Розрахунок горіння твердих горючих відходів

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 дрібно- і 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, %

ПапірВідходи їжіТекстильДеревинаГумаКісткиПластмасаСклоКамінняМеталШлакВисів175013,62,523302,8411,1

Таблиця 2

Властивості горючих компонентів промислових відходів

Горючі компоненти промислових відходівРобоча маса (елементарний склад), %Qri, МДж/кгCrHrOrNrSrArWrVrПапір273,728,30,160,1115,02579,09,49Відходи їжі12,61,880,950,154,57265,23,43Текстиль39,44,923,23,40,19,02074,315,72Деревина40,54,833,80,100,82067,914,46Гума65512,60,20,611,6549,025,8Кістки475,327,70,10,211,7849,018,14Пластмаса55,17,617,50,90,310,6879,024,37Скло00000100000Каміння00000100000Метал00000100000Шлак25,20,450,700,4563,2102,78,65Висів13,91,914,100,1502044,04,6Середнє19,51092,438713,23690,57380,151819,638844,31558,78446,60156

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

Vn0 = 0,0889(Cr + 0,375Sr) + 0,265Hr - 0,0333Or = 0,0889 (19,5109 +

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

2.Теоретичний обєм продуктів згорання (α = 1), м3/кг:

VN0= 0,79 Vn0+0,8Nr/100 = 0,79*1,945+0,8*0,5738/100 = 1,541 м3/кг.

VRO0=1,866*(Cr+0,375Sr)/100 = 1,866*(19,5109+0,375*0,1518)/100 =

= 0,365 м3/кг.

VHO0= 0,111Hr+0,0124Wr+0,016 Vn0 = 0,111 * 2,4387 + 0,0124 * 44,315 +

+ 0,016*1,945 = 0,85 м3/кг.

3.Обєм водяної пари, м3/кг, при надлишку повітря α = 1,6:

VHO = VHO0+0,0161 Vn0(α -1)= 0,85+0,0161*1,945*(1,6-1) = 0,869 м3/кг

.Повний обєм димових газів, м3/кг, при надлишку повітря α = 1,6:

V∑ = VRO0+ VN0+ VHO0+0,0161 Vn0(α -1) = 0,365 + 1,541 + 0,85 + 0,0161 *

,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», tгор=10000С:

сRO = 2,2 кДж/м3*К; сN = 1,39 кДж/м3*К; сНO = 1,72 кДж/м3*К.

6. З урахуванням впливу горючої Br, мінеральної Ar та вологої Wr складових твердого палива, його середня теплоємність (в інтервалі температур 24-1000С) може бути визначена наступним чином (при tпал= 1000С):

спал = 0,01 [(1+0,0008Vr) (Cr+Hr+Sr) + 0,8Ar + 4,19Wr] = 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:

Нпал = спал* tпал = 2,245*373=837,4 кДж/кг

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

.Ентальпія повітря, кДж/кг:

Нпов = спов* tпов * Vn0 * α = 1,33*473*1,945*1,6=1957,73 кДж/кг

.Калориметрична температура, 0С:

кал = (Qri+ Нпал+ Нпов)/( VRO0* сRO+ VN0* сN+ VHO0* сНO+ Vn0* спов *(α -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.кал = 1576,86 К = 1303,860С

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

12.Дійсна температура згоряння, 0С:

д = tкал (1-q5/100)(1-σ) = 1303,86*(1-5/100)*(1-0,15) = 1052,86 0С ,

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

σ - коефіцієнт, який враховує пряму віддачу і дорівнює 0,15.

.Перевірка розрахунків:

δ = (tгор - tд)/ tд*100 = (1000-1052,86)/1052,86*100 = 4,95 %,

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

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

0пов = 0,115 Cr+0,342 Hr+0,043(Sr- Or) = 2,52 кг

.Вища теплота згоряння горючих відходів, кДж/кг:

Qrs = Qri+25(9 Hr+ Wr)=6601,56+25(9*2,4387+44,315) = 8258,14 кДж/кг

.Маса сухих газів, кг/кг:

с.г. = 1+α L0пов - (Ar+9 Hr+ Wr)/100 =1+1,6*2,52 - (19,6388 + 9*2,4387 +

+ 44,315) / 100 = 4,17 кг/кг

.Маса водяної пари, кг/кг:

в.п. = (9 Hr+ Wr)/100+ α L0повdо/1000 = (9*2,4387 + 44,315) / 100 +

,6*2,52*9 / 1000 = 0,698 кг/кг,

де dо приймаємо 8-10 г/кг.

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

конструктивний топковий циклонний горючий

2.Розрахунок топкового пристрою

Вибір конструктивних характеристик циклонної камери.

.Площа перерізу камери, м2:

Fk = В* Qri/qF = 1,35*6601,56/7000 = 1,27 м2

де В - витрата палива, кг/с, приймаємо В=1,35 кг/с,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).

.Діаметр циклонної камери, м:

Дк =√4Fк/3,14 = √4*1,27/3,14 = 1,27 м

.Відношення довжини циклонної камери до діаметра приймається:

/D=2,5,= 2,5*1,27 = 3,175 м

4.Обємна витрата суміші повітря і палива, м3/с:

см = Vn0αВ+В/ρ = 1,945 *1,6*1,35+1,35/400 = 4,2 м3/с,

де ρ - густина палива, кг/м3, приймаємо 400 кг/м3.

.Переріз сопла на вході в циклонну камеру, м2:

с = Vсм/wвх =4,2/30 = 0,14 м2,

де wвх - швидкість суміші на вході в циклонну камеру, приймається 30..60 м/с (30 м/с).

.Діаметр патрубка для виходу димових газів, м:

Двих=√4*Fвих/3,14 = √4*0,635/3,14 = 0,9 м.

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

вих = Fk/2 = 1,27/2 = 0,635 м2.

3.Розрахунок втрат тиску в циклонній камері

1.Коефіцієнт опору входу:

ξ=( Fk/ fс -1)2 =(1,27/0,14 -1)2= 65,1

.Втрати тиску на вході в циклонну камеру, Па:

∆Pυ =ξ(ρо/2)wвих2 = 65,1*(1,2/2)*52 = 976,5 Па,

де wвих - швидкість виходу повітря із сопла, м/с (wвих= wвх = 5 м/с);

ρо = 1,2 кг/м3 - густина повітря.

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

R=V∑ВТд/273 = 2,77 *1,35*1325,9/273 = 18,16 м3/с.

.Втрати тиску на виході з циклона, Па:

∆Pu = (ρ/2)*( VR/(μ* Fвих))2 = (0,33/2)*(18,16/(0,85*0,635))2 = 186,78 Па,

де μ=0,85 - коефіцієнт випаровування;

ρ=0,33 кг/м3, густина димових газів.

.Обємна витрата повітря, м3/с:

п = Vn0αВ = 1,945 *1,6*1,35 = 4,2 м3/с.

.Колова швидкість , м/с:

о = √2ρо Vп∆Pυ/(ρ VR+В/g) =

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

.Втрати тиску на утворення вихру, Па:

∆Pw =( wо2*ρ/2)( Дк/ Двих-1) = (17,52*0,33/2)(1,27/0,9-1) = 122,9 Па

.Втрати тиску в циклонній камері, Па:

∆P = ∆Pν + ∆Pu + ∆Pw = 976,5+186,78+122,9 = 1286,18 Па.

4.Тепловий розрахунок циклонної камери

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

2 = Vn0(α-αт)ВТ/273 = 1,945 *(1,6-1)*1,35*1325,9/273 = 7,65 м3/с,

де α =1,6 - коефіцієнт надлишку повітря, який потрібен для отримання необхідної температури на виході із циклонної камери;

αт =1- коефіцієнт надлишку повітря необхідний для горіння.

.Витрати димових газів і повітря, м3/с:

= [V∑В + V0п(αт-α)В]Т/273 = [2,77*1,35 + 1,945*(1,6 - 1) * 1,35] *

,9/273 = 25,8 м3/с

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

4.Критерій Рейнольдса:

Reп = wкіл*dе/υп = 12*0,13/16*10-6 = 97500,

де υп =16*10-6 - коефіцієнт кінематичної вязкості повітря, м2/с,(t в приміщенні = 30 0С)е = 0,1* Дк =0,1*1,27 = 0,13 м.

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

αп = 0,023λ Reп0,6Prп0,4/ dе = 0,023*2,67*10-2*975000,6*0,7010,4/0,13 = 4,66

Вт/м2*К,

де λ = 2,67*10-2 Вт/м*К,п = 0,701.

.Критерій Рейнольдса для газів:

п = w0*dе/υг = 17,5*0,13/174,3*10-6 = 13052,

де υг =174,3*10-6 - коефіцієнт кінематичної вязкості газів, м2/с.

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

αк = 0,023λ Reп0,8Prп0,4/ dе = 0,023*0,109*130520,8*0,580,4/0,13 = 30,4

Вт/м2*К,

де λ = 10,9*10-2 Вт/м*К,п = 0,580.

.Обєм камери згоряння циклону, м3:

к = Fк*L = 1,27*3,175 = 4 м3.

.Внутрішня поверхня циклонної камери, м2:

ст = π*Дк*L+2Fк - Fвих = 3,14*1,27*3,175+1,27*2 - 0,635 = 14,57 м2

.Ефективна товщина випромінюючого шару, м:

.Парціальний тиск трьохатомних газів:

∑Pп/P0 = VRO0/Vг+ VHO0/Vг = 0,398

.Коефіцієнт ослаблення променів газовим середовищем:

= 1,6*Тг/1000 - 0,5 = 1,6*1325,9/1000 - 0,5 = 2,1

. Приведений ступінь чорноти газів:

ξг = 1-е -k*(∑Pп/P0)*S = 1-е -2,1*0,398*1,0= 0,566

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

αвип = соξгξс(0,1*(Тг/100)4-0,1*(Тст/100)4)/(tг - tст) = 5,67 * 0,566 * 0,9 ((0,1

* (13,259)4-0,1*( (7)4) / (1052,9 -427) = 13,15 Вт/(м2*К)

де со = 5,67 Вт/м2*К4 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.

. Коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінки конвекцією і випромінюванням:

αг = αк+ αвип = 30,4+13,15 = 43,55 Вт/(м2*К).

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

= (tг - tп)/[(1/ αг)+(δ/λ)+(1/αп)] = (1052,86 - 30) ((1/43,55) + (0,02/45) +

(1/4,66)) = 4297,75 Вт/м2

. Зовнішня поверхня циклонної камери, м2:

з = 2πД2/4+πДL- Fвих = 2*3,14*22/4+3,14*2*3,175-0,635 = 25,58 м2.

19.Теплова потужність віддана повітрю, Вт:

= qFз = 4297,75*25,58 = 109936,5 Вт

. Температура підігрітого повітря, 0С:

п' = tп+Q/спV2273 = 30+109936,5/1,33*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.