Đồ Án Tốt Nghiệp - Sự Cháy Của Nguyên Liệu

Đồ án tốt nghiệp Chơng I Tính toán sự cháy của nhiên liệu I.. Bảng tính toán sự cháy của nhiên liệu Tính toán sự cháy của nhiên liệu đợc thực hiện theo phơng pháp lập bảng.. Bảng I.3 Bả

Đồ án tốt nghiệp

Chơng I

Tính toán sự cháy của nhiên liệu

I Số liệu ban đầu

1 Nhiên liệu: Dầu FO

2 Thành phần của dầu FO:

Thành phần của dầu FO

Thành phần khối lợng [%] 87 10 1,5 1,5 0,2 1,2

3 Nhiệt độ nung trớc nhiên liệu:

Dầu FO đợc nung trớc đến nhiệt độ: tFO = 110 [OC]

4 Nhiệt độ nung trớc không khí:

Không khí đợc nung trớc đến nhiệt độ: tKK=350 [0C]

5 Loại lò:

Lò liên tục nung phôi thép để cán thép hình

II Tính toán sự cháy của nhiên liệu

II.1 Chuyển đổi thành phần nhiên liệu

1 Hệ số chuyển đổi từ thành phần khô sang thành phần dùng:

kk-d =

100

100

2 , 1

100 − = 0,988.

2 Hàm lợng tro tính theo thành phần dùng:

Ad = Ak.kk-d = 0,2.0,988 = 0,1976 [%]

3 Hệ số chuyển đổi từ thành phần cháy sang thành phần dùng:

kc-d =

100

) (

100

) 2 , 1 1976 , 0 (

4 Chuyển đổi thành phần cháy sang thành phần dùng:

Công thức tổng quát:

Xd= Xc kc-d

Trong đó:

Xd: Thành phần sử dụng của nguyên tố ‘X’

Xc: Thành phần cháy của nguyên tố ‘X’

Các thành phần dùng của các nguyên tố đợc trình bày trong bảng I.1

Bảng I.1 Thành phần dùng của dầu FO

Thành phần khối lợng [%] 85,78 9,86 1,48 1,48 0,2 1,2

II.2 Tính nhiệt trị thấp của nhiên liệu: Qt [kJ/kg]

A d = 0,1976 [%]

Đồ án tốt nghiệp

Qt = 339 Cd + 1030 Hd - 108,8.( Od - Sd) -25,1 Wd [1]

Qt = 339 85,78 +1030.9,86-108,8.(1,48- 0) - 25,1.1,2

Qt = 39044 [kJ/kg]

II.3 Chọn hệ số tiêu hao không khí

Hệ số tiêu hao không khí đợc chọn tuỳ theo loại nhiên liệu và thiết bị

đốt Lò đợc thiết kế là lò nung liên tục, nhiên liệu là dầu FO, để biến bụi tốt phải dùng mỏ phun cao áp, vậy chọn hệ số tiêu hao không khí

n= 1,2 [1]

II.4 Bảng tính toán sự cháy của nhiên liệu

Tính toán sự cháy của nhiên liệu đợc thực hiện theo phơng pháp lập bảng Trong bảng này, ta tính cho 100 kg nhiên liệu Toàn bộ kết quả tính toán đợc trình bày trong bảng I.2

Q t = 39044 [kJ/kg]

n = 1,2

nghiệp

II.5 Bảng cân bằng khối lợng

Từ những kết quả đã tính toán trong bảng I.2 ta lập bảng cân bằng khối l-ợng

Bảng I.3 Bảng cân bằng khối lợng

Chất tham gia sự cháy Sản phẩm cháy tạo thành

Chất Tính toán Giá trị [kg] Chất Tính toán Giá trị [kg]

nghiệp

N2 43,253.28 1211,084

S02

∑A = 1676,652 [kg] ∑B = 1676,758 [kg]

Đánh giá sai số:

δ% =

B

A B

Σ

Σ

− Σ

100% = 1676,7581676−,7581676,652.100% = 0,00036 [%]

Nhận xét: Với sai số δ% =0,00036 [%] chứng tỏ các số liệu tính toán trong bảng I.3 là đáng tin cậy

II.6 Tính khối lợng riêng của sản phẩm cháy: ρ0 [kg/m3

tc]

ρ0 = 100Σ =1001676.12,758,838=1,306

n

V

SPC

[kg/m3

tc] Trong đó: Vn = 12,838 [m3

tc/kg] (xem bảng I.2)

II.7 Tính nhiệt độ cháy của nhiên liệu

1 Nhiệt độ cháy lý thuyết: tlt [0C]

Nhiệt độ cháy lý thuyết là nhiệt độ của sản phẩm cháy có đợc khi giả thiết rằng nhiệt lợng sinh ra trong khi cháy nhiên liệu đợc tập chung toàn bộ cho sản phẩm cháy (không có tổn thất nhiệt)

( 2 1) 1

1 2

i i

i i

t lt ⋅ − +

−

−

= Σ [0C] [1]

Trong đó:

tlt: Nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu [0C]

i1, i2: Entanpy của sản phẩm cháy tơng ứng với nhiệt độ t1, t2 [kJ/ m3

tc]

i∑: Entanpy của sản phẩm cháy tơng ứng với nhiệt độ tlt [kJ/m3

tc] Với:

n

n kk nl nl t

V

f L i t C Q

i = + . + . .

Σ [1] f: Tỉ lệ nung trớc không khí; f = 1 (nung 100% không khí)

Cnl: Nhiệt dung riêng của dầu FO; CFO = 2,176 [kJ/kg.K] [1]

Vũ

nghiệp

tnl : Nhiệt độ nung trớc của dầu FO; tFO = 110 [0C]

ikk: Entanpy của không khí ở nhiệt độ tkk

với tkk = 350 [0C] có ikk = 463,5 [kJ/ m3

tc] ( Bảng 15 [1] )

Vn = 12,838 [m3

tc/kg] ; Ln = 12,246 [m3

tc/kg] ( Bảng I.2 )

055 , 3502 838

, 12

246 , 12 5 , 463 110 176 , 2

= Σ

tc]

Giả thiết: t1< tlt < t2 nên i1< i∑ < i2

Chọn: t1= 2100 [0C] ; t2= 2200 [0C]

Để tính nhiệt hàm của sản phẩm cháy ứng với t1= 2100 [0C] và

t2=2200[0C] ta phải tính nhiệt hàm của các khí thành phần ứng với hai nhiệt độ này Theo bảng 16[1] ta có nhiệt hàm của các khí thành phần ứng với t1 và t2 là:

Bảng I.4 Nhiệt hàm của các khí thành phần

3

tc]

t1= 2100 [0C] t1= 2200 [0C]

nghiệp

• Tính i1 và i2:

Với các giá trị nhiệt hàm vừa tìm đợc ta có:

i1=i2100=0,01.(%CO2.iCO2 + %H2O.iH2O + %N2.iN2 + %O2.iO2 + %SO2.iSO2) [1]

i1= 0,01.(12,472.5186,8 + 8,719.4121 + 75,471.3132 + 3,338.3314,9 + 0.4049,9)

i1= 3480,61 [kJ/m3

tc]

i2=i2200=0,01.(%CO2.iCO2+%H2O.iH2O+%N2.iN2+%O2.iO2+%SO2.iSO2) [1]

i2=0,01.(12,472.5464,2+8,719.4358,8+75,471.3295,8+3,338.3478,4+0.4049,9)

i2=3665,02 [kJ/m3

tc]

Nh vậy: i1< i∑ < i2 thoả mãn giả thiết đã cho

• Tính tlt:

1 2

i i

i i

t lt ì − +

−

−

(2200 2100) 2100 2111 , 6 61

, 3480 02

, 3665

61 , 3480 055

,

−

−

=

lt

2 Nhiệt độ cháy thực tế của nhiên liệu: tlt [0C]

Trong thực tế, nhiệt lợng sinh ra do đốt cháy nhiên liệu ngoài việc làm tăng nhiệt độ sản phẩm cháy còn thất thoát ra môi trờng xung quanh Vì vậy nhiệt độ cháy thực tế thấp hơn nhiệt độ cháy lý thuyết vừa tính đợc

ttt= η.tlt

Trong đó:

η: Hệ số phụ nhiệt độ, η phụ thuộc vào loại lò ở đây lò là nung liên tục; η = 0,7 (bảng 14 [1])

ttt : Nhiệt độ cháy thực tế của nhiên liệu [0C]

ttt=0,7.2111,6 =1478 [0C]

II.8 Các kết quả tính toán

Bảng I.5 Các kết quả tính toán

L o

[m 3

[m 3

[m 3

[m 3

[kg/m 3tc]

Nhiệt độ

[ o C] Sản phẩm cháy [%]

t lt t tt CO 2 H 2 O O 2 N 2

10,205 12,246 10,794 12,838 1,306 2111,6 1478 12,472 8,719 3,338 75,471

Chơng II

Chọn chế độ nung và tính thời gian nung

kim loại

I Số liệu ban đầu

Vũ

ttt = 1478 [0C]

i 1 = 3480,61 [kJ/m3

tc]

i 2 = 3665,02 [kJ/m3

tc]

nghiệp

1 Năng suất lò: P=30 [tấn/h]

2 Kích thớc phôi nung: 120 x 120 x 1300 [mm]

3 Nhiệt độ ra lò của vật nung: tklc=1200 [0C]

4 Thành phần thép nung

Nguyên tố Thành phần thép

Giá trị [%] 0,18 0,25 0,08

II Phơng pháp nung và chọn giản đồ nhiệt độ nung

• Phôi đợc nung một mặt và đợc xếp một hàng

• Phôi vào lò có nhiệt độ: tm

đ=tt

đ= 20 [0C]

• Giản đồ nhiệt độ nung: Chọn chế độ nung ba vùng: sấy – nung - đồng nhiệt Giản đồ nung đợc trình bày ở hình II.1

t [0C] t 2 =1300 0 C t 3 =1300 0 C

t k =1250 0 C

t m

3 =1200 0 C t m

4 =1200 0 C

t t4

tt

3

t 1 =700 0 C t m

2 =600 0 C

tt

2

t k =1250 0 C

τs τn τdn

τ[h]

Vùng sấy Vùng nung Vùng đồng nhiệt

Hình II.1 Giản đồ nung phôi

nghiệp

II.1 Giai đoạn sấy

• ở vùng sấy để tránh ứng suất nhiệt, ngời ta phải nung phôi với tốc độ nung nhỏ

• Nhiệt độ lò đầu giai đoạn sấy: tk =700 [0C]

• Nhiệt độ lò cuối giai đoạn sấy: tk =1300 [0C]

• Nhiệt độ bề mặt và tâm phôi khi vào lò: tt

1=tm

1=20 [0C]

• Nhiệt độ bề mặt phôi ở cuối giai đoạn sấy: tm

2=600 [0C]

II.2 Giai đoạn nung

• ở vùng nung, phôi đợc nung tới nhiệt độ yêu cầu

• Nhiệt độ lò: tk =tk =1300 [0C]

• Nhiệt độ bề mặt phôi ở cuối giai đoạn nung: tm

3=1200 [0C]

II.3 Giai đoạn đồng nhiệt

• Tại vùng đồng nhiệt, nhiệt độ bề mặt phôi không tăng, nhiệt độ tâm phôi tăng dần tới khi: ∆t= tm

4-tt

4 < [∆tcho phép]

• Nhiệt độ lò đầu giai đoạn đồng nhiệt: tk =1300 [0C]

• Nhiệt độ lò cuối giai đoạn đồng nhiệt: tk =1250 [0C]

• Nhiệt độ bề mặt phôi ở cuối giai đoạn đồng nhiệt: tm

4=1200 [0C]

• Nhiệt độ tâm phôi ở cuối giai đoạn đồng nhiệt: tt

4 [0C]

tt

4= tm

4 - [∆tcho phép] [0C]

[∆tcho phép]: là độ chênh nhiệt độ cho phép giữa mặt và tâm phôi trớc khi ra lò [∆tcho phép] = S1[∆t/1dm]

St: Chiều dày thấm nhiệt: [m]

Trong đó:

Chiều dày phôi: St=0,12 [m]

Hệ số không đối xứng (nung phôi một mặt): à =1

[∆t/1dm]= [15 0C/1dm] [1]

St=0,12.1 = 0,12 [m]

[∆tcho phép] = 0,12.10.15=18 [0C]

• Nhiệt độ của tâm phôi nung ở cuối giai đoạn đồng nhiệt

tt

4=tm -18 = 1200 -18 = 1182 [0C]

III Tính thời gian nung

III.1 Xác định các kích thớc cơ bản của nội hình lò

1 Chiều rộng nội hình lò: B [m]

B = n.l+(n-l).C+2b [1] Trong đó:

n: Số dãy phôi nung: n =1

l: Chiều dài phôi nung: l =3 [m]

B: Khoảng cách giữa các đầu phôi và tờng lò: b =0,25 [m]

C: khoảng cách giữa các đầu phôi

B = 1.3 + (1 - 1).C + 2.0,25 = 3,5 [m]

2 Chiều cao nội hình lò ở vùng sấy:

a Chiều cao có hiệu ở vùng sấy: Hs

ch [m]

Vũ

nghiệp

Hs

ch = tk

tb.(A + 0,05.B).10-3 [m] [1]

Trong đó

tk

tb: Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng sấy: [0C]

1000 2

1300 700

2

2

=

k k k tb

t t

t [0C]

A: Hệ số thực nghiệm, khi tk

tb=1000 [0C] thì A=0,6 theo bảng 28[1]

B: Chiều rộng của lò; B=3,5 [m]

Hs

ch=1000.(0,6 + 0,05.3,5).10-3 = 0,775 [m]

b Chiều cao thực tế của vùng sấy: Hs

tt [m]

Hs

tt = n.Hs

ch + S Trong đó:

n: Số mặt đợc nung, ở đây nung một mặt: n=1

S: Chiều dày phôi: S = 0,12 [m]

Hs

tt=1.0,775 + 0,12 = 0,895 [m]

3 Chiều cao nội hình lò ở vùng nung:

a Chiều cao có hiệu ở vùng nung: Hn

ch [m]

Hn

ch=(0,4 ữ 0,6).B [m] [1] B: Chiều rộng của lò; B = 3,5 [m]

Lò chỉ có một dãy phôi với B = 3,5 [m] chọn:

Hn

ch= 0,5.B

Hn

ch= 0,5.3,5 = 1,75 [m]

b Chiều cao thực tế ở vùng nung: Hn

tt[m]

Hn

tt = n.Hn

Hn

tt = 1.1,75 + 0,12 = 1,87 [m]

Trong đó:

n: Số mặt đợc nung, ở đây nung một mặt; n=1

S: Chiều dày phôi; S= 0,12[m]

4 Chiều cao nội hình lò ở vùng đồng nhiệt:

a Chiều cao có hiệu ở vùng đồng nhiệt: Hđ n

c h [m]

Hđ n

c h = tk

t b.(A + 0,05B).10- 3 [1] Trong đó:

tk

tb: Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng đồng nhiệt [0C]

1275 2

1250 1300

2

4

k tb

t t

t [0C] A: Hệ số thực nghiệm Khi t =1275 [0C] chọn A=0,6 (Bảng 28 [1])

B: Chiều rộng của lò; B= 3,5 [m]

Hđn

ch =1275(0,6 + 0,05.3,5).10-3 = 0,988 [m]

b Chiều cao thực tế ở vùng đồng nhiệt: Hđn

tt [m]

Hđn

tt = Hđn

Hs

ch = 0,775 [m]

Hs

tt = 0,895 [m]

Hn

ch = 1,75 [m]

Hn

tt = 1,87 [m]

Hđn

ch = 0,988 [m]

nghiệp

Hđn

tt= 0,988 + 0,12 = 1,108 [m]

III.2 Tính thời gian nung kim loại

III.2.1 Tính thời gian sấy

1 Nhiệt độ trung bình của bề mặt vật nung trong vùng sấy: tm

tb [0C]

m m

3

2

−

⋅ +

= [0C] [1]

(600 20) 407 3

2

=

m tb

t [0C]

2 Xác định độ đen của sản phẩm cháy trong vùng sấy: εk

εk= εCO2+β εH2O [1]

Độ đen của khí phụ thuộc vào áp suất riêng phần của chất khí bức xạ, nhiệt độ khí và chiều dày bức xạ có hiệu quả của sản phẩm cháy

εCO2= f(PCO2, tk, Shq) ; εH2O= f(PH2O, tk, Shq)

a áp suất riêng phần

áp suất riêng phần của các chất khí thành phần tỷ lệ với thành phần thể tích các chất khí

%CO2=12,472% => PCO2= 0,12472 [bar]

%H2O=8,719% => PH2O= 0,08719 [bar]

b Chiều dày bức xạ có hiệu quả của sản phẩm cháy trong vùng sấy

s ch

s ch hq

H B

B H S

+

⋅

= η 2. . [1]

142 , 1 775 , 0 5 , 3

5 , 3 775 , 0 2 9 ,

+

⋅

=

hq

c Tích số M

MCO2= Shq Pco2 [1]

MCO2 =1,142.0,1247=0,1424 [bar.m]

MH2O = Shq PH2O

MH2O = 1,142.0,08712=0,1 [bar.m]

Từ: tk

tb=1000oC và Mco2=0,1424 [bar.m], MH2O = 0,1 [bar.m] tra đợc:

εCO2 = 0,12 ; εH2O= 0,107 ; β =1,05 (Đồ thị: 24; 25; 26; [1]) Vậy độ đen của sản phẩm cháy là:

εk = εco2 + β.εH2O

εk = 0,12 + 1,05.0,107 = 0,232

3 Tính hệ số bức xạ qui dẫn : Cqd [W/m2K4]

• Độ đen của sản phẩm cháy: εk =0,232

• Độ đen của kim loại: εkl =0,8

a Độ phát triển của tờng lò: ω

l n

B

H s

3 1

5 , 3 775 , 0 2

2

=

+

=

+

[1] Trong đó:

l: Chiều dài phôi thép; l =3 [m]

B: Chiều rộng của lò; B = 3,5 [m]

Hs

ch: Chiều cao có hiệu ở vùng sấy; Hs

ch = 0,775 [m]

n: Số hàng phôi nung; n=1

b Hệ số bức xạ quy dẫn Cqd [W/m2K4]

Vũ

Hđn

tt = 1,108 [m]

εk = 0,232

nghiệp

Cqd =5,67 εkl [ε ε ( ε ) ] ω

ε

−

+

−

kl k kl k k

k

1 1

1

[1]

Cqd =5,67.0,8 [0 , 8 0 , 232(1 0 , 8) ] 1 , 683

232 , 0

232 , 0 1

683 , 1 232 , 0 1

+

− +

−

+

−

= 2,48 W/m

4 Hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng: α∑[w/m2 oC]

a Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ: αbx [w/m2 oC]

αbx =

kl k

kl k

qd

t t

T T

C

−





























−











100 100

.

[10]

Trong đó:

tk: Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy ở vùng sấy

tk = tk

tb =1000 [oC] ; Tk =tk + 273= 1000 + 273=1273 [K]

tkl: Nhiệt độ trung bình của bề mặt phôi ở vùng sấy

tkl = tm

tb = 407 [0C] ; Tkl=tkl + 273=407 + 273 = 680 [K]

αbx =

407 1000

100

680 100

1273

48 , 2

4 4

−





























−













= 100,89 [W/m2.0C]

b Hệ số trao đổi nhiệt đối lu: αđl [W/m2.0C]

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng sấy là: ttb=1000 [0C] nên ngoài sự trao đổi nhiệt bằng bức xạ vẫn có sự trao đổi nhiệt đối lu, ta coi sự trao đổi nhiệt đối lu chiếm 10% so với bức xạ

αđl = 0,1 αbx=0,1.100,89 = 10,089 [W/m2.0C]

c Hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng: α∑ [W/m2.0C]

α∑=αđl + αbx = 1,1 αbx = 1,1.100,88=110,98 [W/m2.0C]

5 Tính nhiệt độ tâm của phôi nung ở cuối giai đoạn sấy:

a Hệ số dẫn nhiệt (tính sơ bộ):

Hệ số dẫn nhiệt λ đặc trng cho khả năng truyền nhiệt bên trong kim loại

Hệ số này phụ thuộc vào thành phần và trạng thái nhiệt độ của kim loại

• Hệ số dẫn nhiệt của thép ở 0 [oC]

λ0 = 69,8 - 10,12.C - 16,75.Mn - 33,72.Si [W/m2.0C] [1] Trong đó:

C, Mn, Si là thành phần khối lợng của các nguyên tố C, Mn, Si có trong thép Với: C = 0,18 [%]; Si = 0,25 [%]; Mn = 0,08 [%]

λ0 = 69,8 - 10,12.0,18 - 16,75.0,25 - 33,72.0,08 = 61,09 [W/m2.0C]

Cq d = 2,48 [W/m 2 K 4 ]

α∑ = 110,98 [W/m2 0 C]

αbx = 100,89 [W/m2 0 C]

nghiệp

Hệ số dẫn nhiệt của thép phụ thuộc vào nhiệt độ đợc trình bày trong bảng II.1

Bảng II.1 Hệ số dẫn nhiệt của thép ở các nhiệt độ

khác nhau Nhiệt độ Tính toán Giá trị λT [W/m 2 0 C]

λT [W/m2.0C]

61,09

58,04

51,93

45,82

44,60

41,54

0 200 400 600 800 1000 1200 [0C]

Hình II.2 sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt λ vào nhiệt độ

• Hệ số dẫn nhiệt (tính sơ bộ)

3

2 1

sb

λ λ λ

λ = + + [W/m.0C] [1]

3

600 20

λ

λ sb= + +

80 , 55 3

82 , 45 79 , 60 79 ,

=

sb

Vũ

λ0 = 61,09

[W/m 2 0 C]

λsb = 55,80

nghiệp

b Tiêu chuẩn Bi( tính sơ bộ):

Tiêu chuẩn Bi sb:

239 , 0 80 , 55

12 , 0 98 , 110

=

=

= Σ

sb

t sb

S Bi

λ α

c Tiêu chuẩn bề mặt không thứ nguyên

20 1000

600 1000

1

−

−

=

−

−

m k tb

m k tb

t t

t t

• Từ (Bisb và θm ) tra đợc tiêu chuẩn Fo (sơ bộ): Fosb = 3,8 [2]

• Từ (Bisb và Fosb ) tra đợc tiêu chuẩn nhiệt độ tâm: θt=0,46

• Vậy nhiệt của tâm phôi nung ở cuối giai đoạn sấy ( tính sơ bộ):

tt

2 = tk

tb - θt.(tk

tb - tt

đ) = 1000 - 0,46.(1000 - 20) = 549 [0C]

d Hệ số dẫn nhiệt của thép ( tính theo θchính xác)

4

2 2 1

cx

λ λ λ λ

λ = + + + [W/m.0C] [1]

4

549 600 20

λ

70 , 53 4

38 , 47 82 , 45 79 , 60 79 ,

=

cx

e Tiêu chuẩn Bi (tính chính xác)

sx

t cx

S Bi

λ

α Σ.

=

248 , 0 70 , 53

12 , 0 98 ,

=

cx

Bi

• Từ Bicx và θm tra đợc tiêu chuẩn Fo chính xác: Focx =3,6 [2]

• Từ Bicx và Focx tra đợc θt =0,45

• Vậy nhiệt của tâm phôi nung ở cuối giai đoạn sấy: tt

2 [oC]

tt

2=tk

tb- θt.(tk

tb-tt

đ) [oC]

tt

2=1000 - 0,45.(1000 - 20)=559

f Nhiệt độ trung bình của phôi ở cuối giai đoạn sấy

tkl

tb=t2t (t2m t2t)

3

1

− +

(600 559) 573 3

1

=

kl tb

g Hệ số dẫn nhiệt độ: a [m2/h]

Nhiệt dung riêng: Cp= c c d d

t t

i i

−

−

θm = 0.408

tt

2 = 549 [0 C]

tt

2 = 559 [0 C]

tkl = 573 [0 C]

Bisb = 0,239

λcx = 53,70

[W/m 0 C]