1598005868-03648c969f647e9d2289db563a03b78d (Н.Ю.Корчунов, В.В.Померанцев - Основы практической теории горенияu), страница 4

В продуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.

Для расчета обычно применяется низшая теплота сгорания рабочей массы топлива Щ, которая учитывает тепловые потери с парами воды. По данным элементарного состава низшая теплота сгорания твердых и жидких топлив приближенно может быть определена с помощью эмпирической формулы Д. И. Менделеева.

().=ЗЗйС +ЮйбН вЂ” Пю,б(Π— Яв,+„) — йбй . () б) Низшая теплота сгорания сухих горючих газов с достаточной точностью может быть подсчитана (в МДж/ма) как сумма произведений теплоты сгорания отдельных компонентов и их содержания в 1 м' газообразного топлива: Я'„= 0,108Н, + 0,126СО+ 0,358СН~+ 0.5СзН + 0 234Н~3+ ° (1-6) ташица 1-г природина тавааа зл вор+ + 3, ° я иг, ш ле, я е'„,мд ~ В среднем теплота сгорания природного газа составляет примерно 35,6 МДж/м'. В искусственно получаемых горючих газах метана немного. Основными горючими составляющими являются водород и окись углерода. В коксовальном газе содержание На доходит до 55 — 60 %, а низшая теплота сгорания такого газа достигает 16,7 МДж/м'.

В генераторном газе СО около 30 Ъ и Н~ около 15 %, теплота сгорания составляет 5,2 — 6,5 МДж/м', В доменном газе СО и На содержится меньше, теплота сгорания 4,0 — 4,2 МДж/м'. Одной нз основных особенностей твердых природных топлив является способность выделять при нагревании газообразные и жидкие продукты термического разложения их органической массы (так называемые летучие); выход летучих обозначается символом Уа. После завершения процесса термического разложения топлив остается твердый остаток — кокс, который содержит в основном углерод и золу. Содержание летучих в топлове определяется в лабораторных условиях путем прокаливания фиксированной навески топлива в инертной среде при температуре 850 'С. Летучие играют заметную роль при воспламенении и на начальных стадиях горения твердых топлив, в значительной мере определяют нх реакционную способность.

Для расчетов статики горен~я, т. е. расчетов, связанных с материальным и тепловым балансам~ процесса, достаточно иметь данные по злементарному составу рабочей массы топлива и общему тепловыделению. Таблица 1-2 Сусанна состав топлнва, получаемого нереработкоа нефтн йр Мдм1«г то«лево 0,05 0,2 0,3 85,0 86,0 86,5 14,9 13,7 12,8 0,15 О,1 0,4 43,75 42,96 42,33 Бензин Керосин Соляровое масло Мазут мвлосернпстыа высокосернн- стыа 87,8 84,0 0,8 0,5 0,7 4,0 40,И вЂ” 36,63 10,7 11,5 0 — 0,2 Π— 9 0,3 Средние данные об элементарном составе горючей массы различных природных топлив, о содержании в ней летучих, а также о низшей теплотворной способности массы и содержании в ней золы приведены в табл. 1-1.

Аналогичные данные для топлив, получаемых переработкой нефти, приведены в табл. 1-2. 1 3. АААТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ ВАЛАНСЫ ПРОЦЕОЕОВ ГОРЕНИЯ. КОЭФФИЦИЕНТ ИЗЕАПНА ВОЗДУХА При составлении материального баланса процессов горения твердого и жидкого топлив используются элементарные реак- ции окисления элементов, входящих в состав топлив: 1) С+Ов=СО, 12+32=44 кг — при полном сгорании углерода (до Соз); 2) 2С+О =2СО 24+32=56 кг — при неполном сгорании углерода (до СО); 3) 2На+ Ов = 2Нво 4+32=36 кг — при горении водорода; 4) 8+Ое— - 80, 32+32=64 кг — при горении органической серы; 2ре8, + 5,50, = Ре,о, +480, 240+176 160+256 кг — при горении колчеданной серы. Балансы элементарных реакций пбзволяют рассчитать мас- совые расходы кислорода и количество продуктов реакция, при- ходящееся на единицу массы рассматриваемого элемента.

Зна- ние плотности газов дает возможность перейти от массовых единиц к объемным. Расчет обычно проводится для нормаль- 16 Объем водяных паров определяется по формуле (м'/кг) Уй.о = 0,0124 (9Н'+ йгэ) + 0,0161У'. Коэффициент 9 вводится потому, что по реакции горения водорода водяного пара получается по массе в девять раз больше, чем израсходовано водорода. Иногда бывает необходимо учитывать также водяные пары, вносимые в топку с паровым дутьем, если таковое имеется. После сложения объема сухих газов с объемом водяных паров получим полный объем газов при теоретическом расходе воздуха У„'=У, '„+Уно. (1-8) На практике в топочное устройство всегда подается воздуха больше, чем теоретически необходимо для сгорания.

Действительный расход воздуха на сжигание 1 кг топлива записывается следующим образом: У,=аУ'. Входящий в данную формулу множитель а называется ко- эффициентом избытка воздуха или коэффициентом подачи воз- духа. Определение коэффициента избытка воздуха по составу продуктов сгорания будет рассмотрено ниже.

Для а)1 в правую часть формулы (1-8) нужно прибавить избыточное количество воздуха: У, = У~н,о+ У~,, +(а — 1) У~. При рассмотрении горения газообразного топлива объемы воздуха и продуктов сгорания относят к 1 м' исходного газа. При сжигании газообразного топлива протекают реакции горе- ния водорода, окиси углерода 2СО+О, = 2СО, 66+82=88 непредельных углеводородов, сернистого газа и метана Сн +2О,=СО + 2Н О.

16+64=44+ 36 кг (напомним, что природный газ состоит в основном из метана). Для сухого газа, имеющего в своем составе СО, Нм СНа, 02 и Хм расчетные формулы имеют вид (м'/мз): Уз =0,04У6(0,6СО+0,6Н, +2СН.— О,)1 У,,= 0,01(СО,+СО+СИ,)+0,У9У +0,0ПЧ~; Уон,о=0,01(Н,+ 2СН4). При сжигании смеси топлив объемы продуктов сгорания ре- комендуется рассчитывать для каждого топлива в отдельности на 1 кг твердого или жидкого и на 1 м' газообразного топ- 1В лина, Далее объемы воздуха и продуктов сгорания смеси определяются путем суммирования доли каждого топлива исходной смеси, умноженной на объем продукта его сгорания.

Тепловой баланс процесса горения составляется для определения температуры газов после сгорания. При горении в адиабатных условиях все тепло передается газам. Они нагреваются до высшей для данного топлива при данном избытке воздуха (с заданной исходной температурой) температуры, называемой теоретической температурой горения Т,. Точный расчет этой температуры должен проводиться с учетом зависимостей теплоемкости газов от температуры. Если процесс сгорания протекает при постоянном давлении, то берется удельная теплоемкость ср. В этом случае суммарная энтальпия продуктов сгорания ! за вычетом энтальпни подаваемого воздуха 1„ приравнивается теплоте сгорания топлива: 1 (Т,) — 1, (7 ) = Ог.

Здесь То — начальная температура процесса (температура подаваемого воздуха). Энтальпня рассчитывается на 1 кг (нли 1 м') исходного топлива: ~ ~т,) =Ч„~~„~(т,)+р 1 (т,)+р„~„(т,) + +Ч,„1, (т,)+)~ ~,(т,) (1-9) В рассматриваемой формуле энтальпии умножаются на соответствующие объемы газов (расчет на 1 кг топлива). Суммарная энтальпия также отнесена к 1 кг топлива. Иногда при составлении теплового баланса возникает необходимость в учете физической теплоты топлива и теплосодержания золы, уносимой газами. При расчете теоретической температуры сгорания для ракетных топлив баланс составляется аналогично для заданной смеси горючего и окислителя. Однако в этом случае из-за высокой температуры становятся существенными обратные реакции диссоциации, протекающие с поглощением тепла (см. гл.4).

Из-за реакций диссоциации тепловой эффект уменьшается. Расчет в целом становится достаточно сложным: необходимо найти состав продуктов сгорания и температуру. В случае же сжигания природных топлив или продуктов их переработки с использованием в качестве окислителя воздуха (топки паровых котлов, камеры сгорания газовых турбин и воздушно-реактивных двигателей, двигателей внутреннего сгорания) температура не столь высока и с реакциями диссоциацин можно не считаться. Для расчетов пригодна формула типа (1-9). Теплоемкостн трехатомных газов близки между собой (исключая водяной пар). То же можно сказать о теплоемкостях двухатомных газов. Поэтому обычно формулу (1-9) упрощают и записывают так: ~(т,)= Ч„~~„~(т,)+Ч„~~„~(т,)+т)„ъ(т,') (1 10) где Мl='г'з,г — Уио,+(сс — 1) У .

Значения энтальпии НзО, СОм Хз и воздуха (в МДж/м') при нескольких температурах даются в табл. 1-4 (для давления 0,1 МПа; давление вообще влияет очень слабо). Накболее просто теоретическая температура горения определяется в том случае, когда можно пренебречь зависимостью теплоемкости от температуры. Если к тому же имеет место только один продукт сгорания (например, водяной пар при сгорании водорода), то приближенно можно принять т,=т,+а,с,ц~,), (1-11) где Сз — исходная концентрация горючего; ®~ — теплота сгорания горючего прн постоянном давлении (отнесенная к единице массы горючего).

В случае протекания реакции прн постоянном объеме в формуле (1-11) Яр и ср нужно заменить на теплоту сгорания н удельную теплоемкость при постоянном объеме Я, и с,. При более тщательном расчете нужно составить баланс типа (1-9), но не для энтальпнй, а для значений внутренней энергии.

Как уже говорилось, теоретическая температура представляет собой высшую возможную температуру для данной смеси горючего и окислителя. В реальных случаях температура получается более низкой за счет теплоотдачи и тепловых потерь. При расчете фактической температуры горения потери тепла нужно учитывать. Рассмотрим определение коэффициента избытка воздуха по составу дымовых газов. В приборах газового анализа исследуется обычно осушенный газ.

Поэтому результаты анализа выражают состав сухого газа. Содержание СОз в сухом газе (в процентах по объему) определяется формулой 1Ооусо Уо +( 1)ро Если в воздухе сгорает чистый углерод, то при а= 1 величина СО~ „,ц„= 21. При сжигании природных топлив СОз „,„,= 20 =21/(1+()), где 5 — топливный коэффициент Бунте: = 2,37 (Нэ — 0,1250э)/Сэ. Используя коэффициент р, для а)1 при полном сгорании можно записать: СОз= (21 — Оз)/(1+5), где Оз — относительная объемная (в процентах) концентрация кислорода в продуктах сгорания.