Практическое занятие №6

Упрощенная методика теплотехнических расчётов [10]

Существенной особенностью метода анализа продуктов сгорания газообразного топлива с применением формул, принятых для анализа продуктов сгорания твердого и жидкого топлива, является необходимость пересчета объемного состава газа в весовой. Пересчет, как и в последующие определения безразмерной характеристики топлива β, содержания RO₂ и CO₂, а также потерь с уходящими газами q₂ и потерь от химической неполноты сгорания q₃ требуют значительных затрат времени.

Для иллюстрации затрат времени на пересчет приводится следующий пример:

В топке парового котла сжигается газ следующего состава по объему:

CO=0.1%; CH4=95%; C₂H₆=1%; C₃H₈=0.5%; C₄H₁₀=0.5%; (6.1)

C₅H₁₂=0.1%; N₂ =2.8%; d=10.1 г/нм³; α = 0;

Разумеется, данные о составе газа могут быть получены в результате анализа, проведенного в лаборатории, располагающей необходимым оборудованием, что практически недоступно большинству предприятий. Это является одним из неудобств применения такой методики.

Руководствуясь следующими формулами, определяем для топливного газа:

Удельный вес газа

γ = (1,25CO + 0,7168CH₄ +1,355 C₂H₆ + 2,0037 C₃H₈ +2,703 C₄H₁₀ +

+ 3,457 C₄H₁₀ +1,256 N₂) = (1.25 ∙ 0,1 +0,7168 ∙ 95 + 1,355 ∙ 1 +

+ 2,0037 ∙ 0,5 + 3,457 ∙ 0,1 + 1,256 ∙ 2,8) ≈ 0,759 кг/нм³ (6.2)

Вес 1 нм³ смеси сухих газов и водяных паров составляет:

G = γ + = 0,759 + = 0,769 кг/нм³ (6.3)

Для пересчета объемного состава газа на весовой необходимо весовое значение каждого из элементов.

Так:

С = [CO + CH₄ + CO₂ +n(CnHm)], (6.4)

откуда:

С = [0,1 +95 + 2 ∙ 1+ 3 ∙ 0,5 +4 ∙ 0,5 +5 ∙ 0,1] ≈ 71,1%, (6.5)

H = [0,09H₂ + 0,18CH₄ +0,045m(CnHm)], (6.6)

откуда:

H = [0,18 ∙ 95 + 0,045 ∙ 6 ∙ 1 + 0,045 ∙ 8 ∙ 0.5 + 0,045 ∙ 10 ∙ 0,5 + 0,045∙12∙0,1] 23,10%. (6.7)

O = [0,715 ∙ CO +1,44CO₂ + 1,429O₂]; (6.8)

откуда:

O = [0,715 ∙ 0,1] = 1,3 ∙ 0,0715 ≈ 0,1%, (6.9)

S = (SO₂ + H₂S); S=0; (6.10)

N = ; N = ≈ 4,5% (6.11)

A = a; A = O, (6.12)

W = d; W = 10,1 ≈ 1,2%. (6.13)

Сумма слагаемых:

71,1 + 23,10 + 0,1 + 1,20 = 100%.

Безразмерная характеристика β находится по формуле:

β = 2,35 , (6.14)

где, К – условный углерод, т.е. углерод и выраженный через него долю горючей серы. Для наших условий:

К = С+ 0,368S_л =71,1; (6.15)

= 2,35 = 0,768.

В соответствии с полученным значением β количество окиси углерода в продуктах сгорания при отсутствии в них водорода и метана, будет выражено довольно сложной формулой:

CO = (6.16)

Не менее сложны и трудоемки расчеты по определению потерь тепла с уходящими газами q₂ и потерь от химической неполноты горения - q₃.

Когда в пересчете состава газа с объемных долей на весовые нет необходимости, для получения значений таких технологических величин как, V₀ ,V_сг , V_RO2 ,V_N2, V_вn и других возможно применение специальных формул.

Однако надо сказать, что и этот способ сложен и требует больших затрат времени на расчеты. Например, для определения потерь тепла с уходящими газами надо проделать следующие вычисления ряда величин.

Во-первых, для расчетов по этой методике потерь тепла с уходящими газами необходимо иметь лабораторные данные, характеризующие величины компонентов смеси газа, или подсчитать ее по элементарному составу по формуле смешения вида:

Q_нр = 0,01 [ Q_H2SH₂S + Q_COCO + Q_H2H2 + ] ккал\ нм³ (6.17)

Во-вторых, необходимо произвести подсчеты количества воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания 1 нм³ газа, по формуле:

V₀ = 0,0476[0,5CO + 0,5H₂ + 2,0 CH₄ +1,5H₂S + – O₂]нм²\ нм³ (6.18)

и далее по формулам:

Теоретический объем трехатомных газов:

= 0,01[CO₂ + CO + H₂S + CH₄ = ] нм³\ нм³. (6.19)

Теоретический объем азота:

= 0,79 V⁰ + нм³\ нм³. (6.20)

Теоретический объем водяного пара:

= 0,01[H₂ + H₂S + 2CH₄ + 0,12d] + 0,016 V⁰ нм³\ нм³. (6.21)

Объем сухих продуктов сгорания:

V_сг = нм³\ нм³ (6.22)

Потери тепла с уходящими газами в абсолютном выражении:

Q_yг = ∙t_уг ккал\ нм³, (6.23)

или в процентах:

q₂ = ∙ 100, (6.24)

где Q_воз – количество тепла, поступившее в топку с воздухом, определяемое по формуле:

Q_воз = С_воз ∙ t_воз ∙ V⁰ ∙ α ккал\ нм³, (6.25)

где С_воз – теплоемкость воздуха, поступающего в топку;

t – температура воздуха

V⁰ – количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания 1нм³ газа;

– коэффициент избытка воздуха, равный при полном сгорании:

= (6.26)

При неполном сгорании:

= , (6.27)

где Q₂ – количество тепла, поступившее в топку с газом, определяется по формуле:

Q_г = С_г ∙ t_г ккал/нм³, (6.28)

где С_г - теплоемкость газа;

t_г – температура газа.

Наряду с этим методом имеется более простой способ определения основных потерь тепла при сжигании газа в топках котлов и печей.

Профессором М. Б. Равичем предложена методика, которая позволяет составить тепловой баланс сгорания без знания количества топлива, его элементарного состав и теплотворности, [9,10].

Это обстоятельство для практики испытаний котлов чрезвычайно важно, так как на большинстве предприятий нет лабораторного оборудования для анализа топлива и средств для определение составе продуктов его сгорания.

Сущность указанной методики состоит в том, что применяя постоянные для определенных групп газообразного топлива характеристики, испытывающие малые колебания, даже при значительных изменениях в составе газа и его теплотворности, можно, пользуясь только данными о составе продуктов сгорания и их температуре и не прибегая к замеру количества сжигаемого газа, его анализу и определению теплотворности, подсчитать потери тепла с уходящими газами и вследствие неполноты сгорания, а также составить тепловой баланс паровых и водогрейных котлов, отопительных печей и других установок, работающих на газообразном топливе.[9,10]

Изменение низшей теплотворности газа его и жаропроизводительности видно из табл. 6.1

Таблица 6.1

Потери тепла подсчитываются по следующим формулам.

Потери тепла с уходящими газами при сжигании газа с избытком воздуха [9,10].

q₂ = [ + (h – 1) КВ] 100, (6.29)

где q₂ - потери тепла с уходящими газами в %;

t_у._г- температура уходящих газов за котлом, замеренная в процессе испытания установки;

- жаропроизводительность топлива, т.е. максимальная температура, развиваемая при полном сгорании топлива в теоретически необходимом объеме воздуха без потерь тепла (с учетом влаги воздуха). Температура топлива и воздуха принимается равной 0°. Жаропроизводительность указана в табл. 6.1;

С' — поправочный коэффициент, показывающий отношение средневзвешенной теплоемкости неразбавленных воз­духом продуктов сгорания в температурном интервале от 0° до t _{у. г} к их средневзвешенной теплоемкости в температурном интервале от 0° до t_макс по табл. 6.2;

К — поправочный коэффициент, показывающий отношение средней теплоемкости воздуха в температурном интер­вале от 0° до t_у._г к средневзвешенной теплоемкости неразбавленных воздухом продуктов сгорания в тем­пературном интервале от 0° до t_макс по табл. 6.2

Значения поправочных коэффициентов в зависимости от температуры уходящих газов [9]

Таблица 6.2