Визначення початкової температури газоповітряної суміші

(3.1)

(3.2)

де: - нижча теплота згоряння кожної горючої речовини, що входить в суміш (довідкові дані); - температури газоподібного палива і повітря (приймаємо 20°С); V_п - об'ємні частки компонентів газоподібного палива, м³/м³; - середні об'ємні теплоємності компонентів газоподібного палива при постійному тиску, кДж/(м³ °С) (довідкові дані). - обсяги продуктів згоряння в м³, віднесені до 1м³ спалюваного газу (дійсні обсяги продуктів згоряння за результатами розрахунку показників горіння); - середні об'ємні теплоємності повітря при постійному тиску, кДж/(м³ °С).

3.1. Розрахунок нижчої теплоти згоряння горючої речовини, що входить в суміш:

За довідковими даними визначаємо нижчу теплоту згоряння всіх речовин горючого газу:

Метан

Пропан

Бутан

Q^P_H = 0,01(Σ Q _{Сm Нn} С_m Н_n) (3.3)

3.2. Теплота, що вноситься в топку з паливом і повітрям:

(3.4)

Середні об'ємні теплоємності повітря при постійному тиску при 20°С:

 

(3.5)

3.3. Об`єм продуктів згоряння становить, м³/м³:

V_N2; V_O2; V_СO2; V_H2O.

3.4. Середні об'ємні теплоємності повітря при постійному тиску, кДж/(м³ °С):

Приймаємо t_поч.=1145 °С

С_N2; С_O2; С_СO2; С_H2O.

Якщо отримане значення t_н не збігається із заданим робимо перерахунок задавшись іншим значенням t_н.

 

Визначення початкової густини газоповітряної суміші

(4.1)

, кг/м³ (4.2)

Р_нач – тиск на початку жарової труби (див. завдання);

R_сум – газова стала газоповітряної суміші, Дж/(кг К)

(4.3)

– об'ємна частка компонентів суміші (див. склад продуктів згоряння, п. 2);

– газова стала компонентів суміші (довідкові дані):

, ,

, .

 

Визначення початкової швидкості руху газоповітряної суміші

(5.1)

де: – секундна витрата газоповітряної суміші;

(5.2)

Визначення коефіцієнта тепловіддачі від газоповітряної суміші до стінки труби

(6.1)

– коефіцієнт теплопровідності газоповітряної суміші, Вт / м^оС (довідкові дані).

6.1. Критерій Нуссельта:

– критеріальне рівняння для ламінарного режиму;

Nu = 0,021Re^0,8 ×Pr _ж^0,43 × (Рr_ж/Pr_ст)^0,25 × e_l – критеріальне рівняння для турбулентного режиму.

Множник враховує залежність фізичних властивостей (в основному в'язкості) від температури і вплив напрямку теплового потоку. Застосовується при обчисленні тепловіддачі для крапельних рідин. Тому множник в критеріальному рівнянні ;

ε _l – поправочний коефіцієнт, для труб завдовжки l > 50d, ε _l = 1;

Pr – критерій Прандтля.

6.2. Критерий Рейнольдса:

(6.2)

де: – коефіцієнт кінематичної в'язкості, м²/с (довідкові дані);

R_e<2300 – ламінарний режим; R_e>10000 – турбулентний режим.

Тепловий розрахунок

7.1. Визначення температури газоповітряної суміші 1-ї ділянки:

Розбиваємо жарову трубу на 8 ділянок довжиною

Рівняння теплообміну:

Рівняння теплового потоку (dQ₁) від газоповітряної суміші до стінки труби, переданого конвекцією та випромінюванням, в даному перетині на елементарній ділянці довжиною dx:

dQ₁ = dQ_1К + dQ_1П (7.1)

(7.2)

(7.3)

де: D – діаметр труби, м;

– коефіцієнт тепловіддачі від газоповітряної суміші до внутрішньої поверхні стінки труби, Вт/м² К;

с_o – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, 5,67 Вт/м² К⁴;

– ступінь чорноти газоповітряної суміші;

Т – температура газоповітряної суміші в даному перетині труби, К;

T_wi – температура внутрішньої поверхні стінки труби в даному перетині, К.

Рівняння теплового потоку (dQ₂) від внутрішньої поверхні стінки випромінюючої труби до зовнішньої поверхні, переданий теплопровідністю, в даному перетині на елементарній ділянці довжиною dx:

(7.4)

де: , – відповідно коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/м °С та товщина, м;

T_wе – температура зовнішньої поверхні стінки труби в даному перетині, К.

Рівняння теплового потоку (dQ₃) від поверхні труби в навколишнє середовище, переданий випромінюванням, в даному перетині на елементарній ділянці довжиною dx:

(7.5)

де: – ступінь чорноти матеріалу труби (для сталі ≈0,7);

T_o – температура навколишнього середовища, К.

Рівняння теплового потоку (dQ₄) від зовнішньої стінки труби в навколишній простір, переданий конвекцією, в даному перетині на елементарній ділянці довжиною dx:

(7.6)

де: – коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої стінки труби в навколишній простір, Вт/м² К.

Для стаціонарного теплового режиму:

(7.7)

З даного рівняння може бути визначено значення T_wi при спрощенні T_wi=T_wo, що допустимо, так як стінка труби досить тонка.

Орієнтовні значення температури внутрішньої поверхні стінки труби наведені у таблиці 7.1.

Таблиця 7.1

Для трубчастого нагрівача

Витрата палива, м3/год		8,5		9,5		10,5
twi=two, оС

Для жаротрубного котла можна прийняти T_wi=T_wo=378 К.

З рівняння зміни теплової енергії рухомого потоку газоповітряної суміші: маємо:

(7.8)

(7.9)

де: – площа ділянки труби, м²;

С_р – масова ізобарна теплоємність газоповітряної суміші, Дж/кг К:

(7.10)

Гідродинамічний розрахунок

8.1. Визначення втрат тиску газоповітряної суміші 1-ї ділянки:

, Па (8.1)

– втрати тиску на тертя;

– втрати тиску на самотягу.

– коефіцієнт опору тертя;

dx – довжина ділянки труби, м;

D – внутрішній діаметр труби, м;

ρ, W – щільність і швидкість газоповітряної суміші;

dh = h/8 – довжина ділянки димаря, м,

h – висота димаря, м;

ρ_пов – щільність зовнішнього повітря (при температурі зовнішнього повітря 0^оС, ρ_пов = 1,3 кг/м³);

g = 9,8 – прискорення вільного падіння, м/с².

– для ламінарного режиму руху газоповітряної суміші;

– для турбулентного режиму руху газоповітряної суміші.

8.2. Визначення зміни щільності і швидкості газоповітряної суміші 1-ї ділянки:

(8.2)

(8.3)

8.3. Визначення гідравлічних параметрів газоповітряної суміші в кінці 1-ї розрахункової ділянки:

(8.4)

Розрахунок решти ділянок проводиться аналогічно. Отримані дані зводяться в таблицю 8.1.

При розрахунку жаротрубного котла t_wi приймається однаковою по довжині труби.

Таблиця 8.1

Зміна теплових і гідравлічних параметрів

теплоносія (газоповітряної суміші) по довжині труби жаротрубного котла