UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTIFACULTATEA DE INGINERIE MECANICA SI MECATRONICA

CATEDRA DE ECHIPAMENTE TERMICE SI CENTRALE NUCLEARE

CALCULUL ARDERII COMBUSTIBIL: GAZ NATURAL

VALERIU GHIMPU

ANUL II - MASTER - SEMESTRUL I

2014

1

Sa se calculeze arderea combustibilului cand se dau:

Puterea P = 12 MWTaa = 1050C

Combustibil: gaz natural cu urmatoarea compozitie:

CH4 = 89%C2H6 = 2,3%C3H8 = 2,3%H2S = 1,6%H2 = 1,5%O2 = 3,3%

Umiditatea d = 20 g/N.m3

Analiza elementala a combustibilului:

CH4 + C2H6 + C3H8 + H2S + H2 + O2 = 89 +2,3+2,3+1,6+1,5+3,3 = 100%

1. Estimarea randamentului1.1Din compozitia A rezulta compozitia gazelor de ardere. Tot din A se calculeaza si

puterea calorifica inferioara:

Puterea calorifica a gazului natural:

Qianh = (1/100)*Σrj*Qi

i,j

Puterea calorifica anhidra:

Din tabel extragem urmatoarele valori:

Pentru metan: QsiCH4 = 39838 KJ/m3N, Qi

iCH4 = 35797 KJ/m3N

Pentru etan: QsiC2H6 = 70422 KJ/m3N, Qi

iCH4 = 64351 KJ/m3N

Pentru propan: QsiC3H8 = 101823 KJ/m3N, Qi

iC3H8 = 93575 KJ/m3N

Pentru hidrogen sulfurat: QsiH2S = 25707 KJ/m3N, Qi

iH2S = 23697 KJ/m3N

Pentru hidrogen: QsiH2 = 12781 KJ/m3N, Qi

iH2 = 10760 KJ/m3N

Pentru oxigen si azot puterile calorifice superioare si inferioare au valoarea zero.

Ne intereseaza doar puterea calorifica inferioara a gazului natural:

ri Qis ri*Qis Qii ri*QiiCH4   89 39838 3545582 35797 3185933

C2H6   2,3 70422 161970,6 64351 148007,3C3H8   2,3 101823 234192,9 93575 215222,5H2S   1,6 25707 41131,2 23697 37915,2H2   1,5 12781 19171,5 10760 16140O2   3,3 0 0 0 0

  Qisga 40020,48 Qiiga 36032,18

2

Puterea calorifica inferioara a gazului natural in stare anhidra:

Qiianh = 36032,18 kJ/m3N

Iar pentru gazul in stare umeda este:

Qium = f*(Qi

anh – 2,5*d) = 0,97576207*(36032,18-2,5*20) = 35110,0464 kJ/ m3N f = 100/(100+0,1242*d), unde d reprezinta continutul de umiditate dat in tema, gradul de umiditate, d = 20 g/m3N , f = 0,97576207

1.2Se alege o temperatura de evacuare gaze de ardere – tev = (120...130) 0 Cqev = (Vg*Cgp_med*tev/Qi

i)*100 unde Cgp_med = caldura specifica medie a gazelor

Volumele de aer si gaze la arderea combustibililor in proiectarea generatoarelor de abur:

V0min = 0,01*[0,5*CO + 0,5*H2 + 1,5*H2S + Σ(m+n/4)*CmHn – O2]

V0min = 0,01*[0,5*1,5 + 1,5*1,6 + (1+4/4)CH4(89) + (2+6/4)C2H6(2,3) + (3+8/4)C3H8(2,3) –

3,3] = 1,974 m3N/ m3N

V0a = 100* V0

min/21= 197,4/21 = 9,4 m3N/ m3N

V0aum = 100*(1 + 0,00161*x)* V0

a = 100*(1+0,0161)*9,4 = 9,55134 m3N/ m3N

Va = λ*V0a = 1,2*9,4 = 11,28 m3N/ m3N , unde x = 10 g/m3N

Vaum = λ*V0aum = 1,2*9,55134 = 11,46161 m3N/ m3N

Volumul dioxidului de carbon:

VCO2 = 0,01* Σm*CmHn = 0,01*(1*89+2*2,3+3*2,3) = 0,01*(89+11,5) = 1,005 m3N/ m3N

Volumul dioxidului de sulf:

VSO2 = 0,01*H2S = 0,01*1,6 = 0,016 m3N/ m3N

Volumul teoretic de gaze triatomice:

VRO2 = VCO2 + VSO2 = 1,005 + 0,016 = 1,021 m3N/ m3N

Volumul teoretic de azot:

V0N2 = 0,79*V0

a + 0,01*N2 = 0,79* V0a = 7,426 m3N/ m3N

Volumul teoretic de gaze de ardere anhidre:

V0gu = VRO2 + V0

N2 = 1,021 + 7,426 = 8,447 m3N/ m3N

3

Volumul teoretic al vaporilor de apa:

V0H2O = 0,01*(H2+H2S+0,5*Σn*CmHn+0,1242*d)+0,00161*x*V0

a

V0H2O = 0,01*[1,5+1,6+0,5*(4*CH4(89)+6*C2H6(2,3)+8*C3H8(2,3))+0,1242*20] + 0,0161*9,4

= 0,01*[3,1+0,5*(4*89+6*2,3+8*2,3)+0,1242*20]+0,15134 = 0,01*[3,1+ 194,1+2,484]+0,15134 = 2,14818 m3N/ m3N

Volumul teoretic de gaze de ardere umede:

V0g = V

0gu + V0

H2O = 8,447 + 2,14818 = 10,59518 m3N/ m3N

Volumele reale (arderea cu exces de aer):

Vgu = V0gu + (λ – 1)*V0

a = 10,59518 + (1,2 – 1)*9,4 = 12,47518 m3N/ m3N VH2O = V0

H2O + 0,00161*x*((λ – 1)*V0a = 2,14818 + 0,0161*0,2*9,4 =

2,178448 m3N/ m3N Vg = Vgu + VH2O = 12,47518 + 2,178448 = 14,65363 m3N/ m3N

Alegem tev = 1300C

Prin interpolare obtinem CN2 = 1296,20 kJ/m3N*kg , CCO2 = 17264,3 kJ/m3N*kg, CH2O = 1510,10 kJ/m3N*kg, Caum = 1326,10 kJ/m3N*kg

(VN2*CN2 + VCO2*CCO2 + VH2O*CH2O)*Cga + (λ-1)*Vaum*Caum*tga = Vg*Cgp_med*tev

(7,52*1296,20+1*17264,3+2*1510,10)*130+(1,25-1)*9,67*1326,10*130=14,65363* Cgp_med*130

Termen 1 = (7,52*1296,20+1*17264,3+2*1510,10)*130+(1,25-1)*9,67*1326,10*130

Termen 2 = 14,65363* Cgp_med*130

Termen 1 = 4398125,453 , Termen 2 = Cgp_med*1904,9719

Cgp_med = 4398125,453/1904,9719 Cgp_med = 2308.7613 kJ/m3N*kg

Calculam qev = 100*Vg*Cg_med*tev/Qii

qev = 100*14,65363*2308.7613 / 35110,0464

qev = 0,9636

In final obtinem qev = 0,9636 – luand in calcul puterea calorifica inferioara a gazului natural in stare umeda, respectiv Qi

um = 35110,0464 kJ/ m3N.

4

Qext = 0,3% , Qchimic = 0

Randamentul: η = 100 – qev - Qext = 100 - 0,9636-0,3 = 98,73% ~ 99%

2. Alegerea ventilatorului de aer:

Consumul de combustibil: B = 100*P/( η *Qium)= 100*12*1000/(99*35110,0464) =

= 0,3462 m3N/s

Debitul de aer: Daer = B*V0aum*λ’p*Cs = 4,7610 m3N/s ,

unde Cs = 1,2 – coeficientul de siguranta

Volumul de aer umed calculat este 9,55134 m3N/ m3N,

Debitul de aer calculat este

Daer = 0,3462 *9,55134*1,2*1,2 = 4,7610 m3N/s,

Debitul ventilatorului de aer (suflantei de aer):

Dva = B* λ’p* V0aum*Tref/273, unde Tref = 15 + 273 = 288 K

Dva = 0,3462 *9,55134*1,2*288/273 = 4,1855 m3N/s

In aceste conditii vom alege un ventilator de aer, in functie de debitul de aer calculat, respectiv Daer = 0,3462 *9,55134*1,2*1,2 = 4,7610 m3N/s

In majoritatea cataloagelor de suflante, turbosuflante de aer debitele de aer sunt date in CFM (cubic feet per minute = picioare cub pe minut), SCFM (standard cubic feet per minute).Avand in vedere aceste date, mai intai va trebui sa facem calcule de conversie ale unitatilor de masura din m3/s , respectiv l/s, in CFM si eventual SCFM, dupa care sa putem alege turbosuflanta de aer corespunzatoare debitului de aer rezultat din calcul. Folosind programul de calcul de pe website-ul – Air Flow Conversion Calculator - http://www.calculatoredge.com/optical%20engg/air%20flow.htm obtinem: La un debit al aerului de 1 l/s corespund 2,12 CFM. In cazul nostru avem 4,7610 m3/s adica 4761 l/s - in urma calculelor obtinem ca avem nevoie de o turbosuflanta care sa permita un debit de aer de 10.087,99 CFM.Presiunile sunt date in unitati PSIG (pound-force per square inch gauge)

1 Pa = 0,000145038007 psig – sursa: http://www.convertunits.com/info/psig

10 psig = 68947,5728 Pa

Alegem o turbosuflanta cu Pmax = 10 psig = 68947,5728 Pa

De pe website-ul http://www.apg-neuros.com/uploads/Files/Sales_Documents/APG-Neuros_Brochure_English.PDF - catalog de turbosuflante, alegem turbosuflanta

5

NX500-C070

6

Sursa: http://www.apg-neuros.com/uploads/Files/Sales_Documents/APG-Neuros_Brochure_English.PDF

7

3. Alegerea ventilatorului de gaz :

Debitul de gaz : Dg = B*Vg*Cs = 0,3462*14,65363*1,2 = 6,0869 m3N/s

Debitul ventilatorului de gaze de ardere : Dvg = B*Vg* λev*Tev/273 = 9,3599 m3/s

Din catalogul firmei FlaktWoods Group - http://www.flaktwoods.com/ alegem ventilatorul de gaze GTLB-1-071 (luand drept referinta debitul de gaz calculat de 6,0869 m3N/s)

8

9

10