д)/ t_д*100 = (1000−1052,86)/1052,86*100 = 4,95%,

розрахунок вірний так, як умова д<5% виконується.

14. Кількість сухого повітря необхідного для горіння 1 кг горючих відходів, кг:

L⁰_пов = 0,115 C^r+0,342 H^r+0,043(S^r— O^r) = 2,52 кг

15. Вища теплота згоряння горючих відходів, кДж/кг:

Q^r_s = Q^r_i+25(9 H^r+ W^r)=6601,56+25(9*2,4387+44,315) = 8258,14 кДж/кг

16. Маса сухих газів, кг/кг:

G_с.г. = 1+б L⁰_пов — (A^r+9 H^r+ W^r)/100 =1+1,6*2,52 — (19,6388 + 9*2,4387 +

+ 44,315) / 100 = 4,17 кг/кг

17. Маса водяної пари, кг/кг:

G_в.п. = (9 H^r+ W^r)/100+ б L⁰_повd_о/1000 = (9*2,4387 + 44,315) / 100 +

1,6*2,52*9 / 1000 = 0,698 кг/кг, де d_о приймаємо 8−10 г/кг.

18. Вологовміст газів на виході з топки, г/кг, сухих газів:

d = ?1000* G_в.п. / G_с.г. = 1000*0,698/4,17 = 167,4 г/кг.

конструктивний топковий циклонний горючий

2. Розрахунок топкового пристрою

Вибір конструктивних характеристик циклонної камери.

1. Площа перерізу камери, м²:

F_k = В* Q^r_i/q_F = 1,35*6601,56/7000 = 1,27 м²

де В — витрата палива, кг/с, приймаємо В=1,35 кг/с,

q_F — теплонапруга перерізу циклону, залежить від виду палива і лежить в межах від 69*100 до 180*100 кДж /(м²*с), прийнято 7000 кДж /(м²*с).

2. Діаметр циклонної камери, м:

Д_к =v4F_к/3,14 = v4*1,27/3,14 = 1,27 м

3. Відношення довжини циклонної камери до діаметра приймається:

L/D=2,5,

L = 2,5*1,27 = 3,175 м

4. Об'ємна витрата суміші повітря і палива, м³/с:

V_см = V_n⁰бВ+В/с = 1,945 *1,6*1,35+1,35/400 = 4,2 м³/с, де с — густина палива, кг/м³, приймаємо 400 кг/м³.

5. Переріз сопла на вході в циклонну камеру, м²:

f_с = V_см/w_вх =4,2/30 = 0,14 м²,

де w_вх — швидкість суміші на вході в циклонну камеру, приймається 30.60 м/с (30 м/с).

6. Діаметр патрубка для виходу димових газів, м:

Д_вих=v4*F_вих/3,14 = v4*0,635/3,14 = 0,9 м.

Прохідним перерізом для виходу димових газів варто задаватися і надалі перевіряти за втратою тиску.

F_вих = F_k/2 = 1,27/2 = 0,635 м².

3. Розрахунок втрат тиску в циклонній камері

1. Коефіцієнт опору входу:

о=(F_k/ f_с -1)² =(1,27/0,14 -1)²= 65,1

2. Втрати тиску на вході в циклонну камеру, Па:

?P_х =о (с_о/2)w_вих² = 65,1*(1,2/2)*5² = 976,5 Па, де w_вих — швидкість виходу повітря із сопла, м/с (w_вих= w_вх = 5 м/с);

с_о = 1,2 кг/м³ — густина повітря.

3. Об'ємна витрата димових газів, що утворяться при згорянні горючих відходів, м³/с:

V_R=V_?ВТ_д/273 = 2,77 *1,35*1325,9/273 = 18,16 м³/с.

4. Втрати тиску на виході з циклона, Па:

?P_u = (с/2)*(V_R/(м* F_вих))² = (0,33/2)*(18,16/(0,85*0,635))² = 186,78 Па, де м=0,85 — коефіцієнт випаровування;

с=0,33 кг/м³, густина димових газів.

5. Об'ємна витрата повітря, м³/с:

V_п = V_n⁰бВ = 1,945 *1,6*1,35 = 4,2 м³/с.

6. Колова швидкість, м/с:

w_о = ?2с_о V_п?P_х/(с V_R+В/g) =

= v2*1,2*4,2*186,78/(0,33*18,16+1,35/9,8) = 17,5 м/с

7. Втрати тиску на утворення вихру, Па:

?P_w =(w_о²*с/2)(Д_к/ Д_вих-1) = (17,5²*0,33/2)(1,27/0,9−1) = 122,9 Па

8. Втрати тиску в циклонній камері, Па:

?P = ?P_н + ?P_u + ?P_w = 976,5+186,78+122,9 = 1286,18 Па.

4. Тепловий розрахунок циклонної камери

1. Витрата повітря, яка потрібна для розведення димових газів до необхідної температури, за умови їхнього використання для сушіння матеріалів, м³/с:

V₂ = V_n⁰(б-б_т)ВТ/273 = 1,945 *(1,6−1)*1,35*1325,9/273 = 7,65 м³/с, де б =1,6 — коефіцієнт надлишку повітря, який потрібен для отримання необхідної температури на виході із циклонної камери;

б_т =1- коефіцієнт надлишку повітря необхідний для горіння.

2. Витрати димових газів і повітря, м³/с:

V = [V_?В + V₀^п(б_т-б)В]Т/273 = [2,77*1,35 + 1,945*(1,6 — 1) * 1,35] *

1325,9/273 = 25,8 м³/с

3. Швидкість повітря в кільцевому зазорі між обичайкою циклонної камери і камери розведення приймається: w_кіл =12 м/с.

4. Критерій Рейнольдса:

Re_п = w_кіл*d_е/х_п = 12*0,13/16*10^-6 = 97 500,

де х_п =16*10^-6 — коефіцієнт кінематичної в’язкості повітря, м²/с,(t в приміщенні = 30 ⁰С)

d_е = 0,1* Д_к =0,1*1,27 = 0,13 м.

5. Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією для повітря, Вт/м²*К:

б_п = 0,023л Re_п^0,6Pr_п^0,4/ d_е = 0,023*2,67*10^-2*97 500^0,6*0,701^0,4/0,13 = 4,66

Вт/м²*К, де л = 2,67*10^-2 Вт/м*К,

Pr_п = 0,701.

6. Критерій Рейнольдса для газів:

Re_п = w₀*d_е/х_г = 17,5*0,13/174,3*10^-6 = 13 052,

де х_г =174,3*10^-6 — коефіцієнт кінематичної в’язкості газів, м²/с.

7. Конвективний коефіцієнт тепловіддачі в циклонній камері, Вт/м²*К:

б_к = 0,023л Re_п^0,8Pr_п^0,4/ d_е = 0,023*0,109*13 052^0,8*0,58^0,4/0,13 = 30,4

Вт/м²*К, де л = 10,9*10^-2 Вт/м*К,

Pr_п = 0,580.

8. Об'єм камери згоряння циклону, м³:

V_к = F_к*L = 1,27*3,175 = 4 м³.

9. Внутрішня поверхня циклонної камери, м²:

F_ст = р*Д_к*L+2F_к — F_вих = 3,14*1,27*3,175+1,27*2 — 0,635 = 14,57 м²

10. Ефективна товщина випромінюючого шару, м:

S = 3,6* V_к/ F_ст = 3,6*4/14,57 = 1,0 м

11. Парціальний тиск трьохатомних газів:

?P_п/P₀ = V_RO⁰/V_г+ V_HO⁰/V_г = 0,398

12.Коефіцієнт ослаблення променів газовим середовищем:

k = 1,6*Т_г/1000 — 0,5 = 1,6*1325,9/1000 — 0,5 = 2,1

13. Приведений ступінь чорноти газів:

о_г = 1-е ^{-k*(?Pп/P0)*S} = 1-е ^{-2,1*0,398*1,0}= 0,566

14. Значення коефіцієнта тепловіддачі випромінюванням, Вт/(м²*К):

б_вип = с_оо_го_с(0,1*(Т_г/100)⁴-0,1*(Т_ст/100)⁴)/(t_г — t_ст) = 5,67 * 0,566 * 0,9 ((0,1

* (13,259)⁴-0,1*((7)⁴) / (1052,9 -427) = 13,15 Вт/(м²*К) де с_о = 5,67 Вт/м²*К⁴ — коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.

15. Коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінки конвекцією і випромінюванням:

б_г = б_к+ б_вип = 30,4+13,15 = 43,55 Вт/(м²*К).

16. Поверхнева щільність теплового потоку, що проходить через стінку, Вт/м²:

q = (t_г — t_п)/[(1/ б_г)+(д/л)+(1/б_п)] = (1052,86 — 30) ((1/43,55) + (0,02/45) +

(¼, 66)) = 4297,75 Вт/м²

17. Зовнішня поверхня циклонної камери, м²:

F_з = 2рД²/4+рДLF_вих = 2*3,14*2²/4+3,14*2*3,175−0,635 = 25,58 м².

19. Теплова потужність віддана повітрю, Вт:

Q = qF_з = 4297,75*25,58 = 109 936,5 Вт

19. Температура підігрітого повітря, ⁰С:

t_п' = t_п+Q/с_пV₂273 = 30+109 936,5/1,33*7,65*273 ?70 ⁰С

Література

1. Самохвалов В. С. Вторинні енергетичні ресурси та енергозбереження: Навч. пос. — К.: Центр учбової літератури, 2008. — 224 с.

2. Горбов В. М., Подгуренко В. С. Навчально-методичний посібник з дисципліни «Паливо та паливопідготовка» для студентів заочної форми навчання. .Миколаїв: НУК, 2005. 108 с.