Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М., страница 2

В состав промышленного топлива входят всевозможные соединения этих элементов с примесью негорючих веществ: влаги, минеральной части !золы). Как правило, непосредственно добытое природное топливо подвергают той или инок переработке, без которой его промышленное сжигание невозможно или экономически нецелесообразно. Следует отметить, что отдельные компоненты нефти служат сырьем для производства не только топлива, но и спиртов, жирных кислот, искусственного каучука, медикаментов и др.

г 1. Классификация топлив Происхождение дгрегатнае состоннне искусственное природное Природный н нефте- промысловый газы Генераторный, полукоксовый, коксовый и доменный газы, газ подземной газификации углей и др. Бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, моторное топливо, мазут, спирт (метанол), каменноугольнзя смо. ла и др. Древесный уголь, каменноугольный кокс н полукокс, угольная пыль, торфяные н каменноугольные брикеты н др. Газообразное Нефть Жидкое Древесина, торф, бурый н каменный угли, антрацит, горючие слан- цы Твердое Основой общей классификации топлива является деление его по агрегатному состоянию и происхожденшо (табл.

1). Постоянный рост потребления топлива повышает важность учета экономических, экологических и ресурсных (перспективных) моментов при использовании нефти, газа и других видов топлива. Расширяя топливно-энергетическую базу, необходимо изыскивать способы применения менее дорогих и дефицитных топлив, ограничивать вредные воздействия его продуктов сгорания. Одновременно следует находгпь более эффективные способы добычи, транспортирования, хранения и использования топлив во всех отраслях народного хозяйства, совершенствовать энергетические системы и их топливо- сжигающие устройства, уменьшая всевозможные потери и снижая нормы потребления топлива за счет повышения их экономичности.

Важнейшими и наиболее общими характеристиками топлива, определяющими характер и результаты процесса его сжигания являются химический состав, теплота сгорания и отношение топлива к нагреванию. Состав топлива. Эта характеристика во многом определяет остальные и является исходной.

Химический состав должен указать, какие соединения и в каком количестве входят в данное топливо. Горючих элементов в топливе может быть тррл углерод, водород и сера. Эти и другие элементы, как уже отмечалось, находятся в топливе в виде различных соединений. Практически пока невозможно определить состав любого топлива.

Техническое топливо по степени возможной полноты проведения его химического анализа можно разделить иа три группы: 1) в основном газообразное; 2) жидкое, каи правило,' нефтяного происхождения, состоящее из различных углеводородов; 3) твердое, в первую очередь ископаемые угли. Для топлив первой группы химический анализ позволяет точно установить процентное по объему содержание отдельных элементов 8 Для топлив второй и третьей групп определить химический состав трудно или невозможно, поэтому принято пользоваться данными элементарного и технического анализов.

Результатами элементарного анализа (в сс) является содержание в массовых долях С, Н, О, К, $, золы А и влаги К. Эти данные характеризуют топливо формально, как смесь отдельных элементов, и, конечно, не способны отразить факторы, зависящие от свойств конкретных соединений, однако позволяют выполнить комплекс расчетов, необходимых для использования топлива в технике. Формы записи результатов элементарного анализа показаны в табл.

2. Для расчетов наиболее важен состав топлива по рабочей массе. Количество какого-либо элемента (например, Н) дается в этом случае с индексом (р), например: Нг. 2. Состав жидкого н твердого топлива по результатам элементарного анализа Обсан а. ченис массы тснлнна Ссстанлюащие с ! и ! о ( и о Органическая Горючая Сухая Рабочая и конкретных соединений в газовой смеси, например: водорода Н.; кислорода О,,; азота Хс; окиси углерода СО; двуокиси углерода СО,; метана СН,; эта на С,Н„; тяжелых углеводородов (сумма) С„Н„ и т. д. Всего состав сухого газа (без учета содержания влаги) равен 100 сс.

Количество тяжелых углеводородов обычно задают общей суммой, так как их содержание в газообразном топливе обычно не превышает ! — 2 'с. Содержание влаги Гк' (прп нормальных условиях) указывается отдельно (в г,'м'). Пример. Объем 1 кг водяного пара при 273 К и 0,1 МПа с = — 22,421!8 = = 1,242 ма~'кг. Значит, прн содержании влаги 1Гг в 100 ма сухого газа ее объем 100 йс Х 1,242йт~1000 == 0,1242!та, Таким образом, состав влажного газа (в са) по объему выразится следующим образом: 100 а 100 + 0,1242РХ Влажность твердого топлива определяют по потере массы при подсушке его до 378 К в потоке инертного газа.

Зольность считают по массе остатка после полного сжигания навески топлива. Для любого топлива состав в одном состоянии легко пересчитать на состав в другом состоянии. Пример. Проба донепкого газового угля имеет состав рабочей массы: Со .== = 70 36 а НР = 3 89 о 5Р = 4 01 о, ОР = 5 49 оо'! ьй =- 1,41 95 АР =- 1О 01 о . йгп = 4,83 о . Состав сухой массы этого угля (в 95) отличается от состава рабочей массы только отсутствием влаги, М' = Мр 1001(100 — )рр).

После подсчетов получаем: С' = 73,93 8о~, Н'= 4 1 5 = 4,21 %, О'= 5,77 о Хо.= 1,46 9о' А' 10 53 % Состав горючей массы топлива по элементам М" = Мо.)001[100 (Ао + )Ро)1 ион М" Мо.!007(!00 Ао). Органическую массу можно определить по трем выражениям: Мо = Мг !007[100 — (5о + Ао + Яго)[1 51~ = М' 100!1100 — (5' + Ао)[1 Мо =- М". !007(!ОО 5"). Данные элементарного анализа используются для определения количества участвующих в горении веществ и образующихся продуктов сгорания. Для анализа процесса горения нужны дополнительные сведения, например, для твердого топлива — данные технического анализа.

Теплота сгорания. Теплотой сгорания называется количество теплоты (в Дж), которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого нли жидкого топлива или 1 м' газообразного. При определении теплоты сгорания надо оговаривать условия ее получения.

В качестве стандартных условий приняты: температура Та = 288 К и давление р, = 0,1 )!!Па. От теплоты сгорания топлива зависит, в частности, его количество, расходуемое за единицу времени. Полное возможное тепловыделение при сгорании топлива определяется его высшей теплотой сгорания ()и при доведении водяных паров в продуктах сгорания до жидкого состояния при 273 К. В технических расчетах используют низшую теплоту сгорания топлива !зр, определяемую при условии испарения всей влаги, содержащейся в топливе и образовавшейся при сгорании водорода.

Если содержание в топливе водорода Но и влаги Юп дано в процентах по массе, то Я~ — !',)" „= 25,1 ([Р' + 9Н~). Теплоту сгорания топлива измеряют при его сжигании в калориметре или вычисляют по теплотам сгорания горючих веществ, входящих в его состав. Для сухого газообразного топлива по данным химического анализа и значениям теплоты окисления конкретных соединений низшая теплота сгораипя (В КДжгМа) !К = 4,19 (25 8Ня + 30 2СО + 85 6СН4 + 152,3СзНа + + 218 ОСоНа+ 283,4СоНш + 348,9СоНго + 133 8СоНз + + 141,!СоНа + 205 4С Н, -1- 271,1С,Н„+ 330 6С Н„+ 335 ЗСаНа + 55 9НоЯ) где СО, На СН, и т.

д. — объемные доли компонентов, ао. 10 Для жидкого и твердого топлив строго аналитически рассчитать теплоту сгорания невозможно. Поэтому используются различные эмпирические зависимости, наиболее совершенной и распространенной является формула Д. И. Менделеева Ог = 4,19 [81Сг -~- 246НР— 26 (О" — Бг) — 6%'"], (2) где Сг, Н', О", 8' и Ю'я — массовые доли компонентов рабочего состава топлива, ',О.

Следует отметить, что для зкономических расчетов важна так называемая чистая теплота сгорания топлива, представляющая собой разность энергий — выделившейся при горении и затраченной на добычу, переработку и транспортирование данного топлива. Так, например, эту теплоту используют при обосновании выбора определенного топлива для работы двигателя или установки в конкретных условиях. Отношение топлива к нагреванию. Поведение топлива при нагревании, так же как и теплота сгорания, зависит от его химического состава. Теплоустойчивые топлива при значительном их нагревании или даже изменении агрегатного состояния не меняют структуры молекул своих соединений. К ннм следует отнести водород и вещества, по составу близкие к чистому углероду, а также окись углерода. Теплонеустойчивые топлива — это такие, у которых при нагревании разрушаются старые молекулы и образуются новые, устойчивые при этих температурах. Теплонеустойчивыми являются топлива, почученные пз нефти, газообразное, битуминозные каменные угли и др.

Более подробно эта характеристика рассматривается в разделах, посвященных отдельным видам топлива. 5 2. ПРОМЫШЛЕННОЕ ТОПЛИВО Газообразное топливо В камерах сгорания ГТД, как и в любых других топливосжигающих устройствах, наиболее просто использовать газообразное топливо. Природные, генераторные и некоторые промышленные газы, а также технологические газообразные отходы имеют низкую себестоимость, К их преимушествам следует отнести отсутствие золы, легкость транспортирования и смешения с газообразным окислителем, простоту регулирования и обслуживания газовой аппаратуры.