Техника защиты окружающей среды. Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов. Современные методы и средства инженерной защиты окружающей среды

Пользуясь уравнениями горения для составляющих газообразного топлива, можно написать, что объем трехатомных газов, м³/м³, будет равен:

V_RO2 = 0,01⋅(CO₂ + CO + H₂S+ ∑(n⋅C_{n m}H ))^Т .

Объем азота в продуктах сгорания

V_N⁰2 = 0,79⋅V⁰ + 0,01⋅ N^Т₂ и сухих газов

               VСГ0 =VRO2 +VN02 .                                                                             (6)

Теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания газа

Т

⎛

                    0                                                                               ⎛ n            ⎞                    ⎞                     ₀

               V_{H O2}   = 0,01⋅⎜H₂ + H₂S+ ∑⎜ ⋅C_nH_m ⎟ + 0,124⋅d_ГТ ⎟ + 0,0161⋅V , (7)

                                             ⎝                       ⎝ 2            ⎠                    ⎠

где d_ГТ – влажность газообразного топлива, г/м³.

Суммарный теоретический объем продуктов сгорания топлива, м³/м³:

            V VГ0 = СГ0 +VH O02 =VRO2 +VN02 +VH O02 .                                               (8)

Полный (действительный) объем сухих газов, м³/м³, можно определить из выражения

               V_СГ V V⁰,                                                                    (9)

а полный объем водяных паров, м³/м³, будет:

               V_{H O}2 =^V_{H O}⁰2 + 0,0161⋅ α −( 1)⋅V⁰.

Наконец, действительный объем, м³/м³, дымовых газов составит:

               V V_ГV⁰.                                             (10)

Изложенные формулы позволяют определять количество воздуха, потребного для горения, и объемы дымовых газов при известном избытке воздуха. Избыток воздуха при расчете выбирается на основе опытных данных (табл. 1), в зависимости от типа горелок и топочного устройства, элементов котельного агрегата и установки.

Таблица 1. Значения коэффициента избытка воздуха в топке

Расчет горелочного устройства 

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания:

Т

⎛

                    0                                                                                                                                              ⎛       m ⎞                   ⎞

               V  = 0,0476⋅⎜⎝0,5⋅CO + 0,5⋅H₂ +1,5⋅H₂S+ ∑⎜⎝n + 4 ⎟⎠⋅С_nH_m − O₂ ⎟⎠ =

                = 0,0476⋅(2⋅CH₄ + 3,5⋅C_{2 6}H + 5⋅C_{3 8}H + 6,5⋅C_{4 10}H +8⋅C_{5 12}H )^T = 

= 0,0476⋅(2⋅98,4 + 3,5⋅0,33+ 5⋅0,12 + 6,5⋅0,04 +8⋅0,01) = 9,5 м³/м³.

Теоретический объем продуктов сгорания: а) сухих трехатомных газов

V_RO2 = 0,01⋅(CO₂ + CO + H₂S+ ∑(n⋅C_nH_m))^Т =

                = 0,01⋅(CO₂ +1⋅CH₄ + 2⋅C H_{2 6} + 3⋅C H_{3 8} + 4⋅C H_{4 10} + 5⋅C H_{5 12} )^Т =

= 0,01⋅(0,1+1⋅98,7 + 2⋅0,33+ 3⋅0,12 + 4⋅0,04+ 5⋅0,01) =1,0 м³/м³. б) азота

V_N⁰₂ = 0,79⋅V⁰ + 0,01⋅ N^Т₂ = 0,79⋅9,5+ 0,01⋅0,7 = 7,51 м³/м³. в) водяных паров

Т

V_{H O}⁰₂ = 0,01⋅⎜⎛H₂ + H₂S+ _∑^⎛⎜⎝ ^m2 ⋅C_{n m}H ⎟⎠^⎞ + 0,124⋅d_Т ⎟^⎞⎠ + 0,0161⋅V⁰ =

⎝

                 = 0,01⋅(2⋅CH₄ + 3⋅C_{2 6}H + 4⋅C_{3 8}H +5⋅C_{4 10}H  + 6⋅C_{5 12}H )^Т + 0,0161⋅V⁰ =

= 0,01⋅(2⋅98,7 + 3⋅0,33+ 4⋅0,12 + 5⋅0,04 + 6⋅0,01)^Т + 0,0161⋅9,5 = 2,14 м³/м³, где d_Т – влажность газообразного топлива, г/м³.

Определим коэффициент избытка после подмешивания к воздуху горячих продуктов сгорания до температуры смеси t_см = 45 °С. Воспользуемся формулой

      ⋅η + с ⋅t − V 2 c 2                                                                                                                                                                              2                   2                   V          cВ tСМ

               α = ₀ , (11)

V ⋅cВ ⋅(tСМ −tВ)

в которой η_Т = 0,96 – к.п.д. смесительного устройства; с_Т – теплоемкость топлива, ккал/(м³⋅К); c_RO2 – теплоемкость сухих трехатомных газов в продуктах сгорания, ккал/(м³⋅К); c_{H O2} – теплоемкость паров воды, ккал/(м³⋅К); с_В – теплоемкость воздуха, ккал/(м³⋅К).

Для индивидуальных веществ в состоянии идеального газа теплоемкость в кал/(моль⋅К) при любой температуре можно рассчитать по формуле c_P = A+ B T⋅ +C T⋅ ² + D T⋅ ³ , а для подсчета теплоемкости газовой смеси можно воспользоваться правилом аддитивности. Значение теплоемкости топлива при начальной температуре t_Т = 20 °С приведено в табл. 2.

Теплоемкость сухих трехатомных газов, в которых в нашем случае находиться только оксид углерода (IV), найдем как:

                c_RO2 = A+ B T⋅ + C T⋅ ² + D T⋅ ³,

c_RO2 = 4,728+1,75⋅10^-2 ⋅318,15−1,34⋅10^-5 ⋅318,15² + 4,10⋅10^-9 ⋅318,15³ c_RO2 = 8,8232 кал/(моль⋅К) или 8,8232/22,411383=0,3937 ккал/(м К³ ⋅ ).

Таблица 2. Теплоемкость газового топлива при t_Т = 20 °С.

Теплоемкость водяных паров при t_см = 45 °С: c_{H O2} = A B T C T+ ⋅ + ⋅ ² + D T⋅ ³,

c_{H O}2 = 7,701+ 4,6⋅10^-4 ⋅318,15+ 2,52⋅10^-6 ⋅318,15² −8,59⋅10^-10 ⋅318,15³ c_{H O2} =8,0747 кал/(моль⋅К) или 8,0747/22,411383=0,3603 ккал/(м К³ ⋅ ).

Теплоемкость воздуха при t_В⁰ = –25 °С приведена в табл. 3, а при t_см = 45 °С – в табл. 4.

Таблица 3. Теплоемкость воздуха при t_В⁰ = –25 °С.

Таблица 4. Теплоемкость воздуха при t_см = 45 °С.

Подставив значения теплоемкостей в уравнение (11) найдем:

Расход топлива найдется из уравнения теплового баланса смесителя:

BТ ⋅(QНС ⋅η +Т сТ ⋅tТ +V0 ⋅α⋅cВ ⋅tВ) =VСМ ⋅cСМ ⋅tСМ.

Теплоемкость смеси воздуха с продуктами сгорания приведена в табл. 5.

Таблица 5. Теплоемкость смеси воздуха с продуктами сгорания при t_Т = 45 °С.

BТ = С                          СМ         СМ СМ0                            =

QН ⋅ηТ + сТ Т⋅t +V ⋅α⋅cВ В⋅t

43,23 м³/ч или 0,012 м³/с.

Количество воздуха, поступающего к горелке:

               V_В = B_Т ⋅V ⁰ ⋅α =_Т   43,23⋅9,5⋅1,1= 451,73 м³/ч или 0,1255 м³/с.

Скорость истечения газа из отверстий определим по формуле

w_Г = µ_Г ⋅,

где ρ_Т – плотность газового топлива, кг/м³; µ_Г – коэффициент расхода газа, µ =_Г 0,96; H_Т – избыточное давление газа перед соплами, мм вод. ст.,

T_СМ – температура газа при истечении, К.

Избыточное давление газа перед соплами найдем из расчета, что

1 ат = 1 кг/см² = 98066,5 Па, а 1 мм вод. ст. = 9,80665 Па. Тогда

                                       98066,5             98066,5

                H_Т = p_Т ⋅ 1800 мм вод. ст. и

w_Г  м/с.

Скорость истечения воздуха, поступающего к горелке через отверстия:

w_В = µ_В ⋅ м/с. где µ_В – коэффициент расхода воздуха, µ_В = 0,94; H_В – избыточное давление воздуха перед соплами, мм вод. ст.

Суммарное сечение всех газовых отверстий

f_Г = BГс = 0,012 = 6,142⋅10−5 м2. w_Г     195,52

Площадь одного отверстия для газа

                              f      6,142⋅10−5

                    0             Г                                                                            −6        2

                  f_Г =      = = 3,84⋅10   м . 

                            16           16

Диаметр одного отверстия для газа составит

d_Г =  = 0,0022 м.

Суммарное сечение всех воздушных отверстий

                            V^В          0,1255                  ^{−3        2}

f_В = =  = 3,698⋅10 м . w_В 33,93

Намечаем образующие на поверхности усеченного конуса в количестве 16 шт. по 10 отверстий для воздуха на каждой, итого 16×10 = 160 отверстий