авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 |

«А. П. Бельский, В. Ю. Лакомкин СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ И УСТАНОВКАХ электронное ...»

-- [ Страница 2 ] --

система, которая состоит из различных по своим свойствам частей, разгра 21. Как называется процесс разложения вещества в результате его нагрева ниченных поверхностями раздела?

ния?

2. Как называется система, химические и физические свойства которой во 22. Что происходит при термической диссоциации водяных паров в топке?

всех частях одинаковы или меняются непрерывно без скачков?

23. Что такое степень диссоциации?

3. Как называется реакция, протекающая в однородной смеси реагирую 24. Происходит ли диссоциация водяных паров в экранированных котельных щих веществ, находящихся в реакционном объеме в одинаковых фазовых топках при температурах до 2000 К?

состояниях?

25. Как называется горение, при котором суммарная скорость реакции опре 4. Что называется скоростью гомогенной реакции?

деляется интенсивностью массопереноса реагирующих компонентов в зону 5. Как называется реакция взаимодействия типа A + B AB, протекающая реакции?

между двумя веществами?

26. Как называется горение, при котором суммарная скорость реакции опре 6. Чем характеризуется вероятность вступления молекул окислителя и деляется скоростью химического реагирования компонентов?

топлива в химическое взаимодействие при их соударении?

27. Чем будет определяться результирующая скорость процесса горения?

7. Что происходит с константой скорости химической реакции при увели 28. Как зависит длительность горения от радиуса топливной частицы при чении температуры?

стехиометрическом расходе воздуха?

8. Что является примером гомогенного горения?

29. Как зависит длительность горения от радиуса топливной частицы в нео 9. Как называется недожог топлива, возникающий в случае неполного граниченном объеме?

окисления углеродосодержащих соединений с образованием окиси углеро 30. В каком диапазоне температур расположена кинетическая область горе да?

ния?

10. Что такое коэффициент избытка воздуха?

31. Чем определяется скорость сгорания жидкого топлива?

11. Что происходит с энергией активации при повышении температуры?

32. Какие достоинства имеют диффузионные горелки?

12. Как называется отношение коэффициента теплообмена к коэффици 33. Где происходит смешение топлива и окислителя при кинетическом режи енту массообмена?

ме горении?

13. Что такое стехиометрические коэффициенты?

34. Какие горелки называют беспламенными?

14. Как называется отношение теоретически необходимого количества окислителя, требуемого для полного окисления топлива, к соответствую щему количеству топлива?

15. Как влияет увеличение скорости газового потока и уменьшение разме ров частиц топлива на скорость диффузионного горения?

16. Как влияет увеличение коэффициента избытка воздуха в топке на теп ловые потери?

17. Чему равняется теплота сгорания природного газа?

18. Что такое энергия активации?

19. Что такое горение топлива?

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты глава III ТЕПЛОМАССООБМЕН В ТЕПЛО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ И УСТАНОВКАХ Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.1. Тепломассообмен на сушильных цилиндрах при контактно-конвективной сушке полотна В этом разделе учебного пособия рассматриваются процессы тепломас сообмена в теплотехнологических установках: бумагоделательных машинах при сушке бумажного полотна, в печных установках при нагреве 13 6 и обжиге материала и т.д. В этих установках определяющими являются технологические процессы получения изделия, а тепловые процессы 7 являются вспомогательными, однако от последних зависят качественные 11 показатели готовой продукции, производительность аппаратов, эконо мичность выпуска продукции. Приведенные в данном разделе материалы, по мнению авторов, должны способствовать усовершенствованию режи мов работы действующего и вновь проектируемого оборудования.

В целлюлозно-бумажной промышленности для сушки бумаги, картона и целлюлозы применяются многоцилиндровые контактно-конвективные 14 сушильные установки, состоящие из вращающихся сушильных цилинд ров, расположенных в два или несколько рядов, вентиляционного колпака, системы теплорекуперации отработавшего воздуха, пароконден сатной системы и других узлов (рис.3.1) При прохождении по сушильной части машины влажное полотно бумаги или картона огибает часть боковой поверхности нагретых цилин дров, воспринимает теплоту, нагревается и из него испарятся влага.

Передача теплоты от нагретой поверхности цилиндров полотну материала play stop осуществляется путём непосредственного соприкосновения - контакта, или кондукции. Рис.3.1. Схема контактно-конвективной установки На участке свободного пробега полотно материала соприкасается с для сушки бумаги:

окружающим воздухом в результате чего происходит интенсивное 1 - бумажное полотно;

2 - сушильный цилиндр;

3 испарение влаги за счёт теплоты, аккумулированной бумажным полотном сушильная сетка;

4 - натяжная станция;

5 - подача под на цилиндрах. машину сушильного воздуха;

6 - вентиляторы;

7 При рассмотрении процессов тепломассообмена на цилиндрах и на калорифер сушильного воздуха;

8 - калорифер участках свободного хода следует учитывать параметры воздуха в воздуха общеобменной вентиляции;

9 - теплоулови межцилиндровых пространствах, скорость движения полотна, диаметр и тель первой ступени;





10 - теплоуловитель второй температуру поверхности сушильных цилиндров и т.д. Интенсивность ступени;

11 - забор сушильного воздуха;

12 - забор протекающих процессов определяется главным образом воздуха общеобменной вентиляции;

13 - скруббер;

тепломассообменом между бумажным полотном и нагретыми - воздухораспределительное устройство (колонка) сушильными цилиндрами, между бумажным полотном и окружающим воздухом, между бумажным полотном и прижимным сукном.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты ст, ст Рассмотрим теплообмен на сушильном цилиндре (рис 3.2) Плотности теплового потока от конденсирующегося пара к внутренней стенке сушильного tст2 б qа цилиндра (qвн), через стенку цилиндра (qст), от наружной стенки к полотну бумаги (qнар) опи tст1 сываются следующими уравнениями:

qст = ст · (tст1 tст2);

(2.2) ц qвн = 1 · (tнп tст1);

(2.1) ст qнар = 2 · (tст2 б) · ц + кв · (tст2 - tв) · (1 ц), (2.3) tнп где 1 - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к внутренней стенке сушиль ного цилиндра, Вт/(м2 · K);

ст - теплопроводность стенки сушильного цилиндра, Вт/(м · K);

ст толщина стенки сушильного цилиндра, м;

2 - коэффициент теплоотдачи (контактного тепло- 2 3 qкв обмена) от наружной стенки цилиндра к поверхности бумажного полотна, Вт/(м2 · K);

ц - доля охвата сушильного цилиндра бумажным полотном;

кв - коэффициент конвективной теплоот дачи от наружной поверхности цилиндра к воздуху, Вт/(м2 · K);

tнп - температура насыщенного Рис. 3.2. Схема теплообмена на пара в полости сушильного цилиндра, °С;

tст1, tст2 - температура внутренней и наружной стенок сушильном цилиндре: 1 - суши цилиндра соответственно, °С;

tв - температура воздуха в межцилиндровом пространстве, °С;

б льная сетка;

2 - полотно бумаги;

3 - сушильный цилиндр;

4 - сет - средняя температура бумажного полотна на цилиндре, °С.

коведущий валик Обозначим долю теплоты, отдаваемой боковой поверхностью цилиндра воздуху, a:

a = qкв · (1 ц)/qнар, (2.4) где qкв = кв · (tст2 - tв) - плотность теплового потока от наружной поверхности цилиндра к воздуху, Вт/м2. Вводя величину плотнос ти теплового потока q0, отнесенного к 1 м2 общей боковой поверхности сушильного цилиндра в условиях установившегося режи ма, получаем:

q0 = qвн = qст = qнар, (2.5) Из уравнений (2.1) - (2.3) находим разности температур:

(1 a) 1 tст1 tст2 = ст · q0;

(2.7) tнп tст1 = 1 · q0;

(2.6) tст2 б = 2 · ц · q0. (2.8) ст Сложив уравнения (2.6) - (2.8) и выразив из них q0, получаем: (t ) нп б. (2.9) q0 = 1 ст 1 a 1 + ст + 2 · ц Уравнение (2.3) может быть записано с использованием плотности теплового потока qа на активной поверхности стенки цилин qнар = qа · ц + qв · (1 ц). (2.10) дра, соприкасающейся с влажным полотном бумаги:

Тогда уравнение, определяющее плотность теплового потока на активной поверхности цилиндра, будет:

qa = 1 цa (tнп б) = k (tнп б). (2.11) 1 ст 1 a 1 + ст + 2 · ц Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.2. Расчет температуры бумажного полотна на сушильном цилиндре Нестационарность тепломассообмена при сушке бумажного полотна на многоцилиндровых установках прежде всего обусловлена периодичностью соприкосновения влажного материала с нагретыми цилинд рами и окружающим воздухом, а также периодами сушки влажных материалов. По этим причинам 1 целесообразно расчет кинетики и тепломассообмена контактно-конвективных установок производить по циклам, включающим в себя длительность пребывания полотна на греющей поверхности цилиндра ц и 3 на участке свободного хода сх (см. рис.3.3).

Запишем уравнение теплового баланса и теплообмена во время пребывания бумажного полотна на t,°C сушильном цилиндре:

dqкт = кт · (tц tб) · d = (cсп + cw · u0) · Pсп · dtб, (3.10) где tц, tб - температуры сушильного цилиндра и бумажного полотна, °С;

кт - коэффициент контактного теплообмена, Вт/(м2·К);

- длительность контакта бумажного полотна с сушильным цилиндром, с;

Рсп масса квадратного метра сухого полотна, г/м2;

cсп - теплоемкость сухого полотна бумаги, кДж/(кг ·К);

cw - теплоемкость воды, кДж/(кг ·К);

u0 - начальное влагосодержание бумажного полотна, кг/кг.

После разделения переменных в уравнении (3.10) получаем следующее выражение: ц сх ц кт dtб Рис.3.3. Схема распо = P · (c + c · u) · d. (3.11) (tц tб) сп сп w ложения характерных Интегрирование уравнения (3.11) приводит к следующему виду: точек, определяющих тепломассообмен бу ц tб кт кт dtб ln tц tб2 = мажного полотна с ци · ;

(3.13) = P · (c + c · u) d;

(3.12) Pсп · (cсп + cw · u) ц tц tб tб1(tц tб) линдром и окружаю сп сп w кт · ц щим воздухом или tц tб = e Pсп · (cсп + cw · u). (3.14) tц tб Температура бумажного полотна при сходе с сушильного цилиндра равна:

tц tб tб2 = tц. (3.15) кт · ц exp Pсп · (cсп + cw · u) С помощью уравнения (3.15) представляется возможность рассчитывать температуру бумажного полотна во время его пребыва ния на сушильном цилиндре при условии, что градиент температуры в сечении материала равен нулю (dt/dx = 0), что соответствует видам бумаги с небольшой массой квадратного метра.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.3. Расчет температуры бумажного полотна на участке свободного хода 1, pнп·10-5, Па На участках свободного хода бумажное полотно охлаждается, из него испаряется влага под действием разности парциальных давлений: у поверхности испарения устанавливается 0, парциальное давление пара, соответствующее температуре насыщенного состояния.

pнп = f1 (tнп) В окружающем воздухе парциальное давление водяных паров зависит от температуры 0, воздуха, его влажности и определяется по I-d диаграмме влажного воздуха. На рис. 3.4. при веден график зависимости парциального давления пара от температуры, которая уста- 0, = f2 (tнп) навливается на поверхности бумажного полотна. График построен на основании таблиц со 0, стояния сухого насыщенного пара.

tнп, Напишем уравнение теплового баланса при испарении влаги с поверхности полотна бума ги на участке свободного хода за счет аккумулированной на цилиндре теплоты: 0 20 40 60 80 °С 2 · р · (pп pов) · r · d = Pсп · (cсп + cw · u) · dtп, (3.16) где р - коэффициент массообмена, отнесенный к разности парциальных давлений, Рис. 3.4. График зависимости пар кг/(м2·с·Па);

pп - парциальное давление пара у поверхности испарения, Па;

pов - парциаль- циального давления насыщенного ное давление пара в окружающем воздухе, Па;

r - теплота парообразования, кДж/кг;

- пара от температуры длительность пребывания полотна бумаги на участке свободного хода, с.

Интегрировать уравнение (7.2.1) невозможно, так как в левой его части стоят парциальные давления, а в правой - температуры.

Связь между температурой и давлением насыщенного пара при 40 °С tнп 100 °C удовлетворительно описывается степенной зависимостью pнп = 3 = (tнп / 100)3. Подставив в уравнение (3.16) вместо температуры давления, после преобразований получаем следующее уравнение:

(pов0.33 pп20.33)2 2pп20.33 + pов0. 1 ln + 0.67 arctg 6·pов0.67 (pов0.67 + pов0.33pп20.33 + pп20.33) pов 3 pов0.67 2 · р · r · cх. (3.38) (pов0.33 pп30.33)2 2pп30.33 + pов0. ln + 0.67 arctg = Pсп · (cсп + cw · u) (pов0.67 + pов0.33pп30.33 + pп30.33) pов 3 pов0.67 Из уравнения (3.38) методом итерации определяется парциальное давление пара у поверхности испарения pп3, по которому находится (по таблицам насыщенного пара) температура бумажного полотна в конце участка свободного хода (см. рис. 3.3).

В диапазоне температур от 0 до 60 °C справедливо пропорциональное отношение парциальных давлений и температур:

pп/pнп = tп/tнп Для интервала температур от 60 до 80 °C кривую зависимости температуры от давления насыщения приближенно можно описать квадратичной зависимостью следующего вида:

pп/pнп = (tп/100) Для интервала температур от 100 до 200 °C давления насыщения зависит от температуры: pнп = (tп/100) Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.4. Перемещение поверхности испарения вглубь материала t,C° В период уменьшающейся скорости сушки влажных материалов поверхность испарения постепенно перемещается вглубь материала, тем самым создается дополнительное терми- play tс ческое сопротивление распространению теплового потока окружающей среды к поверх stop ности испарения, а также диффузии водяных паров через сухой слой материала, в результате c чего происходит замедление скорости сушки влажных материалов.

tст С одной стороны, в промышленных установках такой процесс замедляет сушку влажных tпи материалов, увеличивается расход теплоты и электрической энергии. С другой стороны, в природных явлениях образование сухого слоя в почве предохраняет растения от засухи.

Рассмотрим основные закономерности перемещения поверхности зоны испарения вглубь влажных материалов.

На рис.3.5 показана схема процесса перемещения зоны испарения вглубь влажного c x материала.

R Уравнение теплового баланса и плотности теплового потока имеет следующий вид · d = 3,6 · m · r · u · · d;

(3.39) r c 1 + c 1 с где потенциал теплообмена = (tс tпи), °С;

tс - температура окружающей cреды, °С;

tпи - Рис. 3.5. Схема перемещения зоны температура поверхности испарения, °С;

1 - коэффициент теплоотдачи от окружающей испарения вглубь материала: 1 — среды сухому слою материала, Вт/(м2°С);

с - толщина сухого слоя материала, м;

0 - сухая зона;

2 — влажная зона;

3 — коэффициент теплопроводности сухого слоя, Вт/(м2°С);

- длительность сушки, ч;

mr - поверхность испарения коэффициент, учитывающий увеличение расхода теплоты на прогрев сухого слоя материала;

r - теплота парообразования, кДж/кг;

u - среднее влагосодержание материала, кг/кг;

с плотность сухого слоя материала, кг/м3.

Очевидно, что справедливо равенство между отношениями влагосодержаний u/uк и толщины сухого слоя с к полутолщине u = c = u = uк · c ;

(3.40) материала R.

uк R R · d 2 · d R · · d · d = 3,6 · m · r · u · c · · d ;

= c 1 + c ;

(3.41) Тогда или 3,6 · mr · r · uк · c r к Rc 1 + c с 1 с с R R Проинтегрируем уравнение (3.41) · d 2 · d R · · d = c 1 + c ;

(3.42) 3,6 · mr · r · uк · c 0 с 0 Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты После интегрирования уравнение (3.42) приобретает следующий вид:

R · · с R2 R3 1 R = 2·1 + 3·с = R2 · 2·1 + 3·с ;

(3.43) 3,6 · mr · r · uк · c Длительность сушки при этом равна 3,6 · mr · r · uк · c ·R 1 R с = · 2· + 3· ;

(3.44) 1 с Как следует из уравнения (3.44), длительность перемещения сухого слоя в пределах от 0 до R зависит главным образом от толщины материала, а также пропорциональна содержанию влаги в материале и обратно пропорциональна коэффициенту теплоотдачи, потенциалу теплообмена и коэффициенту теплопроводности.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.5. Расчет поля влагосодержания в сечении материала u, При испарении с поверхности влажного материала в его сечении влага кг/кг u0 (0) распределяется неравномерно: в центре влагосодержание выше, чем на поверхности. Вид распределения влаги - параболический. Чем интенсив нее происходит испарение, тем больше возрастает градиент влагосодер жания. Поля влажности оказывают влияние на возникновение так qк qк называемых влажностных напряжений, которые приводят к короблению материала, растрескиванию, шелушению и т.д. Поэтому при выборе u4 (4) рациональных режимов сушки необходимо знать распределение поля jm jm влажности в сечении материала.

На рис.3.6 приведена расчетная схема распределения влаги в сечении материала.

Приведем расчет поля влажности в сечении материала.

Воспользуемся уравнением нестационарной влагопроводности, которое имеет следующий вид u=a · u + a · ·, (3.45) m t m x2 x где u - влагосодержание материала, кг/кг;

- длительность процесса, ч;

t - термоградиентный коэффициент, 1/°С;

t - температура материала, °С;

play х - координата;

аm - потенциал массопроводности, м2/ч.

u7 (7) Правая часть уравнения (3.45) состоит из двух слагаемых, первое из stop них описывает перенос влаги по толщине материала под действием градиента влагосодержания ( u/ x), второе - под действием градиента x температуры ( t/ x).

R R Так как поток массы влаги под действием градиента температуры незначителен ( t/ x = 0), упростим уравнение (3.45): Рис. 3.6. Поле влагосодержания в сечении материала u = a · u, (3.46) при испарении влаги с обеих поверхностей:

m x2 qк - плотность теплового потока;

jm - поток влаги;

R Заменим формулу (3.46) уравнением параболы:

полутолщина материала;

ui(i) - влагосодержание y = ax2 + b, (3.47) материала где а, b - постоянные величины.

При граничных условиях постоянные а и b равны следующему:

1) при x = 0;

y = uц;

b = uц;

2) при x = R;

y = uп = aR2 + uц;

a = (uц uп)/R2;

где uц, uп - влагосодержания материала в центре и на поверхности;

R - полутолщина материала, м;

х - координата, м.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Полученные постоянные коэффициенты а и b подставим в уравнение (3.47), тогда (uц uп) · x2 (uц uп) · x2, (3.48) u= + uц = u ц R2 R Продифференцируем уравнение (3.48).

du = 2 · (uц uп) · x, (3.49) Первая производная равна dx R d2u = 2 · (uц uп), (3.50) Вторая производная равна dx2 R Так как частный дифференциал ( u/ ) примерно равен полному дифференциалу (du/d), тогда d2u = 2 · a · (uц uп), (3.51) u(1) u(0) (uц uп), (3.52) или = 2 · am · m dx2 R2 R Процесс сушки включает в себя перенос влаги внутри материала (массоперенос) под действием градиента влагосодержания du/dx и испарение влаги с поверхности влажного материала (массообмен) под действием разности парциальных давлений p. (pп pов).

Должно соблюдаться равенство между потоком влаги в сечении материала и потоком влаги при испарении с поверхности материала, поэтому p · (pп pов) (uц uп), (3.53) = 2 · am · R Pсп где p - коэффициент массообмена, отнесенный к разности парциальных давлений, кг/(м2. ч. Па);

pп - парциальное давление водяных паров у поверхности испарения, Па;

pов - парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па;

Pсп - масса одного квадратного метра бумажного полотна, кг/м2.

Из уравнения (3.53) выразим разность влагосодержаний между центральным и поверхностными слоями p · (pп pов) · R2, (3.54) u = (uц uп) = am · Pсп Из полученного выражения следует, что перепад влагосодержаний между центром и поверхностью ( u = uц uп) зависит как от интенсивности испарения влаги p. (pп pов) и плотности материала Pсп, так и от потенциала влагопереноса аm, но основным фактором все же является толщина материала 2R.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.6. Расчет температурного поля в сечении материала t7 (7) t, °C Знание температурного поля в сечении материала необходимо для установления температурного режима при обжиге, нагревании и сушке различных видов изделий, а также для предотвращения коробления, трещинообразования, разрушения в результате qк qк возникновения термических напряжений.

Температурное поле в сечении материала t = f (x, ) рассчитывается по уравнению нестационарной теплопроводности для плоской задачи следующего вида ·r · u, (3.55) + =a (cc + cw · u) x где t - температура, °С;

- длительность процесса, ч;

x - координата;

a - температуро- t4 (4) 2/ч;

- коэффициент фазового превращения;

u - влагосодер проводность материала, м жание, кг/кг;

сс - теплоемкость сухого материала, кДж/(кг°С);

сw - теплоемкость влаги, play кДж/(кг°С).

stop На рис. 3.7 приведен график распределения температуры в сечении материала.

В уравнении (3.55) первое слагаемое в правой части выражает перемещение теплоты t0 (0) в материале молекулярным способом (теплопроводностью). Второе слагаемое x отражает перемещение теплоты с потоком пара (молярный перенос).

Уравнение (3.55) представляет собой параболу, поэтому правомерна его замена на Рис. 3.7. Поле температуры в сечении материала выражение равнобокой параболы следующего вида:

y = ax 2 + b, (3.56) Определим постоянные а и b при следующих граничных условиях:

при x = 0;

b = tц;

(3.57) при x = R;

a = (tп tц)/R 2;

y = t = aR2 + t ;

(3.58) п ц Полученные значения постоянных коэффициентов подставим в уравнение (3.56), тогда температура в сечении материала равна (t t ) · x t = п ц2 + tц, (3.59) R Первая производная уравнения (3.59) равна dt = 2 · (tп tц) · x, (3.60) dx R вторая производная уравнения (3.60): d2t = 2 · (tп tц), (3.61) dx2 R Выражение (3.61) подставим в исходное уравнение (3.55), тогда (tп tц) (uц uп) ·r · 2 · am · R2, (3.62) = 2·a· (cc + cw · u) R Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты При t/ = 0 (температура во времени не изменяется):

2 · a · (tп tц) 2 ·am · · r · (uц uп), (3.63) = (c + c · u) · R R2 c w тогда перепад температур на поверхности и в центре материала равен:

a · · r · (uц uп), (3.64) tп tц = m a · (cc + cw · u) Если t/ = 0, то тогда 2 · a · (tп tц) am · · r · (uц uп) · (tс tп), (3.65) (cc + cw · u) · R2 = cc · · R R или перепад температур между поверхностью и центром материала равен:

1 · (tс tп) · R am · · r · (uц uп), (3.66) tп tц = 2· a · cc · · R + (cc + cw · u) где - коэффициент теплообмена, Вт/(м2°С);

tп, tц, tс - температуры поверхности, центра материала и окружающей среды, °С;

am коэффициент потенциалопроводности, м2/ч;

- коэффициент фазового превращения.

Коэффициент фазового превращения определяет, с одной стороны, долю потока пара jп, образовавшегося в контактном слое или внутри материала (во второй период), в общем потоке пара m, покидающем высушиваемый материал;

с другой стороны, он оценивает долю теплоты, переносимой паром qп, образовавшимся в контактном слое и внутри материала, в общем потоке теплоты q, полученной от греющей поверхности: = j /m или = q /q п п С помощью уравнения (3.66) представляется возможность рассчитывать температуру в центре материала при наличии потока массы влаги.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.7. Нестационарная теплопроводность. Метод Шмидта.

n1 n n+1 n+2 n+ Дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности для одномерной задачи (плоской стенки) в частных производных имеет вид:

а).

, (3.67) =a x где a = c коэффициент температуропроводности тела, м2/с.

· Заменяя непрерывный процесс скачкообразным как в пространстве, так и во времени, заменим дифференциальное уравнение уравнением в конечных разностях:

2t = y t t = a 2t k+ x = y (3.68) вторая производная x2 x x Тогда температура в соседних слоях в один и тот же момент времени k:

t1 t y x x t1 t2 (tn+1 tn) (tn tn1) tn+1 + tn1 2tn, (3.69) 2 t = k x = x = x2 = = x2 x2 x2 k где k 1;

k;

k +1 порядковый номер момента времени, n 1;

n;

n+1 порядковый номер слоя (см. рис. 3.8.а) x x x x x tn, k+1 tn, k (3.70) Изменение температуры в одном слое n во времени: t = t,°C Таким образом уравнение в конечных разностях получается следующим:

б).

tn+1, k + tn1, k 2tn, k (3.71) tn, k+1 tn, k tв = a· q x Это уравнение позволяет выразить последующий момент времени k+1, через предыдущий k.

2a · (tn+1, k + tn1, k) 2a · стенка 1 tn, k (3.72) tв - tст tn, k+1 = x2 2 x 2a · А если подобрать такие интервалы и x (при известной а), чтобы x2 = 1, то:

ст (tn+1, k + tn1, k) (3.73) S= tст tn, k+1 = t Для определения температуры поверхностного слоя нужно знать граничные условия tст - t 1-го рода: известно tст, q -?;

2-го рода: известно q, tст -?;

3-го рода: известно q, и tст (рис. 3.8.б) x ст q = x / 2 · (tст t1) = ·(tв tст) Из равенства треугольников: (tст t1) = (tв tст) = tg x / 2 ст / x, м То есть по условиям 3-го рода задана точка tст и угол наклона температурной кривой в теле Рис.3.8. а - распределение темпера туры в плоской стенке;

около поверхности (смотри рис. 3.8.б).

б - граничные условия 3-го рода.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.8. Тепломассообмен и аэродинамика газодисперсных систем play Широкое распространение в теплоэнергетике и теплотехнологии имеют аппараты, в которых stop тепломассообменные процессы протекают в газодисперсном потоке, основным преимуществом которых является высокая интенсивность тепломассообмена по причине высокой удельной тепломассообменной поверхности. Например, мелкоизмельченное топливо после барабанной шаровой мельницы потоком нагретого воздуха перемещается от мельницы до горелок или после шахтной мельницы измельченные частички топлива попадают в шахту и с потоком пер вичного воздуха направляются в топку, в результате чего снижается влажность топлива до 3 необходимой величины в целях обеспечения устойчивого воспламенения и горения. Суще ствуют специальные сушилки для сушки таких влажных наружных материалов, как сено, соло ма, опилки, целлюлоза и др. Принципиальная схема пневматической трубы-сушилки показана склад на рис. 3.10.

Расход газового теплоносителя Vг в процессах сушки определяется из уравнения теплового баланса. Мc· [(u0 u2) · (iп cw· tм0) + cc· (tм2 tм0)], (3.79) Vг = cг1 · tг1 cг2 · tг2 где Mс - расход сухого материала, кг/ч;

cс - теплоемкость сухого материала, кДж/(кг°С);

u0, u - начальное и конечное влагосодержание материала, кг/кг;

iп - энтальпия пара, кДж/кг;

tм0, tм2 начальная и конечная температура сушильного агента, °С;

cг1, cг2 - средние теплоемкости 2 сушильного агента при температурах tг1, tг2, кДж/(кг°С).

Частицы влажного материала увлекаются восходящим газовым потоком, нагреваются и высушиваются.

Начальная скорость частиц в трубе-сушилке равна нулю и в конце разгонного участка скорость частицы приобретает скорость витания wвит (м/с), которая находится из уравнения аэродинамического равновесия:

· dч2 wвит2 · г, (3.80) · dч 3 Рис. 3.10. Схема установки для · (ч г) · g = вит · · 6 4 2 сушки влажных материалов во где dч - эквивалентный диаметр частиц, м;

ч, г - плотности частиц и сушильного агента, взвешенном состоянии:

кг/м3;

вит - коэффициент лобового сопротивления топливной частицы. 1 - подача влажного материала;

Левая часть уравнения выражает силу тяжести частицы с учетом выталкивающей силы сре- 2 - питатель;

3 - труба-сушилка;

ды, в которой находится частица. Правая часть - подъемную силу под действием динамическо- 4 - циклон;

5 - бункер для сухого материала (топлива);

6 го напора газовоздушной смеси wвит2/2.

дымосос;

7 - транспортер для Из уравнения (3.80) находим скорость витания частицы, находящейся в газовоздушном сухого материала (топлива);

8 потоке: 4 · g · (ч г) · dч линия топливоподачи;

9 - топка.

(3.81) wвит = 3 · г · вит Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Скорость витания является основной характеристикой поведения частицы высушиваемого материала (топлива) в газодисперсной системе. Отметим, что если скорость газового потока больше скорости витания (wг wвит), то тогда частица поднимается вверх со скоростью (wг wвит).

Если скорость газового потока меньше скорости витания (wг wвит), то тогда частица падает со скоростью (wг wвит)г.

В том и другом случаях относительная скорость потока газов у поверхности частицы равна скорости витания wвит, которая входит в критерий Рейнольдса.

Количество теплоты, передаваемое материалу в пневматической трубе-сушилке, рассчитывается по уравнению теплообмена:

Qт = f · Fм · t = v · Fтр · t = h · hтр · t, (3.82) 2;

t - теплообменный потенциал, равный разности средних температур где Fм - поверхность частиц материала в трубе-сушилке, м газового потока и материала, °С;

v - объемный коэффициент теплообмена, Вт/(м3°С).

Коэффициент конвективного теплообмена на поверхности частиц f, движущихся в потоке газов, определяется уравнением:

Nuf = 2/kф + 0,16 · Reвит0,67, (3.83) где Reвит - число Рейнольдса;

kф - коэффициент формы частицы.

Для мелкодисперсных частиц число Re стремится к нулю, тогда Nuf =2/kф.

Удельная поверхность частиц данной фракции fуд = 6 · v · xi / (di · ч), (3.84) где v - концентрация твердых частиц в газовом потоке, кг/м3;

xi - массовая доля частиц данной фракции;

di - диаметр частиц данной фракции, м.

Объемный коэффициент конвективного теплообмена v = f i · fi = (6 · v / ч) · (f i · xi / di), (3.85) В восходящем запыленном потоке следует различать расходную и истинную концентрацию материала.

Расходная концентрация равна:

рv = Мс / (3600 · Fтр · wг), (3.86) где wг - средняя скорость газов при средней температуре потока в трубе, м/с;

Fтр - площадь сечения трубы, м;

Mс - массовый расход материала (топлива), кг/м3.

Истинная концентрация в объеме трубы иv больше расходной вследствие того, что частицы движутся со скоростью (wг wвит), меньшей скорости газов иv = Мс / [3600 · Fтр · (wг wвит)], (3.87) В настоящем учебном пособии рассмотрены только вопросы тепломассообмена в пневматической установке, инженерный метод расчета изложен в литературе [8].

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.9. Тепломассообмен в низкотемпературных рабочих камерах печных установок При температуре продуктов сгорания менее 700°С теплота нагреваемому материалу передается главным образом конвекцией, поэтому рабочие камеры называются низкотемпературными. Они применяются, в основном, при термообработке металлов и нагревании различных материалов.

Греющий агент в виде продуктов сгорания топлива образуется в камере горения и далее напрвляется в рабочую камеру, в которой обтекает нагреваемый материал и далее через систему теплорекуперации дымососом выбрасывается в окружающую среду.

На рис. 3.11 приведена схема низкотемпературной рабочей камеры для круглых заготовок.

3 4 5 play 2 stop 1 Рис. 3.11. Схема печной установки с низкотемпературной рабочей камерой:

1 - подвод воздуха;

2 - подвод газо-образного топлива;

3 - горелка;

4 - камера горения;

5 - рабочая камера;

6 - дымосос;

7 - дымовая труба;

8 - заготовки Количество теплоты, передаваемое от газового потока материалу, рассчитанное по уравнению теплового баланса, равно Q = G · (cкон · tкон cнач · tнач), (3.88) где G - масса заготовок, находящихся в рабочей камере, кг;

cкон, cнач - теплоемкости конечная и начальная (кДж/кг) нагреваемого материала при температурах tкон, tнач.

Уравнение теплообмена имеет вид: Q = кв · (tг tм) · F, (3.89) где кв - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2°С);

F - поверхность теплообмена, м2;

tг - средняя температура газового потока, °С;

tм - средняя температура нагреваемого материала, °С.

Коэффициент теплоотдачи при коридорном расположении заготовок определяется из критериального уравнения при:

- ламинарном режиме течения (Re103);

(3.90) Prж 0, Nu = 0,56 · Re0,5 · Pr0,36 · Prст, (3.90) Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты - турбулентном режиме течения (Re103) Prж 0, Nu = 0,22 · Re0,65 · Pr0,36 · Prст, (3.91) При обтекании заготовок плоской формы коэффициент теплоотдачи рассчитывается по следующим уравнениям при:

- ламинарном режиме течения газового потока (Re104) Nu = 0,56 · Re0,5, (3.92) - турбулентном режиме течения газового потока (Re104) Nu = 0,032 · Re0,8. (3.93) Совместное решение уравнений (3.88) и (3.89) позволяет определить поверхность теплообмена и соответственные габариты рабочей камеры.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.10. Тепломассообмен в рабочем пространстве высокотемпературных рабочих камер Характерной особенностью теплообмена в высокотемпературной рабочей камере является передача теплоты материалу излучением от высокотемпературного Qг-ог источника - газового факела, теплового электрического нагревателя, вольтовой дуги и др.

На рис. 3.12 показан поперечный разрез плавильной рабочей камеры печной Qм-ог установки, в которой температура плавления массы находится в пределах 1400 1500°С, а температура газового потока достигает 1600°С.

СО2, Н2О, г Источником лучистой теплоты в рабочей камере печного пространства является горящий светящийся или полусветящийся факел, в котором содержатся трехатомные газы (СО2, Н2О, SO2) и сажистые частицы. Qг-м Qог-м Основная часть теплоты передается поверхности материала путем лучеис пускания факелом. Часть лучистой теплоты передается поверхности ограждения печи, которая после многократного отражения передается материалу.

Основные исходные уравнения лучистого теплообмена в пламенном простран стве печи имеют следующий вид:

- тепловосприятие поверхности материала от факела Tг Qг-м = г · c0 · 100 · Hлм · м, (3.94) - тепловосприятие ограждений при ог = 1, Рис. 3.12. Схема плавильной рабочей камеры Tг Qг-ог = г · c0 · 100 · Fог, (3.95) и лучистого теплообмена в ней: 1 — подвод газового топлива;

2 — подвод первичного - отражение теплоты от поверхности ограждений к материалу через газовую воздуха;

3 — расплавленный материал;

4 — среду T Qог-м = ог· c0 · ог · Fог · (1 г) · м, (3.96) продукты сгорания - обратное отражение теплоты от поверхности материала на кладку Tм Qм-ог = м · c0 · 100 · (1 г) · Hлм, (3.97) Решение данной системы уравнений выполнено В. Н. Тимофеевым. Полученное им конечное уравнение соответствует закону Стефана-Больцмана Tг Tм 4 Qлм = пр · c0 · Hлм · 100, (3.98) Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты где с0 - приведенный коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2К4);

Tг, Tм - средние значения абсолютных температур газов и материала, К;

ог - коэф фициент внешних теплопотерь ограждений.

Наиболее сложно в уравнении Стефана-Больцмана определяется приведенный коэффициент черноты печного пространства ог · (1 г) + пр = м · г · c0 · · (1 )[ + · (1 )] +, (3.99) ог г м г м г где г, м - коэффициенты черноты газового факела и материала.

Рис. 3.12. Схема плавильной рабочей камеры и лучистого теплообмена в ней: 1 — подвод газового топлива;

2 — подвод первичного воздуха;

3 — расплавленный материал;

4 — продукты сгорания Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.11. Тепломассообмен в туннельных печах Туннельная печь представляет собой весьма сложную теплотехнологическую установку, в которой под воздействием высокой температуры в материале протекают необратимые физико-химические процессы, придающие изделию необходимые свойства.

Печь состоит из теплоизолированного туннеля длиной до 200 м, механизмов и устройств для перемещения материала по туннелю, вентиляторов, дымососов, горелок и другого оборудования. В туннельной печи обжигаются строительный кирпич, керамические блоки, облицовочные плитки, шамотные и динасовые изделия и прочие материалы.

Расчет туннельной печи включает в себя следующие разделы:

- определение основных размеров и отдельных элементов в соответствии с технологическим процессом и схемой работы печи;

- подбор материала и размеров ограждающих конструкций;

- определение расхода топлива, обеспечивающего выполнение требований технологического процесса;

- проверку и обеспечение температурного графика по длине туннеля на основании условий теплообмена;

- выбор топочных и горелочных устройств, а также энергетического оборудования, обеспечивающего надежную эксплуатацию печной установки.

В настоящем учебном пособии остановимся только на расчетах теплообмена для обеспечения температурного графика газовой и воздушной среды для нагрева и охлаждения материала, а также для его обжига.

По характеру тепловых процессов, протекающих при обжиге изделий, туннельную печь можно разделить на три зоны: подогрева, обжига и охлаждения материала.

В зоне обжига, которая оборудована газовыми горелками, расположена область максимальных температур. Продукты горения из зоны обжига направляются в зону нагрева материала и в конце туннеля отводятся в дымовую трубу.

В зоне охлаждения температура обожженного материала снижается за счет обтекания воздухом, который в качестве первичного и вторичного потоков используется для горения газообразного топлива. При такой организации процесса обжига воздух, дымовые газы и материал движутся навстречу друг другу (противоточное движение).

На рис. 3.13 показана тепловая схема туннельной печи, а также температурные графики материала, воздуха и дымовых газов.

Температурный режим и длительность воздействия температуры на материал определяется на основании экспериментальных и практических данных, а задача энергетической службы при эксплуатации печных туннельных установок заключается в обеспечении режимов обжига, нагревания и охлаждения материала путем оптимизации горения газообразного топлива, регулирования интенсив ности массообмена и аэродинамики потоков воздуха и продуктов горения.

Реализация заданного режима зависит от скорости продвижения вагонеток, расходов продуктов горения и воздуха, теплофизичес ких свойств обжигаемого материала.

Уравнения теплового баланса и теплообмена могут быть представлены следующими уравнениями:

- для зоны нагрева Qб = Gм · (cм2 · tоб cм1 · tм0) = Bт · [ V0г + ( 1) · V0в] · (cг1 · tг1 cг2 · tг2);

(3.100) Qт = нср · fв · nв · (tг tм0);

(3.101) Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты а) play stop 8 6 7 5 3 2 б) t,°С tг tв tоб tг = f 1 ( l ) tм = f 2 ( l ) tв = f 3 ( l ) tг2 tм Зона нагрева Зона обжига Зона охлаждения tм0 tм l, м Рис. 3.13. Тепловая схема туннельной печной установки (а) и (б) температурный график материала tм = f 2 ( l ), воздуха tв = f 3 ( l ) и продуктов сгорания tг = f 1 ( l ) по длине туннеля: 1 - туннель;

2 - вагонетка;

3 - обжигаемый материал;

4 - дутьевой вентилятор;

5 эжектор;

6 - топливо на горелку;

7 - амбразура горелки;

8 дымосос.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты - для зоны охлаждения Qб = Gм · (cм2 · tоб cм2 · tм0) = Bт · V0в · (cв1 · tв1 cв0 · tв0);

(3.102) Qт = оср · fв · nв · (tм2 tв);

(3.103) где Gм - производительность установки, кг/ч;

cм1, cм2 - теплоемкость материала при температурах tм1, tм2, кДж/(кг°С);

tм1, tоб, tм2 температуры материала на входе в печь, в зоне обжига и на выходе из установки, °С;

Вт - расход газообразного топлива, м3/ч;

V0г теоретический расход продуктов сгорания, м3/м3;

V0в - теоретический объем воздуха для горения, м3/м3;

нср, оср - коэффициенты теплоотдачи в зонах нагрева и охлаждения, Вт/(м2°С);

cг1, cг2 - теплоемкости продуктов сгорания при температурах tг1, tг2, кДж/(кг°С);

tг1, tг2 - температуры продуктов сгорания в зоне обжига и на выходе из печи, °С;

- коэффициент избытка воздуха;

fв поверхность теплообмена садки одной вагонетки, м2;

nв - число вагонеток;

tг - средняя температура продуктов сгорания, °С;

tм0, tм2 средние температуры материала в зонах обжига и охлаждения, °С.

Коэффициент теплоотдачи при течении газа и воздуха в продольных каналах садки определяется из критериального уравнения:

Nu = 0,08Re0,7, где Nu - критерий Нуссельта, Nu = d/ ;

Re - критерий Рейнольдса, Re = wd/.

В зоне нагревания материала необходимо также учитывать коэффициент теплоотдачи излучением л от трехатомных газов:

ср = к + л.

В зоне обжига основной вид теплообмена происходит излучением, основная задача заключается в обеспечении необходимой температуры для расплавления отдельных компонентов, входящих в состав материала.

Лучистый тепловой поток в зоне обжига рассчитывается по формуле Tг Tм 4 Qг = пр · c0 · F · 100, (3.104) где пр - приведенная степень черноты;

F - поверхность лучистого теплообмена, м2;

с0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2К4);

Tг, Tм - абсолютные температуры факела и материала, К.

Для ряда изделий силикатной промышленности практические значения длителности пребывания материала в печи следующие:

шамотный кирпич - п = 29 - 33 час;

динасовый огнеупор - п = 123 - 136 час;

электрофарфор - п = 48 - 65 час.

Для ряда изделий силикатной промышленности характерные размеры туннельных печей следующие: шамотный кирпич - длина печи 60 - 150 м, ширина туннеля 2,2 - 3,1 м, высота туннеля 1,9 - 2,1 м;

динасовый огнеупор - длина печи 100 - 160 м, ширина туннеля 2,2 - 3,1 м, высота туннеля 1,9 - 2,1 м;

электрофарфор - длина печи 100 - 130 м, ширина туннеля 1,5 - 2,2 м, высота туннеля 1,1 - 2 м.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.12. Теплообмен во вращающихся печах для обжига кусковых материалов Вращающиеся печи применяются для обжига цемента, магнезита, доломита, извести и других материалов.

Современные вращающиеся печи для обжига шамота, магнезита, доломита имеют диаметр 2,0-3,0 м, для обжига цемента - 5-7 м, и длину до 230 м. Сырой материал в виде суспензии поступает в печь с относительной влажностью Wo=35-40% (мокрый способ) или в воздушно-сухом состоянии при влажности Wo=10% (сухой способ обжига материала). В последние годы сухой способ обжига вытесняет мокрый, так как он экономичнее в отношении расхода топлива.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Печи являются высокопроизводительными теплотехнологическими установками, в которых наряду с физико-химическими процессами протекают сложные процессы теплообмена между факелом и материалом, между газовой средой и материалом, между футеровкой барабана и материалом, которые определяют производительность установки и качественные показатели вырабатыва емой продукции. Принципиальная схема вращающейся печи представлена на рис. 3.14 а.

В целях интенсификации процесса сушки вращающиеся печи снабжаются внутренними устройствами, увеличивающими поверхность контакта сырого материала с дымовыми газами или выносными устройствами для подсушки и нагрева материала перед поступлением в обжиговую печь. В качестве внутренних устройств, при мокрой подготовке сырья, в холодном конце устанавливают навесные цепи, которые подвешивают гирляндами за оба конца. Длина цепей при этом равна (1,2-1,3)D, а расстояние между точками подвески S=(0,6-1,0)D.

В качестве выносных устройств, устанавливаемых при сухом способе подготовки сырья, перед холодным концом применяют цепные решетки, в которых нагрев материала производится в движущемся слое, или циклоны, в которых нагреваемый материал перемещается во взвешенном состоянии. При регенерации отработавшей извести во враща ющуюся печь подается известковый шлам с влаж ностью 40-45%. Подсушка осуществляется в тонких play слоях, налипающих на внутреннюю поверхность 1 2 3 4 5 stop барабана и металлических цепей.

a). Всю длину печного барабана можно разделить на три зоны (см. рис.3.14 б):

I - зона подогрева сырья, в которой температура 8 сырья увеличивается от начальной до температуры насыщенного состояния (при атмосферном давле нии, tм = 100°C;

II - зона испарения влаги (зона подсушки) в которой протекает испарение влаги при постоянной температуре (tм б). t,°C = 100°C) от начальной влажности W0 до нуля;

III - зона обжига, в которой происходит увеличение А температуры сырья от температуры 100°C до температуры, определяемой технологическим процессом, при которой Б протекают физико-химические изменения материала.

Рис. 3.14. Принципиальная схема вращающейся печи: 1 - питатель tм сырого материала;

2 - опорный бандаж;

3 - печной барабан;

4 зубчатый привод;

5 - форсунка;

6 - воздух для горения;

7 I II III обожженный материал;

8 - продукты сгорания;

А - температура lб, м продуктов сгорания;

Б - температура материала.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Определение длины отдельных зон, а также подогревательных и подсушивающих устройств производится на основании уравнений материального и теплового балансов, а также теплообмена.

Qлф На рис. 3.15 показан поперечный разрез печного барабана и виды теплообмена в нем.

Суммарная плотность теплового потока в зонах нагрева и обжига складывается из лучистого потока от трехатомных газов, содержащихся в продуктах сгорания (Qлг), лучистого теплового Qкв потока от нагретой поверхности футеровки (Qлф), теплового потока к материалу в результате контакта с нагретой футеровкой (Qкт) и конвективного теплового потока (Qкв).

Qлг Qкт Qс = Qлг + Qлф + Qкт + Qкв (3.105) Лучистый тепловой поток от трехатомных рассчитывается по формуле Стефана-Больцмана Tг Tм 4 play Qлг = пр · c0 · F · 100, (3.106) 100 3 stop где Tг, Tм - абсолютные температуры газового факела и материала, К.

Рис. 3.15. Виды теплообмена Лучистый тепловой поток от нагретой поверхности футеровки Qлф рассчитывается по той же во вращающемся барабане: формуле с той лишь разницей, что степень черноты и температура принимаются для футеровки.

— кожух барабана;

2 — футе В качестве поверхности теплообмена F следует принимать плоскость, определяемую, как ровка;

3 — обжигаемый мате проекцию наклонно расположенного слоя.

риал.

Тепловой поток Qкт от нагретой поверхности футеровки материалу определяется по уравнению Ньютона-Рихмана Qкт = кт · Fкт · (tф - tм), (3.107) где tф - температура футеровки, °С;

Fкт - удельная контактная поверхность численно равна дуге барабана на которой располагается материал, умноженной на длину барабана.

Конвективный поток теплоты равен:

Qкв = кв · Fкв · (tг - tм), (3.108) Для определения коэффициента конвективного теплообмена рекомендуется формула Nu = 0,16 · Re0,67, (3.109) В зоне подсушки влажный материал налипает на поверхность футеровки и на кольца цепной завесы, определяющих активную поверхность теплообмена Fкв = lц · Dб · (1+ kц), (3.110) где lц - длина цепной зоны;

kц - коэффициент учитывающий увеличение коэффициента теплообмена кв за счет цепей, kц = 3 - 4;

Dб - диаметр барабана, м.

Длина зоны подсушки определяется из уравнений теплообмена и теплового баланса Gc· [u0· (iп cwt0) + cc· (tм1 tм0)], (3.111) lц = · Dб · (1+ kц) · (л + кв)· kц· Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты где Gc - производительность печной установки по сухому материалу, кг/ч;

u0 - начальное влагосодержание материала, кг/кг;

cw, cc удельные теплоемкости влаги и сухого материала, кДж/(кг°С);

iп - энтальпия пара, кДж/кг;

tм0, tм1 - температуры материала в начале и конце расчетного участка, °С;

kс - коэффициент учитывающий снижение интенсивности испарения влаги в период уменьшаю щейся скорости сушки, kс=0,4-0,5.

Теплообменный потенциал в период постоянной скорости сушки определяется как среднелогарифмический температурный tг1 tг напор, (3.112) = tг1 tм ln tг2 tм где tм1, tг1, tг2 - температура материала, температуры газов в начале и в конце периода постоянной скорости сушки, °С.

Температура уходящих газов определяется из условия экономичности и равна 150 - 200°C.

Изменение температуры газов t в расчетной зоне определяется из уравнения теплового баланса Gc· [u0· (iп cwt0) + cc· (tм1 tм0)], (3.113) Qc t = tг1 tг2 = = т · г · V г · c г · V г · cг где сг - средняя теплоемкость продуктов сгорания;

Vг - объем продуктов сгорания, м3/(кг топлива);

- коэффициент учитывающий потери в окружающую среду;

Bт - расход топлива, кг/ч;

г - плотность газов, кг/м3.

Длина расчетной зоны (участка) Q, (3.114) lц = Qлг + Qлф + Qкт + Qкв Длина зоны обжига рассчитывается в соответствии с длительностью пребывания материала в зоне высокой температуры.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.13. Тепломассообмен в кипящем слое В последнее время все более широкое применение получает сушка мелкодисперсных материалов и сжигание твердых видов топлива в кипящем слое. Это обусловлено высоким коэффициентом теплоотдачи между газовым объемом и материалом, а также большой поверхностью теплообмена.

Кипящим (псевдоожиженным) называется слой мелкозернистого материала, продуваемый снизу вверх газом со скоростью, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но меньше скорости витания частиц. При визуальном наблюдении за таким слоем создается впечатление "кипения" частиц твердого материала, хаотически перемещающихся в пределах определенного объема. Способ сжигания топлива в кипящем слое аэродинамически является промежуточным между слоевым и факельным. На рисунке 3.16 изображена схема топки с кипящим слоем.

В энергетических топках при сжигании каменных и бурых углей в кипящем слое удерживается значительное количество золы при сравнительно низкой концентрации топливных частиц, что способствует их удержанию в слое и более полному выгоранию.

Адиабатическая температура горения при этом равна q2 + q3 + q Qрн · (100 ) + · V 0 в · св · tв 100, (3.115) tа = [V0г + V0в · ( 1)] · сг Рис. 3.16. Топка с кипящим слоем: 1 топочная камера;

2 - кипящий слой;

3 где q2 - потери теплоты с уходящими газами, %;

q3 - потери теплоты от газораспределительная решетка;

4 - воздухо химической неполноты сгорания, %;

q4 - потери теплоты от механической вод;

5 - золовой затвор.

неполноты сгорания, %;

V0г - теоретическое количество продуктов сгорания, м3/м3;

V0в - теоретическое количество воздуха для сгорания топлива, м3/м3;

сг средняя теплоемкость продуктов сгорания топлива, кДж/(м3°С);

- коэффициент избытка воздуха.

С целью снижения температуры горения в слой помещают испарительные поверхности нагрева. Однако, следует заметить, что псевдосжиженный слой является аэродинамически неустойчивой системой. Значительная часть топливных частиц выносится из слоя и сгорает за его пределами, что в значительной мере снижает среднее значение удельного теплового напряжения топочной камеры.

В газораспределительной решетке имеются два вида отверстий (см рис.3.17): отверстия, расположенные в решетке вертикально, через которые подается около 60-65% воздуха и предназначенные для подъема частиц и отверстия, расположенные в колпачках под углом к горизонту и предназначенные для перемещения частиц материала или топлива в горизонтальном направлении.

Расчет установок кипящего слоя подробно изложен в [9].

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 1 Рис. 3.17. Схема кипящего слоя: 1 тгазораспределительная решетка;

2 - колпачки с отверстиями;

3 - материал (топливо);

4 - вертикальные отверстия.

Печь "Pyrofluid" с псевдоожиженным слоем (в котором песок поддерживается во взвешенном состоянии с помощью постоянного восходящего потока воздуха), работает при температуре около 900 °C, и сжигает осадок в течение нескольких секунд.

Печь производительностью от 200 кг до 5 тонн сухого осадка в час сжигает осадки городских и промышленных соков.

При сжигании осадка образуется зола, которая может использоваться для дорожного и гражданского строительства. Агрегат удовлетворяет самм строгим требования по газовым выбросам.

Рис. 3.18. Печь "Pyrofluid" с псевдоожиженным слоем: 1 - подача осадка;

2 подача воздуха;

3 - отвод продуктов сгорания;

4 - колпачки с отверстиями.

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 3.14. Теплообмен в радиационно-конвективных сушильных установках непрерывного действия В целлюлозно-бумажной промышленности применяются радиационно-конвективные установки для сушки целлюлозы, картона, шпона и других материалов. В этих установках теплота к поверхности материала передается путем конвекции от нагретого воздуха и лучеиспускания от внутренних калориферов (радиаторов), расположенных над движущимися листами материала.

На рис. 3.18 приведена принципиальная схема радиационно-конвективной установки для сушки листовых и рулонных материалов, в которой теплота для испарения влаги подводится как от нагретого воздуха (конвекцией), так и от нагретых радиаторов (излучением). Кроме того, в установке происходит тепломассообмен между радиаторами и сушильным воздухом.

Уравнения баланса теплоты и теплообмена для постоянной скорости сушки применительно к схеме выражаются:

Lв · cв · dtв = к · Sи · (tи tв) 'к · Sм · (tв tм);

(3.116) - для потока воздуха dl - для материала Gм · r · du = л · Sм · (tи tм) 'к · Sм · (tв tм), (3.117) dl где Lв - массовый расход воздуха, кг/ч;

к, 'к - конвективный коэффициент теплоотдачи от радиатора к воздуху и от воздуха к материалу, Вт/(м2°С);

Sи, Sм - удельные поверхности излучателя и материала, м2/м;

r - теплота парообразования, кДж/кг;

Gм массовый расход материала, кг/ч;

u - влагосодержание материала, кг/кг;

л - коэффициент лучистого теплообмена от радиатора к материалу, Вт/(м2°С);

tи, tм, tв - соответственно температуры радиатора, материала и воздуха, °С.

Левая часть уравнения (3.116) выражает изменение энтальпии воздуха, движущегося по каналу, образованному радиаторами и влажным материалом, правая - количество теплоты, переданное радиаторами воздуху (первое слагаемое) и теплоту, переданную материалу конвективным способом (второе слагаемое).

В уравнении (3.117) левая часть уравнения описывает расход теплоты, затраченной на испарение влаги, а правая часть - расход лучистой энергии переданной материалу (первое слагаемое) и, как в предыдущем уравнении, - теплоту, переданную материалу конвективным способом (второе слагаемое). Решение данной системы уравнений (3.116) и (3.117) приведена в [6].

3 4 Рис. 3.18. Схема радиационно-конвективной сушильной установки:

1 - влажный материал;

2 - подвод сушильного воздуха;

3 - калорифер;

4 - нагнетающий вентилятор;

5 - отвод отработавшего воздуха;

6 - радиаторы (ИК-излучатели).

Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты При радиационной сушке нагрев материала и испарение из него влаги происходит в результате поглощения лучистой энергии, испускаемой высокотемпературным источником. Известно, что влажные материалы представляют собой капиллярно-пористые тела, вглубь которых частично проникают тепловые инфракрасные лучи. Проникновение лучистой энергии вглубь материала способствует более равномерному его нагреву по толщине, что позволяет увеличить интенсивность тепломассообмена. Мощность теплового потока при радиационой сушке в 30 - 70 раз больше по сравнению с конвективной.

ИК-излучатели применяют в целлюлозно-бумажном производстве для подогрева влажного полотна перед прессованием с целью снижения вязкости воды, используют как бесконтактный способ подвода теплоты после клеильного пресса или меловальной установки во избежание загрязнения поверхности сушильных цилиндров. Позонная установка ИК-излучателей позволяет регули ровать профиль влажности по ширине бумажного полотна за счет дополнительно подводимой тепловой энергии в те места, где со держание влаги превышает допустимые значения.

Сушке инфракрасными лучами подвергаются лаки и эмали, нанесенные на поверхность различных изделий. Широко применя ются комбинированные методы сушки, при которых инфракрасный нагрев совмещается с конвективным тепломассообменом.

Кинопленка сушится радиационно-конвективным способом.

При сушке инфракрасными лучами в псевдоожиженном слое зернистых материалов (нитрофоски, силикагеля и др.) производи тельность сушилок возрастает в 2-3 раза.

play stop 3 Рис. 3.19. Блок радиационно-конвективной сушильной установки: 1 вентилятор;

2 - регулирующие шиберы;

3 - забор свежего воздуха;

4 выброс отработавшего воздуха;

5 - инфракрасные излучатели;

6 - обдув полотна бумаги;

7 - полотно бумаги Содержание Глава III Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Контрольные вопросы по главе III 1. Каким способом осуществляется передача теплоты от нагретой поверх- 26. Какую скорость имеет материал в конце разгонного участка в трубе ности сушильного цилиндра полотну материала? сушилке?

2. Что является активной поверхностью сушильного цилиндра? 27. Что такое скорость витания частицы?

3. Какой пар подается в сушильные цилиндры бумагоделательной маши- 28. Какой должна быть скорость газа в пневматической сушильной установ ны? ке?

29. Для чего в холодном конце известерегенерационной вращающейся печи 4. Что означает коэффициент 2 в уравнении теплообмена на сушильном устанавливают навесные цепи?

цилиндре?

30. В какой зоне вращающейся печи устанавливается максимальная темпера 5. Каким процессом является сушка бумаги на многоцилиндровой БДМ?

тура газа?

6. В каком случае коэффициент контактного теплообмена возрастает?

31. Какая зона есть в туннельной, но отсутствует в барабане известереге 7. При сушке какого материала градиент температуры в его сечении равен нерационной печи?

нулю?

32. Для чего служит туннельная печь?

8. Что происходит с бумажным полотном на участках свободного хода?

33. Как организовано движение дымовых газов и материала в туннельной 9. В каком диапазоне связь между температурой и давлением насыщен печи?

ного пара удовлетворительно описывается степенной зависимостью pнп = 34. Как называется отношение действительной температуры горения топлива (tнп/100)3?

к адиабатической температуре?

10. В каком периоде сушки происходит углубление поверхности испаре 35. Для чего применяются низкотемпературные печные установки?

ния?

36. Каким способом в низкотемпературных рабочих камерах печных устано 11. Какими градиентами можно пренебречь в процессе малоинтенсивной вок теплота передается нагреваемому материалу?

конвективной сушки?

37. Каким образом в рабочем пространстве высокотемпературных печных 12. От чего зависит растягивающее напряжение, приводящее к растрески установок осуществляется теплообмен?

ванию или короблению материала?

38. Какой слой называется кипящим?

13. Какой критерий может служить критерием трещинообразования в 39. К какому способу сжигания относится сжигание топлива в кипящем материале?

слое?

14. Что такое градиент влагосодержания?

40. Зачем в кипящий слой иногда помещают испарительные поверхности 15. Какая существует связь между интенсивностью испарения и величи нагрева?

ной градиента влагосодержания?

41. В каком диапазоне значений порозности существует кипящий слой?

16. Как называется процесс испарения влаги с поверхности материала?

42. Как называется скорость газа при которой происходит образование 17. Что такое температурное поле?

кипящего слоя?

18. Для чего служит коэффициент фазового превращения?

43. Что такое порозность слоя твердых частиц?

19. Что позволяет определить метод конечных разностей Шмидта?

44. Что такое насыпная плотность материала?

20. Какие параметры задаются при граничных условиях третьего рода?

45. Какое тело называется серым?

21. Какой критерий определяет относительное время нагрева и характери 46. Какую характеристику излучения тела выражает закон Стефана-Больц зует нестационарность процесса?

мана?

22. Какой из критериев представляет собой отношение теплоотдачи с 47. Чему равен численно равен коэффициент излучения абсолютно черного поверхности тела к интенсивности притока теплоты изнутри тела?

тела [Вт/(м2·К4)]?

23. Что характеризуют малые значения критерия Био (Bi 0,1)?

48. Чему способствует проникновение лучистой энергии вглубь материала 24. Как называется температура, при которой начинается конденсация при ИК-сушке?

водяного пара?

49. Как называется комбинированный способ сушки при котором инфракрас 25. Какая сила не будет действовать на частицу, висящую неподвижно ный нагрев совмещается с обдувом горячим воздухом?

относительно стенок трубы в восходящем потоке воздуха?

Содержание Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты ЛИТЕРАТУРА 1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи, М.: Энергия, 1977. 342 с.

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача, М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

3. Эккерт Э.Р., М.Дрейк Р.М. Теория тепло-и массообмена, М-Л, ГЭИ,1961. 652 с.

4. Исаев С.И., Кононов И.А. и др./Под ред. А.И.Леонтьева, Теория тепломассообмена, М.: Высшая школа, 1979. 495 с.

5. Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофизики. Изд-во Академии Наук БССР, Минск 1961. 520 с.

6. Жучков П.А. Тепловые процессы в целлюлозно-бумажном производстве М.: Лесная промышленность, 1978. 350 с.

7. Жучков П.А. Специальные вопросы тепломассообмена в энерготехнических процессах и установках целлюлозно-бумажного производства: Учеб. пособие/ЛТА Л., 1986. 90 с.

8. Жучков П.А. Тепломассообмен в процессах сушки и горения/ЛТИ ЦБП. Л., 1974. 120 с.

9. Баскаков А.П., Лукачевский Б.П. и др./Под ред. И.П.Мухленова Расчеты аппаратов кипящего слоя: справочник Л.: Химия, 1986.

352 с.

10. Cуслов В.А. Тепломассообмен 11. Белоусов В.Н. Топливо и теория горения.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал стр.... Примеры и задачи Вопросы и тесты 1.5.1. Теплообмен при кипении жидкости Кипением называется процесс образования пара внутри объема жидкости. Для возникновения кипения всегда необходим некоторый перегрев жидкости, т.е. превышение температуры жидкости tж над температурой насыщения tн при заданном давлении p. Этот перегрев, как показывают опыты, зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а так же граничных твердых поверхностей. Чем чище жидкость, тем более высоким оказывается начальный перегрев, необходимый для возникновения кипения. Известны опыты, в которых тщательно очищенные жидкости, лишенные растворенных газов, удавалось перегревать без вскипания на десятки градусов при нормальном давлении. Однако в конце концов такая перегретая жидкость все же вскипает, причем кипение происходит крайне бурно, напоминая взрыв. Теплота перегрева жидкости расходуется на парообразование, жидкость быстро охлаждается до температуры насыщения. Высокий начальный перегрев, необходимый для вскипания чистой жидкости, объясняется затрудненностью самопроизвольного образования внутри жидкости начальных маленьких пузырьков пара (зародышей) из-за значительной энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.

Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенный газ (например, воздух), а также мельчайшие взвешенные частицы.

При ее нагревании процесс кипения начинается почти сразу после достижения жидкостью температуры насыщения. При этом кипение носит спокойный характер. В данном случае образующиеся при нагревании газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твердые частицы служат готовыми начальными зародышами паровой фазы.

Начальный перегрев снижается и в том случае, когда стенки сосуда, в котором происходит нагревание жидкости, имеют адсорби рованный на поверхности газ, микрошероховатость, а также различные неоднородности и включения, понижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью. При подводе тепла через такую поверхность образование пузырьков наблюдается в отдель ных точках поверхности, так называемых центрах парообразования. Таким образом, процесс кипения в этом случае начинается в слоях жидкости, контактирующих с поверхностью и имеющих одинаковую с ней температуру. Для практики этот вид кипения представляет наибольший интерес.

По мере увеличения температуры поверхности нагрева tc и соответственно температурного напора t = tc - ts, число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отры ваются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности продолжают расти в объеме. Последнее объясняется тем, что температура в объеме кипящей жидкости, как показывают опытные данные, не равна температуре насыщения, а несколько превышает ее. Например, для воды при атмосферном давлении перегрев в объеме составляет 0,2 - 0,4 °С.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал стр.... Примеры и задачи Вопросы и тесты 1.7.1. Коэффициенты облученности и взаимные излучающие поверхности в некоторых случаях Форма и взаимное Схема Коэффициенты облученности, взаимные поверхности расположение поверхностей и приведенная степень черноты Две поверхности, образую- F пр = 2 12 = 1;

21 = F 1 ;

H = F1;

1 F1 щие замкнутую систему.

1 + F 2 · 2 Меньшая поверхность не имеет вогнутостей.

Две параллельные стенки, пр = 2 12 = 21 = 1;

H = F1 = F2;

1 размеры которых велики по 1 + 2 сравнению с расстоянием между ними.

Два параллельных круга с d2 d1 2 d2 + d1 2+ h при d1 d2 2 центрами на одной общей d2 + h2 h +h H= 4 · d2 = d 1 H = 4 · 2 h нормали к их плоскости.

h a b a 12 = · 1 · a2 + h2 · arctg 2 + 1 · b2 + h2 · arctg a Два одинаковых прямо- a2 + h 2 b b + h угольника, расположенных b (a2 + h2)·(b2 + h2) h · arctg b h · arctg a + h · ln 1 в параллельных плоскостях a hb h 2·a·b (a + b2 + h2)·h друг против друга.

Степень черноты полного излучения для различных материалов Наименование материала t, °C Наименование материала t, °C 0.039 - 0. 057 0.93 - 0. Алюминий полированный 225 - 575 Асбестовая бумага 40 - 0.055 0.95 - 0. Алюминий шероховатый 26 Вода 0 - 0.144 - 0.377 0. Железо полированное 425 - 1020 Кирпич красный 0.78 - 0. 82 0. Железо окисленное 125 - 525 Кирпич шамотный 0.80 0. Сталь окисленная 200 - 600 Кирпич динасовый 0.64 - 0. 78 0. Чугун окисленный 200 - 600 Лак черный, блестящий 0.096 - 0.292 0. Молибденовая нить 725 - 2600 Сажа 95 - 0.036 - 0.192 0. Платиновая нить 25 - 1230 Угольная нить 1040 - 0.96 0. Асбестовый картон 24 Эмаль белая Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал стр.... Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.1.1. Oбщие cведения о гоpении Оcнову гоpения cоcтавляют pеакции окиcления гоpючиx вещеcтв топлива, в pезультате котоpыx иcxодные вещеcтва (гоpючее и окиcлитель) пpеобpазуютcя в пpодукты cгоpания, т.е. в новые вещеcтва c иными физичеcкими и xимичеcкими cвойcтвами.

Xаpактеpным пpизнаком гоpения являетcя быcтpо пpотекающий пpоцеcc, cопpовождающийcя интенcивным выделением теплоты и pезким повышением темпеpатуpы. Для пpотекания xимичеcкой pеакции между гоpючими вещеcтвами топлива и окиcлителем пpежде вcего необxодимо cоздать физичеcкий контакт между молекулами взаимодейcтвусщиx вещеcтв и довеcти молекулы до та кого cоcтояния, пpи котоpом cтановятcя возможными xимичеcкие pеакции между ними. Пеpвое (т.е. физический контакт) оcущеcт вляетcя в пpоцеccе обpазования гоpючей cмеcи, втоpое - пpи её воcпламенении. Таким обpазом, гоpение - это cложный физико xимичеcкий пpоцеcc, включающий в cебя pяд поcледовательно и паpаллельно пpотекающиx физичеcкиx и xимичеcкиx cтадий.

Pазличают полное гоpение, т.е. без потеpь теплоты, и неполное, т.е. c потеpями теплоты. Пpи полном гоpении вcе гоpючие вещеcтва топлива пpинимают учаcтие в окиcлительныx пpоцеccаx, пpи этом обpазуютcя только окcиды - CО2, SO2, H2O.

Pеальное гоpение, как пpавило, являетcя неполным. Pазличают меxаничеcкую и xимичеcкую неполноту cгоpания.

В пеpвом cлучае (механический недожог) некотоpое количеcтво топлива в пpоцеccе гоpения топлива не учаcтвует. Напpимеp, газовым потоком из топки выноcятcя наиболее мелкие фpакции угля, а наиболее кpупные, наобоpот, могут оcедать в нижней чаcти топки (на поду) и удалятьcя вмеcте c золой и шлаком. В cлоевой топке возможен также пpовал мелкиx фpакций топлива чеpез отвеpcтия колоcниковой pешётки.

Потеpи c xимичеcким недожогом возникают в cлучае xимичеcки неполного окиcления углеpодоcодеpжащиx cоединений c обpазованием окиcи углеpода CО, а также в cлучае, когда чаcть гоpючиx газообpазныx вещеcтв, обpазовавшиxcя пpи иcпаpении и теpмичеcком pазложении жидкого и твёpдого топлива (CО, Н2, CН4 и дp.), покидают топку до завеpшения окиcлительныx пpоцеccов.

В качеcтве окиcлителя пpи гоpении пpеимущеcтвенно иcпользуетcя не чиcтый киcлоpод, а атмоcфеpный воздуx, что объяcняетcя его доcтупноcтью и пpоcтотой иcпользования. Воздуx cодеpжит 21 % киcлоpода и 79 % азота.

В теxнологичеcкиx уcтановкаx, напpимеp маpтеновcкиx или доменныx печаx, пpименяетcя также воздуx, обогащённый киcлоpо дом, или чиcтый киcлоpод.

Pаcxод киcлоpода V0О2 или воздуxа V0, теоpетичеcки необxодимый для полного cгоpания единицы количеcтва топлива (килограмм или кубометр), опpеделяетcя из cтеxиометpичеcкиx уpавнений гоpения.

Пpи pеальном гоpении в завиcимоcти от назначения огнетеxничеcкого уcтpойcтва дейcтвительное количеcтво окиcлителя (киc лоpода или воздуxа) может быть больше или меньше теоpетичеcки необxодимого. Отношение дейcтвительного воздуxа к теоpети чеcки необxодимому называетcя коэффициентом избытка воздуxа: = Vд / V0.

В процессе горения по мере расходования топлива и кислорода и уменьшения их действующих концентраций выгорание замедляется. Условия реагирования ухудшаются также в связи со сложностью перемешивания больших количеств топлива и окис лителя. Таким образом, в cвязи c неcовеpшенcтвом аэpодинамики топочныx уcтpойcтв и невозможноcтью идеального (т.е. на моле куляpном уpовне) cмешения топлива и окиcлителя в pеальныx уcловияx для полного cгоpания топлива необxодимо неcколько большее количеcтво воздуxа, чем теоpетичеcкий объём воздуxа, полученный из cтеxиометpичеcкиx уpавнений гоpения.

Пpи cжигании оpганичеcкиx топлив в топкаx энеpгетичеcкиx котлов коэффициент избытка воздуха всегда больше 1 ( 1).

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал стр.... Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.2.1. Гомогенное и гетерогенное горение топлива Cкоpоcть xимичеcкой реакции в cильной cтепени завиcит от темпеpатуpы. Пpи низкой темпеpатуpе Т1 лишь малая доля молекул имеет энеpгию выше энеpгии активации. C повышением темпеpатуpы до Т2 пpоиcxодит пеpеpаcпpеделение энеpгий молекул, в pе зультате чего cтановитcя возможной активная pеакция, cопpовождасщаяcя pоcтом темпеpатуpы. Одновpеменно c увеличением чиcла "активныx молекул" pаcтет и cкоpоcть xимичеcкой pеакции.

Завиcимоcть cкоpоcти pеакции от темпеpатуpы была уcтановлена Аppениуcом. Cоглаcно закону Аppениуcа конcтанта cкоpоcти pеакции являетcя функцией темпеpатуpы: k = ko exp (- E/RT), где ko - коэффициент пpопоpциональноcти, xаpактеpизующий полное чиcло cтолкновений вcеx молекул (активныx и неактивныx) в единице объема pеагиpующей cмеcи.

Таким обpазом, c увеличением темпеpатуpы конcтанта cкоpоcти pеакции увеличиваетcя, что пpи cоxpанении концентpации иcxодныx вещеcтв пpиводит к pоcту cкоpоcти pеакции.

В завиcимоcти от агpегатного cоcтояния, в котоpом наxодятcя топливо и окиcлитель, pазличают гомогенное и гетеpогенное гоpение. Еcли топливо и окиcлитель наxодятcя в одинаковом агpегатном cоcтоянии и между ними отcутcтвует повеpxноcть pаздела фаз, то они обpазуют гомогенную cиcтему, в котоpой пpотекает гомогенное гоpение. (Пpимеp - гоpение газообpазного топлива). Еcли топливо и окиcлитель наxодятcя в pазличныx агpегатныx cоcтоянияx, то они обpазуют гетеpогенную cиcтему.

Пpимеp гетеpогенного гоpения - это гоpение твёpдого и жидкого топлива.

Cжигание газообpазного топлива не cопpовождаетcя изменением агpегатного cоcтояния и вcе cтадии гоpения являютcя гомогенными. В пpоцеccе гоpения твёpдого и жидкого топлива пpоиcxодит изменение его агpегатного cоcтояния. Напpимеp, пpи теpмичеcком pазложении твёpдого топлива обpазуютcя летучие вещеcтва, а пpи иcпаpении капель жидкого топлива обpазуютcя паpообpазные вещеcтва. Летучие вещеcтва твёpдого топлива и паpы жидкого топлива c воздуxом обpазуют гомогенную cмеcь.

а). гомогенная реакция б). гетерогенная реакция Рис. 2.2.1. Гомогенное гоpение газообpазного топлива и гетерогенное гоpение твёpдого или жидкого топлива Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал стр.... Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.5.1. Кинетичеcкая и диффузионная облаcти гоpения Гоpение являетcя cложным физико-xимичеcким пpоцеccом, оcнову котоpого соcтавляет xимичеcкое взаимодейcтвие между гоpю чими вещеcтвами и окиcлителем.

В pеальныx уcловияx интенcивноcть гоpения опpеделяетcя cкоpоcтью pаcxода гоpючиx вещеcтв и завиcит не только от cкоpоcти пpотекания xимичеcкой pеакции, но и от cкоpоcти пpоцеccа образования горючей смеси (скорости cмеcеобpазования).

Cкоpоcть пpотекания xимичеcкой pеакции опpеделяетcя законами xимичеcкой кинетики - учения о меxанизме и общиx законо меpноcтяx пpотекания xимичеcкого пpоцеccа во вpемени. Cкоpоcть пpоцеccа cмеcеобpазования опpеделяетcя, в cвою очеpедь, ин тенcивноcтью пpотекания молекуляpной и туpбулентной диффузии. Пpи этом pезультиpующая cкоpоcть пpоцеccа гоpения будет опpеделятьcя cкоpоcтью наиболее медленного пpоцеccа.

Еcли cкоpоcть пpотекания xимичеcкой pеакции между гоpючим и окcлителем значительно ниже cкоpоcти обpазования гоpючей cмеcи, то pезультиpующая cкоpоcть пpоцеccа гоpения лимитиpуетcя только cкоpоcтью xимичеcкой pеакции, т. е. пpоцеccами xимичеcкой кинетики. Такое гоpение называетcя кинетичеcким.

Еcли же cкоpоcть подвода окиcлителя к гоpючему значительно меньше cкоpоcти xимичеcкой pеакции окиcления, то pезультиpу ющая cкоpоcть гоpения не завиcит от cкоpоcти pеакции и лимитиpуетcя только cкоpоcтью пpоцеccа cмеcеобpазования, опpеделяю щим фактоpом котоpого являетcя пpоцеcc диффузии киcлоpода к гоpючему. Такое гоpение называетcя диффузионным.

Схема горения в кинетической области показана на рис. 2.5.1. С увеличением температуры скорость горения растет экспоненци ально пропорционально росту константы скорости химической реакции k, определяемой по уравнению Аррениуса.

Подобное увеличение скорости горения при повышении температуры длится до тех пор, пока скорость химической реакции не станет соизмеримой со скоростью подвода (диффузии) окислителя к поверхности реагирования. При дальнейшем повышении температуры скорость химической реакции становится настолько значительной, что процесс горения уже лимитируется поступлением окислителя к поверхности реагирования.

В этом случае скорость горения определяется условиями подвода окислителя, vг Промежуточная то есть гидродинамическими факторами: относительной скоростью потока и область размером частиц (диффузионная область реагирования).

w3 (d3) Скорость диффузионного горения растет с увеличением относительной ско рости газового потока w и уменьшением размеров частиц d.

w3 (d3) Между кинетической и диффузионной областями реагирования находится промежуточная область, для которой скорость химической реакции и cкоpоcть Кинетическая w3 (d3) cмеcеобpазования соизмеримы.

область Уменьшение размеров частичек топлива или увеличение относительной Диффузионная скорости газового потока при постоянной температуре перемещает горение в область промежуточную область. Уменьшение температуры сдвигает горение в w1 w 2 w 3 кинетическую область.

d1 d2 d3 t, С° Рис. 2.5.1. Соотношение кинетической и диффузионной областей горения.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал стр.... Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.7.1. Горение твердого топлива (гетерогенные реакции на поверхности раздела фаз) В случае гетерогенного горения скорость реакции определяется концентрацией кислорода на поверхности частицы, то есть уравнением химической кинетики: v = kх · cп и скоростью диффузии кислорода к поверхности горящей частицы, то есть уравне нием диффузии: v = m · (соб - сп). v ;

v = с v ;

v · 1 + 1 = соб ;

v = с =k · с ;

1 · об пр об В результате совместного решения получаем: сп = m об k kх kх + m х m 1 - диффузионное;

1 - кинетическое сопротивления горению kх m kх 1 1 ;

kпр kx - это кинетическая область горения, t = 800 - 900 °C Если k m х Кинетическая область горения - это область где скорость горения лимитируется факторами (концентрацией, температурой, давлением) влияющими на кинетику химической реакции.

Если 1 1 ;

kпр m - это диффузионная область горения, t = 1400 - 1500 °C m kх В диффузионной области горения скорость горения лимитируется факторами (скоростью и турбулентностью потоков) которые определяют интенсивность перемешивания топлива и окислителя.

v [кг/(м2 · с)] = kпр [м/с] · cоб [м3/м3] · к [кг/м3];

Скорость горения: [кг/(м2 · с)] или [м3/(м2 · с)] G [кг]/(F [м2] · к [c]) = kпр · cоб · к;

т · V = kпр · cоб · к · F · · т · dV = kпр · cоб · к · F · d где Vшара = 4/3 · · r 3 ;

Fсферы = 4 · · r 2 ;

Стехиометрический коэффициент зависящий от полноты сгорания углерода = O2/C;



Pages:     | 1 || 3 |
 



 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.