- APARATE TERMICE - CAZAN IGNITUBULAR VERTICAL CU UN DRUM SI ARZATOR ATMOSFERIC PENTRU COMBUSTIBIL GAZOS

APARATE TERMICE

CAZAN IGNITUBULAR VERTICAL CU UN DRUM SI ARZATOR ATMOSFERIC PENTRU COMBUSTIBIL GAZOS

Date de proiectare

·    555c26f     555c26f N = 3

·    555c26f     555c26f Q_u = 15 + 3 * N = 24 [kW]

·    555c26f     555c26f = 70 °C

·    555c26f     555c26f = 90 °C

Combustibilul gazos - compozitie

·    555c26f     555c26f CH₄ = 95 – 0.1 * N = 94.7 %

·    555c26f     555c26f C₂H₆ = 1.8 – 0.05 * N = 1.65 %

·    555c26f     555c26f C₃H₈ = 1.5 – 0.05 * N = 1.35 %

·    555c26f     555c26f C₄H₁₀ = 0.1 * N = 0.3 %

·    555c26f     555c26f N₂ = 0.2 + 0.1 * N = 0.5 %

·    555c26f     555c26f CO = 1.5 %

Calculul arderii combustibilului

Se determina:

a)    555c26f   Volumul theoretic de aer necesar arderii stoichiometrice (V₀) (teoretice, fara exces de aer) a unui metro cub normal de combustibil:

V₀ = 0.0476 =

= 9.7

b)    555c26f Componentele gazelor de ardere pentru arderea stoichiometrica (teoretica, fara exces de aer)

Volumul de bioxid de carbon:

·    555c26f     555c26f = 1.05

Volumul gazelor triatomice CO₂ si SO₂ (= 0 ) din gazelle de ardere se noteaza cu

·    555c26f     555c26f = + = 1.05

Volumul de azot din gazele de ardere:

·    555c26f     555c26f = 0.79 * + N₂/100 = 7.7

Volumul de vapori de apa din gazele de ardere:

·    555c26f     555c26f + 0.016 *V₀ = 2.17

Volumul teoretic de gaze de ardere fara exces de aer (α = 1)

In cazul proceselor tehnice de ardere, specifice cazanelor, pentru a se obtine cat mai putine produse de ardere inocmpleta in gazele de ardere, se utilizeaza amestecuri combustibile cu aer in exces. Astfel, daca se noteaza cu “α” coefiientul de exces de aer ca fiind raportul dintre aerul efectiv de ardere (V_a) si cel teoretic necesar arderii unitatii de combustibil (V₀), se poate alege urmatoarea valoare a coeficientului de exces de aer in focar:

·    555c26f     555c26f

-    555c26f     555c26f    Calculul arderii cu exces de aer

Volumul real de aer necesar arderii:

·    555c26f     555c26f V_a = α * V₀ = 15.6

Volumul real al gazelor de ardere:

·    555c26f     555c26f V_g = + (α – 1) * V₀ = 16.8

c)    555c26f Densitatea gazelor de ardere la stare normala

·    555c26f     555c26f = 1.3

·    555c26f     555c26f = 1 [kg/m³]

unde este masa specifica combustibilului.

Presiunea partiala a gazelor triatomice (RO₂) din gazele de ardere:

·    555c26f     555c26f = = 0.1 [bar]

Presiunea partiala a vaporilor de apa:

·    555c26f     555c26f = = 0.1 [bar]

unde p_g este presiunea absoluta a gazelor de ardere p₀ = p_g = 1 [bar]

d)    555c26f Puterea calorica inferioara a combustibilului gazos se determina cu relatia:

H_i = 126.4 * CO + 107.9*H + 229 * H₂S + 358*CH₄ + 637.3*C₂H₆ + + 912.4*C₃H₈ + 1184*C₄H₁₀ = 36730.7 [kJ/

Entalpia gazelor de ardere rezultate din arderea unitatii de combustibil (kJ

Diagrama I - t

Bilantul general al cazanului

Se calculeaza pierderile specifice de caldura:

a)    555c26f   Prin evacuarea gazelor de ardere pe cos (q_cos):

q_cos = = 0.081

Se admite (impune) o temperatura aproximativa a gazelor de ardere la cos:

·    555c26f     555c26f t_cos = = 150 [°C]

·    555c26f     555c26f t_ma = = 80 [°C]

si din diagrama “I – t” se determina I_cos.

·    555c26f     555c26f I_cos = 3392

Pentru temperatura aerului se calculeaza entalpia aeurului teoretic necesar arderii:

·    555c26f     555c26f t_aer = 20 [°C]

·    555c26f     555c26f I_{aer 0} = V₀ * c_pa * t_a = 253

b)    555c26f Prin ardere incompleta de natura chimica (q_ch):

q_ch = 0.007

c)    555c26f Prin pereti exteriori ai cazanului (q_ext):

q_ext = 0.007

Randamentul cazanului se calculeaza cu relatia:

·    555c26f     555c26f η = 1 – (q_cos + q_ch + q_ext) = 0.9

Debitul de combustibil va fi:

·    555c26f     555c26f B = = 7.22 * 10^-4 [

Bilantul partial pe suprafete

Entalpia teoretica a gazelor de ardere se calculeaza cu relatia:

·    555c26f     555c26f I_t = H_i * (1 – q_ch) + α * V₀ * c_pa * t_a = 36879

Din diagrama I – t se determina temperatura teoretica de ardere:

·    555c26f     555c26f t_t = f (I_t, α)

·    555c26f     555c26f t_t = 1405 [°C]

Se impune (alege) temperatura la iesire a gazelor de ardere din focar:

·    555c26f     555c26f t_f = 700 [°C]

Din diagrama I – t se determina entalpia gazelor de ardere la iesirea din focar:

·    555c26f     555c26f I_f = 17117

Fluxul de caldura preluat prin radiatie in focar va fi:

·    555c26f     555c26f Q_F = (1 – q_ext) * B * (I_t – I_f) = 14.2 [kW]

Fluxul de caldura preluat de sistemul convectiv va fi:

·    555c26f     555c26f Q_C = Q_U – Q_F = 9.8 [kW]

Entalpia gazelor de ardere la sfarsitul drumului convectiv este:

·    555c26f     555c26f I_c = I_f – = 3415

si din diagrama I – t rezulta temperatura:

·    555c26f     555c26f t_c = f (I_c, α)

·    555c26f     555c26f t_c = 151[°C]

Inchiderea bilantului impune:

·    555c26f     555c26f I_cI_cos si t_c t_cos

si se admit erorile relative:

·    555c26f     555c26f

·    555c26f     555c26f

Calculul focarului

Acest calcul are ca scop determinarea temperaturii finale a focarului, tinand seama de faptul ca suprafata efectiva de radiatie S_R este suprafata sectiunii corpului cazanului plus suprafata laterala a focarului. Acest lucru este evident deoarece radiatia emisa de focar spre partea superioara a camerei de ardere este integral absorbita de parte vizibila a cazanului sis sitemului convectiv, deci de intreaga sectiune a canalului de gaze.

Dimensiunile focarului

·    555c26f     555c26f h_f = 0.3 [m] – inaltimea focarului

·    555c26f     555c26f q_R = 40 [kW/m²]

·    555c26f     555c26f D = 0.3 [m] – diametrul focarului

·    555c26f     555c26f S_R = = 0.35 [m²] – suprafata efectiva de radiatie

·    555c26f     555c26f V_f = h_f = 0.0212 [m³] – volumul focarului

·    555c26f     555c26f S_per = = 0.42 [m²] – suprafata peretilor

·    555c26f     555c26f = 0.84 1 - gradul de ecranare al focarului

·    555c26f     555c26f s = 3.6 = 0.18 [m] - grosimea stratului radiant

Se calculeaza in contiunare caracteristica radianta a gazelor de ardere din focar:

·    555c26f     555c26f = 0.66

Se calculeaza coeficientul de absorbtie al gazelor de ardere din focar:

·    555c26f     555c26f a_g = 1 – = 0.11

Se calculeaza caracteristica radianta a flacarii cu relatia aproximativa:

·    555c26f     555c26f

si coeficientul de absorbtie al flacarii cu relatia:

·    555c26f     555c26f a_fl = 1 – = 0.17

Ponderea absorbtiei flacarii cu cea a mediului radiant de gaze de ardere se face dupa criterii experimentale, considerand o pondere β a partii luminoase a flacarii.

Pentru flacari putin luminoase de combustibil gazos se poate considera:

Coeficientul de absorbtie al flacarilor si gazelor de ardere este dat de relatia:

·    555c26f     555c26f a = β + a_fl + (1 – β) * a_g = 0.124

Coeficientul de murdarire asuprafetelor este:

·    555c26f     555c26f

Cu aceste valori se calculeaza caracteristica radianta a focarului:

·    555c26f     555c26f = 0.143

O alta caracteristica a focarului este factorul de pozitie a flacarii in focar:

·    555c26f     555c26f M = a_M – b_M = 0.5

unde pentru combustibil lichid sau gazos si pentru focare verticale cu flacara pe suprafata interioara:

·    555c26f     555c26f a_M = 0.54

·    555c26f     555c26f b_M = 0.2

·    555c26f     555c26f = 0.2 – inaltimea relativa a flacarii

·    555c26f     555c26f C₀ = 5.765 * 10^-8 [W/m² gr⁴]

·    555c26f     555c26f T_t = 1678 [K]

·    555c26f     555c26f t_mg = 1052.4 [°C]

·    555c26f     555c26f I_mg = 26818.8

·    555c26f     555c26f c_p = 1.52

Cu aceste date se determina temperatura de la capatul focarului:

·    555c26f     555c26f

·    555c26f     555c26f t_f = 406.1 [°C]

Calculul sistemului convectiv

Tevile sunt dispuse in interiorul cazanului.

Drumul convectiv este determinat din calculele anterioare prin urmatorii parametri:

Q_c – debitul de caldura cedat de gazele de ardere (kW);

t_f - temperatura gazelor de ardere la intrare in tevi (°C);

t_cos – temperatura gazelor de ardere la iesirea din tevi (la cos);

t_e/t_i –temperatura apei (°C).

Pentru stabiliarea sectiunii de trecere a gazelor de ardere se alege diametrul tevilor drumurilor convective din gama de tevi uzuale pentru canalele de apa calda:

·    555c26f     555c26f Φ 42x3

·    555c26f     555c26f d_i = 36 mm

Se calculeaza numarul de tevi N_t din conditia ca viteza medie a gazelor de ardere sa fie w_g = 2 [m/s].

Debitul de gaze de ardere, la temperatura medie din convectiv

t_gm = = 278.05 [°C], este:

D_g = B * V_g * = 0.02 [Nm³/s]

Sectiunea necesara de curgere:

S_c =

Numarul preliminar de tevi:

= 12.01

N_t = 12 [buc]

Se calculeaza viteza gazelor in sectiunea libera de trecere a gazelor de ardere pentru numarul final de tevi ales N_t.

w_g = = 2 [m/s]

Se determina, conf anexa 9, in functie de valoarea t_gm:

Pr = 0.8358

Re = 1141.827 < 2300

Nu = = 7.085

Lungimea L_t a tevilor se ia L_t = 10 * d_i si la acest ordin de marime de valori influenta lungimii tevii asupra lui Nu este neglijabila.

Rezulta α_C = = 12,7

Coeficientul de schimb de caldura prin radiatie se determina cu relatia:

·    555c26f     555c26f α_r = 5.765 * 10^-8* = 2.28 [W/m² K]

unde pentru coeficietul de absorbtie al peretelui de schimb de caldura se considera valoarea a_p = 0.82 (teava trasa de otel) iar pentru temperatura absoluta a peretelui tevii:

·    555c26f     555c26f T_p = t_m + 20 + 273 [K]

Coeficientul de transfer de caldura pe partea gazelor de ardere va fi:

·    555c26f     555c26f α₁ = α_C + α_r = 14.98 [W/m² K]

Coeficientul de transfer de caldura α₂ pe partra apei, este mult mai mare (de ordinul miilor de W/m² K) in comparatie cu α₁ (de ordinul zecilor de W/m² K).

In aceste conditii coeficientul global de transfer de caldura “k” este dat de relatia:

·    555c26f     555c26f k₁ = [W/m² K]

·    555c26f     555c26f   ε = 11.21 * 10^-3 * w^-0,6474 = 0,007153 m² K/W] – coeficient de murdarire

·    555c26f     555c26f 167,34 – diferenta medie de temperatura

Suprafata de schimb de caldura a convectivului cazanului va fi:

S_c = = N_t * π * d_i * L_c = 4,33 [m²]

Rezulta lungimea convectivului:

L_c = =3,19 → 4 [m]