CAZAN IGNITUBULAR CU PIESA DE INTOARCERE A GAZELOR IN FOCAR

UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII, BUCURESTI

FACULTATEA DE INSTALATII

Cuprins :

Tema ...............pag. 1

Calculul arderii combustibilului gazos...pag. 1

Bilanturile cazanului..........pag. 4

Calculul focarului...........pag. 6

Calculul sistemului convectiv.......pag. 8

Desen...............pag.10

Tema

Cazan cu piesa de intoarcere a gazelor de ardere

N=4

Qu = 60+5*N = 60+5*4 = 80 kW

Temperatura apa calda . 60/80 C

Compozitia volumetrica procentuala a combustibilului gazos :

CH₄ = 86+0.15*n = 86.6 %

C₂H₆ = 6.7*0.05*N = 6.9 %

C₃H₈ = 4-0.1*N = 3.6 %

C₄H₁₀ = 2.5-0.1*N = 2.1 %

N₂ = 0.8 %

2. Calculul arderii combustibilului gazos

Calculul arderii combustibilului gazos se refera la arderea unittii de volum ( 1m³_N ) de gaz in conditii normale fizice:

p_N : 1.13 bar

t_N : 273.15 K

Scopul acestui calcul este :

determinarea volumului alculate de aer necesar arderii stoichiometrice (Vo) a unui alcu cub normal de combustibil

determinarea componentelor gazelor de ardere pentru arderea stoichiometrica (teoretica, fara exces de aer)

Volumul alculate de aer necesar arderii:

Vo = 0.0476*( m+n/4)*C_mH_n)

= 0.0476*(CH₄*2+C₂H₆*3.5+C₃H₈*5+C₄H₁₀*6.5)

= 0.0476*229 = [m³_N/m³_N]

Volumele teoretice ale gazelor de ardere:

V_CO2 = 0.01*( Σm C_mH_n) = 0.01*(1*86.6+2*6.9+3*3.6+4*2.1) = 1.196 [m³_N/m³_N]

V_SO2 = [m³_N/m³_N]

V_RO2 = V_CO2 = [m³_N/m³_N]

V_N2 = 0.79*Vo+N₂/100 = 0.79*10.9004+0.8/100 = [m³_N/m³_N]

V_H2O = 0.01* (n/2* C_mH_n)+0.016*Vo =

= 0.01*(2*86.6+3*6.9+4*3.6+5*2.1 0.016*10.9004

= [m³_N/m³_N]

-pag.1-

Volumul alculate de de gaze de ardere, fara exces de aer ( = 1):

Vgo = V_RO2+V_N2+V_H2O = [m³_N/m³_N]

Alegem coeficientul de exces de aer = 1.08 (cuprins intre 1.05 si 1.1)

Calculul arderii cu exces de aer:

è Volumul real de aer necesar arderii:

V_a = *V_o = 1.08*10.9004 = [m³_N/m³_N]

Volumul real al gazelor de ardere:

V_g = V_go -1)*V_o = 12.177+0.08*10.9004 = 13.049 [m³_N/m³_N]

Densitatea gazelor de ardere la stare normala:

_o = ( _comb +1.293* V_a)/ V_g = (1+1.293*11.77)/13.049 = 1.2429 [kg/ m³_N]

Presiunea partiala a gazelor triatomice din gazelle de ardere:

P_RO2 = (V_RO2/V_g)*P_g = (1.196/13.049)*1bar = [bar]

Presiunea partiala a vaporilor de apa:

P_H2O = (V_H2O/V_g)*P_g = (2.3624/13.049)*1bar = [bar]

Unde P_g este presiunea absoluta a gazelor de ardere

Puterea calorica inferioara a combustibilului gazos:

H_i = 358* CH₄ +637.3* C₂H₆ +912.4* C₃H₈ +1184* C₄H₁₀ =

= 358* 637.3* 6.9 +912.4* 3.6 +1184* 2.1 =

= kJ/ m³_N]

-pag.2-

Entalpia gazelor de ardere rezultate din arderea unitatii de combustibil

[kJ/m³_N] sau [kJ/kg]

-pag.3-

3. Bilanturile cazanului

1. Bilantul general al cazanului

Conturul de bilant:

Q_c = Q_u Q_cos-Q_aer)+Q_ext+Q_ch /:Q_c

1 = Q_u/Q_c +(Q_cos-Q_aer)/Q_c +Q_ext/Q_c +Q_ch/Q_c

1 = +q_cos+q_ext+q_ch

= 1- q_cos - q_ext - q_ch

Aleg t_cos = 150 C

Din tabelul de la pag 3:

t=100 C . I_g=1786.86

t=200 C . I_g=3610.69

è I_{g cos} = 2698.775

t_aer = 20 C è I_aero =V_o*c_pa*t_aer = 10.9004*1.2971*20 = 282.778

q_cos = (Q_cos-Q_aer)/Q_c = (B*I_{g cos} - B*α*I_aero)/(B*H_i) = (I_{g cos} - α*I_aero )/H_i =

= (2698.775-1.08*282.778)/41171.21 = 0.058

Aleg q_ext = 1% ( cuprins intre 0.5 si 1.5 % )

q_ch = 0.3% ( cuprins intre 0.1 si 0.5 % )

è = 1- 0.058-0.01-0.003 = 0.929

Cum = Q_u B*H_i)

è B = Q_u *H_i) = 80000/(0.929*41171.21*10^3) = 0.002091 [m³_N/min]

B = 0.002091*3600 = 7.5276 [m³_N/s]

-pag.4-

2. Bilantul partial pe suprafete -determinarea fluxurilor de caldura transferate pe diverse zone ale cazanului (focar,drum convectiv)

Q_u = Q_F+Q_C

I_t = (1-q_ch)*H_i+α*I_aero = (1-0.003)*41171.21+1.08*282.778 = 41353.0966

Cu I_t alculate intram in diagrama de la pag.3 :

è t_t = 1930 C

Alegem t_f = 500 C (cuprins intre 450 si 550 C) si intram in diagrama de la pag.3:

è I_f = 8730.85

Q_F = (1-q_ext)*B*(I_t-I_f) = (1-0.01)*0.002091*(41353.0966-8730.85) = kW]

Q_C = Q_u-Q_F = 80-67.53098 = kW]

Q_C = (1-q_ext)*B*(I_f-I_c) è I_c = I_f - (Q_C (1-q_ext)*B)) = 2707.43385

Cu I_c alculate intram in tabelul de la pag.3 è t_c = 150.4745 C

Verificam inchiderea bilantului :

ε_t = |t_c-t_cos|*100/(t_t-t_cos) = |150-150.4745|*100/(1930-150.4745) = 0.0266 ≤ 0.5%

ε_I = |I_cos-I_c|*100/(I_t-I_cos) = |2698.775-2707.43385|*100/(41353.0966-2698.775)

= 0.5%

-pag.5-

4. Calculul termic al focarului

Calculul termic al focarului este foarte complex deoarece transferal de caldura de la flacara si gaze la apa se face prin intermediul piesei de intoarcere din focar. In cele ce urmeaza se prezinta un calcul simplificat bazat pe valori medii ale parametrilor termici si gazodinamici ce intervin in calcul.

Q_RC+Q_GF=Q_F

Dimensionarea corpului de intoarcere

Aleg Q_RC = 87.5% Q_F

q_R = 50 [ kW/m² ]

S_RC = Q_RC/q_R suprafata corpului radiant

= 0.875*Q_F/q_R = 0.875*67.53098/50 = 1.1817 m²

S_RC = π*d_c*L_f+ π*d_c²/4

Se admite ca L_f/d_c = 1.75

è d_c d_c è d_c m

L_f m

V_c = π*d_c²*L_f/4 = 0.112 m³ -- volumul camerei de ardere

S_per = π*d_c*L_f +π*d_c²/2 = 1.3293 m² -- suprafata peretilor camerei de ardere

s = 4*V_c/ S_per = 0.337 m -- grosimea stratului radiant de gaze

ψ = S_RC/S_per = 0.8889 ≤ 1 -- gradul de ecranare

Caracteristica radianta a gazelor de ardere in camera de ardere:

k_g = (0.8+1.6*p_H2O)/√(( p_H2O+ p_RO2)*10^5*s)*(1-0.38*T_mg/1000)*( p_H2O+ p_RO2) =

= (0.8+1.6*0.181)*10^5/ (0.181+0.09165)*10^5*0.337)*(1-0.38*1488/1000)* ( 0.181+0.09165) = 0.425897

T_mg = (1939+500)/2+273 = 1488 K

Coeficientul de absorbtie al gazelor de ardere din focar:

a_g = 1-℮^(-k_g*s) = 0.1337

Caracteristica radianta a flacarii:

k_fl = 1.6*T_mg/1000-0.5 = 1.8808

Coeficientul de absorbtie al flacarii:

a_fl = 1-℮^(-k_fl*s) = 0.4694

a = β*a_fl 1- β)*a_g = 0.20576

Caracteristica radianta a camerei de ardere:

a_fc = 0.82*a/(a+(1-a)* ψ*ξ) = 0.82*0.20576/(0.20576+(1-0.20576)*0.8889*0.8)

= 0.21896

-pag. 6-

Factorul de pozitie al arderii in camera de ardere:

M = a_M-b_M*h/H_f = 0.54-0.2*0.5 = 0.44

h/H_f=0.5 pentru ca arzatorul este pozitionat pe centru

La t_mg = 1215 C è I_g = 24733.64

c_p = I_g / V_g*t_mg = 24733.64/(13.049*1215 = 1.56

T*_f = T_t /

= (1930+273) (0.44*(5.67*10^(-8)*0.8*0.21896*2203^3*1.1817/((1- 0.003)*0.002091*13.049*1.56*1000))^0.6+1) = 1014.718 K

Aleg w_g = 5m/s

t_gm = (t_f^*+t_f)/2 = (500+1154.747)/2 = 827.3735 C

è d_f = √[d_c²+4*B*V_g*(t_gm+273)/(π*w_g'*273)]

= 0.43367²+4*0.002091*13.049*(827.3735+273)/(π*5*273)= 0.464855

~ 0.47m

w_g = B*V_g*(t_gm+273)/(π/4*(d_f²-d_c²)*273)

= 0.002091*13.049 π/4*(0.47^2-0.43367^2)*(827.3735+273)/273 = 4.267405m/s

ε = 11.21*10^-3*w_g^-0.6474 = 11.21*10^-3*4.267405^-0.6474 = 0.004382

l_c = d_f-d_c = 0.47-0.43367 = 0.03633 m

La t = 827.3735 è υ_g = 137.4747*10^-6 m²/s

Re = w_g*l_c/ υ_g = 1127.733 < 2300 è regim laminar

Pr = 0.5975

λ = 7.1094*10^-2 W/m²K

Nu = [49.37 1.615*(1127.733*0.5972*0.03633/(0.7589+0.3)) ^2.3-0.7)³]^1/3 = 4.77

α_c = Nu* λ/l_c = 4.77*7.1094/)100*0.03633) = 9.33

s = 0.9*(d_f-d_c) = 0.032697

T_gm = (T_f^*+T_f)/2 = 893.859 K

T_p = t_m +20+273 = 363 K

kg = (0.8+1.6*p_H2O)/√(( p_H2O+ p_RO2)*10⁵*s)*(1-0.38*T_mg/1000)*( p_H2O+ p_RO2)

= 2.07768

a_g = 1-е^-kg*s = 1-е^{-2.07768*0.032697} = 0.065678

α_r = 5.765*10^-8*(a_p+1)/2*a_g*T_gm³[(1-(T_p/T_gm)^3/6/(1-T_p/T_gm)]

= 5.765*10^-8*(0.82+1)/2*0.065678*893.859³[(1-(363/893.859)^3/6/(1-363/893.859)]

= 1.502966

α₁ = α_c + αr = 9.33+1.502966 = 10.832966

k_GF = α₁/(1+ε* α₁) = 10.832966/(1+0.004382*10.832966) = 10.342

Δt_mGF = [(t_f^*-70)-(t_f-70)]/ln[(t_f^*-70)/(t_f-70)]

= (1014.718-273-70)-(500-70)/ln[(1014.718-273-70)/(500-70)] = 541.9037

-pag.7-

Q_F = k_GF*(π*d_f*L_f)* Δt_mGF = 6276.806

T_f^*= 1014.718 è t_f^* = 741.718 C

è I_f^* = 12357.81159

I_f = I_f^* -Q_GF (1-q_ext)*B] = 9325.669

t_f = 544.6155 C

5. Calculul sistemului convectiv

Aleg Ø42x3 (d_c*δ)

w'=2.5m/s

t_gm = (t_f+t_cos)/2 = (544.6155+150.4745)/2 = 347.545

S_circ = B*V_g/w'*(t_gm+273)/273 = 0.025

n' = 4*S_circ/(π*d_i²) = 24.385 è n = 26 tevi

w = B*V_g n*π*d_i²/4)*(t_gm+273)/273 = 2.345 m/s

La t_gm = 347.545 C:

υ = 52.74157*10^-6

λ = 5.2541*10^-2

Pr = 0.650491

t_m = 70 C è t_p = 70+15 = 85C

Coeficientul de schimb de calcura prin convectie se determina utilizand relatii criteriale pentru circulatia gazelor de ardere la interiorul tevilor :

Re = 1600.472>2300

ε_o^* = 1.9

L = L_f+0.3 = 1.0589

Nu = 10.277

α_c = 14.855

Coeficientul de schimb de caldura prin radiatie se determina astfel:

T_gm = 347.545+273 = 620.545 K

s = 0.9*0.036 = 0.0324 m

k_g = 7.9879

a_g = 0.228028

T_p = 70+20+273 = 363 K

α_r = 5.883

α₁ = α_c + α_r = 15.145+5.888 = 20.735

k₁ = α₁ 1+ε* α₁) = 18.287

ε = 0.006

-pag.8-

Δt_m = 222.1057444

S_c = Q_c / k* Δt_m = 12470 18.7488*222.105) = 3.070

L_c = S_c/n*π*d_i = 0.964 m

L_f = 0.7589 m

-pag.9-