Топливо и основы теории горения

Топливо и основы теории горения.

Глава   шестнадцатая. РАСЧЁТЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО, ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

16.1.  КОЛИЧЕСТВО  ВОЗДУХА, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ  ГОРЕНИЯ. ТЕПЛОТА „СГОРАНИЯ" ВОЗДУХА

           При пол­ном сгорании топлива углерод окисляется до СО₂, водород — до Н₂О, сера — до SО₂. Формально полное окисление серы соответ­ствует образованию SОз, однако при то­почных температурах SO₃ практически не образуется. Окислителем обычно слу­жит воздух. Количество его должно быть достаточным для пол­ного сгорания всех горючих элементов.            Балансовые уравнения, показываю­щие исходные и конечные состояния

участвующих в реакциях компонентов, называются стехиометрическими.

          В соответствии со стехиометрическим уравнением реакции горения водорода

                                  Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О                                        (16.1)

          Аналогично из реакций

Рекомендуемые материалы

                          С + О₂ = СО₂;       S + O₂ = SO₂                           (16.2)

          Для полного сгорания 1 кг углерода тео­ретически требуется затратить 2,67 кг кислорода, а 1 кг серы и водорода со­ответственно 1 и 8 кг кислорода. Часть необходимого кислорода, равная 0,01 О^r кг/кг, содержится в топливе, остальное в количестве М_О2 =0,01х(2,67C^r + 8H^r + S_c^r - O^r) нужно подать с воздухом. Плотность кислорода в нор­мальных условиях равна 1,43кг/м³ (мо­лекулярная масса, деленная на объем 1 кмоля, т.е. 32/22,4), содержание кислорода в сухом воздухе составляет по объему 0,21. Следовательно, объем воз­духа (приведенный к нормальным усло­виям), теоретически необходимого для полного сжигания 1 кг топлива, равен, в м³/кг,

               

          V^o = M_O2/(1,43 . 0,21) = 0,033(2,67C^r + 8H^r + S_c^r – O^r).      (16.3)

                      

           Теплоту, вы­деляющуюся в реакции горения, принято относить к единице массы топлива, на­зывая теплотой его сгорания. Поскольку в реакции в равной мере участвуют и го­рючие элементы (топливо), и кислород (воздух), эту теплоту можно отнести к единице массы воздуха.

Расчеты по­казывают, что отнесенная к единице пол­ностью прореагировавшего воздуха теплота сгорания различных топлив не­сколько различается, однако в среднем ее можно принять равной 3,8 МДж на1 м³ (в нормальных условиях) действи­тельно прореагировавшего воздуха. Эта цифра удобна для приближенных расче­тов, обеспечивающих точность в преде­лах 10—15 %. Поэтому для оценочных расчетов можно принять V⁰=Q_i^r / 3,8.

          Поскольку равномерно перемешать воздух с топливом трудно, в топку при­ходится подавать больше воздуха, чем необходимо теоретически. Отношение ко­личества воздуха V_в действительно по­данного в топку, к теоретически необхо­димому V⁰ называется коэффициен­том избытка воздуха:

                                     α_в = V_в/V_o                                               (16.4)

          При нормальной организации топоч­ного процесса α_в>1, причем чем совер­шеннее топка и лучше горелочные устройства, тем меньше приходится по­давать «лишнего» воздуха. В лучших то­почных устройствах α_в = 1,05-1,1, в плохих — до 1,3—1,5.

16.2. ОБЪЕМЫ  И  СОСТАВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

          При проектировании теплотехниче­ских агрегатов нужно знать количество образующихся газов, чтобы правильно рассчитать газоходы, дымовую трубу, выбрать устройство (дымосос) для уда­ления этих газов

и т. д. Как правило, количества продуктов сгорания (как и подаваемого воздуха) относят на еди­ницу топлива (на 1 кг для твердого и жидкого и на

 1 м³ в нормальных усло­виях для газа). Их рассчитывают исходя из уравнения материального баланса го­рения. Для грубых оценок можно счи­тать, что в нормальных условиях объем продуктов сгорания V_r твердого и жидко­го топлив равен объему воздуха V_в, а га­зообразного топлива V_в+1, ибо объем основной составляющей дымовых газов — азота, так же как и «избыточного» кислорода, при горении не меняется. В реакциях (16.2) объем газов тоже остается постоянным. Для более точных расчетов необходимо все же учитывать, что при сжигании твердого топлива V_г > V_в (обычно на 15—

25 %) прежде все­го из-за испарения содержащейся в нем влаги, а также из-за образования водяного пара при сгорании водородсодержащих соединений.

         При полном сгорании

     V_r = V_RO2 + V_H2O + 0,79α_вV^o + 0,21 (α_в – 1) V^o                 (16.5)

Здесь 0, 21 (α_в - 1) — избыточный кисло­род воздуха, «транзитом» проходящий в продукты сгорания; 0,79α_вV^o   — азот воздуха, также проходящий «транзитом» (азотом топлива пренебрегаем);

V_RO2 = V_CO2 + V_SO2 - объем      сухих      трехатомных продуктов сгорания.

          Поскольку при сгорании 1 кмоля уг­лерода и серы (соответственно 12 и 32 кг) по реакциям (16.2) образует­ся по 1 кмолю СО₂ и SО₂, а объем 1 кмо­ля идеального газа в нормальных усло­виях равен 22,4 м³, то объем трехатом­ных продуктов сгорания, м³/кг, можно записать

                     V_RO2 = V_CO2 + V_SO2 = (0,01C^r/12 + 0,01S_c^r/32) 22,4

                               = 0,0168 (C^r + 0,375S_c^r).                             (16.6)

          При сгорании 1 кг водорода по реак­ции (16.1) образуется 9 кг водяного па­ра, кроме того, испаряется и влага топ­лива. В идеально-газовом приближении плотность водяного пара в нормальных условиях равна 18/22,4 = 0,805 кг/м³. Водяным паром, содержащимся в воз­духе (около 10 г на 1 м³), можно прене­бречь. Следовательно,

  V_H2O  = 0,01 Н^г • 9/0,805 + W^r/0,805 = 0,111Н^r + 0,124W^r.     (16.7)

Для   всех   топлив  значения   V⁰, V_RO2 и V_H2O табулированы.

          Приведенные формулы позволяют рассчитать также состав продуктов сго­рания, т. е. процентное содержание в нем отдельных компонентов, например кон­центрацию кислорода O₂ = 100Vo₂/V_r, во­дяного пара

 Н₂О= 100 V_H2O /V_r и т. д.

16.3. ЭНТАЛЬПИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ. H,t-ДИАГРАММА

          В соответствии с уравнением (5.3) первого закона термодинамики, количе­ство теплоты, отдаваемой потоком газов в теплообменнике, равно разности эн­тальпий газов до и после теплообменни­ка (изменением скоростного напора можно пренебречь, а техническая работа не совершается). Поэтому основой теп­ловых расчетов топливоиспользующих устройств является энтальпия продуктов сгорания, которую принято рассчитывать на единицу количества топлива, из кото­рого получились эти продукты, т. е.

                               H_r = V_rc_r¹t                                                  (16.8)

Здесь t — температура, °С,

 с'_r — средняя в диапазоне температур 0  - t°C тепло­емкость продуктов сгорания при посто­янном давлении, отнесенная к единице их объема в нормальных условиях, Дж/(м³ К).

H_r – энтальпия, Дж/кг или Дж/м³.

          Удельная (отнесен­ная к 1 м³ в нормальных условиях) теп­лоемкость дымовых газов чуть больше, чем воздуха, поскольку вместо двухатом­ного кислорода в них появляются более теплоемкие трехатомные СO₂ и H₂О, од­нако разница не превышает 5 — 10 %. Как и у всех газов, теплоемкость про­дуктов сгорания заметно возрастает с температурой.       

          Поскольку объем продуктов сгорания V_r увеличивается с увеличением α_в, то их энтальпия при принятом методе расчета(на единицу количества топлива, а не продуктов сгорания) при этом также увеличивается.

          Расчеты теплообменников удобно вы­полнять с помощью H, t -диаграммы, представляющей собой ряд линий, даю­щих зависимость энтальпии продуктов сгорания H_г от их температуры при раз­ных значениях а_в. Для примера на рис. 16.1 построена H, t -диаграмма для продуктов сгорания природного газа (га­зопровод Бухара — Урал).

          Прежде всего по H, t -диаграмме мож­но определить температуру, которую имели бы продукты сгорания при усло­вии, что вся теплота горения затрачива­ется только на их нагрев, а теплопотери отсутствуют. Эта температура называет­ся  а д и а б а т н о й, поскольку горение осуществляется в адиабатно-изолированной системе, без теплопотерь. Если продуктов неполного сгорания нет, теп­лота из зоны горения не отводится и сжигание организовано в потоке (практически при p = const), то в соот­ветствии с уравнением (5.3) количество выделяющейся при сгорании теплоты равно энтальпии продуктов сгорания:

                            H_г^а = Q_i^r + H_вт + h_тл.                                                        (16.10)

Если температура воздуха t_в.т. и топлива t_тл на входе в топку равны нулю, то их энтальпии      H_вт = h_тл = 0  и H_г^а = Q_i^r.

          Откладывая на H, t -диаграмме значе­ние H_г = Q_i^r, найдем на пересечении с кривой, построенной для выбранного значения α_в, соответствующую адиабат­ную температуру. Например, значениям  α_в = 1,25 и Q_i^r = 36,7МДж/м³ соответствует точка А на рис. 16.1, т.е. t_α = 1700 °С. Естественно, адиабатная тем­пература будет максимальной для с т е-хиометрической смеси, т. е. для α_в = 1. Она называется теоре­тической t_т. В примере на рис. 16.1 t_т = 2000 °C. С увеличением α_в  в продуктах сгорания появляется «лиш­ний» воздух, на нагрев которого также затрачивается теплота, поэтому адиабат­ная температура уменьшается. Теорети­ческая температура горения некоторых газообразных топлив в холодном возду­хе, рассчитанная без учета диссоциации, составляет:

          Теоретическая температура горения веществ, t_т, ^оС:

Окись углерода СО                                                   - 2370

Водород Н₂                                                                                                     - 2230

Метан СН₄                                                                  - 2030

Коксовый                                                                    - 2090

Природный                                                                 - 2020

Доменный                                                                   - 1410.

          Действительная температура оказы­вается тем ниже адиабатной, чем больше теплопотери (в основном излучением) из зоны горения на холодные стены топки и в окружающую среду, и обычно отли­чается от нее на

20—25 %. При нагреве воздуха или обогащении его кислородом адиабатная температура увеличивается.

          В процессе сгорания топлива в то­почной камере теплота может переда­ваться конвекцией и излучением нагре­ваемому материалу в печах или охлаж­дающим поверхностям в котлах. В ре­зультате газы охлаждаются, их энталь­пия снижается. Этот процесс на рис. 16.1 изображается линией α_в = const. Например, при охлаждении в топке продуктов сгорания до 1100 °С и неизменном коэффициенте избытка воздуха α_в=1,25 (линия АВ) их энталь­пия снижается до 22,5 МДж/м³. В со­ответствии с уравнением (5.5) теплота, отдаваемая продуктами сгорания в про­цессе их охлаждения (в расчете на еди­ницу количества сгоревшего топлива), равна уменьшению их энтальпии, т. е.

"22 Правовое регулирование внутрифирменной деятельности" - тут тоже много полезного для Вас.

                                   Q_г = H_г¹ -  H_г¹¹                                                         (16.11)

                        

где H_г¹ и H_г¹¹— энтальпии газов соответ­ственно до и после теплообменника.

          Уравнение теплового баланса (16.11) служит основой для расчета всех теплообменных поверхностей.

          Очень часто для удаления продуктов сгорания из агрегата их отсасывают, т.е. они движутся в агрегате под разре жением. Через неплотности к ним может подсасываться атмосферный воздух. Пусть коэффициент избытка воздуха увеличится при этом от 1,25 до 1,5

(Δα_а = 0,25). Энтальпия газов при этом практически не изменится, посколь­ку энтальпия подсасываемого холодного воздуха близка к нулю. Следовательно, подмешивание (присос) холодного воз­духа к продуктам сгорания изобразится в Н, t - диаграмме горизонтальной линией Н_г = const. В нашем примере газы охла­дятся за счет присосов (с 1100 до 950°С, линия ВС). Чем больше присосы, тем меньше окажется разность энтальпий при той же разности температур (срав­ните Н_А—Н_В и H_A — H_D на рис. 16.1), поэтому из-за присосов через неплотно­сти в газоходах, когда газ движется под разрежением, экономичность теплооб­менника снижается так же, как и из-за утечек части горячего газа через те же неплотности, когда газ по газоходу дви­жется под давлением.