Расчет горения топлива и вредных выбросов. Часовой расход дымовых газов. Схема расположения газоходов

4. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА И ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ

4.1. Расчёт горения топлива

Целью данного расчета является определение расхода воздуха, количества и состава продуктов горения. В качестве топлива используется природный газ, имеющий следующий состав (по объему):

Таблица 4.1

Низшая теплота сгорания Q_н^р=8030 ккал/м³, плотность при нормальных условиях r₀=0,70 кг/м³.

Расчет проводится на основе уравнений химических реакций окисления (горения) компонентов топливной смеси:

                                                                   (4.1)

Из этих уравнений видно, что для сжигания 1 моль метана CH₄  необходимо 2 моль кислорода O₂. При этом образуется 1 моль CO₂ и 2 моль H₂O.

Так же находятся соотношения для других компонентов, пользуясь соответствующими уравнениями.

Определив количество кислорода, можно найти теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания топлива, т. е. количество воздуха при горении топлива с коэффициентом избытка воздуха a=1. Делаем допущение, что в единице объема воздуха содержится 21% O₂ и 79% N₂ (так как доля остальных элементов очень мала, то мы принимаем ее равной нулю).

Таким образом

.

Расчет удобно вести на 100 м³ газа в форме таблицы:

Таблица 4.2 Расчет горения топлива при двух режимах.

В данной таблице приведен расчет при двух режимах горения: при a=1 и при a =1,05.

Часовой расход дымовых газов определим по формуле:

                                               (4.2)

где  Q_н^р – низшая теплота сгорания топлива, ккал/м³;

V – количество дымовых газов, образующихся при сгорании 100 м³ природного газа, м³/м³;

Для одного котла КБН-Г-2,5 расход дымовых газов при нормальных условиях будет составлять 2233,45 м³/ч.

Целью расчета дымовой трубы, служащей для удаления газообразных продуктов горения, является нахождение высоты трубы H при заданном аэродинамическом сопротивлении дымового тракта Sh_пот .

Высоту трубы находят по формуле:

=                                        (4.4)

где r_во, r_го – отнесенные к нормальным условиям плотности воздуха и удаляемых газов, кг/м³;

w₀₁, w₀₂ – отнесенные к нормальным условиям скорости газа в основании и устье трубы, м/с;

 – средняя скорость движения дымовых газов по трубе, м/с:

=                                                                (4.5)

T_в – температура окружающего воздуха, К;

– средняя по высоте трубы температура газа, К;

Т_г1, Т_г2 – температура газа в основании и устье трубы, К;

T₀=273 K;

l – коэффициент трения;

– средний диаметр трубы, м.

Скорость газов в устье должна быть не менее 3¸4 м/с. При расчете кирпичных и железобетонных труб можно принять, что диаметр трубы в основании d_осн примерно в 1,5 раза больше диаметра устья d_уст.

Падение температуры газов по высоте трубы принимают для кирпичных и железобетонных труб 1¸1,5°С/пог. м, для металлических 3°С/пог. м.

В случае, когда труба обслуживает несколько котлов, то расчет высоты трубы ведется по максимальному сопротивлению, а не по сумме сопротивлений дымовых трактов всех котлов.

Схема расположения газоходов приведена на рис. 4.1

рис. 4.1. Схема движения дымовых газов

Расчет будем вести по пути максимального сопротивления.

Разобьем на дымоход на участки с одинаковыми диаметрами. Расчет сведем в таблицу.

Потери Sh_пот складываются из потерь напора по длине и в местных сопротивлениях, т. е.

.                                                                                   (4.6)

Потери по длине находятся по формуле

,                                      (4.7)

где   l - коэффициент трения;

l – длина канала, м;

d – гидравлический диаметр канала, м. В случае канала не круглого сечения

,                                                                                                    (4.8)

где  F – площадь сечения канала, м²;

П – периметр, м.

r₀ – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;

w₀ – скорость газа при нормальных условиях, м/с;

Т_г – температура газа, К.

Коэффициент трения можно найти по формуле:

,                                                   (4.9)

где   D - абсолютная шероховатость стен канала, мм;

Re – критерий Рейнольдса:

,                                          (4.10)

n - вязкость среды, м²/с.

Потери в местных сопротивлениях определяются по формуле

,                                                             (4.11)

где  z - коэффициент местного сопротивления.

Параметры каждого участка представим в виде таблицы:

Таблица 4.3

№ уч.	Длина L, м	Сечение, мм	Гидравлич. диаметр dг, м
1	1,2	330×350	0,340
2	1,0	350×600	0,442
3	10,5	круглое	0,500
4	11,2	круглое	0,600

К установке на котельной принимаем металлическую трубу диаметром Æ1000 мм.

4.2 Пример расчета на первом участке

Найдем потери напора на первом участке. Дымовые газы выходят из котла в левый и правый газоходы сечением 330×350 мм, которые потом объединяются в общий сборный металлический газоход с внутренним сечением 350×600 мм. Расход дымовых газов через первый участок будет равен половине расхода дымовых газов на один котел, т.е

.  

Скорость дымовых газов на первом участке:

.        (4.12)

Критерий Рейнольдса:

.  

Коэффициент трения, приняв шероховатость D=0,05 мм, будет:

. 

Температура в начале участка равна температуре уходящих из котла дымовых газов Т_нач=160°С. Принимаем потери температуры на 1 пог.м. дымохода 1,0°С. Тогда средняя по длине участка температура дымовых газов будет:

.  

Определим потери на трение на первом участке:

.

На первом участке проходят резкое сужение, затем два плавных поворота на »45°. В этом случае åz=0,4. Найдем потери напора:

.

Суммарные потери напора на первом участке:

.

Результаты расчетов остальных участков сведем в таблицу:

Таблица 4.4

№ уч.	Vдг, м3/с	w, м/с	Re	l	Тнач, °С	Ткон, °С	, °С	åz	hлин, Па	hм, Па	åhпот, Па
1	0,31	3,42	43879,2	0,022	160	158,8	159,4	0,4	0,92	4,74	5,664
2	0,62	4,04	67430,1	0,0201	158,8	157,8	158,3	-	0,75	-	0,75
3	0,62	3,16	59608,22	0,0206	157,8	147,3	152,6	0,70	4,31	6,98	11,29
4	1,86	6,58	149020,5	0,0166	147,3	136,1	141,7	0,35	13,01	14,74	27,75

Общие потери напора при движении дымовых газов H_пот=45,45 Па.

Примем скорость в устье трубы w₀₂=3,75 м/с. Так как труба металлическая, то скорость в основании и устье остается неизменной, т. е. средняя по длине трубы скорость дымовых газов .

Найденная высота дымовой трубы, необходимой для отвода дымовых газов