Расчет и обоснование безопасной работы топочного устройства (стр. 1 )

РАСЧЕТ И ОБОСНОВАНИЕ

БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ

ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА

Методические указания

к курсовой работе

Составитель

Томск 2013

Расчет и обоснование безопасной работы топочного устройства: методические указания к курсовой работе / Сост. . – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2013. – 39 с.

Рецензент доцент кафедры ОТ и ОС

Редактор к. х.н., доцент кафедры ОТ и ОС

Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теория горения и взрыва» для студентов направления подготовки бакалавров 280700 «Техносферная безопасность» всех форм обучения.

Рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры охраны труда и окружающей среды. Протокол № 10 от 01.01.01 г.

Срок действия с 01.09.13

до 01.09.18

Оригинал-макет подготовлен автором.

Подписано в печать 24.05.13.

Формат 60х90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс.

Уч.-изд. л. 2,05. Тираж 20 экз. Заказ № .

Изд-во ТГАСУ, г. Томск, пл. Соляная, 2.

Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.

5

ОГЛАВЛЕНИЕ

	Введение ………………………………………………………………...	4
1.	Цели и задачи курсовой работы ….........................................................	5
2.	Задание и выбор исходных данных.......................................................	7
2.1.	Организация курсового проектирования ……………........................	7
2.2.	Исходные данные к работе ……….......................................................	7
2.3.	Пояснительная записка.........................................................................	8
3.	Характеристика и работа топочного устройства …………………….	10
3.1.	Конструкция топочных устройств ……………..................................	10
3.2.	Характеристика используемого газового топлива.............................	12
3.3.	Тепловая мощность топочного устройства и расход газа.................	12
3.4.	Конструкция горелки ...........….............................................................	13
3.5.	Подбор горелки...........…......................................................................	15
4.	Горение газообразного топлива …..........................................................	17
4.1.	Количество воздуха, необходимого на горение ………………….....	17
4.2.	Образующиеся при горении объемы и состав продуктов сгорания	19
5.	Максимальная нормальная скорость горения газовоздушной смеси	20
6.	Расчет концентрационных пределов воспламенения газовоздушной смеси ……………………………………………………………………..	23
6.1.	Концентрационные пределы воспламенения …….............................	23
6.2.	Расчет концентрационных пределов воспламенения в топочном устройстве ……......................................................................................	24
7.	Энергия и мощность взрыва газовоздушной смеси ………………….	27
7.1.	Взрывное горение …….........................................................................	27
7.2.	Расчет энергии и мощности химического взрыва.............................	27
8.	Предохранение оборудования от взрывов .............................................	29
	Список рекомендуемой литературы .........................................................	33
	ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Образец индивидуального задания ……………….	34
	ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Образец титульного листа ………………………….	36
	ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Расчетные характеристики природных газов ……	37
	ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Технические характеристики газовых низконапорных горелок типа ГНП с короткофакельным наконечником и принудительной подачей воздуха …………………………………..…	39

ВВЕДЕНИЕ

Область профессиональной деятельности бакалавров по направлению подготовки 280700 «Техносферная безопасность» включает в себя обеспечение безопасности человека в современном мире, формирование комфортной для деятельности человека техносферы, минимизацию техногенного воздействия на природную среду, сохранение жизни и здоровья человека за счет правильно спроектированного технологического оборудования и обоснования его безопасной работы.

Объектами профессиональной деятельности бакалавров являются человек и опасные факторы, связанные с человеческой деятельностью. Особую роль в технологиях различных производств играют процессы горения веществ и различные взрывы. Рассматривая эти процессы, следует отметить, что их основой являются химические реакции окисления веществ при высоких температурах, причем эти реакции протекают в сложных условиях в сочетании с рядом физических процессов, накладывающихся на основной химический процесс. Важное значение имеют вопросы управления процессами горения и взрыва на производстве и разработка мер защиты человека и окружающей среды от возможных воздействий при возникновении аварийных ситуаций.

Настоящее пособие предназначено для студентов по направлению подготовки бакалавров всех форм обучения 280700 «Техносферная безопасность». Выполнение курсовой работы является одним из этапов подготовки бакалавра по вопросам обеспечения безопасности человека на производстве и минимизации техногенного воздействия на природную среду. В основу данных методических указаний легли требования федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по данному направлению и программы дисциплины «Теория горения и взрыва».

Рекомендации и положения в пособии нельзя рассматривать как незыблемый стандарт, они являются лишь примером и основой для правильного выполнения курсовой работы.

Курсовому проектированию должно предшествовать ознакомление студента с литературой [1] по данной дисциплине.

В пособии даются последовательность выполнения разделов курсовой работы, состав, объем и требования к оформлению пояснительной записки. Выполнению курсовой работы предшествует выдача индивидуального задания, в котором указываются исходные данные для проектирования.

1. Цели и задачи КУРСОВОЙ работы

Целью выполнения курсовой работы является развитие умений работать самостоятельно, закрепление, углубление и обобщение знаний, получаемых студентами при изучении дисциплины «Теория горения и взрыва», приобретение способности ориентироваться в основных методах и системах обеспечения техносферной безопасности.

Задачей курсовой работы является разработка вопросов по обоснованию безопасной работы топочного устройства, работающего на газообразном топливе.

Выполнение курсовой работы направлено на подготовку студентов по видам профессиональной деятельности: проектно-конструкторской, сервисно-эксплуатационной и научно-исследовательской. В процессе выполнения курсовой работы формируются следующие, предусмотренные Федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС-3), общекультурные (ОК) и профессиональные (ПК) компетенции:

ОК-7 – владение культурой безопасности и риск-ориентированным мышлением, при котором вопросы безопасности и сохранения окружающей среды рассматриваются в качестве важнейших приоритетов в жизни и деятельности;

ОК-8 − способность работать самостоятельно;

ОК-11 − способность использовать законы и методы математики, естественных, гуманитарных и экономических наук при решении профессиональных задач;

ПК-8 − способность ориентироваться в основных методах и системах обеспечения техносферной безопасности, обоснованно выбирать известные устройства, системы и методы защиты человека и природной среды от опасностей;

ПК-12 − готовность использовать знания по организации охраны труда, охраны окружающей среды и безопасности в чрезвычайных ситуациях на объектах экономики;

ПК-17 − способность определять опасные, чрезвычайно опасные зоны, зоны приемлемого риска.

Работа над курсовой работой способствует приобретению студентом:

Знаний: Процессов и явлений, сопровождающих горение и взрывы веществ.

Умений: Ориентироваться в основных методах и системах обеспечения техносферной безопасности, выбирать известные устройства, системы и методы защиты человека и природной среды от опасностей и обосновывать их применение.

Навыков: Самостоятельного решения вопросов безопасности. Владения культурой безопасности и риск-ориентирован-ным мышлением, когда вопросы безопасности рассматриваются в качестве важнейших приоритетов в жизни и деятельности.

В процессе выполнения курсовой работы и ее защиты выявляется уровень подготовки студента принимать и обосновывать технические решения по обеспечению безопасной работы оборудования и производственных процессов.

2. ЗАДАНИЕ И ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

2.1. Организация курсового проектирования

Студенты получают индивидуальное задание у преподавателя и выполняют курсовую работу в строго отведенное деканатом факультета время. После выполнения курсовой работы, проверки ее преподавателем, студент должен ее защитить.

В процессе выполнения курсовой работы студенты имеют возможность консультироваться у преподавателя как лично, так и с использованием других средств: по электронной почте *****@***ru или телефону кафедры охраны труда и окружающей среды (382

После написания пояснительной записки по курсовой работе студент еще раз проверяет правильность расчетов и в сшитом виде сдает ее на проверку преподавателю. Курсовая работа проверяется преподавателем, при необходимости делаются замечания, и затем передается студенту. После устранения замечаний проводится защита курсовой работы в специально отведенное для этого время.

Курсовая работа, выполненная студентом не по своему индивидуальному заданию, не рассматривается!

2.2. Исходные данные к работе

Для выполнения курсовой работы студентам выдается индивидуальное задание. Форма задания приведена в прил. 1.

В индивидуальном задании должны быть заданы следующие исходные данные:

− данные по газовому топливу (название газопровода);

− внутренние размеры топочного устройства (глубина, ширина, высота);

− тепловая мощность топочного устройства;

− КПД топочного устройства;

− температура газового топлива перед горелкой.

Дополнительные данные для расчетов берутся из настоящих указаний.

2.3. Пояснительная записка

Курсовая работа выполняется в виде пояснительной записки с необходимыми расчетами, схемами, таблицами и рисунками, поясняющими содержание текста. Объем пояснительной записки должен составлять 20-25 листов формата А4 на одной стороне листа. Текст в записке должен быть машинописным.

Применение вычислительной техники при выполнении курсовой работы является необходимым и обязательным для всех студентов.

Пояснительная записка должна начинаться с титульного листа, форма которого приведена в прил. 2.

Пояснительная записка в краткой, четкой и ясной форме должна раскрывать замысел курсовой работы, содержать методы исследований и сами расчеты, доказательства и анализ полученных результатов и выводы. Текст должен дополняться в необходимых местах иллюстрациями (рисунками, схемами, эскизами). Курсовую работу следует писать в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32−2001 [2].

Текст пояснительной записки должен быть набран на компьютере в едином стиле через один или полтора межстрочных интервала, кегль 12−14. Поля на листе формата А4 должны быть: левое – 25 мм.; правое – 15 мм.; верхнее – 20 мм.; нижнее – 20 мм. Абзацные отступы – 1 см.

Пояснительную записку следует писать грамотно, четко, техническим языком. Изложение содержания работы должно быть сделано от третьего лица. Все физические приложения нужно отражать кратко и понятно. Приводимые расчеты и данные к ним должны сопровождаться краткими пояснениями и ссылками на литературу. При использовании какого-либо метода расчета формулы приводятся в буквенном выражении, а затем в цифровом; результаты вычислений указываются с размерностями полученных величин. Точность вычислений должна соответствовать 3–4 значащим цифрам. Многократно повторяющиеся расчеты приводятся только один раз, а результаты должны быть сведены в таблицу. Таблицы и рисунки должны иметь заголовки и порядковые номера.

Необходимые рисунки и эскизы приводятся на отдельных страницах по ходу написания пояснительной записки и в тексте на них должны быть сделаны ссылки. На рисунках и эскизах должны быть проставлены размеры, которые были определены при расчетах или взяты из справочной литературы.

Перенос слов в заголовках не допускается, точку в конце заголовка не ставят.

Листы записки должны иметь сквозную нумерацию, включая титульный лист. Номера страниц на титульном листе и на задании не ставятся, но они при счете страниц учитываются.

При написании пояснительной записки студент использует справочные и другие источники, на которые должны быть обязательно даны ссылки. Список литературы, использованной студентом при выполнении курсовой работы, должен быть приведен в конце пояснительной записки строго в соответствии с требованиями ГОСТ 7.1−2003 [3]. Примером может служить «Список рекомендуемой литературы», приведенный в конце данных методических указаний.

3. ХАРАКТЕРИСТИКА И РАБОТА

ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА

3.1. Конструкция топочных устройств

Эксплуатация технологических и огнетехнических установок (топок, котлов, печей, сушилок и т. п.) связана с сжиганием в их топочном объеме различных видов топлива, что приводит к повышенной пожаро - и взрывоопасности оборудования. Правильно спроектированное теплотехническое оборудование позволяет избежать нештатных ситуаций, повысить надежность эксплуатации и безопасность его работы.

В различных технологических процессах и оборудовании широко используются горючие газы и легковоспламеняющиеся жидкости, которые при определенных условиях могут создавать взрывоопасные смеси. Образование взрывоопасной газовоздушной смеси может иметь место при утечках газа, неправильной работе горелок и форсунок, подтекании жидкого топлива, погасании пламени горелок в процессе эксплуатации, при неправильно выбранных технологических режимах и др. Взрывоопасная смесь может образоваться внутри топочной камеры, в здании газовой котельной, здании газорегулирующего пункта и других помещениях.

Аварии на установках, где сжигается газообразное или жидкое топливо, технологическом и теплосиловом оборудовании обычно имеют тяжелые последствия. Это связано с высокими температурами и давлениями теплоносителей, а также наличием взрывопожароопасных газов, жидкостей и их смесей с воздухом.

Наиболее часто топочная камера представляет собой прямоугольный параллелепипед или удлиненный цилиндр. Эскиз камеры в виде прямоугольного параллелепипеда изображен на рис. 1.

 

Рис. 1. Эскиз топочной камеры:

1 – горелочное устройство; 2 – топочная камера; 3 – факел;

4 – канал для отвода продуктов сгорания

На фронтальной стенке топочного устройства через горелку 1 (к установке может быть принято несколько однотипных горелок) подают газовое топливо и воздух на горение. Если горелка одна, то ее обычно устанавливают посередине фронтальной стены на высоте 1/3 от пода (низа) топочной камеры. Если горелок 2 и более, то здесь конструктор должен обосновать места установки горелок на фронтальной стене. Образовавшиеся при горении горячие продукты сгорания отводятся через дымовой канал 4, сделанный в верхней части задней стенки топочной камеры.

При сжигании газового топлива в топочной камере образуется факел 3, представляющий собой мощный источник тепловой энергии излучением. Тепловая энергия химических реакций при горении топлива передается излучением внутренним стенкам топочной камеры и идет на нагрев продуктов сгорания. В дальнейшем часть этой тепловой энергии полезно используется в различных технологических процессах: получение горячей воды и пара, нагрев металла, сушка материалов и т. п. Часть энергии теряется через стенки в окружающую среду, выбрасывается в атмосферу с дымовыми газами и рассеивается вместе с другими потерями.

3.2. Характеристики используемого газового топлива

В промышленности и быту широко применяется в качестве топлива природный газ. Это вызвано значительными преимуществами газового топлива перед другими видами: высокой теплотворной способностью, простотой и удобством сжигания, возможностью полной автоматизации процесса сжигания, малыми вредными выбросами в окружающую среду и т. п.

С основными характеристиками газовых топлив можно ознакомиться в справочной или учебной литературе [1,4,5]. К этим характеристикам следует отнести: объемную долю каждого газа, входящего в смесь, в процентах; низшую теплоту сгорания ; плотность газа . Для некоторых природных газов они приведены в прил. 3, из которого студенту необходимо по своим исходным данным выбрать основные характеристики газового топлива.

3.3. Тепловая мощность топочного устройства и расход газа

При сжигании топлива в топочном устройстве его химическая энергия переходит в полезную тепловую, а часть рассеивается. Тепловая мощность устройства может быть определена по формуле, кВт,

, (1)

где – объемный расход газового топлива, подаваемого в топочное устройство, при нормальных физических условиях (давление 101300 Па и температура 273 К. Таким образом, 1 м3 газа берется при этих условиях и обозначается 1 нм3), нм3/с;

– низшая теплота сгорания сухого газового топлива (прил. 3), кДж/нм3.

Полученная в топочном устройстве тепловая энергия частично расходуется на полезные нужды в количестве , остальная часть может оказаться тепловыми потерями в зависимости от назначения теплового агрегата. Тогда можно записать формулу для расчета полезной тепловой мощности топочного устройства, кВт,

, (2)

где – КПД топочного устройства.

Формула (2) устанавливает связь между объемным расходом газового топлива при нормальных условиях и тепловой мощностью топочного устройства. По этой формуле может быть найден общий расход газового топлива в топочном устройстве при нормальных условиях.

3.4. Конструкция горелки

Сжигание газового топлива осуществляется через горелочные устройства – горелки. При большой мощности топочного устройства на его фронтальной стенке может быть установлено и использовано одновременно несколько однотипных газовых горелок.

Широкое применение на практике нашли газовые горелки турбулентного смешения с принудительной подачей воздуха типа ГНП (горелка низконапорная прямоточная). Эскиз такой горелки показан на рис. 2.

Рис. 2. Горелка ГНП конструкции Теплопроекта:

1 – насадок; 2 – корпус; 3 – газораспределительное устройство;

4 – наконечник; 5 – завихритель

Горелка состоит из чугунного литого корпуса 2, к которому прикреплен насадок 1, газораспределительного устройства 3, завихрителя лопаточного типа 5. Насадок 1 является одновременно смесительной камерой (смешиваются газ с воздухом) и устройством для крепления горелки к фронтальной стенке топочного устройства.

Такие горелки применяют в практике сжигания всех ви­дов горючих газов, в том числе и природных, так как они позволяют создавать факел различной длины, формы и светимости. Они могут применяться для агрегатов малой и большой тепловой мощности, для топок с раз­режением и противодавлением, работать на холодном и подогретом воздухе и легко компонуются с устройствами для сжигания жид­кого и твердого пылевидного топлива.

Горелки типа ГНП работают по принципу механического струйного смешения газа с воздуха. Поэтому место и степень завершения смешения, а также все характеристики пла­мени зависят от конструктивных особенностей горелок.

Горелки имеют широкий диапазон регулирования тепловой мощности и могут работать на нагретом до 400 °С воздухе. Для получения пламени разной длины и светимости горелки ГНП оборудуются много - или одноструйными соплами и лопатками 5 для закрутки воздуха.

Основные характеристики горелок ГНП приведены в прил. 4.

3.5. Подбор горелки

При проектировании топочных устройств подбор газовых горелок производится по справочникам, отраслевым нормалям и каталогам. Проводится это с учетом тепловой мощ­ности горелки, пределов регулирования, располагаемых давлений газа и воздуха, режимов теплообмена и т. п. Связано это с тем, что теоретический расчет газовых горелок является весьма сложным и трудоемким, т. к. должен проводиться с учетом одновременно протекающих процессов смешения, горения и теплообмена. Подобранные для установки горелки должны обеспечивать высокую эффективность сжигания газо­вого топлива с минимальным выбросом в окружающую среду вредных компонентов в продуктах сгорания.

Выбор горелок осуществляется, исходя из предъявляемых к ним требований:

– создание достаточно равномерного поля температур по всему топочному объему;

– сжигание газа с минимальным избытком подаваемого на горение воздуха;

– устойчивость работы при различных тепловых режимах.

Исходными данными для подбора горелки (или горелок) являются: расход газа, давление и температура газа перед горелкой, другие параметры.

Для подбора горелки (горелок) определим объемный расход газа при заданной его температуре и давлении перед топочной камерой, м3/с,

. (3)

При расчетах давление газового топлива можно принять равным, Па:

, (4)

где − номинальное избыточное давление газа перед горелкой (прил. 4), Па.

По найденному объемному расходу газа через горелочное устройство можно по прил. 4 подобрать требуемую горелку. Для оптимальной работы горелки рассчитанный расход газа по формуле (3) должен превышать номинальный расход газа по прил. 4. Если рассчитанный по формуле (3) расход газа будет больше, чем номинальный расход газа по прил. 4 для самой большой горелки, к установке следует принять две (или более) горелки одного типа и одной мощности. При подборе горелки (горелок) следует учесть, что номинальная длина образующегося факела (прил. 4) не должна превышать длину топочного устройства .

После подбора горелки студенту необходимо в пояснительной записке нарисовать ее эскиз в масштабе с пояснениями деталей и привести ее основные параметры и размеры. Затем следует нарисовать эскиз топки в масштабе. На фронтальной стене должны быть показаны места установки горелок, а на задней стене – канал для выхода продуктов сгорания. Все это должно быть выполнено с указанием размеров.

4. ГОРЕНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

Сжигание органического топлива в топочных устройствах происходит за счет подачи воздуха, в котором в качестве окислителя имеется кислород. Для полного сжигания единицы топлива (твердого или жидкого – 1 кг, газообразного – 1 нм3) требуется определенное количество воздуха, которое может быть рассчитано или определено по справочной литературе [1, 4]. Ниже приведена методика расчета необходимого количества воздуха, подаваемого на горение, и количество образующихся продуктов сгорания только для газового топлива.

4.1. Количество воздуха, необходимого на горение

Если предположить, что на горение 1 нм3 газового топлива для его полного окисления требуется определенное количество кислорода, который содержится в объеме воздуха , то этот объем воздуха называют теоретически необходимым для горения. При сжигании газообразного топлива этот объем воздуха можно определить по формуле, м3/нм3,

, (5)

где H, O, CO, H2S, CmHn – процентное содержание в топливе соответствующих газов по объему: водорода, кислорода, оксида углерода, сероводорода, углеводородов;

m, n – число атомов углерода и водорода в углеводородном соединении.

Если подавать на горение только теоретически необходимый объем воздуха , то топливо полностью сжечь в топочном устройстве не удастся из-за несовершенства организации процесса сжигания и топочного устройства. Поэтому воздуха на горение всегда подают в топку больше, чем теоретически необходимо. Количество действительно поданного в топочное устройство воздуха , отнесенное к теоретически необходимому , называют коэффициентом избытка воздуха в топке

. (6)

Чем более совершенно горелочное устройство и лучше организован процесс горения, тем меньше требуется подавать избыточного воздуха, тем меньше . В современных топочных устройствах при сжигании газообразного топлива коэффициент избытка воздуха обычно лежит в пределах от 1,02 до 1,1 (при расчетах можно принять 1,05). При плохой организации процесса сжигания этот коэффициент оказывается значительно выше.

Объемный секундный расход воздуха, подаваемого на горение в топочное устройство, можно определить по формуле, м3/с:

, (7)

где - температура подаваемого в топочное устройство воздуха, оС. При расчетах можно принять = 20 оС.

4.2. Образующиеся при горении объемы

и состав продуктов сгорания

При расчетах топочных устройств часто требуется знать количество и состав образующихся при горении продуктов сгорания. Это необходимо для правильного расчета теплопереноса к поверхностям нагрева, подбора размеров газоходов и скорости движения по ним газов, выбора тягодутьевых устройств и т. п. Расчет количества образующихся продуктов сгорания ведут на единицу сжигаемого топлива, исходя из уравнения материального баланса процесса горения в топочном устройстве.