Capacidad calorífica de los productos de la combustión completa en un volumen estequiométrico de aire. Chimenea, cálculo de la densidad de los gases de combustión en función de la temperatura
El aire húmedo es una mezcla de aire seco y vapor de agua. En el aire no saturado, la humedad se encuentra en estado de vapor sobrecalentado y, por lo tanto, las propiedades del aire húmedo pueden describirse aproximadamente mediante las leyes de los gases ideales.
Las principales características del aire húmedo son:
1. Humedad absoluta gramo, que determina la cantidad de vapor de agua contenida en 1 m 3 de aire húmedo. El vapor de agua ocupa todo el volumen de la mezcla, por lo que la humedad absoluta del aire es igual a la masa de 1 m 3 de vapor de agua o densidad de vapor, kg/m 3
2. La humedad relativa j se expresa por la relación entre la humedad absoluta del aire y su máxima humedad posible a la misma presión y temperatura, o por la relación entre la masa de vapor de agua contenida en 1 m 3 de aire húmedo y la masa de vapor de agua requerido para saturar completamente 1 m 3 de aire húmedo a la misma presión y temperatura.
La humedad relativa determina el grado de saturación del aire con humedad:
, (1.2)
donde es la presión parcial de vapor de agua correspondiente a su densidad Pa; - presión de vapor saturado a la misma temperatura, Pa; - la cantidad máxima posible de vapor en 1 m 3 de aire húmedo saturado, kg / m 3; - densidad del vapor a su presión parcial y temperatura del aire húmedo, kg/m 3 .
La relación (1.2) es válida solo cuando se puede suponer que el vapor líquido es un gas ideal hasta el estado de saturación.
La densidad del aire húmedo r es la suma de las densidades del vapor de agua y del aire seco a presiones parciales de 1 m 3 de aire húmedo a la temperatura del aire húmedo T, PARA:
(1.3)
donde es la densidad del aire seco a su presión parcial de 1 m 3 de aire húmedo, kg/m 3; - presión parcial de aire seco, Pa; - constante de gas del aire seco, J/(kg×K).
Expresando y por la ecuación de estado para el aire y el vapor de agua, obtenemos
, (1.5)
donde es el caudal másico de aire y vapor de agua, kg/s.
Estas igualdades son válidas para el mismo volumen. V aire húmedo a la misma temperatura. Dividiendo la segunda igualdad por la primera, obtenemos otra expresión para el contenido de humedad
. (1.6)
Sustituyendo aquí los valores de las constantes de los gases para el aire J/(kg×K) y para el vapor de agua J/(kg×K), obtenemos el valor del contenido de humedad expresado en kilogramos de vapor de agua por 1 kg de aire seco
. (1.7)
Reemplazando la presión de aire parcial con el valor , donde de la anterior y EN es la presión atmosférica barométrica en las mismas unidades que R, obtenemos para aire húmedo bajo presión barométrica
. (1.8)
Así, a una presión barométrica dada, el contenido de humedad del aire depende únicamente de la presión parcial del vapor de agua. El máximo contenido posible de humedad en el aire, de donde
. (1.9)
Dado que la presión de saturación aumenta con la temperatura, la cantidad máxima posible de humedad que puede contener el aire depende de su temperatura, y cuanto mayor sea, mayor será la temperatura. Si las ecuaciones (1.7) y (1.8) se resuelven para y , entonces obtenemos
(1.10)
. (1.11)
El volumen de aire húmedo en metros cúbicos por 1 kg de aire seco se calcula mediante la fórmula
(1.12)
Volumen específico de aire húmedo v, m 3 / kg, se determina dividiendo el volumen de aire húmedo por la masa de la mezcla por 1 kg de aire seco:
El aire húmedo como portador de calor se caracteriza por una entalpía (en kilojulios por 1 kg de aire seco) igual a la suma de las entalpías del aire seco y el vapor de agua.
(1.14)
donde es la capacidad calorífica específica del aire seco, kJ/(kg×K); t– temperatura del aire, °С; i- entalpía del vapor sobrecalentado, kJ/kg.
Entalpía de 1 kg de vapor saturado seco a bajas presiones determinado por la fórmula empírica, kJ/kg:
donde es un coeficiente constante aproximadamente igual a la entalpía del vapor a una temperatura de 0 °C; = 1,97 kJ/(kg×K) – capacidad calorífica específica del vapor.
Sustituyendo los valores i en la expresión (1.14) y tomando el calor específico del aire seco constante e igual a 1.0036 kJ/(kg × K), encontramos la entalpía del aire húmedo en kilojulios por 1 kg de aire seco:
Se utilizan ecuaciones similares a las analizadas anteriormente para determinar los parámetros del gas húmedo.
, (1.17)
donde es la constante de gas para el gas de prueba; R- presion del gas.
Entalpía de gas, kJ/kg,
donde es la capacidad calorífica específica del gas, kJ/(kg×K).
Contenido absoluto de humedad del gas:
. (1.19)
Al calcular los intercambiadores de calor de contacto para portadores de calor aire-agua, puede usar los datos en la Tabla. 1.1-1.2 o dependencias calculadas para determinar los parámetros fisicoquímicos del aire (1.24-1.34) y agua (1.35). Para gases de combustión Se pueden utilizar datos de tabla. 1.3.
Densidad de gas húmedo, kg / m 3:
, (1.20)
donde es la densidad del gas seco a 0 ° C, kg / m 3; M g, M p son las masas moleculares de gas y vapor.
Coeficiente de viscosidad dinámica del gas húmedo, Pa×s:
, (1.21)
donde es el coeficiente de viscosidad dinámica del vapor de agua, Pa×s; - coeficiente de viscosidad dinámica del gas seco, Pa×s; 
- concentración de masa de vapor, kg/kg.
Capacidad calorífica específica del gas húmedo, kJ/(kg×K):
Coeficiente de conductividad térmica de gas húmedo, W/(m×K):
, (1.23)
donde k es el índice adiabático; EN– coeficiente (para gases monoatómicos EN= 2,5; para gases diatómicos EN= 1,9; para gases triatómicos EN = 1,72).
Tabla 1.1. Propiedades físicas aire seco ( R= 0,101 MPa)
| t, ºC | , kg / m 3 | , kJ/(kg×K) | , W/(m×K) | , pa×s | , m 2 /s | PR |
| -20 | 1,395 | 1,009 | 2,28 | 16,2 | 12,79 | 0,716 |
| -10 | 1,342 | 1,009 | 2,36 | 16,7 | 12,43 | 0,712 |
| 1,293 | 1,005 | 2,44 | 17,2 | 13,28 | 0,707 | |
| 1,247 | 1,005 | 2,51 | 17,6 | 14,16 | 0,705 | |
| 1,205 | 1,005 | 2,59 | 18,1 | 15,06 | 0,703 | |
| 1,165 | 1,005 | 2,67 | 18,6 | 16,00 | 0,701 | |
| 1,128 | 1,005 | 2,76 | 19,1 | 16,96 | 0,699 | |
| 1,093 | 1,005 | 2,83 | 19,6 | 17,95 | 0,698 | |
| 1,060 | 1,005 | 2,90 | 20,1 | 18,97 | 0,696 | |
| 1,029 | 1,009 | 2,96 | 20,6 | 20,02 | 0,694 | |
| 1,000 | 1,009 | 3,05 | 21,1 | 21,09 | 0,692 | |
| 0,972 | 1,009 | 3,13 | 21,5 | 22,10 | 0,690 | |
| 0,946 | 1,009 | 3,21 | 21,9 | 23,13 | 0,688 | |
| 0,898 | 1,009 | 3,34 | 22,8 | 25,45 | 0,686 | |
| 0,854 | 1,013 | 3,49 | 23,7 | 27,80 | 0,684 | |
| 0,815 | 1,017 | 3,64 | 24,5 | 30,09 | 0,682 | |
| 0,779 | 1,022 | 3,78 | 25,3 | 32,49 | 0,681 | |
| 0,746 | 1,026 | 3,93 | 26,0 | 34,85 | 0,680 | |
| 0,674 | 1,038 | 4,27 | 27,4 | 40,61 | 0,677 | |
| 0,615 | 1,047 | 4,60 | 29,7 | 48,33 | 0,674 | |
| 0,566 | 1,059 | 4,91 | 31,4 | 55,46 | 0,676 | |
| 0,524 | 1,068 | 5,21 | 33,6 | 63,09 | 0,678 | |
| 0,456 | 1,093 | 5,74 | 36,2 | 79,38 | 0,687 | |
| 0,404 | 1,114 | 6,22 | 39,1 | 96,89 | 0,699 | |
| 0,362 | 1,135 | 6,71 | 41,8 | 115,4 | 0,706 | |
| 0,329 | 1,156 | 7,18 | 44,3 | 134,8 | 0,713 | |
| 0,301 | 1,172 | 7,63 | 46,7 | 155,1 | 0,717 | |
| 0,277 | 1,185 | 8,07 | 49,0 | 177,1 | 0,719 | |
| 0,257 | 1,197 | 8,50 | 51,2 | 199,3 | 0,722 | |
| 0,239 | 1,210 | 9,15 | 53,5 | 233,7 | 0,724 |
Las propiedades termofísicas del aire seco se pueden aproximar mediante las siguientes ecuaciones.
Viscosidad cinemática del aire seco a temperaturas de -20 a +140 ° C, m 2 / s:
Pensilvania; (1.24)
y de 140 a 400 °С, m2/s:
. (1.25)
Tabla 1.2. Propiedades físicas del agua en estado de saturación
| t, ºC | , kg / m 3 | , kJ/(kg×K) | , W/(m×K) | , m 2 /s | , N/m | PR | |
| 999,9 | 4,212 | 55,1 | 1,789 | -0,63 | 756,4 | 13,67 | |
| 999,7 | 4,191 | 57,4 | 1,306 | 0,7 | 741,6 | 9,52 | |
| 998,2 | 4,183 | 59,9 | 1,006 | 1,82 | 726,9 | 7,02 | |
| 995,7 | 4,174 | 61,8 | 0,805 | 3,21 | 712,2 | 5,42 | |
| 992,2 | 4,174 | 63,5 | 0,659 | 3,87 | 696,5 | 4,31 | |
| 988,1 | 4,174 | 64,8 | 0,556 | 4,49 | 676,9 | 3,54 | |
| 983,2 | 4,179 | 65,9 | 0,478 | 5,11 | 662,2 | 2,98 | |
| 977,8 | 4,187 | 66,8 | 0,415 | 5,70 | 643,5 | 2,55 | |
| 971,8 | 4,195 | 67,4 | 0,365 | 6,32 | 625,9 | 2,21 | |
| 965,3 | 4,208 | 68,0 | 0,326 | 6,95 | 607,2 | 1,95 | |
| 958,4 | 4,220 | 68,3 | 0,295 | 7,52 | 588,6 | 1,75 | |
| 951,0 | 4,233 | 68,5 | 0,272 | 8,08 | 569,0 | 1,60 | |
| 943,1 | 4,250 | 68,6 | 0,252 | 8,64 | 548,4 | 1,47 | |
| 934,8 | 4,266 | 68,6 | 0,233 | 9,19 | 528,8 | 1,36 | |
| 926,1 | 4,287 | 68,5 | 0,217 | 9,72 | 507,2 | 1,26 | |
| 917,0 | 4,313 | 68,4 | 0,203 | 10,3 | 486,6 | 1,17 | |
| 907,4 | 4,346 | 68,3 | 0,191 | 10,7 | 466,0 | 1,10 | |
| 897,3 | 4,380 | 67,9 | 0,181 | 11,3 | 443,4 | 1,05 | |
| 886,9 | 4,417 | 67,4 | 0,173 | 11,9 | 422,8 | 1,00 | |
| 876,0 | 4,459 | 67,0 | 0,165 | 12,6 | 400,2 | 0,96 | |
| 863,0 | 4,505 | 66,3 | 0,158 | 13,3 | 376,7 | 0,93 |
Densidad del gas húmedo, kg/m3.
Cuando el carbón combustible se quema en el aire según la ecuación (21C + 2102 + 79N2 = 21C02 + 79N2), por cada volumen de CO2 en los productos de combustión hay 79: 21 = 3,76 volúmenes de N2.
La combustión de antracita, carbón pobre y otros combustibles con un alto contenido de carbono produce productos de combustión que son similares en composición a los productos de combustión de carbono. Cuando el hidrógeno se quema de acuerdo con la ecuación
42H2+2102+79N2=42H20+79N2
Por cada volumen de H2O, hay 79:42 = 1,88 volúmenes de nitrógeno.
En los productos de combustión de gases naturales, licuados y de coquería, combustibles líquidos, leña, turba, lignito, carbón de llama larga y gas y otros combustibles con un contenido significativo de hidrógeno en la masa combustible, un gran número de vapor de agua, a veces superando el volumen de CO2. La presencia de humedad en la parte superior.
|
Tabla 36 Capacidad calorífica, kcal/(m3. °С) |
Live, naturalmente, aumenta el contenido de vapor de agua en los productos de combustión.
La composición de los productos de la combustión completa de los principales tipos de combustible en un volumen estequiométrico de aire se da en la Tabla. 34. De los datos de esta tabla se puede ver que el contenido de N2 en los productos de combustión de todos los tipos de combustible excede significativamente el contenido total de C02-f-H20, y en los productos de combustión de carbono es 79%.
Los productos de la combustión del hidrógeno contienen un 65 % de N2; los productos de la combustión de gases naturales y licuados, gasolina, fuel oil y otros combustibles de hidrocarburos contienen un 70-74 % de N2.
Arroz. 5. Capacidad calorífica volumétrica
Productos de combustion
4 - productos de combustión de carbono
5 - productos de combustión de hidrógeno
La capacidad calorífica promedio de los productos de combustión completa que no contienen oxígeno se puede calcular mediante la fórmula
C \u003d 0.01 (Cc02C02 + Cso2S02 + Cn20H20 + CN2N2) kcal / (m3 - ° С), (VI. 1)
Donde Сс0г, Cso2, СНа0, CNa son las capacidades caloríficas volumétricas de dióxido de carbono, dióxido de azufre, vapor de agua y nitrógeno, y С02, S02, Н20 y N2 son el contenido de los componentes correspondientes en los productos de combustión, % (vol.) .
De acuerdo con esta fórmula (VI. 1) toma la siguiente forma:
C \u003d 0.01.(Cc02 /? 02 + CHj0H20-bCNi! N2) kcal / (m3 "°C). (VI.2)
La capacidad calorífica volumétrica promedio de CO2, H2O y N2 en el rango de temperatura de 0 a 2500 °C se da en la Tabla. 36. Las curvas que caracterizan el cambio en la capacidad calorífica volumétrica promedio de estos gases con el aumento de la temperatura se muestran en la fig. 5.
De la mesa. 16 datos y curvas representadas en la fig. 5 muestra lo siguiente:
1. La capacidad calorífica volumétrica del CO2 supera significativamente la capacidad calorífica del H2O, que, a su vez, supera la capacidad calorífica del N2 en todo el rango de temperatura de 0 a 2000 °C.
2. La capacidad calorífica del CO2 aumenta con el aumento de la temperatura más rápido que la capacidad calorífica del H20, y la capacidad calorífica del H20 más rápido que la capacidad calorífica del N2. Sin embargo, a pesar de esto, las capacidades caloríficas volumétricas promedio ponderadas de los productos de combustión de carbono e hidrógeno en volumen estequiométrico aire difieren poco.
Esta situación, un tanto inesperada a primera vista, se debe a que en los productos de la combustión completa del carbono en el aire, por cada metro cúbico de CO2, que tiene la mayor capacidad calorífica volumétrica, hay 3,76 m3 de N2 con un mínimo volumétrico
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Capacidades caloríficas volumétricas medias de los productos de combustión de carbono e hidrógeno en la cantidad teóricamente necesaria de aire, kcal/(m3-°C)
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Capacidad calorífica, y en los productos de la combustión del hidrógeno por cada metro cúbico de vapor de agua, cuya capacidad calorífica volumétrica es menor que la del CO2, pero mayor que la del N2, hay la mitad de la cantidad de nitrógeno (1,88 m3).
Como resultado, las capacidades caloríficas volumétricas promedio de los productos de combustión de carbono e hidrógeno en el aire se igualan, como se puede ver en los datos de la Tabla. 37 y comparación de las curvas 4 y 5 en las Figs. 5. La diferencia en las capacidades caloríficas promedio ponderadas de los productos de combustión de carbono e hidrógeno en el aire no excede el 2%. Naturalmente, las capacidades caloríficas de los productos de combustión del combustible, que consiste principalmente en carbono e hidrógeno, en un volumen estequiométrico de aire se encuentran en una región estrecha entre las curvas 4 y 5 (sombreadas en la Fig. 5).
Productos de la combustión completa de varios videos; Los combustibles en aire estequiométrico en el rango de temperatura de 0 a 2100 °C tienen la siguiente capacidad calorífica, kcal/(m3>°C):
Fluctuaciones en la capacidad calorífica de los productos de combustión. varios tipos Los combustibles son relativamente pequeños. En combustible sólido con alto contenido de humedad (leña, turba, lignito, etc.) la capacidad calorífica de los productos de combustión en el mismo rango de temperatura es superior a la de combustibles con bajo contenido de humedad (antracita, carbón, fuel oil, gas natural, etc.) .) . Esto se debe al hecho de que durante la combustión de combustible con un alto contenido de humedad en los productos de combustión, aumenta el contenido de vapor de agua, que tiene una mayor capacidad calorífica en comparación con el gas diatómico: nitrógeno.
En mesa. 38 muestra las capacidades caloríficas volumétricas promedio de los productos de combustión completa, no diluidos con aire, para varios rangos de temperatura.
Tabla 38
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El valor de las capacidades caloríficas promedio de los productos de combustión de combustible y aire no diluido con aire en el rango de temperatura de 0 a t ° С
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Un aumento en el contenido de humedad en el combustible aumenta la capacidad calorífica de los productos de combustión debido a un aumento en el contenido de vapor de agua en ellos en el mismo rango de temperatura, en comparación con la capacidad calorífica de los productos de combustión de combustible con menor humedad contenido, y al mismo tiempo reduce la temperatura de combustión del combustible debido a un aumento en el volumen de productos de combustión debido al par de agua.
Con un aumento en el contenido de humedad en el combustible, la capacidad calorífica volumétrica de los productos de combustión aumenta en un rango de temperatura dado y, al mismo tiempo, el intervalo de temperatura disminuye de 0 a £max debido a una disminución en el valor<тах. ПОСКОЛЬКУ ТЄПЛОЄМКОСТЬ ГЭЗОВ уМвНЬ — шается с понижением температуры, теплоемкость продуктов сгорания топлива с различной влажностью в интервале температур от нуля до <тах для данного топлива претерпевает незначительные колебания (табл. 39). В соответствии с этим можно принять теплоемкость продуктов сгорания всех видов твердого топлива от 0 до tmax равной 0,405, жидкого топлива 0,401, природного, доменного и генераторного газов 0,400 ккал/(м3-°С).
Esto permite simplificar considerablemente la determinación de las temperaturas de combustión calorimétricas y calculadas (según el método descrito en el Capítulo VII). El error permitido en este caso no suele superar el 1%, o 20°.
De la consideración de las curvas 4 y 5 en las Figs. 5 se puede ver que la relación de la capacidad calorífica de los productos de combustión completa de carbono en un volumen estequiométrico de aire en el rango de temperatura de 0 a t ° C, por ejemplo, de 0 a
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Capacidad calorífica de los productos de combustión de 0 a t’mayL de varios tipos de combustibles sólidos con un contenido de humedad de 0 a 40%, en un volumen estequiométrico de aire
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200 y de 0 a 2100 °C son prácticamente iguales a la relación de las capacidades caloríficas de los productos de combustión de hidrógeno en los mismos rangos de temperatura. La relación especificada de capacidades caloríficas C' permanece prácticamente constante para los productos de la combustión completa de varios tipos de combustible en un volumen estequiométrico de aire.
En mesa. En la figura 40 se muestran las relaciones de las capacidades caloríficas de los productos de combustión completa de combustible con bajo contenido de lastre, que pasa a productos de combustión gaseosos (antracita, coque, carbón, combustible líquido, natural, petróleo, gases de coquería, etc.) en el rango de temperatura de 0 a t ° С y en el rango de temperatura de 0 a 2100 °C. Dado que la capacidad calorífica de estos tipos de combustible es cercana a los 2100 °C, la relación indicada de capacidades caloríficas C' es igual a la relación de capacidades caloríficas en el rango de temperatura de 0 a t y de 0 a tm&x-
En mesa. 40 también muestra los valores de C', calculados para los productos de combustión de combustible con un alto contenido de lastre, que pasa durante la combustión de combustible en productos de combustión gaseosos, es decir, humedad en combustible sólido, nitrógeno y dióxido de carbono en gaseoso Gasolina. La capacidad calorífica de estos tipos de combustibles (madera, turba, lignito, generador mixto, aire y gases de alto horno) es de 1600-1700 °C.
Mesa 40
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La relación de las capacidades caloríficas de los productos de combustión C' y el aire K en el rango de temperatura de 0 a t ° C a la capacidad calorífica de los productos de combustión de 0 a
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Como puede verse en la Tabla. 40, los valores de C' y K difieren poco incluso para productos de combustión de combustible con diferente contenido de lastre y salida de calor.
Las propiedades termofísicas de los productos de combustión gaseosos necesarios para calcular la dependencia de varios parámetros de la temperatura de un medio gaseoso dado se pueden establecer sobre la base de los valores dados en la tabla. En particular, estas dependencias para la capacidad calorífica se obtienen en la forma:
C psm = un -1/ d,
donde un = 1,3615803; b = 7,0065648; C = 0,0053034712; d = 20,761095;
C psm = un + bT sm + Connecticut 2 SM,
donde un = 0,94426057; b = 0,00035133267; C = -0,0000000539.
La primera dependencia es preferible en términos de precisión de aproximación, la segunda dependencia se puede tomar para realizar cálculos de menor precisión.
Parámetros físicos de los gases de combustión
(en PAG = 0,0981 MPa; R CO2 = 0,13; pag H2O = 0,11; R N2 = 0,76)
| t, °C | γ, N m -3 | Con p, W (m 2 ° С) -1 | λ 10 2, W (m K) -1 | un 10 6, m 2 s -1 | μ 10 6 , Pa s | v 10 6, m 2 s -1 | PR |
| 12,704 | 1,04 | 2,28 | 16,89 | 15,78 | 12,20 | 0,72 | |
| 9,320 | 1,07 | 3,13 | 30,83 | 20,39 | 21,54 | 0,69 | |
| 7,338 | 1,10 | 4,01 | 48,89 | 24,50 | 32,80 | 0,67 | |
| 6,053 | 1,12 | 4,84 | 69,89 | 28,23 | 45,81 | 0,65 | |
| 5,150 | 1,15 | 5,70 | 94,28 | 31,69 | 60,38 | 0,64 | |
| 4,483 | 1,18 | 6,56 | 121,14 | 34,85 | 76,30 | 0,63 | |
| 3,973 | 1,21 | 7,42 | 150,89 | 37,87 | 93,61 | 0,62 | |
| 3,561 | 1,24 | 8,27 | 183,81 | 40,69 | 112,10 | 0,61 | |
| 3,237 | 1,26 | 9,15 | 219,69 | 43,38 | 131,80 | 0,60 | |
| 2,953 | 1,29 | 10,01 | 257,97 | 45,91 | 152,50 | 0,59 | |
| 2,698 | 1,31 | 10,90 | 303,36 | 48,36 | 174,30 | 0,58 | |
| 2,521 | 1,32 | 11,75 | 345,47 | 40,90 | 197,10 | 0,57 | |
| 2,354 | 1,34 | 12,62 | 392,42 | 52,99 | 221,00 | 0,56 |
APÉNDICE 3
(referencia)
Permeabilidad al aire y al humo de conductos de aire y válvulas.
1. Para determinar fugas o fugas de aire en relación con los conductos de ventilación de los sistemas antihumo, se pueden utilizar las siguientes fórmulas, obtenidas por aproximación de datos tabulares:
para conductos de aire clase H (en el rango de presión 0,2 - 1,4 kPa): ΔL = un(R - b)con, donde ΔL- aspiraciones (fugas) de aire, m 3 / m 2 h; R- presión, kPa; un = 10,752331; b = 0,0069397038; con = 0,66419906;
para conductos de aire clase P (en el rango de presión 0,2 - 5,0 kPa): donde un = 0,00913545; b=-3,1647682 10 8 ; c =-1.2724412 10 9 ; re= 0,68424233.
2. Para compuertas cortafuego normalmente cerradas, los valores numéricos de la característica específica de resistencia a la penetración de humo y gas en función de la temperatura del gas corresponden a los datos obtenidos durante las pruebas de fuego de banco de varios productos en la base experimental de VNIIPO:
| 1. Disposiciones generales. 2 2. Datos iniciales. 3 3. Ventilación de humos de escape. 4 3.1. Eliminación de productos de combustión directamente de la sala de combustión. 4 3.2. Retiro de productos de combustión de locales adyacentes. 7 4. Suministro de ventilación de humos. 9 4.1. Suministro de aire a huecos de escalera. 9 4.2. Suministro de aire a los huecos de los ascensores. 14 4.3. Suministro de aire a las esclusas del vestíbulo. 16 4.4. Suministro de aire de compensación. 17 5. Características técnicas del equipo. 17 5.1. Equipos para sistemas de ventilación de humos de escape. 17 5.2. Equipos para alimentación de sistemas de ventilación de humos. 21 6. Modos de control de incendios. 21 Referencias.. 22 Anexo 1. Determinación de los principales parámetros de la carga de fuego de los locales. 22 Anexo 2. Propiedades termofísicas de los gases de combustión. 24 Anexo 3. Permeabilidad al aire y al humo de conductos y válvulas de aire. 25 |
Institución educativa estatal de educación profesional superior.
"Universidad Técnica del Estado de Samara"
Departamento de Tecnología Química y Ecología Industrial
TRABAJO DEL CURSO
en la disciplina "Termodinámica técnica e ingeniería térmica"
Tema: Cálculo de la instalación para la recuperación de calor de los gases residuales de un horno de proceso
Completado por: Estudiante Ryabinina E.A.
ZF curso III grupo 19
Comprobado por: Consultor Churkina A.Yu.
Sámara 2010
Introducción
La mayoría de las empresas químicas generan residuos térmicos de alta y baja temperatura, que pueden utilizarse como recursos energéticos secundarios (SER). Estos incluyen gases de combustión de varias calderas y hornos de proceso, corrientes enfriadas, agua de enfriamiento y vapor de escape.
Los VER térmicos cubren en gran medida la demanda de calor de industrias individuales. Así, en la industria del nitrógeno, más del 26 % de la demanda de calor se cubre mediante VER, en la industria de la soda, más del 11 %.
El número de HOR utilizados depende de tres factores: la temperatura de los HOR, su potencia térmica y la continuidad de la salida.
En la actualidad, el más extendido es el aprovechamiento del calor de los gases residuales industriales, que tienen un potencial de alta temperatura para casi todos los procesos de ingeniería contra incendios y pueden utilizarse de forma continua en la mayoría de las industrias. El calor de los gases residuales es el principal componente del balance energético. Se utiliza principalmente con fines tecnológicos y, en algunos casos, con fines energéticos (en calderas de calor residual).
Sin embargo, el uso generalizado de VER térmicos de alta temperatura está asociado con el desarrollo de métodos de utilización, incluido el calor de escorias calientes, productos, etc., nuevos métodos para utilizar el calor de los gases de escape, así como con la mejora de los diseños de los equipos de utilización existentes.
1. Descripción del esquema tecnológico
En hornos tubulares sin cámara de convección, o en hornos de tipo de convección radiante, pero que tienen una temperatura inicial relativamente alta del producto calentado, la temperatura de los gases de combustión puede ser relativamente alta, lo que conduce a una mayor pérdida de calor, una menor eficiencia del horno y una mayor cantidad de combustible. consumo. Por lo tanto, es necesario aprovechar el calor de los gases residuales. Esto se puede lograr ya sea mediante el uso de un calentador de aire que caliente el aire que ingresa al horno para la combustión del combustible, o mediante la instalación de calderas de calor residual que permitan obtener el vapor de agua necesario para las necesidades tecnológicas.
Sin embargo, para la implementación del calentamiento de aire, se requieren costos adicionales para la construcción de un calentador de aire, ventiladores, así como un consumo de energía adicional consumido por el motor del ventilador.
Para garantizar el funcionamiento normal del calentador de aire, es importante evitar la posibilidad de corrosión de su superficie por el lado del flujo de gases de combustión. Este fenómeno es posible cuando la temperatura de la superficie de intercambio de calor es inferior a la temperatura del punto de rocío; al mismo tiempo, parte de los gases de combustión, directamente en contacto con la superficie del calentador de aire, se enfría significativamente, el vapor de agua contenido en ellos se condensa parcialmente y, absorbiendo el dióxido de azufre de los gases, forma un ácido débil agresivo.
El punto de rocío corresponde a la temperatura a la cual la presión de vapor saturado del agua es igual a la presión parcial del vapor de agua contenido en los gases de combustión.
Una de las formas más confiables de protegerse contra la corrosión es precalentar el aire de alguna manera (por ejemplo, en calentadores de agua o vapor) a una temperatura superior al punto de rocío. Tal corrosión también puede ocurrir en la superficie de las tuberías de convección si la temperatura de la materia prima que ingresa al horno está por debajo del punto de rocío.
La fuente de calor para aumentar la temperatura del vapor saturado es la reacción de oxidación (combustión) del combustible primario. Los gases de combustión formados durante la combustión ceden su calor en las cámaras de radiación y luego de convección al flujo de materia prima (vapor). El vapor de agua sobrecalentado ingresa al consumidor y los productos de combustión abandonan el horno y entran a la caldera de calor residual. A la salida del KU, el vapor de agua saturado se retroalimenta al horno de sobrecalentamiento de vapor, y los gases de combustión, enfriados por el agua de alimentación, ingresan al calentador de aire. Desde el calentador de aire, los gases de combustión ingresan al CTAN, donde el agua que fluye a través de la batería se calienta y va directamente al consumidor, y los gases de combustión se liberan a la atmósfera.
2. Cálculo del horno
2.1 Cálculo del proceso de combustión
Determinemos el poder calorífico inferior de la combustión del combustible. q R norte. Si el combustible es un hidrocarburo individual, entonces su poder calorífico q R norte igual al calor estándar de combustión menos el calor de vaporización del agua en los productos de combustión. También se puede calcular a partir de los efectos térmicos estándar de la formación de productos iniciales y finales basados en la ley de Hess.
Para un combustible compuesto por una mezcla de hidrocarburos, el poder calorífico se determina según la regla de la aditividad:
donde Q pin- Calor de combustión i-th componente de combustible;
y yo- concentración i-ésimo componente del combustible en fracciones de una unidad, entonces:
q R norte cm = 35,84 ∙ 0,987 + 63,80 ∙ 0,0033+ 91,32 ∙ 0,0012+ 118,73 ∙ 0,0004 + 146,10 ∙ 0,0001 \u003d 35,75 MJ/m 3.
Masa molar de combustible:
METRO = Σ yo ∙ y yo ,
donde yo- masa molar i-th componente de combustible, de aquí:
METRO metro = 16,042 ∙ 0,987 + 30,07 ∙ 0,0033 + 44,094 ∙ 0,0012 + 58,120 ∙ 0,0004 + 72,15 ∙ 0,0001 + 44,010 ∙ 0,001+ 28,01 ∙ = 02,001
kg / m 3,
entonces q R norte cm, expresado en MJ/kg, es igual a:
MJ/kg.
Los resultados del cálculo se resumen en la Tabla. uno:
Composición del combustible tabla 1
Determinemos la composición elemental del combustible, % (masa):
,
donde n yo c , NIH , norte yo norte , n yo o- el número de átomos de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno en las moléculas de los componentes individuales que constituyen el combustible;
El contenido de cada componente del combustible, wt. %;
x yo- el contenido de cada componente del combustible, dicen. %;
yo es la masa molar de los componentes individuales del combustible;
METRO es la masa molar del combustible.
Comprobación de composición :
C + H + O + N = 74,0 + 24,6 + 0,2 + 1,2 = 100 % (masa).
Determinemos la cantidad teórica de aire requerida para quemar 1 kg de combustible, se determina a partir de la ecuación estequiométrica de la reacción de combustión y el contenido de oxígeno en el aire atmosférico. Si se conoce la composición elemental del combustible, la cantidad teórica de aire L0, kg/kg, se calcula mediante la fórmula:
En la práctica, para garantizar la integridad de la combustión del combustible, se introduce una cantidad excesiva de aire en el horno, encontramos el flujo de aire real en α = 1,25:
L = Alabama 0 ,
donde L- consumo de aire real;
α - coeficiente de exceso de aire,
L = 1,25∙17,0 = 21,25 kg/kg.
Volumen de aire específico (n.a.) para la combustión de 1 kg de combustible:
donde ρ en= 1.293 - densidad del aire en condiciones normales,
m3/kg.
Encontremos la cantidad de productos de combustión formados durante la combustión de 1 kg de combustible:
si se conoce la composición elemental del combustible, la composición másica de los gases de combustión por 1 kg de combustible durante su combustión completa puede determinarse sobre la base de las siguientes ecuaciones:
donde mCO2 , mH2O , mN2 , mO2- masa de los gases correspondientes, kg.
Cantidad total de productos de combustión:
metro p.d. = m CO2 + m H2O + m N2 + m O2 ,
metro p.d.= 2,71 + 2,21 + 16,33 + 1,00 = 22,25 kg/kg.
Comprobación del valor recibido:
donde W f- consumo específico de vapor del inyector durante la combustión de combustible líquido, kg/kg (para combustible gaseoso W f = 0),
Dado que el combustible es un gas, despreciamos el contenido de humedad en el aire y no tenemos en cuenta la cantidad de vapor de agua.
Encontremos el volumen de productos de combustión en condiciones normales formados durante la combustión de 1 kg de combustible:
donde yo- la masa del gas correspondiente formado durante la combustión de 1 kg de combustible;
yo- la densidad de este gas en condiciones normales, kg / m 3;
yo es la masa molar del gas dado, kg/kmol;
22.4 - volumen molar, m 3 / kmol,
m3/kg; 
m3/kg;
m3/kg; 
m3/kg.
El volumen total de productos de combustión (n.a.) en el flujo de aire real:
V = V CO2 + V H2O + V N2 + V O2 ,
V = 1,38 + 2,75 + 13,06 + 0,70 \u003d 17,89 m 3 / kg.
Densidad de los productos de combustión (n.a.):
kg/m 3.
Busquemos la capacidad calorífica y la entalpía de los productos de combustión de 1 kg de combustible en el rango de temperatura de 100 °C (373 K) a 1500 °C (1773 K) utilizando los datos de la tabla. 2.
Calor específico promedio de los gases con p, kJ/(kg∙K) Tabla 2
| t, °C |
|||||
La entalpía de los gases de combustión generados durante la combustión de 1 kg de combustible:
donde con CO2 , con H2O , con N2 , con O2- capacidades caloríficas específicas medias a presión constante del césped correspondiente a la temperatura t, kJ/(kg·K);
con t es la capacidad calorífica promedio de los gases de combustión generados durante la combustión de 1 kg de combustible a una temperatura t, kJ/(kg·K);
a 100 °С: kJ/(kg∙K);
a 200 °С: kJ/(kg∙K);
a 300 °C: kJ/(kg∙K);
a 400 °С: kJ/(kg∙K);
a 500 °С: kJ/(kg∙K);
a 600 °C: kJ/(kg∙K);
a 700 °С: kJ/(kg∙K);
a 800 °С: kJ/(kg∙K);
a 1000 °С: kJ/(kg∙K);
a 1500 °C: kJ/(kg∙K);
Los resultados de los cálculos se resumen en la Tabla. 3.
Entalpía de los productos de combustión. Tabla 3
Según Tabla. 3 construir un gráfico de dependencia H t = F ( t ) (Figura 1) ver archivo adjunto .
2.2 Cálculo del balance térmico del horno, eficiencia del horno y consumo de combustible
Flujo de calor absorbido por el vapor de agua en el horno (carga de calor útil):
donde GRAMO- la cantidad de vapor de agua sobrecalentado por unidad de tiempo, kg/s;
H vp1 y H vp2
Consideramos que la temperatura de los gases de combustión salientes es de 320 °C (593 K). Las pérdidas de calor por radiación al ambiente serán del 10%, de las cuales el 9% se perderá en la cámara radiante y el 1% en la cámara de convección. Eficiencia del horno η t = 0,95.
Se desprecian las pérdidas de calor debidas a la subcombustión química, así como la cantidad de calor del combustible y el aire entrantes.
Determinemos la eficiencia del horno:
donde oh es la entalpía de los productos de combustión a la temperatura de los gases de combustión que salen del horno, eh; se suele suponer que la temperatura de los gases de combustión salientes es 100 - 150 °C superior a la temperatura inicial de la materia prima en la entrada del horno; q sudar- pérdida de calor por radiación al ambiente, % o fracción de piso Q ;
Consumo de combustible, kg/s:
kg/s.
2.3 Cálculo de la cámara radiante y cámara de convección
Ajustamos la temperatura de los humos en el paso: t PAG\u003d 750 - 850 ° С, aceptamos
t PAG= 800 °C (1073 K). Entalpía de los productos de combustión a la temperatura en el paso
H PAG= 21171,8 kJ/kg.
Flujo de calor absorbido por el vapor de agua en los tubos radiantes:
donde H n es la entalpía de los productos de combustión a la temperatura de los gases de combustión en el paso, kJ/kg;
η t - eficiencia del horno; se recomienda tomarlo igual a 0.95 - 0.98;
Flujo de calor absorbido por el vapor de agua en las tuberías de convección:
La entalpía del vapor de agua a la entrada de la sección radiante será:
kJ/kg.
Aceptamos el valor de las pérdidas de presión en la cámara de convección. ∆ PAG para= 0,1 MPa, entonces:
PAG para = PAG - PAG para ,
PAG para= 1,2 - 0,1 = 1,1 MPa.
Temperatura de entrada de vapor de agua a la sección radiante t para= 294 °C, entonces la temperatura media de la superficie exterior de los tubos radiantes será:
donde Δt- la diferencia entre la temperatura de la superficie exterior de los tubos radiantes y la temperatura del vapor de agua (materia prima) calentado en los tubos; Δt= 20 - 60 °С;
PARA.
Temperatura máxima de combustión de diseño:
donde para- temperatura reducida de la mezcla inicial de combustible y aire; tomado igual a la temperatura del aire suministrado para la combustión;
GRACIAS.- capacidad calorífica específica de los productos de combustión a temperatura t PAG;
ºC
En tmáx = 1772.8 °С y t n \u003d 800 ° C densidad de calor de una superficie absolutamente negra qs para varias temperaturas de la superficie exterior de los tubos radiantes tiene los siguientes valores:
Θ, °С 200 400 600
qs, W/m2 1,50 ∙ 10 5 1,30 ∙ 10 5 0,70 ∙ 10 5
Construimos un gráfico auxiliar (Fig. 2) ver archivo adjunto, según el cual encontramos la densidad de calor en Θ = 527 °С: qs\u003d 0.95 ∙ 10 5 W / m 2.
Calculamos el flujo de calor total introducido en el horno:
Valor preliminar del área equivalente a una superficie completamente negra:
m 2
Aceptamos el grado de apantallamiento de la mampostería Ψ = 0,45 y para α = 1,25 encontramos que
hs /H yo = 0,73.
El valor de la superficie plana equivalente:
m 2
Aceptamos una colocación de tuberías en una sola fila y un paso entre ellas:
S = 2d norte= 2 ∙ 0,152 = 0,304 m Para estos valores, el factor de forma Para = 0,87.
El valor de la superficie de mampostería blindada:
m 2
Superficie de calentamiento de los tubos radiantes:
m 2
Elegimos el horno BB2, sus parámetros:
superficie de la cámara de radiación, m 2 180
superficie de la cámara de convección, m 2 180
longitud de trabajo del horno, m 9
anchura de la cámara de radiación, m 1,2
versión b
método de combustión de combustible sin llama
diámetro del tubo de la cámara de radiación, mm 152×6
diámetro del tubo de la cámara de convección, mm 114×6
Número de tubos en la cámara de radiación:
donde d n es el diámetro exterior de las tuberías en la cámara de radiación, m;
yo piso - la longitud útil de los tubos radiantes, lavados por el flujo de gases de combustión, m,
yo piso = 9 - 0,42 = 8,2 m,
.
Estrés térmico de la superficie de los tubos radiantes:
W/m2.
Determine el número de tubos de la cámara de convección:
Los organizamos en un patrón de tablero de ajedrez de 3 en una fila horizontal. Paso entre tubos S = 1.7 d h = 0,19 m.
La diferencia de temperatura promedio está determinada por la fórmula:
ºC
Coeficiente de transferencia de calor en la cámara de convección:
W / (m 2 ∙ K).
El estrés térmico de la superficie de las tuberías de convección está determinado por la fórmula:
W/m2.
2.4 Cálculo hidráulico del serpentín del horno
El cálculo hidráulico del serpentín del horno consiste en determinar la pérdida de presión del vapor de agua en tuberías radiantes y de convección.
donde GRAMO
ρ a v.p. - la densidad del vapor de agua a una temperatura y presión promedio en la cámara de convección, kg / m 3;
d k – diámetro interno de las tuberías de convección, m;
z k es el número de flujos en la cámara de convección,
milisegundo.
ν k \u003d 3.311 ∙ 10 -6 m 2 / s.
El valor del criterio de Reynolds:
metro.
Pérdida de presión por fricción:
Pa = 14,4 kPa.
Pa = 20,2 kPa.
donde Σ ζ a
- número de vueltas.
Pérdida total de presión:
2.5 Cálculo de la pérdida de presión de vapor de agua en la cámara de radiación
Velocidad media del vapor:
donde GRAMO es el caudal de vapor de agua sobrecalentado en el horno, kg/s;
ρ r vp - la densidad del vapor de agua a una temperatura y presión promedio en la cámara de convección, kg / m 3;
dр – diámetro interno de las tuberías de convección, m;
z p es el número de flujos en la cámara de convección,
milisegundo.
Viscosidad cinemática del vapor de agua a temperatura y presión promedio en la cámara de convección ν p \u003d 8.59 ∙ 10 -6 m 2 / s.
El valor del criterio de Reynolds:
Longitud total de tuberías en un tramo recto:
metro.
Coeficiente de fricción hidráulica:
Pérdida de presión por fricción:
Pa = 15,1 kPa.
Pérdida de presión para vencer la resistencia local:
Pa = 11,3 kPa,
donde Σ ζp\u003d 0.35 - coeficiente de resistencia al girar 180 ºС,
- número de vueltas.
Pérdida total de presión:
Los cálculos realizados mostraron que el horno seleccionado proporcionará el proceso de sobrecalentamiento de vapor de agua en un modo determinado.
3. Cálculo de la caldera de calor residual
Encuentre la temperatura promedio de los gases de combustión:
donde t 1 - temperatura de los humos en la entrada,
t 2 – temperatura de salida de humos, °С;
°C (538 K).
Caudal másico de gases de combustión:
donde B - consumo de combustible, kg / s;
Para los gases de combustión, las entalpías específicas se determinan en base a los datos de la Tabla. 3 y la figura. 1 según la fórmula:
Entalpías de refrigerantes Tabla 4
Flujo de calor transmitido por los gases de combustión:
donde H 1 y H 2 - entalpía de los gases de combustión a la temperatura de entrada y salida de la KU, respectivamente, formada durante la combustión de 1 kg de combustible, kJ/kg;
B - consumo de combustible, kg/s;
h 1 y h 2 - entalpías específicas de gases de combustión, kJ / kg,
Flujo de calor percibido por el agua, W:
donde η ku - coeficiente de utilización de calor en CU; η ku = 0,97;
GRAMO n - capacidad de vapor, kg/s;
h k vp - entalpía del vapor de agua saturado a la temperatura de salida, kJ/kg;
h n in - entalpía del agua de alimentación, kJ/kg,
La cantidad de vapor de agua recibida en el KU está determinada por la fórmula:
kg/s.
Flujo de calor absorbido por el agua en la zona de calentamiento:
donde h k en - entalpía específica del agua a la temperatura de evaporación, kJ / kg;
Flujo de calor transferido por los gases de combustión al agua en la zona de calefacción (calor útil):
donde h x es la entalpía específica de los gases de combustión a la temperatura t x, de aquí:
kJ/kg.
El valor de la entalpía de combustión de 1 kg de combustible:
Según la fig. 1 temperatura de humos correspondiente al valor H x = 5700,45 kJ/kg:
t x = 270 °C.
Diferencia de temperatura media en la zona de calentamiento:
ºC
270 gases de combustión 210 Teniendo en cuenta el índice de contraflujo:
donde Para f es el coeficiente de transferencia de calor;
m 2
Diferencia de temperatura media en la zona de evaporación:
ºC
320 gases de combustión 270 Teniendo en cuenta el índice de contraflujo:
187 vapor de agua 187
Superficie de intercambio de calor en la zona de calentamiento:
donde Para f es el coeficiente de transferencia de calor;
m 2
Superficie total de intercambio de calor:
F = F norte + F tu,
F\u003d 22,6 + 80 \u003d 102,6 m 2.
De acuerdo con GOST 14248-79, seleccionamos un evaporador estándar con un espacio de vapor con las siguientes características:
diámetro de la carcasa, mm 1600
número de haces de tubos 1
número de tubos en un paquete 362
superficie de intercambio de calor, m 2 170
área de sección de un trazo
a través de tuberías, m 2 0,055
4. Equilibrio térmico del calentador de aire
Aire atmosférico con temperatura t° en-x entra en el aparato, donde se calienta a una temperatura t x en x debido al calor de los gases de combustión.
El consumo de aire, kg / s se determina en función de la cantidad requerida de combustible:
donde EN- consumo de combustible, kg/s;
L- consumo real de aire para la combustión de 1 kg de combustible, kg/kg,
Los gases de combustión, que desprenden su calor, se enfrían desde t dg3 = t dg2 antes de t dg4 .
=
donde H3 y H4- entalpías de gases de combustión a temperaturas t dg3 y t dg4 respectivamente, kJ/kg,
Flujo de calor percibido por el aire, W:
donde con en-x- capacidad calorífica específica promedio del aire, kJ/(kg K);
0.97 - eficiencia del calentador de aire,
Temperatura final del aire ( t x en x) se determina a partir de la ecuación de balance de calor:
PARA.
5. Balance de calor de KTAN
Después del calentador de aire, los gases de combustión ingresan al aparato de contacto con una boquilla activa (KTAN), donde su temperatura disminuye de t dg5 = t dg4 hasta la temperatura t dg6= 60 °C.
El calor de los gases de combustión se elimina mediante dos flujos de agua separados. Una corriente entra en contacto directo con los gases de combustión y la otra intercambia calor con ellos a través de la pared del serpentín.
Flujo de calor desprendido por los gases de combustión, W:
donde H5 y H6- entalpías de gases de combustión a temperatura t dg5 y t dg6 respectivamente, kJ/kg,
La cantidad de agua de enfriamiento (total), kg/s, se determina a partir de la ecuación de balance de calor:
donde η - Eficiencia KTAN, η=0.9,
kg/s.
Flujo de calor percibido por el agua de refrigeración, W:
donde agua- consumo de agua de refrigeración, kg/s:
con agua- capacidad calorífica específica del agua, 4,19 kJ/(kg K);
en agua y t al agua- temperatura del agua a la entrada y salida del KTAN, respectivamente,
6. Cálculo de la eficiencia de la planta de recuperación de calor
Al determinar el valor de la eficiencia del sistema sintetizado ( η mu) se utiliza el enfoque tradicional.
El cálculo de la eficiencia de la planta de recuperación de calor se realiza según la fórmula:
7. Evaluación exergética del sistema "horno - caldera de calor residual"
El método exergético de análisis de sistemas tecnológicos energéticos permite la evaluación más objetiva y cualitativa de las pérdidas de energía, que no se detectan de ninguna manera durante una evaluación convencional utilizando la primera ley de la termodinámica. En el caso que nos ocupa, se utiliza como criterio de evaluación la eficiencia exergética, que se define como la relación entre la exergía eliminada y la exergía suministrada al sistema:
donde mi sub- exergía del combustible, MJ/kg;
E resp.- exergía absorbida por el flujo de vapor de agua en el horno y la caldera de calor residual.
En el caso del combustible gaseoso, la exergía suministrada es la suma de la exergía del combustible ( Mi sub1) y exergía del aire ( Mi sub2):
donde norte norte y Pero- entalpías del aire a la temperatura de entrada del horno ya la temperatura ambiente, respectivamente, kJ/kg;
Ese- 298 K (25 °С);
∆S- cambio en la entropía del aire, kJ/(kg K).
En la mayoría de los casos, el valor de la exergía del aire puede despreciarse, es decir:
La exergía asignada para el sistema en consideración es la suma de la exergía absorbida por el vapor de agua en el horno ( E resp1), y la exergía absorbida por el vapor de agua en el CH ( E resp2).
Para flujo de vapor calentado en un horno:
donde GRAMO- consumo de vapor en el horno, kg/s;
H vp1 y H vp2- entalpías de vapor de agua a la entrada y salida del horno, respectivamente, kJ/kg;
ΔS vp- cambio en la entropía del vapor de agua, kJ/(kg K).
Para el caudal de vapor de agua obtenido en el HV:
donde G norte- consumo de vapor en CU, kg/s;
h a ch- entalpía del vapor de agua saturado a la salida de la KU, kJ/kg;
h n en- entalpía del agua de alimentación a la entrada de la KU, kJ/kg.
E resp. = Eotv1 + Eotv2 ,
E resp.\u003d 1965.8 + 296.3 \u003d 2262.1 J / kg.
Conclusión
Una vez realizado el cálculo de la instalación propuesta (recuperación del calor de los gases residuales del horno de proceso), podemos concluir que para una determinada composición del combustible, la productividad del horno en términos de vapor de agua, y otros indicadores, la eficiencia del el sistema sintetizado es alto, por lo tanto, la instalación es efectiva; esto también lo demostró la evaluación exergética del sistema "horno - caldera de calor residual", sin embargo, en términos de costos de energía, la instalación deja mucho que desear y necesita ser mejorada.
Lista de literatura usada
1. haraz d .Y. Formas de utilizar los recursos energéticos secundarios en las industrias químicas / D. I. Kharaz, B. I. Psakhis. - M.: Química, 1984. - 224 p.
2. Scoblo A . Y. Skoblo A.I., Tregubova I.A., Yu.K., Molokanov. - 2ª ed., revisada. y adicional – M.: Química, 1982. – 584 p.
3. pavlov k .F. Ejemplos y tareas en el curso de procesos y aparatos de tecnología química: Proc. Manual para universidades / K. F. Pavlov, P. G. Romankov, A. A. Noskov; ed. P. G. Romankova. - 10ª ed., revisada. y adicional - L.: Química, 1987. - 576 p.
Apéndice
Idealmente, cuando se construye un horno, a uno le gustaría tener un diseño que proporcione automáticamente tanto aire como sea necesario para la combustión. A primera vista, esto se puede hacer con una chimenea. De hecho, cuanto más intensamente se quema la leña, más calientes deben estar los gases de combustión, mayor debe ser el empuje (modelo de carburador). Pero no lo es. El tiro no depende en absoluto de la cantidad de humos calientes generados. El tiro es la caída de presión en la tubería desde la cabeza de la tubería hasta la cámara de combustión. Está determinado por la altura de la tubería y la temperatura de los gases de combustión, o mejor dicho, su densidad.
El empuje está determinado por la fórmula:
F \u003d A (p en - p d) h
donde F es el empuje, A es el coeficiente, p in es la densidad del aire exterior, p d es la densidad de los gases de combustión, h es la altura de la tubería
La densidad de los gases de combustión se calcula mediante la fórmula:
p d \u003d p en (273 + t en) / (273 + t d)
donde t in y t d - temperatura en grados Celsius del aire atmosférico exterior fuera de la tubería y gases de combustión en la tubería.
Velocidad de los gases de combustión en la tubería (flujo volumétrico, es decir, capacidad de succión de la tubería) GRAMO no depende en absoluto de la altura de la tubería y está determinada por la diferencia de temperatura entre los gases de combustión y el aire exterior, así como por el área de la sección transversal de la chimenea. De aquí se derivan una serie de conclusiones prácticas.
En primer lugar, las chimeneas no se hacen altas para aumentar el flujo de aire a través de la cámara de combustión, sino solo para aumentar el tiro (es decir, la caída de presión en la tubería). Esto es muy importante para evitar el vuelco del tiro (humo del horno) en caso de presión del viento (el valor del empuje siempre debe superar la posible presión del viento).
En segundo lugar, es conveniente regular el flujo de aire con la ayuda de dispositivos que cambien el área de la sección libre de la tubería, es decir, con la ayuda de válvulas. Con un aumento en el área de la sección transversal del canal de la chimenea, por ejemplo, por un factor de dos, se puede esperar un aumento de aproximadamente el doble en el flujo volumétrico de aire a través de la cámara de combustión.
Expliquemos esto con un ejemplo sencillo e ilustrativo. Tenemos dos hornos idénticos. Los combinamos en uno. Obtenemos una estufa del doble del tamaño con el doble de la cantidad de leña quemada, con el doble del flujo de aire y el área de la sección transversal de la tubería. O (lo que es lo mismo), si cada vez se quema más leña en la cámara de combustión, entonces es necesario abrir cada vez más las válvulas de la tubería.
En tercer lugar Si la estufa arde normalmente en estado estable, y además dejamos que una corriente de aire frío entre en la caja de fuego a través de la madera quemada hacia la chimenea, los gases de combustión se enfriarán inmediatamente y el flujo de aire a través de la estufa disminuirá. Al mismo tiempo, la leña en llamas comenzará a desvanecerse. Es decir, parece que no afectamos directamente a la leña y dirigimos el flujo adicional más allá de la leña, pero resulta que la tubería puede pasar menos gases de combustión que antes, cuando este flujo de aire adicional estaba ausente. La tubería en sí reducirá el flujo de aire a la leña que había anteriormente y, además, no dejará entrar un flujo adicional de aire frío. En otras palabras, la chimenea quedará bloqueada.
Es por eso que las fugas de aire frío a través de las ranuras en las chimeneas, los flujos excesivos de aire en la cámara de combustión y, de hecho, cualquier pérdida de calor en la chimenea que provoque una disminución en la temperatura de los gases de combustión son tan dañinos.
Cuatro, cuanto mayor sea el coeficiente de resistencia dinámica del gas de la chimenea, menor será el flujo de aire. Es decir, es deseable que las paredes de la chimenea sean lo más lisas posible, sin turbulencias y sin giros.
Quinto, cuanto más baja es la temperatura de los gases de combustión, más bruscamente cambia el flujo de aire con las fluctuaciones en la temperatura de los gases de combustión, lo que explica la situación de inestabilidad de la tubería cuando se enciende el horno.
En sexto, a altas temperaturas de los gases de combustión, el caudal de aire es independiente de la temperatura de los gases de combustión. Es decir, con un fuerte calentamiento del horno, el flujo de aire deja de aumentar y comienza a depender solo de la sección transversal de la tubería.
Los problemas de inestabilidad surgen no solo cuando se analizan las características térmicas de una tubería, sino también cuando se considera la dinámica de los flujos de gas en una tubería. De hecho, la chimenea es un pozo lleno de gases de combustión ligeros. Si este gas de combustión liviano no sube muy rápidamente, entonces existe la posibilidad de que el aire pesado del exterior pueda simplemente hundirse en el gas liviano y crear un flujo descendente en la tubería. Esta situación es especialmente probable cuando las paredes de la chimenea están frías, es decir, durante el encendido del horno.
Arroz. 1. Esquema del movimiento de gases en una chimenea fría: 1 - caja de fuego; 2 - suministro de aire a través del soplador; 3 chimeneas; 4 - válvula; 5 - diente de chimenea; 6-gases de combustión; 7-falta de aire frio; 8 - flujo de aire que provoca el vuelco del empuje.
a) tubo vertical abierto liso
b) un tubo con una válvula y un diente
c) tubería con válvula superior
Las flechas sólidas muestran las direcciones de movimiento de los gases de combustión calientes ligeros. Las flechas discontinuas muestran las direcciones de los flujos descendentes de aire pesado y frío de la atmósfera.
Sobre el arroz. 1a se muestra esquemáticamente un horno, en el que se suministra aire 2 y los gases de combustión 6 se descargan a través de la chimenea, incluso la cámara de combustión. Este flujo descendente puede reemplazar el flujo de aire "regular" a través del ventilador 2. Incluso si la estufa está bloqueada con todas las puertas y todas las compuertas de entrada de aire están cerradas, la estufa aún puede arder debido al aire que viene de arriba. Por cierto, esto es lo que sucede a menudo cuando el carbón se quema con las puertas del horno cerradas. Incluso puede ocurrir un vuelco completo del tiro: el aire entrará desde arriba a través de la tubería y los gases de combustión saldrán por la puerta.
En realidad, en la pared interna de la chimenea siempre hay protuberancias, crecimientos, asperezas, al chocar con los cuales los gases de combustión y los flujos de aire frío que se aproximan hacia abajo se arremolinan y se mezclan entre sí. Al mismo tiempo, el flujo de aire frío hacia abajo es expulsado o, al calentarse, comienza a ascender mezclado con gases calientes.
El efecto de convertir hacia arriba los flujos de aire frío hacia abajo se mejora en presencia de válvulas parcialmente abiertas, así como el llamado diente, que se usa ampliamente en la tecnología de fabricación de chimeneas ( arroz. 1b). El diente evita el flujo de aire frío desde la chimenea hacia el espacio de la chimenea y, por lo tanto, evita que la chimenea eche humo.
Las corrientes descendentes de aire en la chimenea son especialmente peligrosas en tiempo de niebla: los gases de combustión no son capaces de evaporar las más pequeñas gotas de agua, se enfrían, el empuje disminuye e incluso pueden volcarse. Al mismo tiempo, la estufa echa mucho humo, no se enciende.
Por la misma razón, las estufas con chimeneas húmedas echan mucho humo. Las válvulas de compuerta superior son particularmente efectivas para prevenir flujos descendentes ( arroz. 1c), regulable en función de la velocidad de los humos en la chimenea. Sin embargo, el funcionamiento de tales válvulas es inconveniente.
Arroz. Fig. 2. Dependencia del coeficiente de exceso de aire a en el tiempo de calentamiento del horno (curva sólida). La curva de puntos es el consumo de aire G consumo necesario para la oxidación completa de los productos de la combustión de la leña (incluidos el hollín y las sustancias volátiles) en los gases de combustión (en unidades relativas). La curva de puntos y guiones es el consumo de aire real G de la tubería proporcionado por el tiro de la tubería (en unidades relativas). El coeficiente de exceso de aire es el cociente de G separación de tubería por G caudal
Un tiro estable y lo suficientemente fuerte ocurre solo después de que las paredes de la chimenea se hayan calentado, lo que lleva mucho tiempo, por lo que siempre no hay suficiente aire al comienzo del calentamiento. En este caso, el coeficiente de exceso de aire es menor que la unidad y el horno echa humo ( arroz. 2). Y viceversa: al final del calentamiento, la chimenea permanece caliente, el tiro permanece durante mucho tiempo, aunque la leña casi se ha consumido (el coeficiente de exceso de aire es más de uno). Los hornos metálicos con chimeneas con aislamiento metálico alcanzan el régimen más rápido debido a su baja capacidad calorífica en comparación con las chimeneas de ladrillo.
El análisis de los procesos en la chimenea puede continuar, pero ya está claro que por muy buena que sea la estufa en sí, todas sus ventajas pueden quedar reducidas a cero por una mala chimenea. Por supuesto, lo ideal sería sustituir la chimenea por un moderno sistema de extracción forzada de humos mediante electroventilador de caudal regulable y con precondensación de la humedad de los humos. Dicho sistema, entre otras cosas, podría limpiar los gases de combustión de hollín, monóxido de carbono y otras impurezas nocivas, así como enfriar los gases de combustión descargados y proporcionar recuperación de calor.
Pero todo esto está en un futuro lejano. Para un residente de verano y un jardinero, una chimenea a veces puede resultar mucho más costosa que la estufa, especialmente en el caso de calentar una casa de varios niveles. Las chimeneas de sauna suelen ser más simples y cortas, pero el nivel de salida de calor de la estufa puede ser muy alto. Tales tuberías, por regla general, están muy calientes en toda su longitud, a menudo salen chispas y cenizas, pero la condensación y el hollín son insignificantes.
Si por ahora planea usar el edificio de la sauna solo como una casa de baños, entonces la tubería también se puede hacer sin aislamiento. Si también piensa en la casa de baños como un lugar de posible estadía (residencia temporal, pernoctaciones), especialmente en invierno, entonces es más conveniente aislar la tubería de inmediato y, además, cualitativamente, "de por vida". Al mismo tiempo, las estufas se pueden cambiar al menos todos los días, el diseño se puede seleccionar de manera más conveniente y adecuada, y la tubería será la misma.
Como mínimo, si la estufa está funcionando en el modo de combustión a largo plazo (leña ardiendo), el aislamiento de la tubería es absolutamente necesario, ya que a potencias bajas (1 - 5 kW) una tubería de metal sin aislamiento se enfriará por completo, el condensado se caudal abundante, que en las heladas más severas puede incluso helarse y obstruir la tubería con hielo. Esto es especialmente peligroso en presencia de una rejilla parachispas y sombrillas con pequeños espacios de paso. Los parachispas son útiles para calefacción intensiva en verano y extremadamente peligrosos para condiciones de combustión de leña débiles en invierno. Debido a la posible obstrucción de las tuberías con hielo, en 1991 se prohibió la instalación de deflectores y parasoles en las chimeneas (e incluso antes en las chimeneas de las cocinas de gas).
Por las mismas razones, no debe dejarse llevar por la altura de la tubería: el nivel de empuje no es tan importante para una estufa de sauna sin retorno. Si fuma, siempre puede ventilar rápidamente la habitación. Pero se debe observar la altura sobre la cumbrera del techo (al menos 0,5 m) para evitar que el empuje se vuelque durante las ráfagas de viento. En techos planos, la tubería debe sobresalir por encima de la capa de nieve. En cualquier caso, es mejor tener una tubería más baja, pero más cálida (que más alta, pero más fría). Las chimeneas altas siempre son frías y peligrosas en invierno.
Las chimeneas frías tienen muchas desventajas. Al mismo tiempo, las tuberías no aisladas, pero no muy largas, en las estufas de metal se calientan rápidamente durante el encendido (mucho más rápido que las tuberías de ladrillo), permanecen calientes con un calentamiento vigoroso y, por lo tanto, se usan mucho en los baños (y no solo en los baños). ), especialmente porque son relativamente baratos. Las tuberías de cemento de asbesto no se utilizan en hornos de metal, ya que son pesadas y también colapsan cuando se sobrecalientan y los fragmentos salen volando.
Arroz. 3. Los diseños más simples de chimeneas metálicas: 1 - una chimenea redonda metálica; 2 - atrapachispas; 3 - una tapa para proteger la tubería de la precipitación atmosférica; 4 - vigas; 5 - revestimiento del techo; 6 - bloques de madera entre las vigas (o vigas) para el diseño de una abertura para incendios (corte) en el techo o techo (si es necesario); 7 - cumbrera del techo; 8 - techos blandos (material para techos, hidrostekloizol, tejas blandas, láminas de cartón corrugado y betún, etc.); 9 - lámina de metal para techar y cubrir la abertura (se permite utilizar una lámina plana de aceid, una placa aislante eléctrica de cemento de asbesto); 10 - almohadilla de drenaje de metal; 11 - sellado de asbesto del espacio (junta); 12 - nutria de gorra de metal; 13 - vigas del techo (con relleno del espacio con aislamiento); 14 - revestimiento de techo; 15 - piso del ático (si es necesario); 16 - hoja de metal de corte de techo; 17 - esquinas de refuerzo de metal; 18 - cubierta metálica del corte del techo (si es necesario); 19 - aislamiento resistente al calor no combustible (arcilla expandida, arena, perlita, lana mineral); 20 - almohadilla protectora (lámina de metal sobre una capa de cartón de asbesto de 8 mm de espesor); 21 - pantalla de tubo de metal.
a) tubería con aislamiento no térmico;
b) una tubería blindada con aislamiento térmico con una resistencia a la transferencia de calor de al menos 0,3 m 2 -grados / W (lo que equivale a un espesor de ladrillo de 130 mm o un espesor de aislamiento de lana mineral de 20 mm).
Sobre el arroz. 3 se presentan esquemas típicos de instalación de tuberías metálicas no aisladas. La tubería en sí debe comprarse de acero inoxidable con un espesor de al menos 0,7 mm. El diámetro más popular de la tubería rusa es de 120 mm, el finlandés es de 115 mm.
Según GOST 9817-95, el área de la sección transversal de una chimenea de múltiples vueltas debe ser de al menos 8 cm 2 por 1 kW de potencia calorífica nominal liberada en el horno cuando se quema madera. Esta potencia no debe confundirse con la potencia térmica de un horno de calor intensivo, liberado desde la superficie exterior del ladrillo del horno a la habitación de acuerdo con SNiP 2.04.05-91. Este es uno de los muchos malentendidos de nuestros documentos normativos. Dado que los hornos intensivos en calor generalmente se calientan solo de 2 a 3 horas al día, la potencia en el horno es aproximadamente diez veces mayor que la potencia de liberación de calor de la superficie de un horno de ladrillos.
La próxima vez hablaremos sobre las características de la instalación de chimeneas.