Главная | Обратная связь

Закон Стефана-Больцмана

 

Полное количество энергии, излучаемой 1 м² поверхности абсолют­но черного тела, для всех длин волн от λ=0 до λ=∞ определяется уравнением

Е₀= dλ= с₁λ^-5dλ)/(е^с2/λΤ-1),Вт/м² . (3.12)

Интегрирование этого уравнения дает

Ео=σ₀Т⁴ ,Вт/м², (3.13)

где σ₀ – константа излучения абсолютно черного тела

σ₀=5,67·10^-8Вт/(м²·К⁴). (3.14)

Уравнение (3.14) выражает закон Стефана-Больцмана, который можно сформулировать так: интегральное излучение или лучеиспуска­тельная (излучательная) способность абсолютно черного тела (т. е. полное количество энергии, излучаемой единицей поверхности тела за единицу времени) пропорциональна четвертой степени абсолютной тем­пературы. Следовательно, в области высоких температур лучеиспускательная способность тел может быть очень большой и передача тепла лучеиспусканием в этих условиях протекает весьма интенсивно.

При больших значениях температуры в технических расчетах удоб­нее пользоваться уравнением (4.13), представленным в виде

Е₀=С₀(Т/100)⁴Вт/м², (3.15)

где Со=σ₀·10⁸=5,67Вт/(м²·К⁴) – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Закон Стефана—Больцмана может быть применен к так называе­мым серым телам. Под ними понимают такие тела, спектр излучения которых подобен спектру абсолютно черного тела и отличается от него только тем, что при одной и той же температуре каждая ордината ин­тенсивности излучения серого тела составляет одну и ту же долю от сходственной ординаты абсолютно черного тела (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Спектры излучения абсо­лютно черного (а) и серого (б) тел при одной и той же температуре

 

Для серого тела выражение (4.15) записывают в виде

Е = С (Т/100)⁴. (3.16)

Сопоставляя уравнения (4.15) и (4.16), находим относительную излучательную способность или степень черноты

ε = Е/Е_о = σТ⁴ / (σ_о Т⁴) = σ / σ_о = С/С_о. (3.17)

Степень черноты ε изменяется в пределах от 0 до 1.

Расчетное уравнение для серого излучения имеет, следовательно, вид

Е = ε Е_о = ε С_о (Т/ 100)⁴ . (3.18)

Данные о величинах ε для некоторых тел приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Степень черноты ε различных материалов в направлении, нормальном к поверхности

Название материала	Температура, оС	Величина ε
Алюминий:
полированный	225— 575	0,039— 0,057
с шероховатой поверхностью		0,055
Сталь:
листовая шлифованная	940—1100	0,55-0,61
окисленная	200—600	0,80—0,60
Чугун обточенный	830-990	0,70
Кирпич:
красный строи­тельный		0,93
огнеупорный		0,75
Штукатурка извест­ковая шерохо- ватая	10—90	0,91
Сажа ламповая	40—370	0,945
Вода	0—100	0,95-0,963

Закон Кирхгофа

Закон Кирхгофа устанавливает связь между излучательной и поглощательной способностями любого тела. Пусть на рис. 3.5 поверхность тела 1 будет серой и температура ее будет равна Т° К, поверхность те­ла 2-абсолютно черной, с той же температурой Т° К во всех точках. Поверхность тела 2 излучает на тело 1энергию Ео=Со(Т/100)⁴, часть которой А1Ео поглощается телом 1 (здесь А₁ коэффициент поглощения тела 1). Тело 1 в свою очередь излучает энергию

Е₁= e₁ Е₀= e₁ С₀ (Т/ 100)⁴. (3.19)

При равенстве температур обеих поверхностей плотность теплового потока, излу­чаемая серой поверхностью, должна быть равна тепловому потоку, ко­торый она поглощает. Следовательно

А₁Е₀ = Е₁ или Е₁/А₁ = Е₀ =С(Т/ 100)⁴. (3.20)

Полученная закономерность справедлива для любых других серых тел, поглощательные способности которых соответственно равны А₂, А₃ и т. д.

Поэтому уравнение (3.20), выражающее закон Кирхгофа, можно записать в общем виде

Е₁/А₁ = Е₂/ А₂ = Е₃/ А₃ = Е₀ = С₀ (Т/100)⁴ . (3.21)

На основании этого уравне­ния можно сделать вывод, что для любого тела отношение его луче­испускательной способности к поглощательной способности равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре и зависит только от температуры.

Подставляя в уравнение (3.21) вместо Е₁ и Е₂ соответст­венно С₁(Т/100)⁴; С₂(Т/100)⁴ и т.д., сокращая обе части уравнения на (Т/100)⁴, получим

С₁/А₁ = С₂/А₂ = С₃/А₃ = …С_0. (3.22)

Если сравнить уравнения (3.22) и (3.17), то окажется, что А=e, т. е. поглощательная способность тела и степень черноты численно равны друг другу.

Из уравнения (3.20) вытекает, что лучеиспускательная способность всех тел меньше лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.

Следует подчеркнуть, что закон Кирхгофа справедлив не только для интегрального получения, но и для любого узкого участка спектра.

Рис. 3.5. Схема лучистых тепловых пото­ков между серой и абсолютно черной по­верхностями (к выводу закона Кирхгофа)

Закон Ламберта

Закон Стефана—Больцмана позволяет определить полное количе­ство энергии, излучаемой в пространство поверхностью абсолютно чер­ного тела во всех направлениях. Излучение осуществляется различно в разных направлениях и поэтому приходится учитывать его интенсив­ность.

Возьмем элементарную площадку dF₁ (рис. 3.6).

 

Рис. 3.6. К определению излуче­ния в различных

направлениях

 

Количество энер­гии, излучаемой в определенном направлении проекцией площадки на нормаль луча в единице телесного угла в единицу времени, т.е. луче­испускательная способность в данном направлении, называют ярко­стью в направлении b (угловой плотностью излучения).

I = dE_b dw Вт/(м²·стерадиан). (3.23)

Закон Ламберта устанавливает, что интенсивность излучения с еди­ницы поверхности абсолютно черного тела в каком-либо направлении пропорциональна косинусу угла между этим направлением и нормалью к по­верхности

I = I_H cos b, (3.24)

где Iн—интенсивность излучения в на­правлении, нормальном к эле­менту поверхности (количест­во энергии, излучаемой в еди­ницу времени с единицы по­верхности в направлении нор­мали);

b—угол между направлением лу­чеиспускания и нормалью.

Общее количество энергии, излучаемой элементарной площадкой dF₁, находим путем интегрирования

_π/2

E = ∫ Idw = ∫ I_H cos bdw = 2π I_H ∫ cosb sinbdb = π I_H. (3.25)

⁰

Следовательно, общее количество энергии, излучаемой единицей по­верхности абсолютно черного тела, в π раз больше того количества энер­гии, которое излучается в нормальном направлении.

Реальные тела не подчиняются закону Ламберта. Однако для часто встречающихся на практике матовых поверхностей с большой поглощательной способностью можно пользоваться этим законом.

 

Глава 4.Топливные нагревательные и термические печи.

Общие положения.

4.1. Нагревательные колодцы

Нагревательные колодцы — это высокотемпературные камерные печи для нагрева слитков большой массы. Конструкция всех элементов колодцев должна отличаться простотой и надежностью работы по условиям воздей­ствия высоких температур и значительных механических усилий.

Современными типами нагревательных колодцев являются колодцы с отоплением из центра подины (КПЦ) и наиболее совершенные – с отоплением одной верхней горелкой (КВГ) (рис 4.1). Тепловая мощность КПЦ не менее 5.8 МВт, КВГ – 11.6 МВт.

 

Рис. 4.1. Схемы нагревательных колодцев:

а — с отоплением у центра подины (КЦП); б — с отоплением одной верхней горелкой (КВГ); / — подвод газа;

2 — керамический рекуператор;

3 — подвод воздуха; 4 — металлический рекуператор для нагрева инжектирующего воздуха

При подаче топлива через одну горелку ограничивается длина факела: в КЦП из условия стойкости крышки она должна быть не более 3 м. В КВГ длина факела ограничивается расстоянием до торцевой стены, то есть долж­на быть не более 7-9 м. В противном случае будет высока неравномерность нагрева слитков, стоящих на разных расстояниях от горелок. Поэтому в наг­ревательных колодцах применяют простейшую горелку с улучшенным сме­шением: газ подается несколькими струями.

Вследствие высокой температуры продуктов сгорания в нагревательных колодцах применяют керамические рекуператоры, конструктивно объеди­ненные с рабочим пространством. В КЦП воздух к горелке через рекупера­тор подают вентилятором. В результате этого между воздушной и дымовой сторонами рекуператора возникает перепад давления, приводящий к попа­данию воздуха в продукты сгорания. В КВГ воздух просасывается через рекуператор и подается в горелку с помощью инжектора, работающего на компрессорном воздухе.

За керамическими рекуператорами возможна установка металлических рекуператоров для подогрева газа.

Топливом для нагревательных колодцев является газ с теплотой сгорания 5,45-5,85 МДж/м³ и выше.

 

4.2. Методические нагревательные печи

Методические толкательные печи (ТП), печи с шагающим подом (ПШП) и с шагающими балками (ПШБ), кольцевые печи (КП) работают при противоточном движении металла и продуктов сгорания в рабочем пространстве печи. Тепловая мощность крупных печей составляет 200 МВт и выше.

Существующие ТП отапливают чаще всего с помощью торцевых горе­лок (рис. 4.2), расположенных на одном, трех, четырех или пяти горелочных торцах верхней и нижней зон обогрева.

Большое значение для работы методических печей имеет способ выдачи металла из печи. Различают торцевую и боковую выдачу металла. При торцевой выдаче необходим толкатель, который и выполняет роль выталкивателя.

Конструкцию методических печей выбирают в зависимости от типа стана и вида топлива. Тип стана определяет производительность печей, толщину применяемой заготовки, температуру нагрева металла и его сортамент. От вида используемого топлива зависит конструкция горелочных устройств и применение рекуператоров. При использовании трехзонных методических толкательных печей на среднесортных и крупносортных станах под печи выполняют прямым, с торцевой подачей и выдачей металла.

В нижнем подогреве ПШБ (рис. 4.3) в большинстве случаев установке торцевых горелок препятствует наличие большого числа стационарных и подвижных балок. Поэтому здесь применяют горелки, установленные на продольных стенах или сочетание боковых и торцевых горелок.

В зонах верхнего обогрева методических печей могут быть

установлены торцевые горелки (рис. 4.2 и 4.3, а) и сводовые плоско пламенные горелки по всей длине печи (рис. 4.3, б) или в отдельных зонах, чаще всего в томиль­ной.

Расположение горелок на ПШП аналогично их расположению в верхнем обогреве ТП или ПШБ.

В КП при ширине пода до 3,5 м горелки устанавливают только на наруж­ной стене. Горелки располагают тангенциально, так, чтобы факелы были направлены навстречу движению металла. При ширине пода 4,5 м и более горелки устанавливают на наружной и внутренней стенах радиально. На КП возможно также применение сводовых плоскопламенных горелок.

Методические нагревательные печи отапливают газом с различной теплотой сгорания, мазутом или комбинировано – газом и мазутом.

В связи с тем, что в этих печах необходима высокая калориметрическая температура сгорания (приблизительно 2000⁰С), схемы их отопления сильно зависят от вида и характеристики топлива или, наоборот, для определенного типа или конструкции печи требуется определенное топливо.

Если для отопления печи должен быть применен доменный газ или смесь коксового и доменного газов с Q<5,85 МДж/м³, система отопления может быть решена на основе применения инжекционных горелок полного предварительного смешения в сочетании с высокотемпературным подогревом компонентов сгорания. Воздух следует подогревать в керамическом блочном рекуператоре до 500-600 ⁰С, газ – в металлическом трубчатом рекуператоре до 250-300 ⁰С. При работе инжекционных горелок с α=1,00-1,05 при этих условиях удается достичь высоких температур вблизи горелок и обеспечить нагрев металла до температуры прокатки.

Для работы на смеси коксового и доменного газов с Q^Р=6,25-7,55 МДж/м³ при установке инжекционных горелок достаточно подогревать только воздух в керамическом рекуператоре до 500-550⁰С. Для экономии топлива можно подогревать газ до 250-300 ⁰С или установить за печью котел-утилизатор.

Следует отметить, что печи с инжекционными горелками и керамическим рекуператором получаются весьма громоздкими и дорогими. Такую конструкцию следует применять только при отсутствии более богатого топлива. С ПШБ, ПШП и КП керамические блочные рекуператоры скомпоновать очень трудно, поэтому для указанных печей такая схема отопления практически неприемлема.

 

Рис. 4.2. Схема толкательных печей (ТП):

а — однозонная;

б — трехзонная;

в — четырехзонная печь

 

Рис. 4.3. Схема печей с шагающими балками:

а - (ПШБ): с торцевым отоплением верхнего обогрева;

б - с верхним сводовым

отоплением

 

Отопление методических нагревательных печей смесью коксового и до­менного газов с Q^р = 7,55-10,00 МДж/м³ или смесью природного и домен­ного газов с Q ^р < 18,75 МДж/м³ нежелательно. При применении таких сме­сей резко возрастает опасность проскока (смесь коксового и доменного га­зов) и уменьшается теплопроизводительность инжекционных горелок. Го­релки без предварительного смешения типа "труба в трубе" могут обеспе­чить необходимую температуру в печи только при достаточно высокой сте­пени подогрева воздуха.

Оптимальным топливом для рассматриваемых печей являются природ­ный газ и смеси коксового и доменного газов с Q^р > 10,00 МДж/м³ и при­родного и доменного газов с Q^р > 18,75 МДж/м³. Для отопления этими газа­ми можно применять горелки типа "труба в трубе" (для торцевого отопле­ния) или сводовые плоскопламенные горелки. Для сокращения расхода топ­лива воздух следует подогревать в металлических рекуператорах до 400 °С.

В данном случае конструкция печи получается наиболее простой, компакт­ной, а стоимость сооружения печи — наименьшей.

Мазут для отопления нагревательных печей используют весьма редко.

Гораздо чаще применяют комбинированное газо-мазутное отопление с раз­дельным или совместным сжиганием газа с высокой теплотой сгорания и мазута.

Осуществление совместного сжигания газа и мазута наиболее сложно. В этом случае значительно усложняется система автоматического регулирова­ния теплового режима печи. Кроме того, газ, сгорая быстрее, потребляет кислород воздуха для горения в первую очередь. В результате горение мазу­та затягивается и образуются продукты химического и механического недо­жога, в том числе сажистый углерод. Поэтому, как правило, газ и мазут сжи­гают раздельно, причем мазут является резервным топливом.

При газомазутном отоплении чаще всего применяют горелочные устрой­ства, представляющие собой горелку без предварительного смешения типа "труба в трубе" со встраиваемой в газовое сопло форсункой высокого давле­ния или специальные газомазутные горелки. Воздух для горения подогрева­ют в металлическом рекуператоре до 400 °С.

В случае отопления рассматриваемых печей мазутом на них устанавли­вают форсунки высокого давления с двойным распыливанием. Воздух также подогревают до 400 °С.

 

4.3.Проходные и протяжные печи для термической обработки

 

При термической обработке подвод тепла должен быть рассредоточен по длине рабочего пространства.

В печах этого типа нагреваемые изделия транспортируют с помощью ро­ликового пода, шагающих балок и пода, печных конвейеров различных ти­пов или проталкивают по направляющим, а полосу и проволоку протягива­ют через печь.

Длина печей этого типа может достигать 100 м и более, а тепловая мощ­ность— 10 МВт.

При нагреве изделий до 700 °С и выше камеры нагрева этих печей осна­щают горелками, обычно расположенными с обеих сторон нагреваемого из­делия (сверху и снизу) а если это

невозможно, — только сверху. При терми­ческой обработке в атмосфере контролируемого состава таким же образом располагают радиационные трубы. В вертикальных протяжных печах горе­лочные устройства или радиационные трубы располагают с обеих сторон ветви полосы.

Для отопления проходных и протяжных печей часто применяют инжекционные горелки с инжекцией воздуха газом. При постоянном во времени тепловом режиме ограниченные пределы регулирования инжекционных горелок приемлемы. При большом, а часто огромном числе горелок желательно избежать системы трубопроводов для разводки воздуха, кото­рые чрезмерно осложняют конструкцию печи и затрудняют ее обслужива­ние.

Однако инжекционные горелки работают на холодном воздухе. Поэтому в настоящее время стремятся применять двухпроводные горелки с исполь­зованием тепла уходящих продуктов сгорания для рекуперативного подо­грева воздуха горения.

Радиационные трубы обычно конструируют со встроенным рекуператором для подогрева воздуха.

Если требуется высокая равномерность и интенсивность нагрева изде­лий, то прибегают к циркуляции среды в рабочем пространстве.

На рис. 4.4 показана схема поперечного сечения печи с шагающими бал­ками для нагрева изделий на поддонах до 900-950 °С. Двухпроводные го­релки расположены попеременно выше и ниже уровня пода. Нижняя горел­ка соединена каналом, расположенным в кладке продольных стен, с верх­ней частью рабочего пространства, а верхняя горелка — с нижней частью рабочего пространства. Через эти каналы к корню факела подсасываются продукты сгорания из рабочего пространства. В результате в печи создана система интенсивной рециркуляции продуктов сгорания. Это обеспечивает высокую равномерность распределения температур в поперечном сечении печи.

В печи с роликовым подом для светлого отжига тяжелых бунтов прово­локи (нагрев до 770-810 °С) для интенсификации и повышения равномер­ности нагрева применены циркуляционные вентиляторы (рис. 4.5).

Циркуляционный вентилятор 1, установленный на поду печи, отсасыва­ет атмосферу контролируемого состава из рабочего пространства. Поток ат­мосферы из направляющего аппарата 2 омывает тупиковые радиационные трубы 3, расположенные вертикально у продольных стен печи. Нагретая ат­мосфера омывает бунты 4, транспортируемые на роликах 5 печного роль­ганга.

При нагреве до низких температур (200 - 600⁰С) наиболее предпочтительна система отопления с интенсивным теплообменом конвекцией.

Рис. 4.4. Схема печи с шагающими балками.

Рис. 4.5. Схема печи с роликовым подом и с рециркуляцией продуктов сгорания для отжига тяжелых бунтов проволоки.

 

На рис. 4.6 показана схема поперечного разреза печи с шагающими бал­ками для нагрева до 400-630 °С тяжелых алюминиевых слябов. Циркуляци­онный вентилятор 1, расположенный на боковой стене печи, подсасывает газовую среду из рабочего пространства и подает ее в продольный канал 2. В этом канале установлены горелки 3, позволяющие получить низкотемпе­ратурные продукты сгорания. Затем смесь газов через канал 4 поступает в короб 5. Из коробов через большое число сопел горячий газ направляется с большой скоростью на верхнюю и нижнюю поверхности слябов. Избыточ­ное количество продуктов сгорания сбрасывают через дымопровод 6. При организованном таким образом струйном нагреве удается достичь высокой равномерности и скорости нагрева.

Рис. 4.6. Схема печи струйного нагрева алюминиевых слябов

Иной способ решения системы отопления печи для низкотемпературно­го нагрева представлен на рис. 4.7. Здесь схематически показан поперечный разрез печи с шагающими балками для нагрева до 250-350 °С (отпуск) па­кетов прутков. Продукты сгорания, смешанные с воздухом, с помощью ды­мососов отсасываются из рабочего пространства печи. От дымососов смесь поступает в коллектор 1, а из него в патрубки 2. В патрубках, встроены го­релки, где газ сгорает в рециркуляте; образуются низкотемпературные про­дукты сгорания, которые подаются в продольный короб 3, а из него в ряд труб 4. Продукты сгорания из труб выходят в рабочее пространство и нагре­вают пакеты прутков. В обоих случаях (см. рис. 4.6 и 4.7) рециркуляционные контуры разбиты по длине печи на несколько одинаковых секций. При проектировании низкотемпературных печей совершенно необходимо предусматривать специ­альные меры по обеспечению взрывобезопасности при эксплуатации: за­пальные горелки, устройства контроля пламени и тому подобное.

Рис. 4.7. Схема конвективной печи для нагрева пакетов прутков

 

Если в печи должны проводиться две операции с существенно разными температурами нагрева (например, отпуск и нормализация), то систему ее отопления предпочтительно решать с применением горелок с широким диапазоном изменения коэффициента расхода воздуха. Благодаря возможности работы этих горелок с большими пределами регулирования расхода топлива и высокими коэффициентами расхода воздуха переход от одного режима к другому может производиться без отключения части горелок. Если же заданные режимы окажутся неосуществимыми по характеристике этих горелок, то необходима система отопления, предусматривающая отключение части горелок.

Неудобством этой системы является то, что отключать и включать горелки приходится вручную. Для обеспечения безопасности эксплуатации печи при 500 - 600⁰С и менее необходимо конструктивно выделить группы горелок, работающих при этом режиме. Эта группа горелок должна быть оснащена устройствами контроля пламени, автоматической отсечкой зоны при погасании горелки и другими устройствами, обеспечивающими взрывобезопасность низкотемпературных печей.

При значительной ширине печи равномерность нагрева изделий может быть обеспечена путем применения отопления сводовыми горелками. Тип горелок должен выбираться в зависимости от технологического режима ра­боты печей.

В современных агрегатах непрерывного горячего цинкования в камере скоростного нагрева необходимо проведение безокислительного нагрева от­крытым пламенем. С этой целью камеру скоростного нагрева отапливают с помощью горелок, которые обеспечивают сжигание газа с коэффициентом расхода воздуха несколько меньше единицы и практически с полным выго­ранием кислорода воздуха.

Для протяжных и протяжных печей часто применяют горелочные устройства, снабженные запальными горелками. При разработке системы отопления в этих случаях необходимо предусматривать питание запальных горелок газом и воздухом таким образом, чтобы при изменении расхода компонентов сжигания на основные горелки их расходы на запальные горелки оставались постоянными.

В заключение для наглядности на рис. 4.8 дан общий вид наиболее применяемой в прокатном производстве толкательной трехзонной печи с ее технико-экономическими показателями.

 

Рис. 4.8. Общий вид с разрезом методической печи:

1 - Под печи;2 - Устройство загрузки металла; 3 - Сварочная зона;

4 -Газопровод горелок; 5 - Вертикальные каналы; 6 – Дымоход;

7 - Рекуператор; 8 - Дымовая труба

 

В табл. 4.1 приведены технико-экономические показатели печи.

 

Таблица 4.1

Технико-экономические показатели

 

№	Показатель	Величина
	Производительность печи	80 т/ч
	Часовой расход газа на печь	3898 м3/ч
	Удельный расход тепла	1975 кДж/кг
	КПД печи	42 %

 

Глава 5. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

5.1 Основные сведения о топливе

 

Топливо по агрегатному состоянию делится на твердое, жидкое и газообразное, по происхождению – на естественное и искусственное.

Естественным называется топливо, которое применяется в том виде, в каком добыто.

Искусственным называется топливо, полученное из естественного топлива путем его переработки.

Состав топлива.

Топливо состоит из двух частей: горючей и негорючей (балласта).

Горючая часть газообразного топлива состоит из смеси горючих газов: СО – окиси углерода, - водорода, – метана, – углеводородов, - сероводорода, а негорючая часть – из смеси негорючих газов: – углекислого газа, - водяного пара, - азота, – кислорода.

Различают рабочее (влажное) и сухое газообразное топливо.

Составы рабочего и сухого топлива:

где - содержание окиси углерода, водорода и т.д. в рабочем и сухом (с индексом «с») газообразном топливе в % по объему.

При пересчете состава сухого газообразного топлива при влагосодержании ( ) на состав рабочего газообразного топлива рассчитываются:

Объем водяного пара при переводе в него W г воды

,

где и - молекулярная масса и объем водяного пара при нормальных условиях (t = 0 ^оС и Р = 101,325 кПа).

Коэффициент пересчета состава сухого топлива на состав рабочего топлива:

Состав рабочего топлива

и т.д.

 

5.2 Теплота сгорания топлива

 

Теплота сгорания топлива – важная характеристика топлива. В зависимости от агрегатного состояния влаги в продуктах сгорания различают высшую (Q_в) и низшую (Q_н ) теплоту сгорания топлива.

Высшей теплотой сгорания называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы количества топлива при условии перевода влаги продуктов сгорания из парообразного состояния в жидкость с температурой t = 0 ^оС.

Низшей теплотой сгорания называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы количества топлива при условии, что влага продуктов сгорания находится в виде пара, охлажденного до 20 ^оС.

Теплота сгорания измеряется в (или ), .

Для газообразного топлива количество влаги в продуктах сгорания

,

где , , … - количество водорода, углеводородов, … в топливе (в % по объему),

- молекулярная масса влаги,

- молекулярный объем,

и разница между высшей и низшей теплотой сгорания

или

В основу расчета теплоты сгорания топлива положен закон Гесса, согласно которому тепловой эффект химической реакции не зависит ни от рода, ни от числа промежуточных реакций, а зависит от конечного и начального состояний реагирующих веществ.

Теплота сгорания рабочего газообразного топлива рассчитывается по формуле:

где СО, Н₂, … , Н₂S - содержание однокомпонентных горючих газов в %по объему,

127,7; 108; …; 234 – теплота окисления I% (по объему),

СО, Н₂, … , Н₂S в кДж.

Расчетная теплота сгорания может отличаться от действительной (опытной), так как в газообразном топливе содержатся пыль и смолы.

 

Для отопления нагревательных печей в настоящее время в основном используется природный газ.

Ниже дается пример расчета горения природного газа химического состава, %.

 

СО₂=0,2%; СН₄=92,8%; С₂Н₆=3,7%; С₄Н₁₀=0,2% С₅Н₁₂=0,3%; N₂=2,8%.

 

Содержание влаги в газе W=28г/м³

Коэффициент расхода воздуха = 1,06

Температура подогрева воздуха = 300 ⁰С

Определяется:

1. Расход воздуха на горение: - теоретический

- практический

2. Расход продуктов горения: - теоретический

- практический

3. Состав продуктов горения, %.

4. Составляется материальный баланс горения.

5. Определяются низшая теплота сгорания топлива, и температуры горения топлива:

- температура жаропроизводительности t^ж;

- калориметрическая температура t^к.

 

Выполняется пересчет с сухого состава на влажный.

Коэффициент пересчета с сухого на рабочий газ:

Состав рабочего газа:

 

Всего:100%

Определяется теоретический расход воздуха на горение 1 м³ газа по составу воздуха в % по объему: 21% О₂ и 79% N₂ и их отношение в дутье

 

Определяется теоретический расход воздуха на горение 1 м³ газа:

Вычисляется практический расход воздуха:

 

 

Определяется объем продуктов горения при

 

 

 

Вычисляем процентный состав влажных продуктов горения при

 

 

 

Всего:100%

 

Вычисляется количество продуктов горения при .

α влияет на объем азота и на объем избыточного кислорода.

где доля О₂ в воздухе, .

 

Коэффициент расхода воздуха не изменяет

Действительный выход влажных продуктов горения

Найдем процентный состав продуктов сгорания при

 

 

 

Всего 100%

 

Для проверки правильности расчета составляется материальный баланс горения топлива объемом при .

Поступило: топливо (природный газ)

и воздух

где:

Получено:

где - плотность продуктов сгорания:

 

 

Определяется низшая теплота сгорания топлива

Для определения температур жаропроизводительности и калориметрической определяется начальная энтальпия продуктов сгорания (где ).

Т.к. сама теплоемкость зависит от температуры, расчет температур ведется методом проб и ошибок.

Для определения температуры жаропроизводительности задаемся и по табл.3 приложения III [1] найдем энтальпию компонентов q_i=рi, где р-объемная доля компонента в продуктах горения и i-теплосодержание компонента.

< , поэтому >2000⁰С

Задается

> , поэтому находится в пределах 2000-2100 Интерполяцией определяется:

 

Определяется калориметрическая температура горения( аналогичным образом, т.е. также задается и находится тепло из табл.3 приложения III [1]:

< ; поэтому

Задается , тогда q=im составит

поэтому 2100⁰< <2200⁰

 

Калориметрическая температура горения определяет температуру печи:

где -пирометрический поправочный коэффициент, для методических печей =0,65÷0,8

Библиографический список:

 

1. Теплотехника/под ред. А.П.Баскакова. М.: Энергоатомиздат, 1982.

2. Кривандин В.А. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1986.

3. Расчет нагревательных и термических печей/под ред. В.М.Тымчака. М.: Металлургия, 1983.

4. Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника. Т.1,2. М.: Металлургия, 1986.

5. Кривандин В.А. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии. М.: Металлургия, 1989.

6. Кривандин В.А. Металлургические печи. М.: Металлургия, 1977.

7. Леонтьев А.И. Теория тепломассообмена. М.: Высшая школа, 1979.

8. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.

9. Авчухов В.В. Задачник по процессам тепломассообмена. М.:Энергоатомиздат,1986.

10. Телегин А.С. Теплотехнические расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1982.

11. Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей. Т 1,2. М.: Металлургия, 1996.

12. Телегин А.С. Термодинамика и тепломассоперенос. М.: Металлургия, 1980.

13. Краснощеков Е.А. Задачник по теплопередаче. М.: Энергия,1980.

14. Панкратов В.В. Сборник задач по теплотехнике. М.: Высшая школа, 1986.

15. Матвеев Г.А. Теплотехника. М.: Высшая школа, 1981.

16. Арнольд Л.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1979.

17. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1980.

18. Телегин А.С. техническая термодинамика. М.: Металлургия, 1992.

19. Тымчак В.Н.,Гусовский В.А. Справочник. Расчет нагревательных и термических печей. М.: Металлургия, 1983.