Tính toán sự cháy của nhiêu liệu

Tính toán sự cháy của nhiêu liệu

Chơng I Tính toán sự cháy của nhiên liệu

I Các số liệu ban đầu

1 Nhiên liệu: dầu FO

2 Thành phần của dầu FO:

Thành phần của dầu Fo

Thành phần

3 Nhiệt độ nung trớc không khí: tkk = 350 [°C] nung 100%

4 Nhiệt độ nung trớc nhiên liệu: tdầu = 110 [°C] nung 100%

5 Loại lò: Lò nung liên tục

II tính toán sự cháy của nhiên liệu

II.1 Chuyển đổi thành phần nhiên liệu về thành phần dùng:

a.Hệ số chuyển đổi từ thành phần khô sang thành phần dùng:

Kk-d =

100

100 −W d = 100 1

100

−

= 0,99 b.Hàm lợng tro tính theo thành phần dùng:

Ad= Kk-d.Ak = 0,99 0,7 = 0,693 [%] c.Hệ số chuyên đổi từ thành phần cháy sang thành phần dùng:

100

) (

100 A d W d 100 (0,7 1)

100

= 0.983 d.Thành phần nguyên tố tính theo thành phần dùng:

Công thức tổng quát :

Xd = Xc Kc-d

Trong đó :

Xd: Thành phần dùng của nguyên tố “X”

Xc: Thành phần cháy của nguyên tố “X”

Thành phần dùng của các nguyên tố (xem bảngI.1)

Bảng I.1: Thành phần dùng của dầu FO

Thành phần của dầu Fo

Thành phần

II.2 Tính nhiệt trị thấp của nhiên liệu (Q t d [kJ/kg]):

Qtd = 339 Cd + 1255,8 Hd – 108,8.( Od - Sd ) – 25,1.(Wd + 9.Hd )

Qtd = 339,1.86,5 +1255,8.9,1 - 108,8.(0 -1,8) - 25,1.(1 +9.9,1)

Qtd = 38803,47 [kJ/kg]

II.3 Chọn hệ số tiêu hao không khí n:

Khi chọn hệ số tiêu hao không khí, ta phải dự đoán trớc ta sẽ sử dụng mỏ đốt loại nào ? ở bản thiết kế này, ta đốt dầu FO bằng mỏ phun cao áp ( dùng không khí nén làm chất biến bụi), tham khảo tài liệu [1] hoặc bảng 1.4 tài liệu [2] ta chọn hệ số tiêu hao không khí n= 1,2

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 sau đó quy đổi về 1 kg Các kết quả tính toán đợc trình bày trong bảng I.2 trang 3

II.5 Bảng cân bằng khối lợng:

Để kiểm tra độ chính xác của các số liệu đợc tính toán trong bảng I.2,ta lập bảng cân

Về nguyên tắc :

=

Bảng i.3: Bảng cân bằng khối lợng

Chất tham gia sự cháy Sản phẩm cháy tạo thành

Nhiên liệu

tính

Giá trị

Công thức tính

Giá trị [kg]

∑A =1671,5 [kg]

∑SPC= 1669,62 [kg]

∑B = ∑SPC + Ad =1669,62+ 0,7 ∑B = 1670,32 [kg]

Đánh giá sai số:

δ% = ∑ A−A∑ B

∑ = 1671,5 1670,321671,5 .100

−

% = 0,0706 [%]

Nhận xét:

Sai số δ = 0,0706 % chứng tỏ các số liệu tính toán sự cháy trong bảng I.2 là đáng tin cậy

∑ Khối lợng của các chất tham gia phản ứng

∑ Khối lợng của sản phẩm cháy tạo thành + tro

B¶ng I.2: B¶ng tÝnh sù ch¸y cña nhiªn liÖu

Nguyªn

Khèi lîng (kg)

Ph©n

tö l-îng

Sè kmol [kmol]O2 [kmol]N2

Tæng céng

kmol kmol kmol kmol kmol kmol [kmol] [m 3

tc ]

Thµnh phÇn [%] 21 79 100 - 12,72 8,04 0.11 3,35 75,78

II.6 Khối lợng riêng của sản phẩm cháy(ρ 0 [kg/m 3 ]):

ρ0 =

n

SPC 100.V

∑ = 1669, 62

1271,87= 1,312 [kg/m3

tc] Trong đó :

∑ SPC = 1669,62 [kg] (xem bảng I.3)

II.7 Nhiệt độ cháy của nhiên liệu (t[° C])

II.7.1 Nhiệt độ cháy lý thuyết :

Nhiệt độ cháy lý thuyết là nhiệt độ của sản phẩm cháy có đợc khi tất cả nhiệt lợng sinh ra trong khi cháy nhiên liệu đợc tập trung cho sản phẩm cháy (không có tổn thất nhiệt)

1 2

1

)

i i

i i

+

−

−

−

∑

[°C]

Trong đó :

t2 : Nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu [°C]

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

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

i∑ =

n

n kk n

nl n

d t

V

f L i V

i V

+

Trong đó :

Qtd : Nhiệt trị thấp của dầu FO, Qtd= 38803,47 [kJ/kg]

f: Tỷ lệ nung trớc không khí f = 1 (nung 100% trớc không khí)

tnl : Nhiệt độ nung trớc của nhiên liệu tdầu= 110 [°C]

Cnl : Nhiệt dung riêng của nhiên liệu (Dầu FO)

Cdầu= 2,176 [kJ/kg.K]

ikk : Entanpy của nhiệt độ không khí ở nhiệt độ tkk= 350 [°C]

Tra bảng và nội suy ta có ikk= 463,75 [kJ/m3

tc]

inl : Entanpy của dầu FO ở nhiệt độ tdầu

Vn= 12,71 [m3/kgtc]

Ln= 12,19 [m3/m3

tc] (xem bảng I.2) Vậy:

i∑ = 38803, 47 463,75.12,19 2,176.110+ 12, 71 + = 3507,32 [kJ/m3

tc] Giả thiết : t1 < tlt < t2

i1 < ilt < i2

Chọn : t1 =21000C , t2 = 22000C

Để tính nhiệt hàm của sản phẩm cháy ứng với t1 = 21000C và t2 = 22000C

ta phải tìm nhiệt hàm của các khí này thành phần ứng với hai nhiệt độ này

Tra bảng ta có nhiệt hàm của sản phẩm cháy ứng với t1 = 21000C và t2 = 22000C

Khí thành phần Entanpy i [kJ/m 3 tc ]

t1 = 21000C t2 = 22000C

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 )

i1 = 0,01.(12,72.5186,8 + 8,04.4121,8 + 75,78.3132,0 + 3,35.3314,9)

i1 = 3498,71 [kJ/m3

tc]

i2 = i2200 = 0,01.(CO2.iCO2 + H2O.iH2O + N2.iN2 + O2.iO2 )

i2 = 0,01.(12,72.5464,2 + 8,04.4359,8 + 75,78.3295,8+ 3,35.3487,4 )

i2 = 3652,46 [kJ/m3

tc]

Nh vậy i1 < i∑ < i2 thoả mãn điều kiện đã chọn

Tính tlt :

1 2

1.( t t ) t i

i

i i

+

−

−

−

∑

=3507,32 3498, 71.(2200 2100) 2100

3652, 46 3498,71

II.7.2 Nhiệt độ cháy thực tế của nhiên liệu (t tt [° C])

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

ttt= η.tlt [°C]

ở đây:

η: hệ số nhiệt độ, phụ thuộc vào loại lò ở đây lò là lò liên tục theo bảng 14 [1] ta chọn: η = 0,7

ttt: nhiệt độ cháy thực tế của nhiên liệu [°C]

ttt= 0,7.2111 = 1477 [°C]

II.8 Các kết quả tính toán :

Kết quả tính toán đợc trình bày trong bảng I.4

Bảng I.4: Các kết quả tính toán

L n

[m 3

tc /kg]

V n

[m 3

tc /kg]

ρ0

[kg/m 3

tc ]

Nhiệt độ[°C] Sản phẩm cháy[%]

12,19 12,71 1,312 2111 1477 12,72 8,04 3,35 75,78 0,11

Chơng II

Chọn chế độ nung và Tính thời gian nung kim loại

I Các số liệu ban đầu

1.Năng suất của lò: P=10 [tấn/h] = 10000 [kg/h]

2.Kích thớc vật nung: 100 x 100 x 1400 [mm]

3.Loại thép : Thép có thành phần

Thành phần thép

4.Nhiệt độ ra lò của vật nung: tkl

c=1200 [°C]

5.Thành phần sản phẩm cháy đã đợc tính ở chơng I , bảng I.2

Thành phần thể tích của sản phẩm cháy[%]

II Tính toán

II.1 Chọn giản đồ nung

Phôi nung có kích thớc 100 x 100 x 1400 [mm] Để tránh gây ứng suất bên trong kim loại ta chọn giản đồ nung 3 giai đoạn ( Giản đồ nung đợc trình bày ở hình II.1) Trong đó :

tk

1 : Nhiệt độ sản phẩm cháy ở đầu vùng sấy, tk

1=700 [°C]

tk

2: Nhiệt độ sản phẩm cháy ở cuối vùng sấy, tk

2=1350 [°C]

tk : Nhiệt độ sản phẩm cháy ở cuối vùng nung, tk =1350 [°C]

tk

4 : Nhiệt độ sản phẩm cháy ở cuối vùng đồng nhiệt, tk

4=1300 [°C]

tm

1,tt

1 :Nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ của tâm phôi ở đầu vùng sấy

tm

1=tt

1=20 [°C]

tm

2 : Nhiệt độ bề mặt của phôi ở đầu vùng nung,tm

2= 600 [°C]

3 : Nhiệt độ bề mặt của phôi ở đầu vùng đồng nhiệt,tm

2= 1200 [°C]

tm

4 : Nhiệt độ bề mặt của phôi ở cuối vùng đồng nhiệt,tm

2= 1200 [°C]

tt

2 : Nhiệt độ tâm phôi ở cuối vùng sấy, tt

2=? (phải tính)

tt

3 : Nhiệt độ tâm phôi ở đầu vùng đồng nhiệt, tt

3=? (phải tính)

tt

4 : Nhiệt độ tâm phôi ở cuối vùng đồng nhiệt, tt

4=? (phải tính)

Hình II.1: Giản đồ nung 3 giai đoạn

Phôi vào lò có nhiệt độ : tm = tt

1 = 20 [°C]

Phôi dợc nung một mặt và đợc xếp 1 hàng phôi

Nhiệt độ tâm phôi đợc chọn theo độ chênh nhiệt dộ cho phép giữa bề mặt và tâm [∆t] = 15 [°C/dm]

Phôi có chiều dày thấm nhiệt :

ST= η.S [m]

Trong đó :

ST: Chiều dày thấm nhiệt của phôi nung [m]

S: Chiều dày phôi, S = 0,1 [m]

1400 1200 1000 800 600 400 200

t k 2

t1k

2m t t

t2

k

t3

3m t

t t 3

t k 4 m

t4 t

t4

m

t1= t1t

t [°C]

τsấy τnung τđồngnhiệ

t

τ [h]

η: Hệ số không đối xứng, η =1

ST=1.0,1= 0,1 [m] =1 [dm]

Vậy độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt và tâm phôi cuối giai đoạn đồng nhiệt :

∆t = ST.[∆t] =1.15 =15 [°C]

Vậy nhiệt độ tâm phôi cuối giai đoạn đồng nhiệt :

tt

4 = tm

4 - ∆t = 1200 – 15 = 1185 [°C]

II.2 Tính thời gian nung :

II.2.1 Các kích thớc cơ bản của nội hình lò

II.2.1.1 Chiều ngang lò B [m]:

B=n.l+(n-1).c+2.b [m]

Trong đó :

n: Số dãy phôi n = 1

l: Chiều dài phôi nung l =1,4 [m]

c : Khoảng cách giữa các dãy phôi c = 0,1 [m]

b: Khoảng cách giữa đầu phôi và tờng lò b = 0,3 [m]

Vậy ta có :

B=1.1,4 + (1- 1).0,1 + 2.0,3 = 2 [m] [I]

II.2.1.2.Chiều cao lò:

a) Chiều cao vùng sấy H s [m]:

chiều cao có hiệu của vùng sấy đợc xác định theo công thức:

Hs

ch= 10-3.tk

tb.(A + 0,05.B) Trong đó :

tb:nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng sấy

tk

2

1350 700 2

2 1

=

+

= + k

A: Hệ số thực nghiệm khi tk

tb= 1025 [°C] ta có : A= 0,6 B: Chiều ngang lò : B =2 [m]

Hs

ch= 10-3.tk

tb.(A + 0,05.B) = 10-3.1025.(0,6 + 0,05.2) = 0,72 [m]

Chiều cao thực tế của vùng sấy:

Hs

tt = n.Hs

ch + S Trong đó :

n: Số mặt nung n = 1

S: Chiều dày phôi S = 0,1 [m]

Hs

tt= n.Hs

ch + S = 1.0,72 + 0,1 = 0,82 [m]

b) Chiều cao vùng nung H n [m]

Chiều cao có hiệu của vùng nung đợc xác định theo công thức:

Hn

ch = k B = 0,6.2 = 1,2 [m]

k = 0,4 ữ 0,6 (Chọn hệ số bằng 0,6) Chiều cao thực tế của vùng nung:

Hn

tt = n.Hn

ch+S = 1.1,2 + 0,1 = 1,3 [m] Hnung ≤ 1,35m

c) Chiều cao vùng đồng nhiệt H đn [m]:

Chiều cao có hiệu của vùng đồng nhiệt đợc xác định theo công thức:

Hđn

ch = 10-3.tk

tb.(A + 0,05.B) Trong đó :

tk

tb:nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng đồng nhiệt

tk

tb= 3 4 1350 1300

1325

k k

t +t = + = [°C]

A:Hệ số thực nghiệm khi tk

tb = 1325 [0 C] ta có A = 0,6 (bảng 28 [1]) B: Chiều ngang lò : B = 2 [m]

Hs

ch = 10-3.tk

tb.(A + 0,05.B) = 10-3.1325.(0,6 + 0,05.2) = 0,93 [m] Chiều cao thực tế của vùng đồng nhiệt:

Hđn

tt = n.Hđn

ch + S

Trong đó :

n: Số mặt nung n = 1

S: Chiều dày phôi S = 0,1 [m]

Hđn

tt = n.Hs

ch+ S = 1.0,93 + 0,1 = 1,03 [m]

Hđn

tt = 1,03 [m]

II.2.2 Tính thời gian nung phôi trong vùng sấy (τ h [h])

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng sấy

tk

2

1350 700 2

2 1

=

+

= + k

Nhiệt độ trung bình của bề mặt phôi trong giai đoạn sấy:

tm =tm

1+

3

2

.(tm - tm

1) = 20 +

3

2

(600-20) = 406,67 [°C]

II.2.2.1.Độ đen của sản phẩm cháy trong vùng sấy:

Độ đen của khí lò đợc xác định theo công thức:

εk= εCO2+ β.εH2O

Trong đó:

εCO2 : độ đen của khí CO2 β:hệ số hiệu chỉnh

εH2O : độ đen của khí H2O εk : độ đen của khí lò

Từ bảng I.2 ta có %CO2 = 12,72% nên PCO2 = 0,1272 [at]

%H2O = 8,04% nên PH2O = 0,0804 [at]

Chiều dày có hiệu của của lớp khí bức xạ:

Shq= η

ch s ch s

H B

H B

+

2

[m]

Trong đó:

η: Hệ số điền đầy khí trong lò; η = 0,9

B , Hs

ch: Chiều ngang và chiều cao có hiệu vùng sấy

Sqd= 0,9.2.2.0,722 0,72+ = 1,058 [m]

Tích số M:

MCO2= PCO2 Shq [at.m]

MH2O= PH2O Shq [at.m]

MCO2= 0,1272.1,058 = 0,141 [at.m]

MH2O= 0,0804.1,058 = 0,089 [at.m]

Với nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy tk

tb= 1025 [°C] và tích số

MCO2= 0,141 [at.m]

MH2O= 0,089 [at.m]

Theo các giản đồ 24,25 v 26 à [1] ta có:

εCO2= 0,125

εH2O= 0,11

β= 1,07

Vậy :

εk = εCO2 + β.εH2O = 0,12 + 1,07.0,11 = 0,237

εk= 0,237

II.2.2.2.Hệ số bức xạ quy dẫn(C qd [W/m 2 K 4 ])

Độ phát triển của tờng lò:

ω =2. 2.0,72 3

s ch

n l

1,89

ε

ε ε

ε ε

ε ω

+

−

− +

− +

k

k kl

k kl

k

1 )].

1 (

[

1

Trong đó :

εkl: Độ đen của kim loại εkl = 0,8

εk: Độ đen của sản phẩm cháy εk = 0,237

ω: Độ phát triển tờng lò ω = 1,89

Cqd = 0,8.5,67

1,89 1 0, 237

2,65

1 0, 237 [0,8 0, 237.(1 0,8)] 2, 293

0, 237

−

II.2.2.3.Hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng(α∑[W/m 2 K]):

α∑= αbx+ αđl

Trong đó:

αbx: Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ

αđl: Hệ số trao đổi nhiệt đối lu

Hệ số truyền nhiệt bức xạ

αbx=Cqd

2 1

4 2

4 1

100 100

t t

T T

−





























−













[W/m2.K]

Trong đó :

T1: Nhiệt độ trung bình của môI trờng lò [°K]

T2: Nhiệt độ trung bình của bề mặt phôi trong giai đoạn sấy [°K]

αbx=2,77

1025 273 406,67 273

117,6

1025 406,67

−

−

[W/m2.K]

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng sấy còn khá cao (tk

tb=1025°C) nên

sự trao đổi nhiệt bằng bức xạ vẫn giữ vai trò chủ yếu Chọn nhiệt độ trao đổi nhiệt

đối lu bằng 10% hệ số trao đổi nhiệt bức xạ, do đó:

α∑= αbx+αđl = 1,1 αbx

α∑= 1,1.117,6 =129,36 [W/m2.K]

II.2.2.4.Hệ số dẫn nhiệt λ[W/m.K]

Hệ số dẫn nhiệt của phôi thép đợc tính theo công thức

λ0 = 69,8 - 10,12.C - 16,75.Mn - 33,72.Si [W/m.K]

Trong đó :

C,Mn,Si:Thành phần của Các bon, Mangan, Silic

λ0:Hệ số dẫn nhiệt của thép ở 0 [°C]

λ0 = 69,8 - 10,12.0,15- 16,75.0,2-33,72.0,2 = 58.188 [W/m.K]

Các giá trị λt khi λ0 = 58.188 [W/m.K]

Nhiệt độ phôi thép [ 0 C] Công thức tính Giá trị λ 0 [W/m.K]