Расчет цистерны автогудронатора

ВВЕДЕНИЕ

Применение битума как одного из наиболее известных инженерно-строительных материалов основано на его адгезионных и гидрофобных свойствах. Область применения битума достаточно широка: он применяется при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений и т. Д. Главным же потребителем битума является дорожное строительство, где битум используется как вяжущий материал. Один из нескольких способов доставки битума к месту ремонта дорог (отдаленного от места получения и хранения битума) — это автогудронаторы. Они обеспечивают: забор материала на битумной базе из нагревателей битума и битумохранилищ, сохранение температуры битумного материала в цистерне при транспортировании его без подогрева и подогрев материала до рабочей температуры битума (Т=160−180^оС); возможность транспортирования битумных материалов на значительные расстояния; равномерность распределения битумных материалов с точным регулированием норм розлива на единицу поверхности; распределение материала под давлением. Всё это соблюдается при соблюдении температурного режима битума, его рабочей температуры, который остается постоянным благодаря отопительной системе автогудронатора.

Цель данной работы — произвести тепловой расчет цистерны автогудронатора при известных условиях транспортировки битума, схемы обогрева цистерны и материала изоляции цистерны.

Для этого были поставлены следующие задачи:

1. рассчитать процесс горения топлива;

2. рассчитать теплоизоляцию цистерны;

3. определить теплоту сгорания и расход топлива;

4. определить размеры жаровых труб для подогрева битума.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Битумы Нефтяные битумы представляют собой полутвердые продукты, состоящие из углерода и водорода, содержащие определенное количество кислород-, серо-, азотсодержащих соединений.

Применение битума как одного из наиболее известных инженерно-строительных материалов основано на его адгезионных и гидрофобных свойствах. Область применения битума достаточно широка: он применяется при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений и т. Д. Главным же потребителем битума является дорожное строительство.

Основным сырьем для производства битумов в нашей стране являются остаточные продукты нефтепереработки: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций и др.

Различают три основных способа получения нефтяных битумов. Концентрированием нефтяных остатков путем перегонки их в вакууме получают остаточные битумы. Для получения остаточных битумов может быть использовано только сырье с большим содержанием асфальто-смолистых веществ, которые в достаточном количестве присутствуют в тяжелых высокосмолистых сернистых нефтях.

Окисление кислородом воздуха различных нефтяных остатков и их композиций при температуре 180−300 ^оС (окисленные битумы). Окисление воздухом позволяет существенно увеличить содержание асфальто-смолистых веществ, наиболее желательного компонента в составе битумов. Процесс насыщения битума кислородом или окисление повышает его начальные показатели теплостойкости и пластичности. Для производства окисленных битумов БашНИИНП предложено классифицировать нефти по содержанию (%, масс.) в них асфальтенов (А), смол © и твердых парафинов (П). Нефть считается пригодной для производства окисленных битумов, если выполняется условие, А + С — 2.5П? 0 при, А + С > 6 (1)

Смешением различных окисленных и остаточных битумов, а также нефтяных остатков и дистиллятов между собой получают компаундированные битумы.

Вязкие битумы, применяемые в дорожном покрытии, используются как вяжущее между каменными материалами. В зависимости от марки асфальта содержание битума в нем составляет 5,5−8%. Долговечность дорожного покрытия во многом зависит от марки применяемого битума и его качества. В соответствии с ГОСТ 22 245–90 вязкие битумы для дорожного строительства вырабатываются двух типов: БНД и БН и маркируются по пенетрации при 25 °C.

При строительстве и ремонте дорог битум может быть разжижен растворителем (керосиновая фракция). Разжиженные битумы разделяются на быстро-, среднеи медленно затвердевающие марки. Для предварительной обработки поверхностей применяют битумные эмульсии, которые готовят с применением коллоидных мельниц, добавляя к битуму воду и эмульгаторы.

1.2 Машины и оборудование для работы с битумом Рабочая температура битумных материалов определяет способ их перевозки, хранения и подачи потребителю. Рабочая температура твердых нефтяных битумов 130−180, твердых сланцевых битумов 110−130, жидких битумов колеблется от 10−20 до 60−12, каменноугольных и торфяных дегтей, применяемых в дорожном строительстве, 40−120.

Наиболее сложным является битумное хозяйство при применении твердых нефтяных и сланцевых битумов. Доставка этих материалов с мест их добычи и переработки производится в специальных вагонах-цистернах или бункерных полувагонах. Цистерны наполняют битумом при температуре около 200 ^оС. При наличии термоизоляции битум в течение 8−10 дней сохраняет температуру, обеспечивающую его текучесть и слив из цистерн самотеком. Через 8−10 дней битум застывает, и для слива его необходимо подогреть до температуры текучести (60 — 80 ^оС).

Широко применяют бункерные полувагоны с четырьмя опрокидывающимися бункерами. Бункера двустенные, с расстоянием между стенками. Бункера заполняются горячим битумом, который в пути застывает. При разгрузке в полости между стенками подают пар. В местах соприкосновения с внутренней стенкой тонкий слой битума расплавляется. При опрокидывании бункера битум вываливается из него. Применение бункерных полувагонов в летнее время затруднительно, так как битум находится в текучем состоянии. Для подогрева битумных материалов перед разгрузкой из цистерн и полувагонов в хранилище получили распространение передвижные парообразователи, применяемые также для местного подогрева битума в хранилищах временного типа, не снабженных постоянной системой подогрева.

1.2.1 Оборудование для разогрева битума до рабочей температуры Нагреватели битума могут быть оборудованы обогревательными устройствами в виде топок для твердого, жидкого и газообразного топлива, из которых горячие газы проходят по жаровым трубам и дополнительным газоходам, установленным внутри котла, и змеевикам для пропуска пара или масла, расположенным внутри котла. При определении количества полезной теплоты необходимо иметь в виду, что в котел в большинстве случаев поступает битум, подогретый до температуры 80−100 °С, и в котле происходит только его подогрев до рабочей температуры (140−160 °С).

1.2.2 Машины и оборудование для транспортирования и распределения битума (автобитумовозы и автогудронаторы) Для распределения на поверхности дорожного покрытия битумных вяжущих материалов как горячих (битум, деготь), так и холодных (эмульсии, разжиженные битумы и дегти, мазут, нефть) ровным слоем в определенных количествах (от 0,5 л/м² и более) предназначены автогудронаторы (гудронаторы). Для обеспечения достаточного проникания битума вглубь обрабатываемого щебеночного слоя распределение производится под давлением 0,2−0,6 Мпа, что способствует лучшему сцеплению битумного материала со щебнем.

Гудронаторы классифицируют по назначению — гудронаторы строительные и ремонтные. Строительные гудронаторы обычно имеют бак вместимостью 3000 л и выше (до 20 000 л), а ремонтные — бак небольшой вместимостью (до 400 л). Гудронаторы бывают ручными, смонтированными на ручной двухколесной тележке (ремонтные); прицепными, смонтированными на автомобильном прицепе или на специальной тележке, присоединяемой к большегрузной цистерне; полуприцепными, смонтированными на полуприцепе седельного типа; самоходными, смонтированными на шасси грузового автомобиля (автогудронаторы) (рис.1). Рабочие операции в автогудронаторе осуществляются с помощью насоса. Компрессорные гудронаторы наполняются в результате разряжения, создаваемого в цистерне с помощью компрессора, а распределение производится под давлением сжатого воздуха в цистерне.

Рис. 1. Схемы машин для транспортирования и розлива битума: 1-цистерна; 2-теплоизоляция; 3-сетчатый фильтр; 4- заливная горловина; 5-указатьль уровня; 6-запорный клапан; 7-большой кран; 8-переливные устройства; 9-насос; 10-трубопроводный разлив; 11-шаровые соединения; 12-малые краны; 13-трубопровод циркуляции; 14-рычаги управления большим краном; 15-рычаги управления распределения; 16-рычаги управления малым краном; 19-приемный трубопровод; 20-топливный бак насоса; 21-распределитель средний; 22-распределитель промежуточный; 23-распределители концевые.

Автогудронаторы применяют при постройке щебеночных и гравийных покрытий способами поверхностной обработки, пропитки и смешения на месте. Они должны обеспечивать: забор материала на битумной базе из нагревателей битума и битумохранилищ; сохранение температуры битумного материала в цистерне при транспортировании его без подогрева и подогрев материала до Т =160−180°С; возможность транспортирования битумных материалов на значительные расстояния; равномерность распределения битумных материалов с точным регулированием нормы розлива на единицу поверхности; распределение материала под давлением.

Основными частями гудронатора являются: цистерны для битумного материала; отопительная система; циркуляционно-распределительная система, посредством которой осуществляется циркуляция материалов при подогреве и их распределение; битумный насос с приводом от коробки передач автомобиля или от отдельного двигателя; система управления; шасси, на котором установлены агрегаты.

Цистерна имеет теплоизолирующий слой, проложенный между стенками цистерны и кожухом для предохранения вяжущего материала от остывания. Внутри цистерны имеются перегородки для уменьшения силы удара жидкости о стенки во время движения автогудронатора. Сверху расположен загрузочный люк с фильтром. Цистерна имеет указатель уровня, термометр с выводом сигнала на панель. Внутри цистерны установлены жаровые трубы и сливная труба. Нагревательная система автогудронатора имеет две форсунки. Для разогрева битума в трубах и в насосе имеется переносная форсунка. Горячие газы, образующиеся при сгорании топлива, проходят по жаровым трубам, разогревают вяжущий материал и выходят через дымовую трубу.

Распределительная система автогудронатора (рис. 2) позволяет выполнять следующие операции: перекачивать горячий или холодный вяжущий материал из котла в цистерну; перемешивать материал во время подогрева; распределять вяжущий материал через сопла распределительных труб; распределять вяжущий материал через ручной распределитель и с перепуском части его в цистерну; отсасывать остатки вяжущего материала из распределительной системы; перекачивать вяжущий материал из одной емкости в другую; освобождать цистерну от остатков вяжущего материала. Распределительные трубы предназначены для равномерного разбрызгивания вяжущего материала по покрытию. В отверстия труб вставлены сопла. Распределительные трубы можно поднимать и опускать на нужную высоту, а также поворачивать соплами вверх по окончании розлива, чтобы битум не затекал в сопла и не застывал в них.

Прицепные гудронаторы позволяют использовать для перевозки битума цистерны более простые, чем у автогудронатора, и обслуживать одним гудронатором несколько цистерн. Прицепной распределитель битума имеет оборудование для розлива вяжущих материалов, двигатель, насос и распределительную систему. Принцип его работы не отличается от работы описанного выше автогудронатора. Распределитель соединен с цистерной гибким рукавом.

Рис. 2. Дозировочно-распределительная система автогудронатора: 1 — люк; 2 — краны; 3 — штуцер; 4 — трубопровод соответственно выдачи и приемный; 5 -циркулярные краны; 6 — система обеспечения расхода на единицу длины; 7 — выходной канал;8 — солнечные шестерни; 9- ось сателлитов; 10- расходомер; 11 — вариатор; 12-опорное колесо; 13 — распределитель; 14- битумный насос.

1.3 Автогудронатор ДС-39Б Автогудронатор ДС-39Б применяется при проведении дорожных строительно-ремонтных работ на автомобильных дорогах для распределения по поверхности дороги органических вяжущих материалов на основе гудрона (битум, дёготь). А также автогудронатор ДС-39Б предназначен для транспортировки этих жидкостей, (как в холодном, так и в горячем виде) с мест производства или хранения с температурой + 200 градусов Цельсия. При этом тепло жидкости, перевозимой ДС-39Б, теряется очень медленно, в зависимости от окружающей температуры.

В составе основного рабочего оборудования состоит цистерна для перевозки гудроновых жидкостей. Цистерна ДС-39Б обладает отличной вместимостью (около 4000 литров), что позволяет ДС-39Б тратить меньше времени на дополнительную заправку, в результате, это свойство ДС-39Б косвенно влияет на окупаемость ДС-39Б, делая её быстрее. Ещё один немаловажный фактор в ДС-39Б — это отличный запас сохранения температуры жидкости. Это достигается полной термоизоляцией цистерны, при транспортировке ДС-39Б битума, температура в цистерне падает не более чем на 4% от перепада температур окружающей ДС-39Б среды.

При прибытии ДС-39Б в пункт назначения (место ремонта или укладки дорожного покрытия), содержимое цистерны ДС-39Б необходимо подогреть до определённой температуры. Эта операция выполняется ДС-39Б при помощи одной стационарной горелки через жаровую трубу U-образного типа, в качестве горючего в этой системе используется дизельное топливо, скорость увеличения температуры в цистерне ДС-39Б — не менее 10 С⁰ в час.

Управление всеми рабочими операциями ДС-39Б осуществляется из кабины ДС-39Б при помощи пневматической системы ДС-39Б. Привод же в действие рабочих агрегатов специальной установки осуществляется от коробки передач шасси ДС-39Б через коробку отбора мощности ДС-39Б, при помощи гидравлической системы ДС-39Б. Лёгкость в управлении обуславливает такой большой спрос на автогудронатор ДС-39Б и большое число коммунальных хозяйств, которые изъявляют желание купить ДС-39Б. К тому же продажа ДС-39Б проводится по сравнительно низким ценам, в результате чего купить ДС-39Б может почти каждое дорожно-строительное или коммунальное предприятие.

Распределение ДС-39Б по поверхности дорожного полотна производится при помощи специального распределителя битума (циркулярного типа с запорными соплами). В процессе распределения такой жидкости по асфальтобетонной поверхности одну из главных ролей играет площадь, которую охватывает ДС-39Б при работе. Ширина распределения битума достигает почти 5 метров [3],.

1.4 Отопительная система автогудронатора Отопительная система автогудронаторов (рис. 3) состоит из двух жаровых труб, горелок, топливного бака, топливопроводов и системы подачи топлива. Система предназначена для нагревания битума до 180 °C и поддержания его рабочей температуры. Расчет отопительной системы включает в себя определение количества теплоты, необходимое для подогрева битума за конкретное время теплоты сгорания и часового расхода топлива; количество теплоты, передаваемое от горячих газов к битуму через жаровые трубы, определяют площадь жаровых труб. При известной длине жаровых труб, их форме и площади находят диаметр жаровых труб.

Рис. 3. Схема отопительной системы с жаровыми трубами. 1-жаровая труба; 2-стационарная горелка; 3-вентиль стационарной горелки; 4-распределительный вентиль; 5-переносная горелка; 6-вентиль переносной горелки; 7-шланг переносной горелки; 8-ресивер; 9-вентиль воздухопровода; 10-тонкий вентиль; 11-топливный бак.

1.5 Основы теплопередачи Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют теплоносителями (один, более нагретый, — горячим, а другой, менее нагретый, — холодным теплоносителем).

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

Процесс передачи тепла протекает во времени и в пространстве. Распределение температуры в различных точках пространства называется полем температур или температурным полем. Кроме изменения в пространстве, температурное поле может изменяться также и во времени. В общем случае температура t является функцией координат х, у, z и времени ф, т. е. t = f (x, у, z, ф). Соединив в пространстве точки с одинаковой температурой, получим так называемые изотермические поверхности.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температура является функцией только системы координат, т. е. t = f (x, у, z) и не зависит от времени. При неустановившемся (нестационарном) процессе температура изменяется в пространстве t =(х, у, z, ф).

1.5.1 Теплопроводность Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное).

Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т. е. отношения dT/dx разности температур на концах стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м²) и коэффициента теплопроводности материала [в соответствующих единицах Вт/(м*К)]. Соотношение между этими величинами было выведено французским математиком Ж. Фурье и имеет следующий вид:

(2)

где — тепловой поток,

— коэффициент теплопроводности, Это соотношение называется законом теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота передается в направлении, обратном градиенту температуры.

Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из величин — коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры. Для здания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен, т. е. улучшать их теплоизоляцию.

1.5.2 Конвекция При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим силам нагретая часть среды движется вверх. Данное явление называется конвекцией.

Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости среды; очень важны также размер и форма нагревателя. Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона:

где — тепловой поток (измеряемый в ваттах),

— площадь поверхности источника тепла (в м²),

Т_w и T_Г — температуры источника и его окружения (в Кельвинах).

Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м²· К). Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность — это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные. Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой. Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса.

1.5.3 Лучистый теплообмен Третий вид теплопередачи — лучистый теплообмен — отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды — радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения — возникают в отсутствие разности температур.

На рис. 4 представлена зависимость энергии теплового (инфракрасного) излучения от длины волны. Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра.

Рис. 4. Зависимость интенсивности излучения от длины волны Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана — Больцмана:

где q — тепловой поток (в Вт),

А — площадь поверхности излучающего тела (в м²),

Т₁ и Т₂ — температуры (в кельвинах) излучающего тела и окружения, поглощающего это излучение,

— постоянная Стефана — Больцмана, равна (5,66 961±0,96)· 10^-8 Вт/(м²· К⁴).

Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя — так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана — Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального.

битум цистерна автогудронатор тепловой

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Исходные данные:

· Автогудронатор ДС-39Б, с объемом цистерны для битумного материала V_ц =4000 л;

· Система подогрева материала в цистерне двумя стационарными горелками на дизельном топливе;

· Материал — нефтяной дорожный битум марки БНД 90/130 [8], ²⁰= 1023 кг/м³ [6], начальная температура битума 180 ⁰С, скорость падения температуры битума в цистерне на 1,5град/ч

· Теплоизоляция цистерны — стекловолокно, коэффициент теплопроводности изоляции =0,70 кВт/(м²· ⁰С) [6];

2.1 Расчет процесса горения топлива Топливом для работы горелок автогудронаторов служит дизельное топливо. Данные по элементному составу взяты из литературного источника и сведены в таблице 1.

Таблица 1 Элементный состав дизельного топлива

Ввиду отсутствия данных по содержанию влаги и азота в составе топлива, а также их незначительным вкладом в величину теплоты сгорания, можно пренебречь их содержанием. Расчет удельной низшей теплоты сгорания топлива определяем по формуле Д. И. Менделеева [11]

(5)

где С_Т, Н_Т, S_Т, О_Т, N_Т— содержание в топливе соответственно углерода, водорода, серы, кислорода, азота.

W_Т — содержание влаги в составе топлива, %; 33 915, 125 600 и 10 880 — теплоты сгорания соответственно углерода, водорода и серы, а 2500 — теплота конденсации воды, кДж/кг.

Тогда удельная низшая теплота сгорания топлива равна:

2.1.1 Сгорание веществ и определение расхода воздуха Реакция сгорания углерода в общем виде определяется уравнением В составе воздуха азот занимает 79% объема, а кислород 21%. Поскольку объемы молекул отличаются незначительно, то соотношения следовательно с одной молекулой кислорода в зону горения вносится 3.76 молекул азота с молекулярной массой 28.

С учетом принесенного азота уравнение горения углерода будет иметь вид:

При переходе к массе в килограмм-молях уравнение примет вид Разделив все слагаемые уравнения (8) на (12), найдем массу кислорода, необходимую для горения 1 кг углерода и массу азота и углекислого газа (кг), получаемых в результате реакции горения:

Поскольку доля углерода в составе 1 кг топлива равна, уравнение (8) примет вид:

(10)

Реакция сгорания водорода и серы протекают аналогично:

После преобразований получаем:

при сгорании кг серы Из уравнений горения компонентов топлива (10), (13) и (14) определяем теоретический расход (кг) кислорода m_т.о и воздуха m_т.в для сгорания 1 кг топлива:

(16)

Действительный расход воздуха m_д.в (кг) для сжигания 1 кг топлива выше теоретического расхода воздуха и определяем по формуле где — коэффициент избытка воздуха для полного сжигания топлива; = 1.2 для легкого жидкого топлива (дизельное топливо).

Подставим данные по элементному составу дизельного топлива из таблицы 1 в (16):

Тогда расход воздуха на сгорание 1 кг топлива составит:

2.1.2 Состав и масса продуктов горения топлива Для азота Для сернистого газа Общая масса продуктов горения Необходимо помнить, что, допустимое отклонение должно быть не более 0.03 кг.

2.1.3 Средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания Средняя удельная теплоемкость (кДж/(кг· К)) продуктов сгорания определяется по формуле (24):

где — удельные теплоемкости соответствующих газов, кДж/(кг·).

Теплоемкость газов при постоянном давлении изменяется с изменением температуры по следующим зависимостям:

Плотность дизельного топлива ²⁰=860 кг/м³ [6], тогда относительная плотность составит =0.860 кг/м³:

где — относительная плотность дизельного топлива,

a — поправка на изменение плотности при изменении температуры на один градус,

a=0.686.

Теплоемкость рассчитываем по формуле Крэга [11]:

(31)

Все тепло, внесенное в топку, разогревает продукты сгорания до теоретической температуры горения топлива t_Т.Т. (К) в соответствии с тепловым балансом:

где Q_Т — потери тепла топкой в окружающее пространство, кДж/кг топлива, Q_Т=0.03 Q_В;

Q_Х — потери от химической неполноты сгорания топлива кДж/ кг топлива,

Q_Х=0.02 Q_В;

Q_М — потери от механической неполноты сгорания, кДж/ кг топлива, Q_М=0.03Q_В;

с_в — теплоемкость сухого воздуха, с_в=1.01 кДж/(кг· К);

t_в — температура воздуха, t_в=293 К;

с_Т — теплоемкость дизельного топлива при t_Т, с_Т = 1.97 кДж/ (кг· К);

t_Т — температура вспышки дизельного топлива, t_Т = 313 К [4];

с_ср — средняя теплоемкость продуктов сгорания (4.1.3.25 — 4.1.3.29);

t_Т.Т. — теоретическая температура горения топлива Левая часть уравнения определяет количество теплоты, вносимое в топку с каждым килограммом топлива и обозначается Q_вн:

Подставив в правую часть уравнения (32) значение с_ср из формулы (24) и вместо теплоемкостей газов их значения, получим уравнение теплового баланса процесса горения в функции теоретической температуры горения:

Раскрываем скобки и группируем члены обозначив:

получим:

Решаем полученное квадратное уравнение:

Получим теоретическую температуру горения топлива = 1790 К Действительная температура горения топлива составит:

где у — коэффициент прямой отдачи тепла от факела лучеиспусканием; у=0.25.

Тогда

2.2 Расчет теплоизоляции цистерны При расчете теплоизоляции цистерны определяют толщину слоя изоляции по количеству теплоты, выделяемой битумом при его остывании за 1 ч не более чем на 1,5⁰С; количество тепла, которое может быть передано в окружающую среду через наружную поверхность цистерны при заданных условиях. Приравняв количество теплоты, теряемое битумом, и количество теплоты, проходящее через стенку цистерны, определяем толщину слоя изоляции.

Количество тепла Q (кДж), выделяемое при остывании битума за 1 ч:

где — масса битума, кг;

— удельная теплоемкость битума,

;

— начальная температура битума, ;

— температура битума через 1 ч транспортирования,

.

Таблица 2 Теплоемкость битума в зависимости от температуры [6]

Плотность битума при 20⁰С ²⁰=1023 кг/м³. Тогда относительная плотность составит, а при t=180 ⁰С определяем по уравнению А. К. Мановяна [11]:

Тогда масса битума составит:

где — объем цистерны, по условию .

Количество тепла, выделяемое при остывании битума на 1.5 ⁰С, из (38) следует:

Количество теплоты (кДж), теряемое битумом через внешнюю поверхность в окружающее пространство:

где k — коэффициент теплопередачи, кВт/(м²· ⁰С);

— площадь поверхности цистерны, м²;

— средняя температура битума, ⁰С; ;

— температура наружного воздуха, .

Площадь поверхности эллиптической цистерны (рис.5):

где — площадь эллиптических торцов цистерны, м²;

— боковая площадь цистерны, м².

где a и b — полуоси эллипса торцовых днищ, м² (см. рис.5); по условию a=0.8 м, b=0.6 м.

где — длина цистерны, =2.7 м по условию.

Тогда площадь поверхности цистерны составит:

Рис. 5. Цистерна автогудронатора

Коэффициент теплопередачи через трехслойную стенку от горячего битума к воздуху:

где — коэфициефнт теплоотдачи от битума к металлической стенке цистерны,

=0.097 кВт/(м2· 0С);

— толщина стенки цистерны, =0.004 м;

— коэффициент теплопроводности стали (марки Ст3СП), =0.046 кВт/(м2· 0С);

— толщина слоя теплоизоляции, м;

— коэффициент теплопроводности теплоизоляции,

=0.70 кВт/(м2· 0С) для стекловолокна;

— толщина стенки кожуха, =0.001 м;

— теплопроводность стали;

— коэффициент теплоотдачи от кожуха цистерны наружному воздуху, кВт/(м2· 0С),

где н_Г — скорость движения автогудронатора, м/с;

D_ср. — средний диаметр цистерны.

Тогда при скорости движения автогудронатора н_Г =80 км/ч =22.2 м/с коэффициент теплоотдачи составит:

Для условий стоянки в безветренную погоду вместо скорости н_Г принимаем скорость конвективного движения воздуха вокруг цистерны, н_Г =0.5 м/с.

Приравнивая правые части уравнений (38) и (41) и выразив, получим [1]:

2.3 Расчет отопительной системы При расчете отопительной системы определяют количество тепла, необходимое для подогрева битума за определенное время; теплоту сгорания и часовой расход топлива; количество тепла, передаваемое от горячих газов к битуму через жаровые трубы. Затем, приравнивая количество тепла, необходимое для нагрева битума, и количество тепла, проходящее через стенку жаровой трубы, определяют площадь жаровых труб. При расчете принимаем, что скорость нагрева битума н_н.б.=15 ⁰С/час.

Часовое количество тепла, вырабатываемое отопительной системой (кДж):

где =2.2 кДж/(кг· ⁰С) (см. таблицу 2).

Расход топлива отопительной системой автогудронатора (кг/ч):

где — полезно используемое тепло от сжигания 1 кг топлива, кДж/кг.

Количество полезно используемого тепла зависит от теплоты сгорания топлива и суммы потерь тепла. Потери тепла при работе форсунок (%) составляют от химической неполноты сгорания q_х=2%; от механической неполноты сгорания q_м=5%; потери горелкой в открытое пространство q_о.п.=6%; потери с дымовыми газами q_д.г.=15%.

Общие потери тепла (%):

Полезно используемое тепло (кДж/кг) от сжигания 1 кг топлива:

Тогда расход топлива составит:

Чтобы определить поверхность жаровых труб запишем основное уравнение теплопередачи:

где — тепловой поток, кВт;

— коэффициент теплопередачи, кВт/(м²· ⁰С);

— площадь поверхности жаровых труб, м²;

— средняя разность температур.

Определим коэффициент теплопередачи, :

где — коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке жаровой трубы,

кВт/(м²· ⁰С);

— толщина стенки, ;

— коэффициент теплопроводности стали, кВт/(м²· ⁰С);

— коэффициент теплоотдачи от стенки жаровой трубы к битуму,

кВт/(м²· ⁰С).

Находим :

где

-;

— температура дымовых газов,

Тогда поверхность жаровых труб составит:

Жаровые трубы имеют U — образную форму. Длину каждой ветви жаровых труб принимаем равной 0.8 длины цистерны L_ц; тогда общая длина жаровых труб, :

где z — число жаровых труб; z=2.

Используя значения, полученные в формулах (57) и (58) диаметр жаровых труб составит [2]:

2.4 Выбор материала жаровых труб Приняв во внимание то, что действительная температура горения топлива t_Д.Т. =1069.5⁰С, целесообразно в качестве материала жаровых труб вблизи горелки, где самая высокая температура, сталь, который имеет температуру плавления 1100 — 1200⁰С[15] и размягчается только вблизи температуры плавления. Его коэффициент теплопроводности равен 0,0323 кВт/(м^{2 0}С).

3. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Схема самоходного автогудронатора

2. Схема отопительной системы автогудронатора.

3. Эскиз распределительного устройства.

ВЫВОДЫ

В проделанной работе все задачи были решены:

1. Рассчитан процесс горения топлива, действительная температура горения t_Д.Т =1069.5

2. Рассчитана теплоизоляция цистерны (l₂=5.56· 10^-2 [м]);

3. Определена низшая теплота сгорания и расход топлива (Q_н=4.31· 10⁴ [кДж/(кг топлива)]; Q_Т.О.С.=3.42 [кг/час]);

4. Определены размеры жаровых труб для подогрева битума: диаметр (D_Ж.Т.=5.5· 10^-2 [м]) и общая длина (УL_Ж.Т.=8.64 [м]).

1. Дорожно-строительные машины и комплексы: учебник для вузов/ В. И. Баловнев и др.; под общ. ред. В. И. Баловнева. — Москва-Омск: СибАДИ, 2001. — 528 с.

2. Артемьева К. А., Алексеева Т. В., Белокрылов В. Г. Дорожные машины: в 2-ух частях. Ч. П. Машины для устройства дорожных покрытий. М.: Машиностроение, 1982, 396 с.

3. Васильев А. А. Дорожные машины: учебник для автомобильно-дорожных техникумов. М.: Машиностроение, 1987, 416 с.

4. Технология переработки нефти. В 2-х частях. Часть первая. Первичная переработка нефти. /Под ред. О. Ф. Глаголевой и В. М. Капустина.- М.: Химия, КолосС, 2007. 400 с.

5. Краткий справочник физико-химических величин. /Под ред. А. А. Равделя, А. М. Пономаревой. — Л.: Химия, 1983. — 232с.

6. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности неорганических и органических веществ. /Коллектив авторов. СПб: НПО Профессионал. 2003.

7. Дорожные машины. Теория, конструкция и расчет./ Под общей ред. Н. Я. Хархуты.

8. Битумные материалы. Под ред. Хайберга. М.: Химия. 1974.

9. Монастырский О. В. Организация разогрева битума и мастик в строительстве. М.: Транспорт, 1973.

10. Справочник конструктора дорожных машин. Под ред. И. П. Бородачева. М.: Машиностроение, 1973.

11. Сарданашвили А. Г., Львова А. И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. — 2-е изд., пер. и доп. — М., Химия, 1980. — 256 с.

12. http://www.rus-parts.ru/ds-39b.htm

13. Михеев М. А. Основы теплопередачи. — 2-е изд., 1949. — 396 с.

14. Кузнецов Б. Н. Моторные топлива из альтернативного нефти сырья// Соросовский образовательный журнал -2000. — Т.6. — С. 51−56.

15. Марочник сталей и сплавов. http://www.splav.kharkov.com