Tính cháy nhiên liệu

CHƯƠNG 7: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LÒ NUNG

7.1. Tính cháy nhiên liệu

Ta chọn nhiên liệu để nung sản phẩm sứ vệ sinh là khí hóa lỏng LPG ( Liquidied Petrolium Gas ) vì có những ưu điểm như sau:

 Nhiên liệu sau khi đốt không có tro xỉ, nên ko ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

 Khí cháy cho ngọn lửa nhiệt độ cao, tiêu tốn lượng không khí nhỏ so với nhiên liệu rắn và lỏng.

 Dễ vận chuyển theo đường ống một cách dễ dàng.

7.1.1 Tính nhiệt trị thấp của nhiên liệu:

Bảng 7.1: Thành phần làm việc của LPG.

Thành phần C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 Tổng

[%] 1 29 69 1 100

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu được tính theo công thức:

Qt=358.2CH4+637.5C2H6 + 912.5C3H8+1186.5C4H10+1460.8C5H12

Trong đó:

Ta có nhiệt trị thấp của các khí thành phần trong nhiên liệu như sau:

Bảng 7.2: Nhiệt trị thấp của các khí trong nhiên liệu.

C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 Đơn vị 63500 91100 118600 146100 [KJ/m3]

Với thành phần nhiên liệu như trên, ta tính được nhiệt trị thấp của nhiên liệu như sau:

38 SVTH: PHẠM VĂN PHONG. LỚP 13H1

Qt =110349(KJ/m3) = 26361.44 (Kcal/m3) Với 1Kcal =4.186KJ 7.1.2 Chọn hệ số tiêu hao không khí:

Hệ số tiêu hao không khí là tỉ số giữa lượng không khí thực tế Lα và lượng lý thuyết L0 khi đốt cháy cùng 1 đơn vị nhiên liệu. Khi  > 1 thì gọi là hệ số dư không khí; khi  < 1 thì sự cháy nhiên liệu không hoàn toàn. Hệ số phụ thuộc vào phương pháp đốt và kiểu thiết bị đốt. Chọn:  = 1.05. [8]

7.1.3 Tính lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu:

• Lượng không khí khô lý thuyết được xác định theo công thức:[8]

k

Lo = 0.04762*[3.5%C2H6 + 5%C3H8 + 6.5%C4H10 + 8%C5H12] = 0.04762*[3.5%*1.00 + 5%*29.00 + 6.5%*69.00 + 8%*1.00]

= 27.4529 [m3/m3]

Với CmHn là thành phần làm việc của khí (%) Ta có nhiệt độ và độ ẩm như sau:

- Nhiệt độ môi trường làm việc : t0 = 25 oC - Độ ẩm tương đối của không khí: W = 81 %

- Khối lượng riêng của không khí ở 25oC : r = 1.181 [Kg/m3] - Áp suất làm việc: P = 750 mmHg = 750*133.332 = 99990 [N/m2] - Áp suất hơi nước bão hoà: Pbh = 0.033at =0.033*9.81*104= 3237.3

[N/m2]

• Lượng không khí ẩm lý thuyết được xác định theo công thức sau:

Lo  (1 0, 00124.dkk)Lko dkk .xo

0

. 81% *3237.3

0.622. 0.622 0.017

. 99990 1.181*3237.3

o bh o

bh

x P

P P



   

  [Kg/Kgkkk]

→ dkk .xo 1.181*0.017 0.02 [Kg/m ]3 Suy ra lượng không khí ẩm lý thuyết là:

(1 0.00124*0.02)*27.4529 27.454

Lo    [m /Kg]3

39 SVTH: PHẠM VĂN PHONG. LỚP 13H1

Vậy lượng không khí ẩm thực tế:

. 27.4529*1.05 28.83

L Lo  [m /kg]3

7.1.4 Tính lượng sản phẩm cháy và thành phần của sản phẩm cháy:

Khi tính toán ta lấy thành phần thể tích của không khí là:

N2 =79% ; O2 = 21%

Ở nhiệt độ 1162oC thì N2 hoàn toàn trơ. Do đó phản ứng cháy có dạng:

CnH2n+2 + O2 → nCO2 + (n+1)H2O

Sản phẩm cháy gồm các khí: CO2, O2, N2 và H2Ohơi được tính như sau:

• Lượng sản phẩm cháy:

Vco2 =0.01*[CO2+CO+CH4+H2S+CH4+∑ 𝑛𝐶𝑛𝐻𝑚]

Vậy:

VCO2 =0.01*[ 2*1+3*29 +4*69 + 5*1] = 3.69 [m3/m3]

VH2O= 0.01*[H2S+H2+2CH4+∑𝑚

2 𝐶𝑛𝐻𝑚+0.0016dLα ] Vậy:

VH2O =0.01*[1*3+29*4+69*5+1*6+0.0016*0.02*28.83]

= 4.7 [m3/m3]

VO2 = 0.2*(α-1)Lo = 0.275 [m3/m3]

VN2 = 0.01*(N2 + 79L) = 22.773 [m3/m3] Vậy tổng lượng sản phẩm cháy:

Vα= VCO2+ VH2O + VO2 + VN2 = 31.438 [m3/m3]

• Khối lượng sản phẩm cháy:

  4 . 22

44

2 *

2

CO CO

m V 3.69∗44

22.4 = 7.248 [Kg/Kg]

  4 . 22

18

2 *

2

O H O H

m V 4.7∗18

22.4 = 3.777 [Kg/Kg]

  4 . 22

32

2 *

2

O O

m V 0.275∗32

22.4 = 0.393 [Kg/Kg]

40 SVTH: PHẠM VĂN PHONG. LỚP 13H1

  4 . 22

28

2 *

2

N N

m V 22.773∗28

22.4 = 28.466 [Kg/Kg]

Vậy tổng khối lượng sản phẩm cháy:

mα =

CO2

m +

H O2

m +

O2

m +

N2

m = 7.248+3.777+0.393+28.466 = 39.844[Kg/Kg]

• Thành phần % của sản phẩm cháy :  

V

CO VCO .100

% 2 2 3.69∗100

31.438 =11.74%

  V

O V

H H O.100

% 2 2 4.7∗10

31.438= 14.95%

  V

O VO .100

% 2 2 0.275∗100

31.438 = 0.87%

  V

N VN .100

% 2 2 22.773∗100

31.438 = 72.44%

• Khối lượng riêng của sản phẩm cháy:

ρ = 44𝐶𝑂2+18𝐻20+64𝑆𝑂2+28𝑁2+32𝑂2

22.4 = 1.269

Sau khi tính toán ta có bảng tổng kết về cân bằng vật chất khi đốt cháy nhiên liệu được cho trong Bảng 7.3:

Bảng 7.3: Cân bằng vật chất khi đốt cháy 1 đơn vị nhiên liệu

Chất tham gia

Đơn vị

[Kg] [%]

Sản phẩm

cháy

Đơn vị

[Kg] [%]

LPG 1 2.62 CO2 7.248 11.74

H2O 3.777 14.95 O2 8.65 22.69 O2 0.393 0.87 N2 28.47 74.69 N2 28.466 72.44 Tổng 38.11 100 Tổng 39.884 100

41 SVTH: PHẠM VĂN PHONG. LỚP 13H1

Lượng O2 tham gia: VO2 = 28.83*21% *32/22.4= 8.65 (Kg) Lượng N2 tham gia: VN2 = 28.83*79% *28/22.4= 28.87 (Kg)

Kiểm tra sai số:  = 39.884−38.11

39.884 ∗ 100= 4.45 % Sai số này nhỏ hơn <5 % nên chấp nhận được.

7.1.5 Xác định hàm nhiệt và nhiệt độ cháy của nhiên liệu:

Nếu cho rằng toàn bộ lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy nhiên liệu chỉ để nung nóng sản phẩm cháy thì nhiệt độ cháy của nhiên liệu được gọi là nhiệt độ cháy lý thuyết (tlt).[10]

Hàm nhiệt của sản phẩm cháy: [8]





V

L t C t C

Ispc Qt  nl.nl  kk.kk. [Kcal/m3] Với: Qt: nhiệt trị thấp của nhiên liệu, [kcal/m3]

Vα:Lượng sản phẩm cháy tạo thành khi đốt cháy 1 đơn vị nhiên liệu [m3/m3]

Lα: lượng không khí thực tế để đốt cháy 1 đơn vị nhiên liệu [m3/Kg]

Ckk, Cnl: nhiệt dung riêng của không khí và nhiên liệu [Kcal/ m3*độ]

tkk, tnl: nhiệt độ của không khí và nhiên liệu :[oC]

Do nhiên liệu là khí hoá lỏng LPG nên không cần thiết đốt nóng sơ bộ.

Chọn nhiệt độ của nhiên liệu cũng chính là nhiệt độ của môi trường.

Nhiệt độ của không khí: tkk = 25 [oC]

Nhiệt dung riêng của không khí: Ckk = 0.240 [kcal/kgđộ]

Nhiệt dung riêng của nhiên liệu: Cnl được xác định theo công thức sau:

Cnl = C1.x1 + C2.x2 + . . . + Cn.xn

Trong đó: C1,C2...Cn : nhiệt dung riêng phân tử của các cấu tử khí ta sử dụng

x1,x2,...xn: thành phần của các cấu tử khí Bảng 7.4: Nhiệt dung riêng của các cấu tử khí

42 SVTH: PHẠM VĂN PHONG. LỚP 13H1

→Cnl = 0.550*1 + 0.576*29 + 0.549*69 + 0.471*1.00 = 0.56 [kcal/kg*độ]

Vậy: ISPC =26361.44+0.56∗26+0.24∗26∗28.83

31.438 = 844.7[Kcal/m3] Giả sử nhiệt độ cháy lý thuyết của LPG nằm trong giới hạn t1 < tlt < t2

Với t2 – t1 = 1000C . Cụ thể: t1 = 2100 [oC] và t2 = 2200 [oC]

Bảng 7.5: Hàm nhiệt của các khí:

t2 = 21000C Giá trị [Kcal/m3] t1 = 22000C Giá trị [Kcal/m3]

iCO2 = %CO2*1238.79 145.433946 iCO2 = %CO2*1305.04 153.211696 iH2O = %H2O*934.69 139.736155 iH2O = %H2O*1041.04 155.63548 iN2 = %N2*748.02 541.865688 iN2 = %N2*787.16 570.218704 iO2 = %O2*791.70 6.88779 iO2 = %O2*832.92 7.246404 i2 = iCO2+iH2O+iN2+iO2 833.923579 i1 = iCO2+iH2O +iN2 +iO2 886.312284

Từ kết quả nhận được: i1 < Ispc < i2. Ta thấy việc chọn : 2100oC < tlt <

2200oC là phù hợp. Khi đó, tlt được tính như sau:

2 1 1

1 2

1 (t t ) t

i i

i

tlt Ispc  



 

= 844.7−833.92

886.31−833.92 *(2200-2100)+2100= 2120.6 [0C]

Nhiệt độ cháy thực tế của lò:

tt lt. tt

t t  = 2120.6*0.7 = 1484.42 [oC]

Với tt = 0.7 Hệ số tổn thất hàm nhiệt của sản phẩm cháy.