Температура горения топлива
Лекция № 6. Температура горения топлива.
Температура, теплоемкость, энтальпия.
Температура является уровнем теплового движения. Кроме того, согласно кинетической теории, температура является показателем средней кинетической энергии молекул.
Единица измерения температур – градус. В теплотехнике используется две температурные шкалы: Цельсия и Кельвина.
За начало отсчета в (стоградусной) шкале Цельсия принята температура плавления льда при нормальном давлении Ро = 101325 Па, а за 100 градусов принята температура кипения воды при том же нормальном давлении.
За начало отсчета по шкале Кельвина принята температура, при которой молекулы вещества перестают двигаться. Шкалу Кельвина также называют абсолютной шкалой. Связь между абсолютной температурой Т, К и температурой Цельсия t, oC определяется уравнением:
T = t + 273,15
Теплоемкость это способность сопротивляться повышению уровня тепловго движения. Теплоемкостью тела называют количество теплового движения (тепла), которое нужно сообщить телу, чтобы повысить его температуру на 1о.
Рекомендуемые материалы
Теплоемкость зависит от количества вещества в теле. Теплоемкость, отнесенная к единице количества вещества, называется удельной. В зависимости от выбора единицы измерения теплоемкость (С) может быть молярной, массовой или объемной. Применительно к газам теплоемкость может быть при постоянном объеме и при постоянном давлении. С увеличением температуры теплоемкость возрастает.
Удельная теплоемкость, определенная при данной температуре, носит название истинной и обозначается
кдж/(м3×К),
где it (кдж/м3) - удельная энтальпия при данной температуре t.
В практике расчетов часто приходится пользоваться средней теплоемкостью в интервале температур t1 и t2, которую называют расчетной средней теплоемкостью.
Теплоемкость и энтальпию смеси газов А, В, Д и др., если известно их объемное процентное содержание, подсчитывают из выражений:
Ссм = 0,01·(СА·%А + СВ·%В + СД·%Д) кдж/(м3·оС);
itсм = 0,01·(it(А)·%А + it(В)·%В + it(Д)·%Д) кдж/м3.
Калориметрическая температура горения.
Если все тепло, получаемое при горении, остается в продуктах сгорания и идет лишь на повышение их температуры, то в этом случае температура продуктов сгорания приобретает свое наибольшее значение и называется калориметрической. Эта температура является чисто расчетной величиной, и определяется из следующего выражения
tкал =
,
где VD - объем дымовых газов на единицу топлива, м3/кг (м3/м3);
С0t - средняя объемная теплоемкость дыма в интервале температур от 0 до tкал, определяемая по известному составу продуктов сгорания.
Калориметрическую температуру горения определяют тремя способами: по методу линейной интерполяции; графическим методом и по методу последовательных приближений.
На величину калориметрической температуры влияют следующие факторы:
1) подогрев воздуха и топлива;
2) процентное содержание кислорода в воздухе;
3) коэффициент расхода воздуха на горения;
4) теплота сгорания топлива.
Подогрев воздуха и топлива ведет к увеличению калориметрической температуры сгорания, особенно для топлив с низкой теплотой сгорания. С увеличением коэффициента расхода воздуха выше теоретического (n>1) калориметрическая температура снижается, т.к. возрастает объем продуктов сгорания. Использование воздуха, обогащенного кислородом, ведет к увеличению калориметрической температуры горения вследствие уменьшения количества продуктов сгорания. В большинстве случаев увеличение теплоты сгорания топлива способствует повышению калориметрической температуры горения.
Нормальная калориметрическая температура горения
Калориметрическая температура горения может быть использована для характеристики топлива, если эта температура определяется при нормальных условиях, а именно:
а) начальная температура топлива и воздуха составляет 0оС;
б) полное горение происходит с теоретическим количеством сухого естественного воздуха;
в) процесс диссоциации продуктов сгорания отсутствует;
г) в камере горения поддерживается нормальное давление 0,1 Мпа (760 мм.рт.ст.).
Рассчитанная в этих условиях температура называется нормальной калориметрической температурой или иначе жаропроизводительностью.
Теоретическая температура горения
Калориметрическую температуру рассчитывают исходя из предположения, что реакции горения являются необратимыми и идут лишь в одну сторону до образования конечных продуктов окисления углекислого газа и воды. В действительности эти реакции являются обратимыми, и при температурах выше 1800 оС эндотермические реакции диссоциации СО2 и Н2О начинают оказывать ощутимое влияние на снижение температуры горения. Температура, рассчитанная с учетом диссоциации СО2 и Н2О, получила название теоретической и является ниже калориметрической.
Вместе с этой лекцией читают "30 Наблюдение и эксперимент как методы эмпирического исследования".
При сжигании топлива в воздухе, обогащенном кислородом, калориметрическая и теоретическая температуры горения получаются выше и разница между ними достигает значительных величин. В этих случаях расчет теоретической температуры горения следует производить по более сложной методике. Однако нужно отметить, что наличие интенсивной теплопередачи при горении топлива резко снижает температуру продуктов сгорания и максимальные действительные температуры в металлургических печах редко превышают 1800 оС. Топливо сжигают в печах, с некоторым избытком воздуха, что уменьшает диссоциацию и сводит ее влияние к минимуму.
Действительная температура горения.
В процессе сжигания топлива в топках или печах выделяется тепло, часть которого излучается на поверхность нагреваемых предметов и стен камеры сжигания; часть тепла остается в продуктах сгорания, в результате чего они приобретают какую-то конечную температуру, с которой покидают топочную камеру. Величина этой температуры зависит от количества топлива, сжигаемого в данной топке в единицу времени, от теплоты сгорания топлива, а также и от подогрева воздуха и газа, т.е. от калориметрической температуры. Конечная температура продуктов сгорания зависит и от условий теплопередачи. Чем благоприятнее условия передачи тепла от газов к поверхности нагрева, тем ниже температура отходящих из топки газов. Таким образом, конечная температура продуктов сгорания топлива является результатом борьбы противоречивых факторов, т.е. зависит от условий сжигания топлива и от условий теплопередачи. Действительная температура горения устанавливается на таком уровне, при котором имеет место равновесие между приходом тепла от сжигания топлива и расходом тепла по условиям теплопередачи, и обеспечивает передачу тепла в таком количестве, которое освобождается при снижении температуры продуктов сгорания от калориметрической до конечной. Сознательно воздействуя на приходную и расходную части тепла в процессе горения топлива, можно изменять в ту или другую сторону эту равновесную действительную температуру горения топлива. Поскольку процесс горения топлива физически неотделим от процесса теплопередачи, то действительная температура горения топлива всегда ниже калориметрической и теоретической. Формулировка понятия действительной температуры горения связана с некоторыми трудностями, т.к. газовая среда, заполняющая камеру сжигания топлива, не имеет одинаковой температуры по всему объему камеры. Следовательно, можно говорить лишь о какой-то средней температуре горения внутри факела или внутри топки. При рассмотрении понятия действительной температуры горения топлива имеют в виду теплопередачу газов при этой температуре, но процесс теплопередачи имеет место как в процессе горения топлива, так и после него. Поэтому целесообразно говорить не о средней температуре горения, а о средней температуре излучателя в камере горения. Минимальной температурой излучателя будет конечная температура продуктов сгорания топлива в камере сжигания.
По практическим данным средняя температура газового излучателя в процессе горения топлива далека от калориметрической и более близка к конечной температуре газов. Без существенной погрешности пока можно принимать за среднюю температуру излучателя конечную температуру газов, покидающих камеру сжигания. Допускаемая при этом ошибка может быть компенсирована некоторым увеличением коэффициента излучения газов, который равен отношению конечной температуры газов к калориметрической температуре и называется пирометрическим коэффициентом
hпир = tк/tкал .
Практические значения hпир изменяются от 0,6 до 0,8. Следовательно, действительная температура горения примерно равна 0,7×tкал и определяется тепловым балансом печи (топки).
