Prowadzący: dr hab. inż. Agnieszka Gubernat (tel. (0 12) ;

Transkrypt

1 TRANSPORT MASY I CIEPŁA

2 Seminarium Transport masy i ciepła Prowadzący: dr hab. inż. Agnieszka Gubernat (tel. (0 12) ; gubernat@agh.edu.pl) WARUNKI ZALICZENIA: 1. ZALICZENIE WSZYSTKICH KOLOKWIÓW (na ocenę minimum =3) Brak zaliczenia kolokwium wymusza jego poprawę. Dopuszcza się tylko dwie możliwości poprawy jednego kolokwium. 2. OBECNOŚĆ NA ZAJĘCIACH (dopuszczona 1 nieusprawiedliwiona nieobecność) TRZY NIEUSPRAWIEDLIWIONE NIEOBECNOŚCI SKREŚLENIE Z LISTY = BRAK ZALICZENIA MATERIAŁY DO ZAJĘĆ adres strony internetowej KCiMO w zakładce Dydaktyka, po wybraniu nazwy przedmiotu lub nazwiska prowadzącego

3 Wstęp. Ciepło. Paliwa i ich właściwości - teoria, PLAN ZAJĘĆ: Paliwa i ich właściwości zadania. Pomiary temperatury teoria, Kolokwium (paliwa i ich właściwości). Przewodzenie teoria i zadania, Test (pomiary temperatury). Promieniowanie teoria i zadania, Kolokwium (przewodzenie i promieniowanie). Konwekcja teoria i zadania, Konwekcja c.d., Przenikanie teoria i zadania, Przenikanie teoria i zadania, Kolokwium (konwekcja i przenikanie ciepła). Prawo Bernouliego, płyny doskonałe i rzeczywiste zadania, Kolokwium (prawo Bernouliego). Opadanie cząstek, sedymentacja i mieszanie teoria Opadanie cząstek, sedymentacja, mieszanie c.d. teoria i zadania. Segregacja hydrauliczna, odpylanie gazów teoria Test (Opadanie cząstek, sedymentacja, mieszanie, segregacja hydrauliczna, odpylanie gazów ), Ogólny bilans energetyczny procesu, obieg chłodniczy, sprężanie gazu Kolokwium (ogólny bilans energetyczny, obieg chłodniczy, sprężanie gazu) Zaliczenia

4 TRANSPORT MASY I CIEPŁA Przedmiot wprowadza podstawy termodynamiki technicznej umożliwiające wykonywanie obliczeń i modelowanie przepływów ciepła w procesach technologicznych. Dostarcza informacji o metodyce pomiarowej z zakresu przepływów masy i ciepła. Wprowadza przykłady rozwiązań konstrukcyjnych aparatów praktycznie wykorzystujących omawiane zagadnienia. Dostarcza informacji o metodyce pomiarowej z zakresu przepływów mediów płynnych i przepływów ciepła.

5 OGÓLNY SCHEMAT TECHNOLOGICZNY DOZOWANIE SUROWCÓW HOMOGENIZACJA FORMOWANIE WYPALANIE OBRÓBKA KOŃCOWA

6 CIEPŁO CIEPŁO (Q) jedna z form przekazu energii między układami termodynamicznymi. Proces przekazu energii za pośrednictwem oddziaływania termicznego WYMIANA CIEPŁA. Zmiana energii wewnętrznej układu, spowodowana tym oddziaływaniem nazywana jest ILOŚCIĄ CIEPŁA dostarczoną układowi. POJĘCIA PODSTAWOWE 1. CIEPŁO WŁAŚCIWE ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednostki masy o 1 stopień (1K). Jednostka (SI) [J/kg K]. dq J c dm kg K Analogicznie wielkości odniesione do 1 mola lub jednostki objętości nazywa się odpowiednio CIEPŁEM MOLOWYM lub CIEPŁEM OBJĘTOŚCIOWYM c V. Dla gazów wyróżnia się CIEPŁO WŁAŚCIWE IZOBARYCZNE c p (p=const) i CIEPŁO WŁAŚCIWE IZOHORYCZNE (V=const).

7 CIEPŁO WŁAŚCIWE Ciepło właściwe zależy od stanu fazowego substancji i stanowi jej istotną cechę. Nie jest wielkością stałą, zależy od temperatury. Zależność ciepła właściwego w funkcji temperatury ma charakter liniowy. c c bt kj kg K 0 gdzie: c 0 ciepło właściwe przy temperaturze 0 o C, b współczynnik zależny od rodzaju substancji, Przeważnie ogrzewa się substancje w zakresie znacznych różnic temperatur i wówczas ilość ciepła potrzebna na ogrzanie w granicach temperatur od t 1 do t 2 będzie równa: Q c( t t ) [kj] 1 2 gdzie: c średnie ciepło właściwe, c c0 bt kj 2 kg K Wartość ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu jest większa od ciepła właściwego przy stałej objętości. Zwykle posługuje się wartościami ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu, przyjmuje się, że ciśnienie wewnątrz urządzeń niewiele różni się od ciśnienia zewnętrznego i nie podlega większym wahaniom.

8 2. POJEMNOŚĆ CIEPLNA Jest to iloczyn masy i ciepła właściwego danej substancji. 3. CIEPŁO SPALANIA (Q C ) Jest to ilość ciepła powstała podczas całkowitego i zupełnego spalania jednostki paliwa przy założeniu, że spaliny zostały ochłodzone do temperatury pierwotnej substratów, a para wodna pochodząca z wilgoci paliwa i spalania wodoru ulega skropleniu. Jest ono większe od wartości opałowej o ciepło kondensacji całkowitej ilości wody zawartej w spalinach. 4. WARTOŚĆ OPAŁOWA (Q w ) Jest to ilość ciepła powstała podczas całkowitego i zupełnego spalania jednostki paliwa przy założeniu, że spaliny zostały ochłodzone do temperatury pierwotnej substratów, a para wodna pochodząca z wilgoci paliwa i spalania wodoru znajduje się w postaci pary. Q Q rw Zatem ciepło spalania będzie równe: Q Q rw c w 0 gdzie: w c 0 gdzie: r kj/kg, Q w wartość opałowa kj/kg lub kj/m 3, kj q mc K W całkowita ilość pary wodnej powstałej przy spalaniu jednostki paliwa,

9 PALIWA PRZEMYSŁOWE Materiały palne, które w ocenie techniczno-ekonomicznej mogą być źródłem energii. STAŁE drewno, torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny, antracyt, sztuczne: węgiel drzewny, koks, półkoks GAZOWE gazy ziemne sztuczne: gaz koksowniczy, gaz czadnicowy gaz wielkopiecowy CIEKŁE ropa i produkty destylacji, smoła węglowa i produkty destylacji, PALIWA NATURALNE powstały w wyniku metamorfozy substancji organicznych zawierających w swym składzie węgiel, wodór, tlen i azot. HUMOLIT produkty metamorfozy roślin np. tofr, węgiel kamienny, (łc. humus ziemia + gr. lihtos kamień ) SAPROPELIT produkty metamorfozy zwierząt np. ropa naftowa,

10 WŁAŚCIWOŚCI PALIW Paliwo składa się z substancji palnej i balastu. Substancjami niepalnymi w paliwach stałych i ciekłych są wilgoć i popiół, natomiast w paliwach gazowych azot, dwutlenek węgla i para wodna. Reakcje spalania całkowitego i zupełnego: C+O 2 = CO 2 H 2 +1/2O 2 = H 2 O S+O 2 = SO 2 Spalanie zupełne w spalinach nie składników palnych np.: CO, CH 4 ; produkt to najtrwalszy związek, Spalanie całkowite nie powstaje dym, w popiele nie ma substancji palnych (np. węgla w postaci sadzy), nie ulatnia się para wodna; cała masa paliwa ulega utlenieniu, Do obliczeń spalania (stechiometrii) bierzemy: 1 kg paliwa ciekłego lub stałego, 1 m 3 paliwa gazowego, Warunki: p o = 1000 hpa lub 750 mmhg T o = 273 K gęstość powietrza r=1,27 kg/m 3

11 ZAPOTRZEBOWANIE POWIETRZA DO SPALANIA Obliczenia ilości i składu spalin Ilość tlenu dostarczona do spalania 1kg paliwa (stałego lub ciekłego) lub 1m 3 paliwa gazowego zgodnie ze stechiometrycznymi równaniami spalania nazywa się TLENEM TEORETYCZNYM. O t = 22,71 Cr 12 + Hr 4 + Sr 32 Or 32 m 3 kg O t Dla paliwa gazowego: % CO %H %CH %C H %O m m ,5 +0, POWIETRZE TEORETYCZNE teoretyczna ilość powietrza do spalania V o m m Ot=4,76 O t lub 3 21 kg m

12 Liczba nadmiaru powietrza: l V rzecz V o l= Ilość powietrza wilgotnego do spalania: gdzie: x zawartość wilgoci w [g H 2 O/kg powietrza] Gdy: l>1,0 spalanie z nadmiarem powietrza (duża ilość spalin, obniżenie temperatury spalania) l=1,0 spalanie teoretyczne l<1,0 spalanie z niedomiarem powietrza ILOŚĆ I SKŁAD SPALIN Ilość wilgotnych spalin rzeczywistych powstałych przy spalaniu paliwa ciekłego lub stałego l>1,0 i x=0 O O V = λv 0 (Δ + 0,0016x) V sp = V CO2 + V SO2 + V H2 O + V N2 + V O2 c t m 3 kg

13 ILOŚĆ I SKŁAD SPALIN V sp = 22,71 Cr 12 + Sr 32 + W c 18 + H r N r ,79V N + 0,21 λ 1 V 0 Dla paliwa gazowego: m 3 kg V sp = %CO %CO %H %CH %C 2H %N ,79V m 3 N + 0,21 λ 1 V 0 m 3 Do przybliżonych obliczeń WARTOŚCI OPAŁOWEJ służy 1. wzór Dulonga: Q w = 32800C r H r Or Q w = 33900C r H r Or Sr 2500 W c + 9H r 2. wzór VDJ Sr 2500 W c + 9H r dla paliwa gazowego: kj kg kj kg

14 ZADANIA Zadanie 1. Obliczyć wartość opałową Q w [kj/kg] węgla kamiennego o składzie: C r 70%; H r - 4%; S r - 1%; O r 10%; N r 1%; A r 7%; W c 7%. Zadanie 2. Obliczyć wartość opałową i ciepło spalania 1 kg węgla kamiennego o następującym składzie chemicznym: C r 67%; H r - 4%; S r - 1%; O r 12%; N r 1%; A r 9%; W c 6%. Zadanie 3. Obliczyć wartość opałową 1 m 3 gazu ziemnego o następującym składzie chemicznym: H 2-47%; CH 4-18%; C 2 H 4-5%; N 2-6%; CO-18%; CO 2-6%. Zadanie 4. Obliczyć wartość opałową i ciepło spalania 1 kg węgla kamiennego o następującym składzie chemicznym roboczym: C-69%; H 2-4%; S-1%; O 2-12%; N 2-1%; H 2 O-6%; A-7%.

15 Zadanie 5. Obliczyć teoretyczne zapotrzebowanie powietrza potrzebnego do spalenia 1kg węgla kamiennego o następującym składzie chemicznym: C r 60%; H r - 4%; S r 0,6%; O r 13%; N r 1,4%; A r 15%; W c 6%. Zadanie 6. Obliczyć teoretyczne zapotrzebowanie powietrza potrzebnego do spalenia 1m 3 gazu ziemnego o składzie: H 2-48%; CH 4-16%; C 2 H 4-2%; CO-15%; CO 2-6%; O 2-2% i N 2-11%. Zadanie 7. Obliczyć ilość i skład spalin wilgotnych powstałych ze spalenia gazu ziemnego wysokometanowego z 10% namiarem powietrza. Skład gazu: CH 4 =97%; C 2 H 4 =1,0% i N 2 =2,0%. Współczynnik nadmiaru powietrza l wynosi 1,1. Zadanie 8. Obliczyć ilość i skład spalin wilgotnych powstałych ze spalenia zupełnego 1 kg benzyny z 14m 3 powietrza. Skład paliwa: C r -85% i N r -15%.

16 Zadanie 9. 1kg koksu o składzie 87% C i 13% popiołu został spalony zupełnie w 11 m 3 powietrza. Obliczyć skład objętościowy spalin. Zadanie 10. 1m 3 acetylenu spala się całkowicie z 13 m 3 powietrza. Obliczyć skład objętościowy spalin. Zadanie 11. Obliczyć skład objętościowy spalin powstałych z całkowitego spalenia oleju gazowego z 20% namiarem powietrza. Skład oleju: C=86%; H 2 =13%; S=0,4%; O 2 =0,5% i N 2 =0,1%. Zadanie 12. Obliczyć ilość i skład spalin wilgotnych powstałych ze spalenia węgla kamiennego z liczbą nadmiaru powietrza l=2,0. Skład: C r 70%; H r - 4%; S r - 1%; O r 10%; A r 7%; N r 1%; W c 7%.

17 Zadanie 13. Obliczyć współczynnik nadmiaru powietrza, jeżeli analiza spalin otrzymanych ze spalenia zupełnego czystego wodoru wykazała zawartość w spalinach tlenu równą 4,2%. Zadanie 14. Obliczyć współczynnik nadmiaru powietrza, jeżeli analiza spalin otrzymanych ze spalenia węgla kamiennego wykazała następujący skład spalin: CO 2-12%; O 2-7,9%. Zadanie 15. 1kg koksu o składzie 88%C i 12% popiołu został spalony w 6,5 m 3 powietrza. Obliczyć skład objętościowy spalin i współczynnik nadmiaru powietrza. Zadanie 16. Obliczyć ilość ciepła otrzymaną ze spalenia 1 kg węgla kamiennego o następującym składzie chemicznym: C 71%; H 2-4%; S - 1%; O 2 10%; N 2 1%; Ar 7%; W c 6%, jeżeli analiza spalin wykazała zawartość: CO 2 12%; CO 2,5%; O 2 6% i N 2 79,5%.