Термодинамический анализ технической системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Термодинамический анализ технической системы

Введение

эксергетический топливо выхлопной термодинамический

Сушкой называется термический процесс удаления из твердых материалов или растворов содержащейся в них влаги путём её испарения.

Изделие или материал приходится сушить в зависимости от их назначения для разных целей. Твёрдое топливо, например, подсушивают для повышения теплоты сгорания, улучшения процесса горения, древесину - для увеличения прочности, предохранение от гниения и плесени, различные другие изделия - для облегчения обработки, увеличения долговечности, предотвращения сжатия, искривления и растрескивания. Ряд материалов подвергается сушке для уменьшения их веса и тем самым удешевления транспортировки, изменение физических свойств (например, уменьшения теплопроводности).

Перечень материалов, подвергающихся в процессе их обработки также и сушке, чрезвычайно велик. Глубина обезвоживания материала в каждом отдельном случае определяется многими причинами.

В некоторых случаях перед сушкой материалов целесообразно предварительное обезвоживания их механическим или физико-химическим способом.

Механическое обезвоживание материалов более экономно, чем тепловая сушка, однако оно применимо только для материалов допуска, допускающих деформация (торфяная масса, текстиль, шерсть и т.п.) При этом одно механическое обезвоживание материала в большинстве случаев является недостаточным, так как оно обеспечивает только частичное удаление свободной влаги. Поэтому часто комбинируются различные способы удаления влаги.

Сушка материалов имеет большое распространение в различных производствах. Назначение сушки может быть различным в зависимости от того, какой материал подвергается этому процессу. В некоторых случаях она является завершающей фазой технологического процесса, придает материалу свойства, необходимые для его использования. Иногда сушка является промежуточной стадией технологического процесса.

Сушка материала - это процесс удаления из него жидкости, природа которой отлична от природы самого материала. В подавляющем большинстве случаев удалению подлежит вода. Однако иногда из высушиваемого материала удаляются другие жидкости.

Сушилки, работающие на смеси топочных газов с воздухом, получили в настоящее время большое распространение. Топочные газы в большинстве случаев получаются в специальных топках, и если они имеют высокую температуру, то для получения сушильного агента с требуемой температурой их разбавляют воздухом.

При полном сгорании (с избытком воздуха) горючей части твердого или жидкого топлива, состоящей из углерода С, водорода Н и серы S, продукты сгорания будут состоять из СО₂, Н₂О, SO₃, N₂ и О₂. В случае, если топливо не содержит серы, продукты сгорания отличаются от чистого воздуха только некоторым содержанием углекислоты и повышенным содержанием азота и водяных паров. Положение значительно усложняется, если происходит неполное сгорание, так как в этом случае продукты сгорания засорены не только сажей, т.е. частицами несгоревшего углерода, но и продуктами сухой перегонки в виде СО и ряда углеводородов, которые, как правило, химически активны, обладают специфическим запахом, сравнительно низкой точкой кипения и т.д. Таким образом, одним из основных требований применения сушки топочными газами является осуществление полного сгорания.

Воздух и дымовые газы поступают в топку. Некоторое количество дымовых газов поступает в камеру смешения. Основным отличием топок сушильных установок от топок паровых котлов является то, что в них может иметь место более низкая температура горения топлива. С целью защитить стенки топки от действия высоких температур и улучшить горение коэффициент избытка воздуха при сжигании твердого топлива принимают равным 2 - 2,5, а затем топочные газы разбавляют воздухом или циркулирующей в сушилке смесью до требуемой температуры.

Основное требование, предъявляемое к топочным устройствам сушильных установок, состоит в том, чтобы в топке происходило полное сгорание топлива без наличия сажи, а продукты сгорания содержали минимальное количество частичек золы.

1. Описание энергетического расчета системы

1.1    Расчет горения топлива в воздухе. Расчет состава и удельного объема выхлопных газов

Природный газ является высокоэффективным энергоносителем и ценным химическим сырьем. Он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами топлива и сырья:

стоимость добычи природного газа значительно ниже, чем других видов топлива; производительность труда при его добыче выше, чем при добыче нефти и угля;

отсутствие в природных газах оксида углерода предотвращает возможность отравления людей при утечках газа;

при газовом отоплении городов и населенных пунктов гораздо меньше загрязняется воздушный бассейн;

при работе на природном газе обеспечивается возможность автоматизации процессов горения, достигаются высокие КПД;

высокие температуры в процессе горения (более 2000°С) и удельная теплота сгорания позволяют эффективно применять природный газ в качестве энергетического и технологического топлива.

Целью расчета горения топлива в воздухе является нахождение состава дымовых газов, действительного объема и средней объемной изобарной теплоемкости газов (температура выходных газов задана).

Целью расчета горения топлива в воздухе является нахождение состава дымовых газов, его температуры и средней объемной изобарной теплоемкости газов.

Объемный состав природного газа:

Плотность компонентов при нормальных условиях вычисляется по следующей формуле [1, с. 36, формула (1.4)]:

     

где ,  - молярная масса компонента.

  - объем при нормальных условиях

:

:

:

:

:

:

        

Теплоемкости компонентов топлива [1, с. 64]:

  

где  - показатель адиабаты;,  - универсальная газовая постоянная;- объемная концентрация вещества.

Таблица 1.1 - Объемный состав природного газа

Элемент	CH4	C 2H6	C3 H8	C 4H10	N2	H2O
Объёмное содержание r, %	80,4	9,0	5,0	3,7	1,2	0,7
Показатель адиабаты k	1,33	1,33	1,33	1,33	1,4	1,33

:

 ;

:

 ;

:

 ;

:

;

:

 ;

:

Общая теплоемкость топлива, кДж/(мК) [1, с. 179, формула (7.57)]:

Физическая энтальпия топлива, кДж/м:

        

где t_т - температура топлива.

 

Состав сухого воздуха:

Таблица 1.2 - Объемный состав сухого воздуха

Элемент	N2	CO2	O2	Ar
Объёмное содержание r, %	78,09	0,03	20,95	0,93
Молярная масса µ, кг/кмоль	28	44	32	40

 

Молярная масса компонента рассчитывается по следующей формуле, кг/ кмоль [1, с. 177, формула (7.45)]:

    

Содержание:

Содержание:

Содержание:

Содержание:

Содержание , соответствующее влагосодержанию 20 г./кг [1, с. 314, формула 11.99]:

 

Влажный воздух содержит сухого воздухах [1, с. 309, формула 11.43]:

        

Молярная масса сухого воздуха, кг/кмоль [1, c. 177, формула 7.46]:

        

     

Состав влажного воздуха рассчитывается по следующим формулам [1, с. 178, формула 7.50]:

Содержание:

Содержание компонентов во влажном воздухе [1, с. 309, формула 11.49]:

   

Содержание

       

Содержание:

        

Содержание:

    

Содержание:

Теплоемкость влажного воздуха рассчитывается по следующей формуле, кДж/ (м³ ˙ гр):

  

где ;

;

Энтальпия ВВ, кДж/м:

        

где  - действительный объем воздуха, м³/м³; (формула );

Теплота сгорания, кДж/м³ [4, c. 10, формула 2.10]

 

          

где - объемный состав;

- низшая теплота сгорания каждого компонента, ккал/м³ [4, с. 10]

 - низшая теплота сгорания метана;

 - низшая теплота сгорания этана;

 - низшая теплота сгорания пропана;

 - низшая теплота сгорания бутана;

Коэффициент избытка воздуха  подбирается под содержание кислорода в сухих отходящих газах (10%) - .

Теоретическое количество ВВ, :

Теоретически необходимый объём воздуха для полного сгорания 1 м³ топлива [4, с. 16, формула 4.13]:

где  - элемент состава природного газа;

m и n - количество атомов углерода и водорода соответственно в молекулах углеводорода природного газа;

 

Теоретический объём , , [4, с. 16, формула 4.14]:

     

Теоретический объём , [4, с. 16, формула 4.15]:

Теоретический объём , : [4, с. 16, формула 4.16]:

   

Теоретический объём Ar, : [4, с. 16, формула 4.9]:

     

Теоретический объём дымовых газов, :

 

Действительный объем воздуха, :

       

Действительный объём , :

 

Действительный объём , :

    

Действительный объём , :

    

Действительный объём , :

   

Действительный объём , :

  

Теперь рассчитываем объем дымовых газов, :

   

Содержание  в ДГ будет [1, с. 16, формула 4.9]:

Состав сухих дымовых газов действительного потока:

     

    

    

    

     

 

 

Смешение выхлопных газов с воздухом:

 

Рисунок 1.1 - Смешение потоков выхлопных газов и влажного воздуха в T-s диаграмме

Рисунок 1.2 - Смешение потоков выхлопных газов и влажного воздуха в p-v диаграмме

Расход выхлопных газов определен выше (формула).

Состав выхлопных газов, который поступает на смешение с воздухом [1, с. 176, формула (7.37)]:

Содержание азота:

    

Содержание трехатомных газов:

Содержание водяных паров:

Содержание кислорода рассчитано выше (формула).

Содержание аргона:

Температура выхлопных газов (задано) - 460˚С.

Средние объемные изобарные теплоемкости компонентов рассчитываются по следующим формулам [1, с. 179, формула 7.57]:

  

:

    

:

 

:

 

:

   

:

Объемные изобарные теплоемкости веществ находятся как функции от температуры.

Общая объёмная изобарная теплоемкость ДГ, кДж/(мК):

 

    

Находим расход воздуха на м³ ВГ:

Чтобы обеспечить сгорание топлива в топке с  необходимо получить поток (смесь дымовых газов с воздухом), в котором объемный процент кислорода .

Если 13% > , то

        

иначе .

где  - удельный расход воздуха на 1 м³ топлива, м³/м³;

 - удельный расход ВГ на 1 м³, поступающего в ГТД, м³/м³ (формула);

- объемное содержание кислорода в действительных дымовых газах(формула);

- объемное содержание кислорода в поступающем воздухе (формула);

Состав воздуха, поступающего на смешение, рассчитан выше (формула).

Теплоемкость сухой компоненты и теплоемкость водяных паров находятся в зависимости от температуры воздуха.

Теплоемкость влажного воздуха рассчитывается выше (формула ):

;

Смесь дымовых газов с воздухом:

Расход смеси:

       

;

где , м³/ м³ - расход воздуха;

, м³/ м³ - расход выхлопных газов.

Определяем объемный процент каждого компонента в смеси, иначе говоря, находим ее состав [1, с. 177, формула 7.37]:

       

где  - процентное содержание i - го компонента смеси, %;

 - объем i - го компонента в дымовых газах, м³/м³;

 - объемный процент i - го компонента смеси, %;

 - объем i - го компонента во влажном воздухе, м³/м³;

Изобарная удельная теплоемкость смеси определяется как [1, с. 179, формула 7.57]:

     

где - средняя изобарная удельная объемная теплоемкость i-го компонента в смеси, кДж/м³;

- объемная доля i - го компонента в смеси, %.

Расчет смеси покажем на примере одного компонента смеси - N₂:

Процентное содержание N₂ в смеси:

Средняя удельная теплоемкость компонента в смеси:

Результат расчета смеси дымовых газов дан в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Состав смеси дымовых газов с воздухом

Элемент	N2	RO2	H2O	Ar	O2	смесь
Объёмное содержание r, %	72,03	3,39	10,72	0,86	13	100
Удельная теплоемкость компонента в смеси, 0,9413	0,0631	0,1654	0,0080	0,1766	1,354
Объём элемента Vi в смеси, м3/м3	27,5	1,3	4,1	0,3	5	38,1

Энтальпия выхлопных газов действительного состава на 1 м³ выхлопных газов:

        

где - средняя объёмная изобарная теплоемкость дымовых газов (формула ).

Энтальпия выхлопных газов действительного состава на 1 м³ природного газа:

Энтальпия вносимого влажного воздуха на метр воздуха:

где  - теплоемкость влажного воздуха,  (формула);

 - температура влажного воздуха.

Найдем температуру смеси:

Находим энтальпию смеси:

       

;

1.2    Расчет горения природного газа в атмосфере ВГ по схеме «воздух - модифицированное топливо»

Для расчёта топки используем условную схему разделения потока окислителя на балласт и воздух. Состав МТ представлен в Таблица 1.4.

ПГ - природный газ; окислитель - дымовые газы из ГТУ; ДГ - дымовые газы после топки; РГ - реакция горения; балласт - негорючие элементы окислителя.

Рисунок 1.3 - Расчётная схема горения топлива в окислителе для топки

Состав модифицированного топлива определяем смешением балласта и природного газа. Доля каждого компонента в модифицированном топливе рассчитывается по формуле [1, стр. 309]:

где  - объёмная доля компонента в модифицированном топливе;

 и - соответственно объёмные доли компонента в природном газе и в балласте;

Таблица 1.4 - Состав модифицированного топлива

Состав модифицированного топлива		ПГ		Балласт		МТ
1		2		3		4
СО		0,0%		0%		0,0%
Н2		0,0%		0%		0,0%
СН4		79,3%		0%		9,5%
С2Н4		0,0%		0%		0,0%
С2Н6		8,9%		0%		1,1%
С3Н8		4,9%		0%		0,6%
С4Н10		3,7%		0%		0,4%
С5Н12		0,0%		0%		0,0%
СmНn*		0,0%		0%		0,0%
СО2		0,0%		9,7%		8,5%
О2		0,0%		0%		0,0%
N2	1,2%		67,9%		59,8%
Н2О	2,0%		21,6%		19,3%
H2S	0,0%		0%		0,0%
Ar	0%		0,81%		0,7%

Таблица 1.5 - Рабочая масса компонентов

Компонент природного газа	Молярная масса	Низшая теплота сгорания		Плотность при нормальных условиях	В расчет
		Нормативный метод	Тымчак
	кг/ кмоль	ккал/ м3	ккал/ м3	кг/ м3	%
СО	28,011	3018	3016	1,2505	0,0%
Н2	2,016	2579	2577	0,0900	0,0%
СН4	16,042	8555	8558	0,7162	9,5%
С2Н4	28,052	14107	14105	1,2523	0,0%
С2Н6	30,068	15226	15235	1,3423	1,1%
С3Н8	44,094	21795	21802	1,9685	0,6%
С4Н10	58,12	28338	28345	2,5946	0,4%
С5Н12	72,151	34890	34900	3,2210	0,0%
СmНn*	114,22	14107	17000	5,0991	0,0%
СО2	44,011	0	0	1,9648	8,5%
О2	32	0	0	1,4286	0,0%
N2	28,016	0	0	1,2507	59,8%
Н2О	18,016	0	0	0,8043	19,3%
H2S	34,082	5585	5534	1,5215	0,0%
Ar	39,948	0	0	1,7834	0,7%
Проверка материального состава топлива по балансу					100%

Теплоемкость топлива, не зависящая от температуры:

С_р=1,374 кДж/ (м^{3 ˑ} К);

Физическая энтальпия топлива, кДж/м³:

   

;

где температура модифицированного топлива:

⁰С;

где  - энтальпия балласта, которая рассчитывается следующим образом

   

 - средняя объёмная изобарная теплоемкость газов;

 - температура балласта;

;

Определяем коэффициент избытка воздуха модифицированного топлива α=1,155, подбирается под заданный кислород сухих отходящих газов.

Температура воздуха t_в=298 ⁰С, она совпадает с температурой окислителя.

Температура топлива t_т=271 ⁰С, совпадает с температурой модифицированного топлива, которая рассчитывалась выше.

Состав сухого воздуха задан выше (Таблица 1.2).

Состав влажного воздуха рассчитан выше (формула).

Исходя из этих данных, можем найти теплоемкость влажного воздуха:

 

где  = 1,542 кДж/ (м³ˑ ⁰С) при t = 298 ⁰С.

 кДж/ (м³˙ ⁰С); ё

Энтальпия вносимого воздуха  кДж/м³;

Теплота сгорания топлива модифицированного топлива рассчитывается аналогично теплоте сгорания природного газа (формула .

Результат расчета приведен в таблице 1.6:

Таблица 1.6 - Теплота сгорания модифицированного топлива

Теплота сгорания (Рассчитывается по составу)				Далее в расчетах используется
топлива: (теплота сгорания из норм. метода)				0	эта величина
влажного	ккал/м3	1115	кДж/м3	4667
сухого	ккал/м3	1524	кДж/м3	4667
Теплота сгорания высшая на рабочую массу					ккал/м3	1471,4721
Теплота сгорания высшая на рабочую массу					кДж/м3	6161,0535
Объем водяных паров при сжигании в сухом воздухе					м3/м3	0,460824
Теплота парообразования водяных паров в д.г.					ккал/кг	600

Расчет количества воздуха, необходимого для горения модифицированного топлива (формула ):

 

где состав задан в таблице 1.5.

Теоретические расходы газов рассчитываются аналогично, как при горении природного газа (формулы , , , , ).

Расход воздуха и выход газов при горении топлива приведен в (Таблице 1.7):

Таблица 1.7 - Расход воздуха и выход газов при горении топлива

Расход воздуха и выход газов при горении топлива:
При сжигании 1 м3 газообразного топлива:	Размерность	Значение
теоретическое количество влажного воздуха, V0	м3/м3	1,43
теоретический объём азота, VN20 объём трёхатомных газов, VRO2	м3/м3	1,66
	м3/м3	0,24
теоретический объём водяных паров, VH2O0*)	м3/м3	0,53
теоретический объём аргона, VAr0*)	м3/м3	0,02
теоретический объём дым. газов, V0д	м3/м3	2,45
теоретическая масса воздуха, V0 теоретическая масса азота, VN20	кг/м3	1,816
	кг/м3	2,078
теоретическая масса трёхатомных газов, VRO2	кг/м3	0,47
теоретическая масса водяных паров, VH2O0*)	кг/м3	0,43
теоретическая масса аргона, VAr0*)	кг/м3	0,04
теоретическая масса дымовых газов, V0д	кг/м3	3,01
плотность теоретических дымовых газов	кг/м3	1,228
содержание азота в теорет. прод. сгорания, VN20	% по объему	67,81%
содержание трёхатомных газов в - «-, VRO2	% по объему	9,70%
содержание водяных паров в - «-, VH2O0*)	% по объему	21,68%
содержание аргона в - «-, VH2O0*)	% по объему	0,81%

Действительные расходы газов рассчитываются аналогично, как при горении природного газа (формулы , , , , , ).

Расчет дымовых газов приведен в (Таблица 1.8):

Таблица 1.8 - Расчет действительных дымовых газов

Действительные дымовые газы
При сжигании 1 м3 газообразного топлива:	Размерность	Значение
действительный объем воздуха, Vвз	м3/м3	1,7
действительная масса воздуха, Gвз	кг/м3	2,1
избыточный объем воздуха, (альфа-1)*V0	м3/м3	0,2
избыточная масса воздуха, (альфа-1)*Gвз	кг/м3	0,3
действительный объём дымовых газов, Vг	м3/м3	2,672
действительная масса дымовых газов, Gг	кг/м3	3,3
плотность действительных дым. газов	кг/м3	1,231
объём азота в действительных д.г., VN2	м3/м3	1,83
объём трёхатомных газов в действ. д.г., VRO2	м3/м3	0,2378
объём водяных паров в действ. д.г., VH2O	м3/м3	0,5421
объём кислорода в действительных д.г., VO2	м3/м3	0,0442
объём аргона в действительных д.г., VAr	м3/м3	0,0146
Объем д. г.	м3/м3	2,665
азота, VN2	% объемн.	68,53%
трёхатомных газов, VRO2	% объемн.	8,92%
водяных паров, VH2O	% объемн.	20,34%
кислорода, VO2	% объемн.	1,66%
аргона VAr	% объемн.	0,55%
Баланс	% объемн.	100,0%
Состав сухих д.г. действительного потока	Процентное содержание
азота, VN2	% объемн.	86,0%
трёхатомных газов, VRO2	% объемн.	11,2%
водяных паров, VH2O	% объемн.	0,0%
кислорода, VO2	% объемн.	2,1%
аргона VAr	% объемн.	0,7%
Баланс 100,0%

Расчет адиабатной температуры горения:

Энтальпия дымовых газов на м³ топлива по низшей теплоте сгорания:

    

где  - энтальпия вносимого воздуха;,  - физическая энтальпия топлива в КУ;

Энтальпия дымовых газов на м³ топлива на м³ воздуха:

      

Температура действительных дымовых газов:

 

где , - энтальпия дымовых газов на м³ топлива по высшей теплоте сгорания;

, - средняя объёмная изобарная теплоемкость газов;

˚С;

Адиабатная температура горения:

     

˚С;

Результат расчета адиабатной температуры горения приведен в (Таблица 1.9).

Таблица 1.9 - Расчет адиабатной температуры горения

Расчет адиабатной температуры горения
Расчетная температура горения (адиабатная)				1350
Теоретическая температура горения (адиабатная)		˚С	приближенная	1351
Средние объёмные изобарные теплоемкости газов:		кДж/ (м3ˑ гр)		1,5853
N2	0,9802012	кДж/ (м3ˑ гр)		1,4304
CO2	0,2054131	кДж/ (м3ˑ гр)		2,3020
H2O	0,3694135	кДж/ (м3ˑ гр)		1,8158
O2	0,0251337	кДж/ (м3ˑ гр)		1,5155
Ar	0,0051213	кДж/ (м3ˑ гр)		0,9335
по низшей теплоте сгорания
Энтальпия дымовых газов на м3 топлива		кДж/ м3		5705
Энтальпия дымовых газов на м3 дыма		кДж/ м3		2140,9
по высшей теплоте сгорания
Энтальпия дымовых газов на м3 топлива		кДж/ м3		7198
Температура дествительных дымовых газов		оС		1700

Расчет требуемого количества окислителя:

Требуемый расход окислителя:

 

где  - требуемый расход воздуха в окислителе

 = 0,653 - количество воздуха ВГ в% от расхода смеси.

Требуемый расход воздуха в окислителе:

,

где  - расход ПГ на топку КУ (задаемся расходом природного газа на топку 1 м³;

 - коэффициент избытка воздуха модифицированного топлива;

 - теоретическое количество влажного воздуха в КУ;

Минимальный расход окислителя, при котором обеспечивается заданная концентрация кислорода на выходе топки, такая же, что и при горении ПГ с коэффициентом избытка воздуха равном 1,155 определяется: расходом топлива в топку КУ, требуемым коэффициентом избытка воздуха, теоретическим количеством воздуха в окислителе, равном 65,3%, количеством балласта в окислителе, равном 34,7%.

Расчет требуемого расхода окислителя приведен в таблице (1.10)

Таблица 1.10 - Расчет требуемого расхода окислителя

Требуемый расход окислителя, обеспечивающий концентрацию	м3/час	21
Заданный для репера коэффициент избытка воздуха при горении ПГ		1,100
Заданная концентрация кислорода на выходе топки с ПГ равна		1,67%
Коэффициент избытка воздуха модифицированного топлива (подбирается)		1,155
с той концентрацией кислорода на выходе топки, равной		1,66%

2.      Расчет элементов системы

2.1    Расчет камеры смешения

Так как при горении топлива весь расчет мы производили на 1 м³ модифицированного топлива, то реальный выход дымовых газов на 1м³ природного газа мы найдем как:

,      

где  - объем действительных дымовых газов на 1 м³ модифицированного топлива (Таблица 1.8);

 - расход МТ на 1м³ ПГ;

;

Составим материальный баланс и энергетический баланс, для нахождения расхода в точках ДГ3 и gДГ1:

    

где  - присос воздуха в камеру смешения (7% от ).

Решая систему, получим:

   

Для определения состава точки ДГ 3 смешиваем потоки дымовых газов gДГ 1, при температуре 460 ˚С, и ДГ 2, при температуре 1350 ˚С, на выходе получаем поток с новым составом и температурой 700 ˚С.

Составы точек ДГ 1 и Д Г2 рассчитаны выше.

Расчет состава точки ДГ 3 приведем на примере расчета одного компонента смеси - N₂:

Процентное содержание N₂ в смеси:

где - содержание азота в потоке ДГ 1;

- содержание азота в потоке ДГ 2;

Средняя удельная теплоемкость компонента в смеси:

Результат расчета состава точки ДГ 3 приведен в таблице 2.1:

Таблица 2.1 - Состав и теплоемкость точки ДГ 3

Состав действительных д. г.		Доля		Процентное содержание
азота, VN2		% объемн.		69,59%
трёхатомных газов, VRO2		% объемн.		7,19%
водяных паров, VH2O		% объемн.		17,32%
кислорода, VO2		% объемн.		5,2%
Аргона VAr		% объемн.		0,8%
Баланс		% объемн.		100,00%
t=700˚С
Средние объёмные изобарные теплоемкости газов:		кДж/ (м3 ˑ гр)		1,45727
N2	0,941861кДж/ (м3 ˑ гр)1,3534
CO2	0,150209кДж/ (м3 ˑ гр)2,0890
H2O	0,284219кДж/ (м3 ˑ гр)1,6414
O2	0,074468кДж/ (м3 ˑ гр)1,4311
Ar	0,006514кДж/ (м3 ˑ гр)0,9335

Подставляя значения в формулу, получаем  = 87,21 ;

Из материального баланса имеем:

;       

 ;

Т.к. на 1 м³ природного газа приходится 23,27 м³/м³ дымовых газов (формула ), то удельный расход топлива на генерацию gДГ1:

  

Аналогично находим удельный расход топлива на генерацию ДГ1:

Удельный расход топлива, подаваемый в топку приняли равным 1м³/ч.

2.2    Расчет сушильной камеры

Материал - калийная соль;

Соль на входе:

Точка на схеме (Рисунок 2.2) - СМ1;

Температура t=14⁰C;

Влажность на общую массу w₁=6,1%;

Расход G=22 т/час;

Соль на выходе:

Точка на схеме (Рисунок 2.2) - СМ2;

Влажность на общую массу w₂=0,1%;

Температура t=135⁰C;

Теплоемкость изобарная, удельная массовая (не зависит от температуры) - С_р=0,693кДж/кг•⁰С;

Тракт сушильного агента:

Точка на схеме (Рисунок 2.2) - ДГ5;

Температура СА t=150⁰C;

Присосы воздуха:

ПВСК =1%;

Рассеяние энергии через ограждающие конструкции - 2%;

В первую очередь рассмотрим поток сушильного материала (калийная соль).

Найдем количество влаги содержащейся в точке СМ1 [3, с. 11, формула 1.6]:

где  - расход до сушильной камеры, кг/час;

 - влажность на общую массу (перед СК);

 - влажность на общую массу (после СК).

Или в пересчете на объемный расход:

  

Количество калийной соли выходящее из сушильной камеры вычислим из разности [3, с. 10, формула 1.5]:

Предположим, что на рециркуляцию поступает 56,6% от расхода после сушильной камеры. Можно сказать, что состав дымовых газов в точках ДГ 4 и ДГ 5 будет одинаков в связи с тем, что состав в точках ДГ 4 и ДГ 5’ изменяется исключительно из-за поступления влаги из калийной соли. Эта же влага удаляется в точке раздела потока ДГ 5, так как она не может поступать на рециркуляцию. Влага удаляется вместе с потоком дымовых газов ДГ 5’. Состав точки ДГ 4 приведен в таблице (2.3). Состав точки ДГ 5 приведен в таблице (2.2)

Выше указанные предположения, знание состава дымовых газов в точке ДГ 3 (состав дан в таблице (2.1)) и количества выделившейся влаги из калийной соли позволяют нам найти средние объемные изобарные теплоемкости всех потоков участвующих в рассматриваемой системе потоков сушильной камеры.

Для определения состава точки ДГ 4 смешиваем потоки дымовых газов ДГ 5, при температуре 150 ˚С, и ДГ 3, при температуре 700 ˚С, на выходе получаем поток с новым составом и температурой 510 ˚С.

Расчет состава точки ДГ 5 приведем на примере расчета одного компонента смеси - N₂:

Процентное содержание N₂ в смеси:

Процентное содержание Н₂O в смеси:

где - содержание азота в потоке ДГ 3;

, м³ - объем влаги, выделившийся при сушке соли.

Средняя удельная теплоемкость компонента в смеси:

Таблица 2.2 - Результаты расчета состава и теплоёмкости для ДГ 5

Состав действительных дымовых газов		Доля	Процентное содержание
азота, VN2		% объемн.	69,55%
трёхатомных газов, VRO2		% объемн.	7,19%
водяных паров, VH2O		% объемн.	17,37%
кислорода, VO2		% объемн.	5,20%
аргона VAr		% объемн.	0,7%
Баланс		% объемн.	100,00%
t = 150 ˚С
Средние объёмные изобарные теплоемкости газов:		кДж/ (м3 ˑ гр)	1,36601
N2	0,901972	кДж/ (м3 ˑ гр)	1,2969
CO2	0,125354	кДж/ (м3 ˑ гр)	1,7444
H2O	0,262954	кДж/ (м3 ˑ гр)	1,5141
O2	0,069223	кДж/ (м3 ˑ гр)	1,3312
Ar	0,006511	кДж/ (м3 ˑ гр)	0,9335

Зная состав точки ДГ 5, определяем состав точки ДГ 4:

Расчет состава точки ДГ 4 приведем на примере расчета одного компонента смеси - N₂:

Процентное содержание N₂ в смеси:

где - содержание азота в потоке влажного воздуха;

, м³ - объем дымовых газов, идущих на рециркуляцию.

Средняя удельная теплоемкость компонента в смеси:

Таблица 2.3 - Результаты расчета теплоёмкости и состава для ДГ 4

Состав действительных дымовых газов		Доля	Процентное содержание
азота, VN2		% объемн.	69,62%
трёхатомных газов, VRO		% объемн.	7,12%
водяных паров, VH2O		% объемн.	17,21%
кислорода, VO2		% объемн.	5,35%
аргона VAr		% объемн.	0,7%
Баланс		% объемн.	100,00%
t=510 ˚C
Средние объёмные изобарные теплоемкости газов:		кДж/ (м3 ˑ гр)	1,42268
N2	0,925516	кДж/ (м3 ˑ гр)	1,3293
CO2	0,141990	кДж/ (м3 ˑ гр)	1,9948
H2O	0,273948	кДж/ (м3 ˑ гр)	1,5916
O2	0,074696	кДж/ (м3 ˑ гр)	1,3966
Ar	0,006528	кДж/ (м3 ˑ гр)	0,9335

Энергетический баланс сушильной камеры будет иметь вид:

      

Приняв, ранее оговоренное , выражаем из  :

      

Запишем энергетический и материальный баланс для точки смешения ДГ4, ДГ3 и ДГр (Рисунок 2.2):

        

Отсюда имеем:

  

Подставляя  в материальный баланс, получаем:

     

Найдя из расчета камеры смешения абсолютные величины объёмов можем найти суммарный расход топлива:

  

Расход топлива, поступающий на ДГ1:

    

Расход топлива, поступающий на gДГ1:

   

Расход топлива в топку:

   

Зная расход топлива можно определить абсолютные величины расходов:

 

 

2.3    Расчет топки

Поскольку, расчет топки, выполненный в «Excel», мы выполняли без учета присоса воздуха (0,4% от расхода окислителя) и рассеяния, через ограждающие стенки топки (3,1%), необходимо пересчитать абсолютные величины объёмов. Для этого составим энергетический баланс топки:

     

где Q,  - теплота сгорания влажного топлива;

 - физическая энтальпия топлива;

 - присос воздуха в топку;

, м³ - рассеяние энергии через стенки.

Откуда получим:

 = 535,3 ;

Из баланса камеры смешения , по пересчитанному , находим  = 2168,32  и  = 1656 .

3. Балансы энергий

3.1 Баланс энергии топки

Баланс энергии для топки был расписан выше . Согласно рисунку 2.3 распишем потоки, входящие в топку и выходящие из неё.

    

Распишем потоки энергий:

Входная энергия:

Выходная энергия:

Входная энергия:

Выходная энергия:

Дисбаланс 0%.

3.2 Баланс энергии камеры смешения

Баланс энергии для камеры смешения был расписан выше . Согласно рисунку 2.1 распишем потоки, входящие в топку и выходящие из неё.

Распишем потоки энергий:

Входная энергия:

Выходная энергия:

Входная энергия:

Выходная энергия:

Дисбаланс 0%.

3.3 Баланс сушильной камеры

Баланс энергии для сушильной камеры был расписан выше . Согласно рисунку  2.2 распишем потоки, входящие в топку и выходящие из неё.

Распишем потоки энергий:

Входная энергия:

;

Выходная энергия:

Входная энергия:

Выходная энергия:

Дисбаланс 0%.

 

3.4 Баланс всей системы

Для составления баланса всей системы распишем все потоки энергий, входящие в систему и выходящие из неё, с учетом присосов энергии и рассеяния энергии через ограждающие стенки всех элементов, входящих в систему.

Составим баланс энергии для всей системы:

Входная энергия:

,04

;

Выходная энергия:

;

Входная энергия:

Выходная энергия:

Дисбаланс 0,04%, что допустимо.

4. Эксергетический баланс системы

Эксергия - часть энергии, равная максимальной полезной работе, которую может совершить термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергией иногда называется работоспособность системы. Использование понятия эксергии даёт возможность количественно определить влияние неравновесия термодинамических процессов на эффективность преобразования энергии, то есть позволяет вычислять особенности второго начала термодинамики: выделить ту часть энергии, которая не может быть использована из-за газодинамических явлений, трения, теплообмена. Такой подход даёт возможность анализировать степень термодинамической доскональности того или другого элемента установки и не требует предварительной оценки работоспособности всей установки в целом.

 

4.1 Методика эксергетического расчета

Эксергия топлива, , [2, с. 220, формула 18.101]

 

где , кДж/м³ - высшая теплота сгорания топлива;

Эксергия дымовых газов:

Концентрационная составляющая эксергии дымовых газов [2, с. 210, формула 18.57]

где T₀, К - температура окружающей среды;

 - содержание i - го элемента в дымовых газах;

R_i - универсальная газовая постоянная;

Термомеханическая составляющая эксергии дымовых газов [2, с. 210, формула 18.57]

     

где T₀, К - температура окружающей среды;

 - энтропия дымовых газов, при температуре потока;

 - энтропия дымовых газов, при температуре окружающей среды;

R - универсальная газовая постоянная;

Полная эксергия дымовых газов, :

        

Потери эксергии, :

где  - внешние потери эксергии [2, с. 282, формула 8.260];

 - внутренние потери эксергии;

 

4.2 Эксергетический расчет топки

Аналогично тому, как расписывались потоки, при составлении энергетического баланса топки, рассчитаем эксергии потоков входящих и выходящих из топки, согласно рисунку (2.3).

Эксергия топлива:

Термомеханическая составляющая:

Эксергия в точке ДГ 1:

Эксергия в точке ДГ 2:

Термомеханическая составляющая эксергии рассеяния в окружающую среду:

Концентрационная составляющая:

Эксергия в точке ДГ 1:

Эксергия в точке ДГ 2:

Эксергия рассеяния в окружающую среду:

Полная эксергия потока ДГ 1:

Полная эксергия потока ДГ 2:

Полная эксергия потока рассеяния:

Потери эксергии:

Внешние потери эксергии:

Внутренние потери эксергии:

Результаты расчета приведены в таблице (4.1):

Таблица 4.1 - Результат расчета эксергии топки

Составляющая эксергии	EТВ, МДж/ч	ЕДГ1, МДж/ч	ЕВЗ, МДж/ч	EДГ2, МДж/ч	EП, МДж/ч	Eос, МДж/ч
Термомеханическая	-	26,9	0	703,7	0	0,83
Концентрационная	-	9,6	0	45,6	0	1,24
Полная	1297,3	36,5	0	749,3	0	2,07
Потери	=1,68 МДж/ч=581 Дж/ч

 

.3 Эксергетический расчет камеры смешения

Аналогично тому, как расписывались потоки, при составлении энергетического баланса камеры смешения, рассчитаем эксергии потоков входящих и выходящих из элемента, согласно рисунку (2.1). Результаты расчета приведены в таблице (4.2):

Таблица 4.2 - Результат расчета эксергии камеры смешения

Составляющая эксергии	ЕДГ2, МДж/ ч	ЕgДГ1, МДж/ ч	EДГ3, МДж/ ч		EП, МДж/ ч	Eос, МДж/ ч
Термомеханическая	703,7	396,7	1037,5		0	0,02
Концентрационная	45,6	143,2	214,6		0	0,08
Полная	749,3	539,9	1251,1		0	1
Потери	=0,1 МДж/ ч=38 Дж/ ч

4.4 Эксергетический расчет сушильной камеры

Аналогично тому, как расписывались потоки, при составлении энергетического баланса камеры сушильной камеры, рассчитаем эксергии потоков входящих и выходящих из элемента, согласно рисунку (2.2). Результаты расчета приведены в таблице (4.3):

Таблица 4.3 - Результат расчета эксергии сушильной камеры

Составляющая эксергии	Eдг4, МДж/ ч	Едг5, МДж/ ч	Есм1, МДж/ ч	Eсм2, МДж/ ч	EП, МДж/ч	Eос, МДж/ ч
Термомеханическая	975,60	103,90	-	-	0	2,08
Концентрационная	275,80	336,60	-	-	0	6,70
Полная	1251,40	440,50	4426,40	4156,40	0	8,78
Потери	=28,8 МДж/ ч=1045,0 МДж/ ч

Эксергию калийной соли принимаем постоянной, равной 201,2 , [2, с. 517]

4.5 Эксергетический КПД системы

Эксергетический КПД [2, с. 232, формула (18.134)]:

       

 

Заключение

В данной курсовой работе были рассчитаны все основные характеристики сушильной установки с дымовыми газами в качестве сушильного агента. Установлены параметры рабочего тела в характерных точках системы, его физические характеристики и составы. Рассчитаны параметры элементов технической системы. Также построены полосовые диаграммы Сэнки и Грассмана.

Были рассчитаны расходы дымовых газов. Это позволило составить энергетические балансы, как всей системы, так и каждого элемента в частности. Рассчитать потери энергии в окружающею среду через ограждающие конструкции. В итоге найден общий расход топлива, который составил B_т=24,86 м³/ч.

Были составлены эксергетические балансы системы, отдельных элементов. Вычислены потери эксергии каждого компонента. В итоге эксергетический КПД сушильной установки

Список использованных источников

1. Хрусталев, Б.М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. / Б.М. Хрусталев, А.П. Несенчук, В.Н Романюк. - Минск: УП «Технопринт», 2004. - Ч. 1. - 487 с.

.   Хрусталев, Б.М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. / Б.М. Хрусталев, А.П. Несенчук, В.Н Романюк. - Минск: УП «Технопринт», 2004. - Ч. 2. - 560 с.

3.      Филоненко Г.К., Лебедев П.Д. Сушильные установки. - Москва: «Госэнергоиздат», 1952. - 296 с.

.        Кузнецов, Н.В. Тепловой расчет котельных аппаратов. - Москва: «Энергия», 1973. - 265 с.