Методические указания к практическим занятиям по металлургической теплотехнике. Метод_указ_Прак_Мет_теплотех. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине Металлургическая теплотехника

• Название: Методические указания к практическим занятиям по дисциплине Металлургическая теплотехника
• Анкор: Методические указания к практическим занятиям по металлургической теплотехнике
• Дата: 11.11.2022
• Размер: 2.35 Mb.
• Имя файла: Метод_указ_Прак_Мет_теплотех.docx
• Тип: Методические указания; #782341
• страница: 6 из 7

Задача № 4. Определить число экранов, которые необходимо поместить между двумя параллельными пластинами со степенью черноты 0,8, чтобы результирующий лучистый поток от одной поверхности к другой уменьшился в 105 раз. Принять, что температуры поверхностей после установки экранов не изменяются. Степень черноты экранов 0,05.

Решение. При отсутствии экранов плотность теплового потока между двумя параллельными пластинами рассчитывают по формуле

где приведенную степень черноты _пр для двух параллельных пластин рассчитывают по формуле

При наличии экранов плотность лучистого теплового потока определяют по формуле


где приведенную степень черноты для двух параллельных пластин с расположенными между ними экранами рассчитывают по формуле:

Находим отношение плотности радиационного теплового потока между двумя параллельными пластинами без экранов к плотности радиационного теплового потока между двумя параллельными пластинами при наличии экранов:



Выражаем число экранов n:


Найдем значение 1/_пр:

Тогда



10.3 Задания для самостоятельного решения
Задание №1. Между кирпичной обмуровкой топочной камеры и металлической обшивкой помещен экран из латуни. Степень черноты: кирпичной обмуровки - 0,85; металлической обшивки - 0,62; латуни - 0,35. Температура на поверхности обмуровки - 150 ^оС, а на металлической обшивке – 30 ^оС. Определить плотность результирующего потока излучением на металлической обшивке при наличии экрана.

Ответ: 205,6 Вт/м².

Задание №2. Определить плотность теплового потока излучением для двух стальных листов, расположенных параллельно, при температурах 500 °C и 20 °C. Расстояние между листами мало по сравнению с их высотой и шириной. Между стальными листами расположен стальной экран. Степень черноты стальных листов и экрана ₁ = ₂ = _э = 0,8.

Ответ: 6608,8 Вт/м².
Задание №3. Определить плотность теплового потока излучением для двух стальных листов, расположенных параллельно, при температурах 500 °C и 20 °C. Расстояние между листами мало по сравнению с их высотой и шириной. Между стальными экранами расположен экран из алюминиевой фольги со степенью черноты _э = 0,05. Степень черноты стальных листов ₁ = ₂ = 0,8.

Ответ: 489,5 Вт/м².
Задание №4. В целях уменьшения тепловых потерь нагревательную печь окружили стальным экраном. Размеры печи велики по сравнению с расстоянием между ее наружной поверхностью и экраном. В результате измерений было получено, что температура наружной поверхности кладки печи равна 120 °С, а температура окружающей среды 25 °С. Найти плотность лучистого потока от поверхности кладки в окружающую среду. Степень черноты кладки равна 0,8; степень черноты стен помещения 0,9; температура стен равна температуре окружающей среды; степень черноты экрана равна 0,2.

Ответ: 87,4 Вт/м².
Контрольные вопросы:

1. 
   Что понимают под тепловым экраном?
   
2. 
   Что понимают под приведенной степенью черноты?
   
3. 
   Как рассчитывают приведенную степень черноты системы без экранов и при их наличии?
   
4. 
   Какие факторы влияют на способность экранов уменьшать тепловые потери.
   
5. 
   Как рассчитывают необходимое число экранов?
   
6. 
   Как подбирают материал экранов?
   

Практическое занятие № 11
Состав топлива
11.1 Краткие теоретические сведения
Топливо – вещество, горение которого со­про­вож­да­ется выделением большого количества теплоты и которое отвечает следующим требова­ни­ям:

1) за­па­сы должны быть достаточными для того, чтобы их было экономически выгодно добывать и использовать длительное время;

2) транспортировка и распределение по потребителям должны поддаваться механизации и авто­ма­ти­зации;

3) продукты сгорания должны легко удаляться из зоны го­ре­ния;

4) продукты сгорания должны быть безвредны для окружающей среды, человека и техноло­ги­че­ско­го оборудования;

5) процесс горения должен быть контролируемым и управляемым.

По агрегатному состоянию топливо делится на твердое, жид­кое и газообразное, по происхож­де­нию – на естественное и ис­кусственное. Искусственное топливо получается путем предва­рительной об­ра­ботки естественного с целью повышения его ка­чества. Топливо по назначению подразделяют на энергетическое и технологическое. К технологическим относятся виды топлива, которые являются не только источником теплоты, но и компо­нентами технологического процесса. К энергетическим относятся те виды топлива, которые явля­ются только источником теплоты как рабочего вида энергии, необходимой для реализации заданного технологи­че­ского про­цесса.

Показатели качества топлива: химический состав топлива, теплота сгорания топ­лива, температура горения топлива.

Химический состав топлива. Большинство видов топлива имеют органическое происхожде­ние, поэтому основными его составляющими являются углерод и водород в виде различных химических соединений. В состав топли­ва входят азот, кислород и сера. Помимо них в топливе содержатся вода и зола. Зола (А) состоит из оксидов А1₂О₃, SiO₂, CaO, Fe₂O₃ и др.

Содержание химических элементов и других составляющих топлива исчисляется в процентах от единицы массы или объема, исходя из определенной части (массы) топлива. В зависимости от состава и вида топлива различают рабочую, аналитическую, сухую, горючую и органическую массы топлива. Каждой массе присваивается соответствующий индекс: рабочей – р, сухой – с, горючей – г, органической – о, аналитической – а.

Для твердых топлив применимы все пять масс. О составе топлива на соответствующую массу судят по индексу элементов. Топливо в том виде, в котором оно приходит к потребителю, называется рабочим.

По результатам элементного анализа можно выделить в топливе: органическую массу (индекс «о») (С^о + Н^о + О^о + N^о = 100 %), горючую массу (С, Н, N, S), сухую массу (индекс «с») (С, Н, О, N, S, А).Совокупность всех компонентов, входящих в жидкое и твердое топливо, называется рабочим топливом (индекс «р») (С, Н, О, N, S, A, W). Состав рабочего топлива, %, записывается в виде:
C ^p + H ^p + O ^p + N ^p + S ^p+Ж ^р + А ^р = 100.
На лабораторный анализ топливо поступает воздушно-сухим, т.е. высушенным до постоянного веса на воздухе в естественных условиях. Масса такого топлива называется аналитической. Ее элементарный состав представляется в виде:
С^а + Н^а + О^а + N^a + S ^а_л + А^а + W^a = 100 %.
При полном высушивании топлива (при t ≥ 105 °С) получают сухую массу. Уравнение элементарного состава сухой массы топлива имеет вид:
С^с +Н^с +О^с +N^c +S_л^с +А_с =100 %.
Под горючей массой топлива понимают топливо, не содержащее механических компонентов и влаги (балласта). Уравнение элементарного состава горючей массы топлива:
С^г +Н^г +О^г +N^г +S_л^г =100 %.
Органическая масса топлива в отличие от горючей не содержит колчеданную серу. Элементарный состав этой массы может быть выражен равенством
С°+Н°+О°+N^o +S_л^о =100 %.
Очевидно, что при переходе от рабочей к органической массе доля химических элементов в составе топлива увеличивается, т.е.

Пересчет элементарного состава топлива в различные массы

Пересчет элементарного состава с горючей массы топлива на его рабочую массу и обратно производится по формулам:



Для обратного пересчета из рабочей массы в горючую используется множитель

Множители для пересчета состава топлива с одной массы на другую приводятся в таблице 1.
Таблица 1 - Множители (коэффициенты) для пересчета состава топлив

Если топливо содержит большое количество карбонатов (более 2 %), например, горючие сланцы, то коэффициент пересчета (множитель) принимается с учетом разложения карбонатов. В этом случае за горючую массу принимают следующее выражение:
Г 100  (А_испр  W^р)  (СО₂)_к ,
где (СО₂)_к – содержание углекислоты карбонатов, %;

А_испр – зольность топлива за вычетом сульфатов, образовавшихся при разложении карбонатов с поправкой на сгорание колчеданной серы:

Поправку А_с равной в интервале (2,0÷4,1). Пересчет элементного состава рабочей массы топлива с влажностью W₁^р на массу с влажностью W₂^р производится умножением исходных составляющих на множитель:



То же самое имеет место при изменении зольности топлива с А₁ до А₂:

Состав природных и искусственных газов исчисляется только на сухой объем (1м³ при нормальных условиях). Для большинства природных газов он представляется в виде суммы:
СН₄ + С₂Н₆ + С₃Н₈ + C₄H₁₀ + С₅Н₁₂ + N₂ + СО₂ = 100 %.
В долю пентана С₅Н₁₂ включают и другие, более тяжелые углеводороды.

В наиболее общем виде состав сухих искусственных газов можно представить следующим образом:
СН₄ + С_mН_n + Н₂ + СО + N₂ + О₂ = 100 %,
где С_mН_n – суммарное содержание углеводородов тяжелее метана.
11.2 Примеры решения задач

Задача №1. При лабораторных исследованиях был получен элементный состав каменного угля на горючую массу:

С^г = 84,0 %; Н^г = 4,5 %; О^г = 9,0 %; N^г = 2,0 %; S_л^г = 0,5 %.

Влажность и зольность на рабочую массу равны W^р = 12,0 % и А^р = 11,4 %. Определить элементный состав на рабочую массу топлива.
Решение. Для пересчета с горючей массы на рабочую используем коэффициент пересчета:

Тогда:
С^р  С^гК  84,00,766  64,34 %;

Н^р  Н^гК  4,50,766  3,45 %;

N^р  N^гК  2,00,766  1,53 %;

O^р  O^гК  9,00,766  6,90 %;

S^р  S^гК  0,50,7660,38 %;
Проверка: суммарный элементный состав топлива на рабочую массу должен равняться 100 %:
С^р + Н^p + О^p +N^p +S_л^p +A^р +W^p =100 %.


64,34 + 3,45 + 1,53 + 6,90 + 0,38 + 12,0 + 11,40 = 100 %.
Задача №2. Задан следующий элементный состав на горючую массу каменного угля: С^г = 80,2 %; Н^г =3,3 %; О^г =14,0 %; N^г =2,1 %; S_л^г = 0,4 %. Известно, что зольность сухой массы А^с = 22,12 %. Определить элементный состав топлива на рабочую массу при W^р = 15,0 %.

Решение: В соответствии с таблицей 1 коэффициент пересчета масс имеет вид

Для его использования пересчитаем зольность с сухой массы на рабочую:

Тогда


Определяем элементный состав топлива на рабочую массу:
С^р  С^гК  80,20,662  53,09 %;

Н^р  Н^гК  3,30,662  2,18 %;

N^р  N^гК  2,10,662  1,39 %;

O_р  O^гК  14,00,662  9,27 %;

Sр  S^гК  0,40,662  0,27 %;
Проверяем полный элементный состав рабочей массы:
С^р + Н^p + О^p + N^p + S_л^p + A^р + W^p = 100 %.

53,09 + 2,18 + 9,27 + 1,39 + 0,27 + 18,8 + 15,0 = 100 %.
11.3 Задания для самостоятельного решения
Задание1. Сушка березовского угля с составом рабочей массы:Wp =33,0%;Ар =4,7%;Ср =44,3%;Нp =3,0%;Оp =14,4%; Np =0,4 %; Sл p = 0,2 %. Определите состав рабочей массы подсушенного до Wp = 10,0 % топлива.

Задание 2. Содержание углерода в рабочей массе экибастузского угля составляет 43,4% при влажности рабочей массы 7,0 % и зольности 38,1 %. Определите содержание углерода в сухой массе при увеличении рабочей зольности топлива до 45,0 %.
Задание 3. Определите состав горючей массы нерюнгринского угля, если известен состав рабочей массы: W^p = 9,5 %; А^р = 12,7 %; С^р = 66,1 %; Н^p = 3,3 %; О^p = 7,5 %; N^p = 0,7 %;S_л^p = 0,2 %.
Задание 4. В мельнице-вентиляторе подсушивается уголь состава: C^р₁ =28,7 %; H^р₁ = 2,2 %; S_л^р₁ = 2,7 %; N^р₁ = 0,6 %; O^р₁ = 8,6 %; A^р₁ =25,2 % и W^р₁ = 32 %. Определить состав рабочей массы подсушенного топлива, если известно, что влажность топлива после подсушки W^р₂ = 15,0 %.
Задание 5. Был получен элементный состав бурого угля марки на горючую массу: С^г = 80,0 %; Н^г = 6,5 %; О^г = 11,0 %; N^г = 2,0 %; S_л^г = 0,5 %. Влажность и зольность на рабочую массу равны W^р = 12,0 % и А^р = 11,4 %. Определить элементный состав на рабочую массу топлива.
Контрольные вопросы:

1. 
   Дайте определение понятию «топливо»
   
2. 
   Для чего предназначено энергетическое и технологическое
   
3. 
   топливо?
   
4. 
   Приведите примеры искусственного вида топлива различного агрегатного состояния.
   
5. 
   Из чего состоят горючая и негорючая части топлива?
   
6. 
   Что такое балласт топлива?
   
7. 
   Что является главной горючей составляющей всех видов топлив?
   
8. 
   В каких видах сера входит в состав топлив?
   
9. 
   В чем отличие рабочей, сухой, аналитической и горючей масс топлива?
   

Практическое занятие № 12
Теплота сгорания топлива
12.1 Краткие теоретические сведения
Теплота сгорания топлива. Теплота сгорания топлива является важнейшей характеристи­кой топлива и показывает, какое количество теплоты выделяется при сжигании единицы топлива (жидкое и твердое – 1 кг, газо­образное – 1 м³) до продуктов полного сгорания всех горючих компонентов. Теплота сгорания имеет размерность кДж/кг (твердое и жидкое топливо) и кДж/м³ (газообразное топливо) и зависит только от химического состава топлива.

Высшая теплота сгорания Q характеризует количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива при условии, что образовавшиеся пары воды охлаждаются, конденсируются в жидкое состояние и охлаждаются до 273 К. При этом в зону горения возвращается (в расчете на 1 кг воды): 2256,8 кДж/кг – скрытая теплота испарения и 418,7 кДж/кг – теплота нагрева воды от 273 до 373 К, всего 2675,5 кДж/кг.

Низшая теплота сгорания топлива Q характеризует количе­ство теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива при условии, что образовавшиеся пары воды охлаждают­ся в газообразном состоянии с 373 до 273 К. Количество возвра­щенной в зону горения теплоты, при этом составляет
1∙2,041(373 – 273) = 163,3 кДж/кг,
где 2,041 – теплоемкость паров воды, кДж/кг.

На самом деле пары воды покидают зону горения вместе с другими продуктами сгорания. Количественная разница между высшей и низшей теплотой сго­рания в расчете на 1 кг воды составляет 2512,2 кДж/кг.

На практике обычно температура продуктов сгорания, покидающих теплоэнергетическую установку, выше температуры точки росы, и вода, содержащаяся в них, выходит в виде пара, с которым бесполезно теряется и теплота конденсации. Поэтому для оценки реальной теплотворной способности топлив используется понятие низшей теплоты сгорания Q^р_н , которая представляет собой количество теплоты, выделившейся при полном сгорании 1 кг топлива, без учета теплоты, выделившейся при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Она меньше высшей рабочей массы топлива, на величину неиспользованной теплоты, выделяющейся при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания:

259Н ^р  W ^р  – общая теплота, кДж/кг, выделяемая при конденсации водяных паров, образующихся в результате сгорания водорода топлива в количестве H^р (%) и испарившейся в процессе сгорания влаги топлива в количестве W^р (%). Множитель 25 – это энтальпия 1 кг паров при давлении 0,1 МПа, исчисленная на 1 % состава топлива.

Теплота сгорания горючих газов определяется в такой же калориметрической установке или в калориметре, в котором теплота сгорающего топлива полностью поглощается водой, проходящей через калориметр.

Высшая теплота сгорания используется для сравнения тепловой ценности отдельных топлив, низшая – во всех технических расчетах.

Теплоту сгорания твердого и жидкого топлив, кДж/кг, при известном их элементарном составе приближенно можно вычислить по эмпирическим формулам, из которых наиболее распространена формула Д.И. Менделеева:

– низшая удельная теплота сгорания рабочей массы топлива (МДж/кг):


– высшая удельная теплота сгорания рабочей массы топлива (МДж/кг):

где C, H, O, S, W – содержание в рабочей массе топлива отдельных химических элементов в процентах.

При определении низшей удельной теплоты сгорания последний член суммы учитывает теплоту, поглощенную при испарении влаги топлива и при переходе в пар воды, образовавшейся при горении водорода. Более точно теплоту сгорания определяют экспериментально.

Низшую объемную теплоту сгорания (кДж/м³) газообразного топлива определяют сложением тепловых эффектов реакций горения горючих газов, содержащихся в сухом топливе, по формуле

При сгорании других горючих газов, не учтенных в приведенной формуле, выделяется следующая объемная теплота (кДж/м³): этана С₂H₆ – 63 600, пропана С₃H₈ – 89 400, бутана C₄H₁₀ – 118 800, пентана C₅H₁₂ – 166 700, этилена C₂H₆ – 59 000.

Выделение теплоты при горении топлива объясняется тепловым эффектом реакций горения:
C + O₂ = CO₂ + 33,860 МДж/кг

H₂ + O₂ = 2H₂O + 102,828 МДж/кг

S + O₂ =SO₂ +10,450 МДж/кг
Но не все составляющие, входящие в состав рабочей массы топлива, выделяют теплоту при горении. Влага топлива при переходе в пар поглощает теплоту; сера, входящая в состав сульфатов, при их диссоциации также поглощает теплоту.

Пересчет теплот сгорания топлив на рабочую, сухую, аналитическую и горючую массы осуществляется по следующим формулам:


Здесь индексы «р», «с», «г» относятся к рабочей, сухой и горючей массам топлива.
При изменении влажности от W₁^р до W₂^р и зольности с А₁ до А₂ топлива для определения теплоты сгорания используют следующие зависимости:

При одновременном изменении влажности и зольности:

Для приближенных расчетов, а также для проверки элементного состава топлива (если задана Q_н^р ) низшую теплоту сгорания, кДж/кг, определяют по формуле:


Расхождение полученной низшей теплоты сгорания горючей массы топлива, полученной в калориметрической бомбе, не должно превышать ±628 кДж/кг для топлив с зольностью менее 25 % и ±837 кДж/кг – для других топлив.

При сжигании смеси двух твердых или жидких топлив, заданных массовыми долями (q¹ – массовая доля одного из топлив в смеси), теплота сгорания 1 кг смеси подсчитывается по формуле:

Если же смесь задана в долях по тепловыделению каждого топлива (q₁ – доля одного из топлив в смеси), то для перехода к массовым долям используется следующая зависимость:

При сжигании смеси твердого или жидкого топлива с газообразным, расчет ведется на 1 кг твердого или жидкого топлива с учетом количества газа (х, м³), приходящегося на 1 кг твердого или жидкого топлива:

Если смесь задана в долях тепловыделения q, то количество газа, м³ , приходящегося на 1 кг твердого или жидкого топлива, может быть найдено по следующей зависимости:

На основе вышесказанного, теплоту сгорания смеси можно получить, зная исходные данные по основному топливу Q ^р и q₁:

Для сравнения эффективности использования того или друго­го вида топлива, оценки расхода топлива на производство едини­цы продукции введено понятие условного топлива.

Условным топливом называется такое топливо, теплота сгора­ния которого равна 29,3 МДж/кг. Для перевода твердого или жидкого топлива в условное ис­пользуется понятие калорийного эквивалента:


коэффициента теплоплотности:


Понятие коэффициента теплоплотности часто используется для оценки запасов топлива, перевозки и хранения. Понятие условного топлива позволяет оценить эффективность работы однотипного оборудования, работающего в различных ус­ловиях или в различных режимах.