Mainski fakultet Sarajevo Katedra za energetiku

KOTLOVI I PEII projektni zadatak: I t dijagram kolska godina: 2009./10.

Ime i prezime:____________________ Broj indeksa:___________ ________________________________________ Pregledao: V. ass. mr Nihad Hodi, dipl.ing. Sarajevo; 01.10.2009.

1

I projektni zadatak: I t dijagramMjeavina ugljeva: Kakanj-Breza-Zenica (Moanica) u masenom omjeru 70:20:10, ima sljedei elementarni sastav: c=0,3532 h=0,0245 s=0,0051 1. a) b) c) n=0,0080 o=0,1080 w=0,1200

a=0,3812

Izraunati: Gornju (H g ) i donju (H d ) toplotnu mo datog goriva, Teorijsku koliinu kiseonika i vazduha potrebnu za sagorijevanje, Stvarnu koliinu vazduha potrebnu za sagorijevanje, ako se sagorijevanje odvija uz koeficijent vika vazduha = 1,10 , kraj loita kl = 1,13 , kraj kotla kk = 1,30 d) Minimalnu koliinu suhih i vlanih produkata sagorijevanja, e) Stvarnu koliinu produkata sagorijevanja kao pod takom c).

2. Izraunati entalpiju minimalne koliine vazduha i entalpije produkata sagorijevanja po 1 kg goriva. Proraun obaviti u podruju temperatura t=[0, 2000] C i to sa korakom t=100 C za interval t=[0, 400] C odnosno t=200 C za interval t=[400, 2000] C) i, kada je rije o produktima, za vrijednosti koeficijenta vika vazduha =[1, 2] i korakom =0,1. Rezultate prikazati tabelarno i u formi dijagrama. 3. Na I t dijagramu, (taka 2), pokazati adijabatsku (teorijsku) temperaturu produkata sagorijevanja t F0 , i to za tri razliite vrijednosti koeficijenta vika vazduha:

t L = 0 [C ] .

= (1,0; 1,1; 1,25 ) . Pri ovome usvojiti da je temperatura vazduha na ulazu u loite

( )

4. Izraunati adijabatsku temperaturu produkata za sluaj da u loite ulazi vazduh temperature t L = 330 [C ] , i da se sagorijevanje odvija uz koeficijent vika vazduha zadat pod takom 1.c). Dobijeni rezultat provjeriti grafikom metodom ( I t dijagram). Uputa: Projektni zadatak uraditi na listovima formata A4. I t dijagram nacrtati najmanje na A3 formatu, po mogunosti na milimetarskom papiru. Zadatak izdao: V. ass. mr Nihad Hodi, dipl.ing. Sarajevo; 01.10.2009.

2

1. Karakteristike goriva Tip goriva

Mjeavina ugljeva: Kakanj-Breza-Zenica (PK Moanica) u masenom odnosu 70:20:10 elementarni sastav, Tabela 1: Tabela 1. c h s n o w a 0,3532 0,0245 0,0051 0,0080 0,1080 0,1200 0,3812 Napomena: Ukoliko suma svih komponenti, koje ine sastav goriva, prelazi jedan, vri se oduzimanje vrijednosti od komponenti sa veim udjelom u sastavu goriva dok suma ne bude jednaka jedinici tako e se napraviti najmanja relativna greka u proraunu.a) Toplotna mo goriva

Gornja toplotna mo:

o MJ H g = 34c + 142 h + 10,5 s 8 kg MJ H g = 13,624 kg

Donja toplotna mo:

MJ H d = H g 2,5(9 h + w ) kg MJ H d = 12,773 kg

b) Teorijska koliina kiseonika i vazduha potrebna za sagorijevanje

Minimalno potrebna (teorijska) koliina kiseonika za sagorijevanje:o VO2 min = 1,867c + 5,6 h + 0,7 s 8 m3 VO2 min = 0,7246 n kg m3 n kg

Minimalno potrebna (teorijska) koliina vazduha za sagorijevanje: VL min = VL min VO2 min m3 n 0,21 kg m3 = 3,4504 n kg

3

c) Stvarna koliina vazduha pri sagorijevanju

Stvarna koliina vazduha koju treba dovesti jedinici mase goriva vea je od teoretske: m3 VL = VL min n kg

VL >1 VL min Stvarna koliina vazduha potrebna za sagorijevanje, Tabela 2:

Koeficijent vika vazduha pri sagorijevanju: =

Tabela 2.

[]1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

m3 VL n kg 3,4504 3,7955 4,1405 4,4856 4,8306 5,1757 5,5207 5,8658 6,2108 6,5559 6,9009

Stvarna koliina vazduha pri sagorijevanju na odreenom mjestu u kotlu, Tabela 3: Koeficijent vika vazduha, [] Kraj loita 1,13 3,8990 Tabela 3. Kraj kotla 1,30 4,4856

Ulaz u loite 1,10 m3 VL n kg 3,7955

d) Minimalna koliina suhih i vlanih produkata sagorijevanja

Teoretska koliina suhih produkata sagorijevanja: m3 VRSt = 1,867 c + 0,7 s + 0,8 n + 0,79VL min n kg 3 m VRSt = 3,3953 n kg

4

Teoretska koliina vlanih produkata sagorijevanja: m3 VRWt = VRSt + VH 2O = VRSt + 11,2 h + 1,24 w n kg m3 VRWt = 3,8185 n kg

e) Stvarna koliina produkata sagorijevanja

Stvarna koliina suhih produkata sagorijevanja se izraunava na osnovu relacije:

VRS = VRSt + ( 1)VL mina rezultati su dati u Tabeli 4: Tabela 4.

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

m3 VRS n kg 3,3952 3,7403 4,0853 4,4304 4,7754 5,1205 5,4655 5,8106 6,1556 6,5007 6,8457

Stvarna koliina suhih produkata sagorijevanja na odreenom mjestu u kotlu, Tabela 5: Koeficijent vika vazduha, [] Kraj loita 1,13 3,8438 Tabela 5. Kraj kotla 1,30 4,4304

Ulaz u loite 1,10 m3 VRS n kg 3,7403

5

Stvarna koliina vlanih produkata sagorijevanja: VRW = VRWt + ( 1)VL min , Tabela 6: Tabela 6.

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

m3 VRW n kg 3,8184 4,1635 4,5085 4,8536 5,1986 5,5437 5,8887 6,2338 6,5788 6,9239 7,2689

Stvarna koliina vlanih produkata sagorijevanja na odreenom mjestu u kotlu, Tabela 7: Koeficijent vika vazduha, [] Ulaz u loite Kraj loita 1,10 1,13 m3 VRW n kg 4,1635 4,2670 Tabela 7. Kraj kotla 1,30 4,8536

Tabelarni i grafiki prikaz koliine vazduha i produkata sagorijevanja, Tabela 8. i Dijagram 1. Posmatran je interval vika vazduha od [1,0 2,0] sa korakom = 0,1 . Tabela 8.

[]1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

m3 VL n kg 3,4505 3,7955 4,1405 4,4856 4,8306 5,1757 5,5207 5,8658 6,2108 6,5559 6,9009

m3 VRS n kg 3,3952 3,7403 4,0853 4,4304 4,7754 5,1205 5,4655 5,8106 6,1556 6,5007 6,8457

m3 VRW n kg 3,8184 4,1635 4,5085 4,8536 5,1986 5,5437 5,8887 6,2338 6,5788 6,9239 7,2689

6

8 V L, V RS , V RW [Nm3/kg] 7 6 5 4 3 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 Dijagram 1. Prikaz koliine vazduha i produkata sagorijevanja 1 1,1 1,2 1,3 1,4VL VRS VRW

Volumetrijska uea komponenti u produkatima sagorijevanja, Tabela 9, Tabela 9a, Tabela 9b i Dijagram 2: Tabela 9.

m3 n Volumetrijska uea komponenti u produktima sagorijevanja, 3 mn Suhi produkti sagorijevanja Vlani produkti sagorijevanja V V (CO2 )S = CO2 = 1,867c (CO2 )W = CO2 = 1,867c VRS VRS VRW VRW

(SO2 )S (O2 )S (N 2 )S=

=

VSO2 VRS = =

=

VO2 VRS VN 2 VRS

0,21( 1)VL min VRS 0,8 n + 0,79VL min VRS

0,7 s VRS

(SO2 )W (O2 )W (N 2 )W=

=

VSO2 VRW =

=

VO2 VRW VN 2 VRW =

0,21( 1)VL min VRW 0,8 n + 0,79VL min VRW = 11,2 h + 1,24 w VRW

0,7 s VRW

=

=

=

(H 2O )W []

VH 2O VRW

(CO2 )S19,42 17,63 16,14 14,88 13,81 12,88 12,07 11,35 10,71 10,14 9,63

(CO2 )W17,27 15,84 14,63 13,59 12,68 11,90 11,20 10,58 10,02 9,52 9,07

(O2 )S0,00 1,94 3,55 4,91 6,07 7,08 7,95 8,73 9,42 10,03 10,58

(O2 )W0,00 1,74 3,21 4,48 5,58 6,54 7,38 8,14 8,81 9,42 9,97

(SO2 )S0,11 0,10 0,09 0,08 0,07 0,07 0,07 0,06 0,06 0,05 0,05

(SO2 )W0,09 0,09 0,08 0,07 0,07 0,06 0,06 0,06 0,05 0,05 0,05

(N 2 )S80,47 80,34 80,22 80,13 80,05 79,98 79,91 79,86 79,81 79,77 79,73

(N 2 )W71,55 72,17 72,69 73,14 73,53 73,87 74,17 74,44 74,68 74,89 75,09

Tabela 9a, [%]

(H 2O )W11,10 10,18 9,40 8,73 8,15 7,64 7,19 6,80 6,44 6,12 5,83

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

7

[]

(CO2 )S17,63 17,16 14,8825,00%

(CO2 )W15,84 15,45 13,59

(O2 )S1,94 2,45 4,91

(O2 )W1,74 2,21 4,48

(SO2 )S0,10 0,09 0,08

(SO2 )W0,09 0,08 0,07

(N 2 )S80,34 80,30 80,13

(N 2 )W72,17 72,34 73,14

Tabela 9b, [%]

(H 2O )W10,18 9,93 8,73

1,1 1,13 1,3

[CO2]S

[CO2]s; [CO2]w; [H2O]; [O2]s; [O2]w

[CO2]W

20,00%

[H2O]W [O2]S [O2]W [SO2]S [SO2]W

15,00%

10,00%

5,00%

0,00%

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2

Dijagram 2. Volumetrijska uea komponenti u produktima sagorijevanja2) Proraun entalpije produkata sagorijevanja

Entalpija produkata sagorijevanja koji su nastali potpunim sagorijevanjem 1 kg goriva se izraunava pomou obrasca: I=

Vi =1

n

RWi i RWi

=t

Vi =1

n

RWi c pRWi

kJ kg

a rezultati su predstavljeni u Tabeli 10. Definicija: Najvia temperatura koju mogu imati produkti sagorijevanja u loitu je teorijska ili adijabatska. To je ona tempratura koju bi imali produkti sagorijevanja ako bi se sva energija osloboena sagorijevanjem goriva prenijela iskljuivo na produkte sagorijevanja, (nema razmjene toplote sa okolinom ogrjevnim povrinama). Ovoj temperaturi odgovara entalpija I F0 . Napomena: Vrijednosti iRWi vadimo iz tab.1 koja se nalazi u dodatku.

8

Tabela 10. kJ I kg Temperatura Komponenta 0,1VLminiL

VRWi

i RWi

VRWi i RWi

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

CO2H 2O100

0,659 0,423 0,004 2,732 0,659 0,423 0,004 2,732

170,03 150,52 181,37 130,04 4844,13 3925,54 4768,77 2977,65

112,12531,8 577,5 623,2 668,9 714,5 760,2 805,9 851,6 897,3 943,0 22528,3

SO2

0,65 355,30 531,77 3194,34 1661,29 17,02 8135,70 13008,35

2000

N2

CO2 H 2O SO 2

13008,4

14066,1

15123,9

16181,7

17239,4

18297,2

19355,0

20412,7

21470,5

N2

Na osnovu izraunatih vrijednosti entalpija konstruie se I t dijagram, Dijagram 3, odakle se oitava adijabatska (teorijska) temperatura produkata sagorijevanja i to za tri razliite vrijednosti koeficijenta vika vazduha: = 1,0 ; = 1,1 i = 1,25 . Veza izmeu te entalpije i teorijske temperature je:I F0 = t F0

Vi =1

n

RWi c pRWi

(t ) = F0

F Hd

kJ + VL min i L kg

pri emu su:

F [] - stepen iskoritenja loita, kJ i L - entalpija vazduha za sagorijevanje na ulazu u loite. kg

Za sluaj da ja temperatura vazduha na ulazu u loite 0 C slijedi da je i njegova kJ entalpija, takoe, jednaka nuli, tj.: i L = t L c pL = 0 . Tada je adijabatska entalpija kg (uneena energija u loite) jednaka, uz pretpostavku da je stepen korisnosti loita jednak jedinici, donjoj toplotnoj moi koritenog goriva: kJ I F0 = H d = 12773,1 kg

23586,09

1057,8

988,7

63,7045,7

I-t dijagram

30000

4500

4000

25000

3500

3000

2500

=1,0 =1,1 =1,2 =1,3 =1,4 =1,50 100 200 300 400

2000

20000

1500

1000

500 0

I kJ/kg

15000

=1,6 =1,7 =1,8 =1,9 =2,0 Hd

10000

5000

0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 t C

0

100

Dijagram 3. I t dijagram

10

Iz Dijagrama 3. se mogu oitati vrijednosti adijabatskih temperatura za razliite vrijednosti koeficijenta vika vazduha, Tabela 11: Tabela 11. kJ []I F0 = H d = 127731 , kg

t F0 [C ]

1,0 1967,3

1,1 1833,6

1,25 1666,7

Napomena: Ako neko eli tane vrijednosti, one se mogu dobiti i matematikim putem, vri se iterpolacija vrijednosti koje smo dobili za crtanje I-t dijagrama za poznate IF0 i i dobijemo traene temperature t F0.Proraun adijabatske temperature za sluaj predgrijavanja vazduha: t L = 330 [C ]

Za sluaj predgrijavanja vazduha za sagorijevanje uneena energija u loite se, kako je ranije naznaeno izraunava na osnovu obrasca:I F0 = t F0

Vi =1

n

RWi c pRWi

(t ) = F0

F Hd

kJ + VL min i L kg

Ovdje su poznate sljedee veliine:

Pretpostavljeni stepen iskoritenja loita: F = 1 kJ Donja toplotna mo goriva: H d = 12773,1 kg Koeficijent vika vazduha na ulazu u loite: = 1,1 m3 Minimalno potrebna koliina vazduha za sagorijevanje: VL min = 3,4504 n kg kJ Srednja specifina toplota predgrijanog vazduha: c pL = 1,3458 3 mn K kJ odnosno njegova entalpija: i L = 445,86 3 . mn kJ Ukupno uneena energija (entalpija) u loite: I F0 = 14465,4 kg

Nadalje se iterativnim postupkom odreuje vrijednost adijabatske temperature iz relacije:

t F0 =

F H d + VL min i L

Vi =1

n

RWi c pRWi

(t )F0

[C ]

11

Prva iteracija: Pretpostavljena adijabatska temperatura: t F0 = 2200 [C ] . Iz tablica za specifinu toplotu komponenti dimnih gasova se, za pretpostavljenu vrijednost adijabatske temperature, oitavaju Tabela 12: Tabela 12. CO2 SO2 H 2O N2 L kJ c pRWi 3 2,4484 2,4158 2,0009 1,5018 1,5462 mn K Uvrtavajui sve poznate vrijednosti u relaciju za izraunavanje adijabatske temperature dobija se: t F0 = 2035,44 [C ] Druga iteracija: Sada je pretpostavljena vrijednost adijabatske temperature: t F0 = 2040 [C ] . Na slian nain odreujemo, prvo vrijednosti specifinih toplota komponenti dimnih gasova za novu vrijednost adijabatske temperature, Tabela 13: Tabela 13. CO2 SO 2 H 2O N2 L kJ c pRWi 3 2,4274 2,3890 1,9704 1,4914 1,53548 mn K a potom i novu vrijednost adijabatske temperature: t F0 = 2052,47 [C ] .

Trea iteracija: U ovoj iteracije je pretpostavljena adijabatska temperatura: t F0 = 2051 [C ] . Ponavljajui postupak za novu vrijednost adijabatske temperature dobija se: Tabela 14.

12