Расчет теплотворности газообразного топлива

Различают высшую (Q _в) и низшую (Q _н) теплотворность газообразных топлив (кДж/м³).

Под высшей теплотворностью топлива понимается количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива при условии, что влага продуктов горения конденсируется и доводится до 0 ^оС. Высшая теплотворность является научно обоснованной величиной.

Под низшей теплотворностью топлива понимается количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива при условии, что влага продуктов горения остается в виде пара с температурой 20 ^оС. Низшая теплотворность является условной величиной, которую используют для приближения расчетов к практическим данным.

В расчетах горения топлив знание теплотворности необходимо для расчетов температуры горения. Для газообразных топлив теплотворность определяется по составу топлив и тепловым эффектом реакций окисления простых газов, составляющих газообразное топливо. При определении низшей теплотворности тепловые эффекты реакций окисления должны быть взяты для условий, когда образующаяся влага находится в виде пара.

Значение тепловых эффектов (кДж/м³) для основных реакций окисления составляющих газообразного топлива приведены выше.

Если процентное содержание во влажном газе соответственно составляет и т.д., то низшая теплотворность газа (кДж/м³):

(20)

При необходимости определить высшую теплотворность газообразного топлива необходимо учесть, что реакция окисления водорода с получением влаги в виде жидкости протекает с тепловым эффектом 12779 (кДж/м³):

H₂ + O₂= H₂O_ж + 12779.

Следовательно, при определении высшей теплотворности на каждый кубический метр образующейся в результате реакций окисления влаги дополнительно выделяется (кДж/м³): 12779 – 10798 = 1981.

Т.е. высшая теплотворность газообразного топлива должна определяться по формуле:

(21)

или

(22)

Расчет температуры горения

При расчетах тепловых устройств обычно необходимо знать теоретическую температуру горения, если топливо сжигается непосредственно в рабочем пространстве теплового устройства, или действительную температуру продуктов сгорания, если топливо сжигается в специальной топке, а в рабочее пространство поступают продукты горения. Но и во втором случае для расчета действительной температуры горения необходимо знать теоретическую температуру горения.

Как известно, теоретическая температура горения – это температура, которую приобрели бы продукты горения, если бы процесс протекал адиабатически. Т.е. теоретическая температура горения может быть определена из уравнения теплового баланса процесса горения, записанного для адиабатических условий. Применительно к единице топлива (одному кубическому метру топлива) уравнение теплового баланса принимает вид:

, (23)

где – теплотворность топлива, кДж/м³;

– физическое тепло, вносимое топливом и дутьем на единицу топлива, кДж/м³;

и т.д. – объемы образовавшихся компонентов продуктов горения, приходящихся на единицу топлива, с учетом диссоциации трехатомных газов, м³/м³;

, и т.д. – средние теплоемкости компонентов продуктов горения, кДж/м³К;

– тепло диссоциации трехатомных газов, приходящихся на единицу топлива, кДж/м³.

Обычно в продуктах горения отсутствует или его содержание мало. Поэтому при расчете теоретической температуры горения теплотой диссоциации пренебрегают, а учитывают только теплоту диссоциации двуокиси углерода и водяных паров.

Степень диссоциации и зависит от парциальных давлений этих газов и теоретической температуры горения. От температуры зависят и значения средних теплоемкостей компонентов продуктов горения и тепловые эффекты диссоциации. Следовательно, определить теоретическую температуру горения из уравнения теплового баланса процесса можно только методом последовательного приближения – задаваясь температурой, добиваться совпадения левой и правой частей уравнения.

Зависимости степени диссоциации углекислоты (а) и водяных паров (b) от парциальных давлений этих газов и температуры приводятся в [1, 2, 4]. На рис. 1 приведены графики этих зависимостей из [1], причем парциальные указываются в ата. Эти значения определяются из соотношений , .

В литературе [4] приводятся таблицы для определения степеней диссоциации и ; при этом значения a и b даются в процентах в зависимости от температуры (Т, ^оС) и парциального давления и в кН/м².Эти значения определяются на основе соотношения 1 ата = 98,066 кН/м²:

Для получения необходимого значения доли продиссоциированных газов полученные табличные значения, заданные в процентах, необходимо разделить на 100, т.е.

, .

Значения a и b могут быть определены и по уравнениям (37), (38).

Диссоциация и протекает по реакциям:

Следовательно, если при определении состава продуктов горения без учета диссоциации были найдены объемы компонентов, приходящихся на единицу топлива , , , и соответственно парциальные давления , и т.д., то для принятого при подборе значения теоретической температуры находят значения a и b , что дает возможность определить состав продуктов горения с учетом диссоциации.

Количество продиссоциировавшей углекислоты равно a . Следовательно, в результате диссоциации останется в продуктах горения , но при этом образуется окись углерода в количестве, равном количеству продиссоциировавшей углекислоты, т.е. , и появляется в продуктах горения дополнительно кислород в количестве . Рассмотрев аналогично процесс диссоциации водяных паров, получаем:

, , а дополнительный кислород при этом составит .

Объемы и останутся неизменными. Таким образом, состав продуктов горения после диссоциации будет:

(24)

или =

Значения парциальных давлений после диссоциации: .

Тепло диссоциации q_x определяется как сумма теплоты диссоциации и :

Теплоты диссоциации и при принимаемой температуре Т_т и объемам продиссоциировавших газов. Значения тепловых эффектов реакций диссоциации и соответственно на единицу образующихся при диссоциации и приведены в таблице 1.

Так как образующийся объем окиси углерода при диссоциации и водорода , то

Таблица 1

Значения тепловых эффектов реакции диссоциации и (кДж/м³)

Температура, К	521	1273	1773	2273	2773	3273
Тепловой эффект диссоциации, q_CO	16410	12650	12520	12310	12350	12480
Тепловой эффект диссоциации,	10800	11180	11260	11800	10930	10300

Следовательно:

. (25)

Физическое тепло, вносимое топливом и дутьем на единицу топлива, равно:

, (26)

где – физическое тепло единицы топлива, кДж/м³,

– физическое тепло дутья на единицу топлива, кДж/м³.

Физическое тепло топлива:

, (27)

где – температура, при которой поступает топливо,

, – средняя теплоемкость компонентов топлива в интервале температур от нуля до , кДж/м³ °C.

Физическое тепло дутья определяется как сумма тепла, вносимого воздухом и влагой, на единицу топлива:

(28)

или

, (29)

где Т_Н.В – температура, при которой подается воздух, °С.

, – соответственно средние теплоемкости воздуха и паров воды в интервале температур от нуля до температуры, при которой подается дутье, кДж/м³ °C.

При расчетах горения с применением в качестве дутья воздуха во многих случаях можно считать воздух сухим и не содержащим инертных газов. В этом случае в правой части выражения (28) остается только первый член суммы, а доля кислорода в дутье составляет b = 0,21.

Средние теплоемкости составляющих топлива и воздуха приведены в справочной литературе и в учебниках [5, 6].

При расчете необходимо найти такое значение температуры, при которой правая часть уравнения (23) совпадает с левой. А так как каждому значению принимаемой температуры соответствуют различные значения средних теплоемкостей газов и степеней диссоциации трехатомных газов, т.е. различные значения теплоты диссоциации, то определение теоретической температуры горения можно произвести методом последовательных приближений.

Для удобства расчетов и возможности их проведения с помощью ЭВМ ниже приводятся аппроксимированные зависимости средней теплоемкости компонентов продуктов сгорания от температуры, значения степеней диссоциации трехатомных газов от их парциальных давлений и температуры, а также тепловые эффекты диссоциации трехатомных газов от температуры.

На основе обработки литературных данных получены следующие зависимости средней теплоемкости продуктов горения топлива от температуры (°С), кДж/м³ °C:

,(30)

, (31)

,(32)

, (33)

, (34)

, (35)

. (36)

Уравнения (30–32) справедливы в температурном интервале 25 – 2227 °С , уравнения (33) и (34) – от 25 до 2727 °C, уравнение (35) – от 25 до 3227 °C , уравнение (36) – от 25 до 1527 °С.

Зависимости степени диссоциации и от парциальных давлений и температуры, полученные при обработке данных для интервалов парциальных давлений и температуры t = 1800 – 2800 °C, описываются уравнениями:

, (37)

, (38)

где a и b – соответственно степени диссоциации и ,

, – парциальные давления и в продуктах сгорания топлива.

Зависимости тепловых эффектов диссоциации и от температуры описываются уравнениями:

, (39)

. (40)

Тепло, затрачиваемое на диссоциацию, соответственно

, (41)

. (42)

Определение базируется на методе последовательных приближений, т.е. задаются значениями и для каждого из них определяют левую или правую части уравнения до тех пор, пока эти части будут иметь одинаковые численные значения. Практически удобнее поступать следующим образом: задаются двумя значениями теоретической температуры горения и таким образом, чтобы при одном значении левая часть уравнения оказалась больше правой, а при другом значении наоборот – левая часть оказалась меньше правой. После этого находят действительное значение методом линейной интерполяции. Достаточная точность при этом достигается, если разность не превышает 100 °С.

Обозначим левую часть уравнения

, (43)

а правую –

(44)

Задаем значение и находим и . Затем задаем значение и находим и . Если при этом значение больше значения на 100 °С и при значение > , а при значение < , то искомое значение можно определить графически или аналитически исходя из следующего. Треугольники bea и dec между собой подобны. Поэтому можно записать:

. (45)

Откуда

. (46)

Допущение линейности изменения в интервале температур и вносит некоторую погрешность в определение .

Пример расчета горения газообразного топлива

Задание. Определить теоретический и практический расход воздушного дутья, количество и состав продуктов горения, плотность продуктов горения и теоретическую температуру горения газообразного топлива следующего состава (%): . При расчете принять, что в качестве дутья используется сухой воздух, не содержащий инертных примесей, сжигание производится с коэффициентом избытка дутья α = 1,08, а газ и воздух поступают для сжигания при температуре 25 °С.

Выполнение расчета. Так как предполагается, что воздух для горения поступает сухой и не содержащий инертных газов, то доля кислорода в дутье .

1. Производим пересчет состава сухого газа на рабочий газ. Учитывая, что влага задана в процентах на влажный газ, перерасчет производим по формуле (1):

100 %

Так как сумма всех компонентов влажного газа составляет 100 %, то делаем вывод, что перерасчет состава газа произведен правильно.

2. Определяем теоретический и практический расход дутья, количество и состав продуктов горения.

Находим необходимый расход кислорода для окисления всех составляющих топлива, приходящихся на 1 м³ газа по формуле (5):

м³/м³.

Определяем теоретический расход дутья по формуле (6):

м³/м³.

Находим практический расход дутья. Так как в условии воздух принят сухим, то практический расход дутья определяется по формуле:

м³/м³.

Количество и состав продуктов горения определяется по формулам (10–14):

м³/м³,

м³/м³.

Общий объем продуктов горения на единицу топлива

м³/м³.

Находим плотность продуктов горения по формуле (18):

кг/м³.

Парциальные давления составляющих продуктов горения находим по формулам (18):

атм,

атм.

3. Определяем низшую теплотворность заданного топлива и физическое тепло, внесенное топливом и дутьем на единицу топлива. По формуле (20):

кДж/м³.

Физическое тепло, внесенное единицей топлива, определяется по формуле:

где , , , , – процентное содержание компонентов топлива;

, и т.д. – средняя теплоемкость компонентов топлива, кДж/(м³ град),

– температура, при которой поступает топливо для горения, °С.

Из справочных данных находим значения теплоемкостей кДж/(м³ град):

; ; ;

; .

Тогда

J_ф.т = 0,01(94,684 × 1,58 + 0,116 × 2,357 + 0,231 × 3,305 +

+ 0,969 × 1,645 + 4,0 × 1,494)25 = 39,552 кДж/м³.

Физическое тепло, вносимое воздухом на единицу топлива, определяем по формуле:

где – объем воздуха на единицу топлива, м³/м³;

– средняя теплоемкость воздуха, кДж/(м³ град);

– температура, при которой поступает воздух для горения, °С.

Средняя теплоемкость воздуха при поступлении его с температурой 25 °С составляет

С_в = 1,30105 кДж/(м³ град).

Следовательно,

кДж/м³.

Следовательно, физическое тепло, вносимое топливом и дутьем на единицу топлива, равно

I _ф = I _{ф Т} + I _{ф д} = 39,552 + 319,31 = 358,862 кДж/м³.

4. Определяем теоретическую температуру горения топлива.

Находим + I _ф = 34200,6 + 358,862 = 34559,462 кДж/м³.

Допускаем, что теоретическая температура горения °С.

Этой температуре и парциальным давлениям и соответствуют степени диссоциации и b = 0,0147.

Определяем по формулам (24) состав продуктов горения с учетом диссоциации

м³/м³,

м³/м³.

Общий объем продуктов горения на единицу топлива с учетом диссоциации

0,9095 + 1,9174 + 7,755 + 0,0473 + 0,0286 + 0,1905 =

= 10,848 м³/м³.

На основании таблицы 1 находим значения тепловых эффектов реакций диссоциации при температуре 1800 °С (2073 К).

Находим q_СО = 12394 кДж/м³, кДж/м³.

Определяем тепло диссоциации по формуле (25)

кДж/м³.

Находим значение

кДж/м³.

Находим по формуле (44). Для этого определяем средние теплоемкости продуктов горения с учетом диссоциации при принятой теоретической температуре °С и затем находим

Так как оказалось больше , делаем вывод, что принятая температура °С оказалась заниженной.

Допускаем, что теоретическая температура горения . При этой температуре и парциальном давлении и находим степени диссоциации и b = 0,02515. Определяем состав продуктов горения с учетом диссоциации

Общий объем продуктов горения на единицу топлива с учетом диссоциации м³/м³.

На основании таблицы 1 находим значения тепловых эффектов реакций диссоциации при температуре 1900 °С (2173 К).

q_C_О = 12352 кДж/м³, кДж/м³.

Определяем тепло диссоциации

кДж/м³.

Находим значение

кДж/м³.

Находим при температуре °С:

Так как оказалась меньше , то принятая температура оказалась завышенной. Т.е. теоретическая температура горения рассматриваемого топлива находится между значениями температур 1800–1900 °С. Определяем это по формуле (46)

°С.

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 59; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!