Лекции по "Теплотехнике"

Lтв = (2,67C+8H+8-O)/30 (1.9)

Теоретически необходимое количество воздуха (м3) для сжигания газообразного топлива можно определить по известному объемному составу (%)газа при объемном содержании кислорода в воздухе, равном 21%:

Lтв = [0,5(СО+Н₂)+(n+m/4)СnНm-O₂]/21 (1.10)

где n - число атомов углерода; m - число атомов водорода.  

 

В реальных условиях невозможно добиться полного  сгорания топлива при подаче теоретически необходимого количества воздуха.

Поэтому в двигателях внутреннего сгорания подают несколько большее по сравнению с теоретической раскладкой количество воздуха. Действительное количество воздуха при сгорании топлива подсчитывают с учетом коэффициента избытка воздуха а

Lдв = Lтв ·a (1.11)

Коэффициентом избытка воздуха а называется отношение количества воздуха Lдв, действительно израсходованного на сгорание топлива, к количеству воздуха LTB, теоретически необходимого для полного сгорания топлива. Значение коэффициента избытка воздуха зависит от вида топлива, условий сжигания и конструкции двигателя и может составлять 0,85...1,5.

Снижение  подачи воздуха по сравнению с  оптимальной приводит к повышенному  расходу топлива за счет неполного  его сгорания. При чрезмерном увеличении подачи воздуха процесс сгорания также будет не оптимальным из-за потерь тепла на нагрев избыточного воздуха и снижении температуры горения.

Температурой  горения топлива называют температуру, которую приобретают газообразные продукты сгорания в результате действия теплоты, выделяемой в процессе горения. Практический интерес представляет действительная температура горения, которая ниже теоретической в  связи с отдачей газами части  тепла поверхности нагрева, а  также из-за неполного сгорания самого топлива. Температуру горения измеряют при помощи различных приборов (термопары, пирометры и др.).

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ВОЗДУХА, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА 

 

Горение это химический процесс соединения горючего вещества и окислителя. Практически горение  представляет собой окисление топлива  кислородом воздуха. В результате горения  выделяется определенное количество тепловой энергии и резко повышается температура.

Характерной особенностью горения является высокая скорость протекания окислительных реакций, при которых выделяемая теплота  не успевает рассеиваться. Горение  сложный процесс, при котором  химические реакции сопровождаются такими физическими процессами, как  перемешивание топлива и воздуха, диффузия, теплообмен.

Различают, гомогенные, гетерогенные и взрывное горения. В первом случае топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии, во втором вступающие в реакцию вещества находятся в различном агрегатном состоянии (например, в твердом или газообразном).

Процесс горения  топлива может протекать как  при недостатке, так и при избытке  окислителя. Полное сгорание топлива  происходит при стехнометрическом соотношении топлива, и окислителя, которые соответствуют химическим реакциям полного окисления горючих элементов.

Количество кислорода, теоретически необходимое для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, состава С, Н, S и О может быть подсчитано на основании уравнений реакций окисления (горения) элементов горючей массы топлива. Углерод реагирует с кислородом по уравнению С+О₂=СО₂ (12+32 → 44), то есть для сгорания 1 кг углерода необходимо 32/12=2,67 кг кислорода. Водород реагирует с кислородом в соответствии с уравнением 2Н₂+О₂=2Н₂О (4+32 → 36). Значит, для сгорания 1 кг водорода необходимо 32/4=8кг кислорода.

Сера реагирует  с кислородом по уравнению S+C₂=SO₂ (32+32 → 64), то есть для сгорания 1 кг серы требуется 32/32=1 кг кислорода. Значит, для полного сгорания 1кг топлива рассматриваемого элементного состава (в массовых процентах) потребуется кислорода (кг) 

 

O = (2,67C+8H+S-O)/100 (1.7) 

 

Предполагается, что  содержащийся в топливе кислород полностью затрачивается на горении. На практике при сжигании топлива  подводится не чистый кислород, а воздух, в котором содержится лишь 23,2 процента кислорода по массе. В этом случае теоретически необходимое для полного  сгорания 1кг топлива количество воздуха (кг) может быть определено по выражению:  

 

Lтв = (2,67С+8Н+8-О)/23,2 (1.8)  

 

В случае, когда  количество воздуха определяют в  объемных единицах, то выражение нужно  разделить на плотность воздуха, равную 1,293 при нормальных условиях. Тогда теоретически необходимое  количество воздуха(м ) выразится так:

Lтв = (2,67C+8H+8-O)/30 (1.9)

Теоретически необходимое  количество воздуха (м3) для сжигания газообразного топлива можно определить по известному объемному составу (%)газа при объемном содержании кислорода в воздухе, равном 21%:

Lтв = [0,5(СО+Н₂)+(n+m/4)СnНm-O₂]/21 (1.10)

где n - число атомов углерода; m - число атомов водорода. 

 

В реальных условиях невозможно добиться полного сгорания топлива при подаче теоретически необходимого количества воздуха.

Поэтому в двигателях внутреннего сгорания подают несколько большее по сравнению с теоретической раскладкой количество воздуха. Действительное количество воздуха при сгорании топлива подсчитывают с учетом коэффициента избытка воздуха а

Lдв = Lтв ·a (1.11)

Коэффициентом избытка  воздуха а называется отношение количества воздуха Lдв, действительно израсходованного на сгорание топлива, к количеству воздуха LTB, теоретически необходимого для полного сгорания топлива. Значение коэффициента избытка воздуха зависит от вида топлива, условий сжигания и конструкции двигателя и может составлять 0,85...1,5.

Снижение подачи воздуха по сравнению с оптимальной  приводит к повышенному расходу  топлива за счет неполного его  сгорания. При чрезмерном увеличении подачи воздуха процесс сгорания также будет не оптимальным из-за потерь тепла на нагрев избыточного воздуха и снижении температуры горения.

Температурой горения  топлива называют температуру, которую  приобретают газообразные продукты сгорания в результате действия теплоты, выделяемой в процессе горения. Практический интерес представляет действительная температура горения, которая ниже теоретической в связи с отдачей  газами части тепла поверхности  нагрева, а также из-за неполного  сгорания самого топлива. Температуру  горения измеряют при помощи различных  приборов (термопары, пирометры и  др.). 

 

 

 

 

 3.5.Температура горения топлива

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, воспринимается продуктами сгорания, которые нагреваются  до определенной температуры, называемой температурой горения. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры сгорания топлива.

В уравнение теплового  баланса реального горения входят составляющие, величина которых зависит  не только от теплофизических свойств  топлива, но и от условий, при которых  протекает горение. Например, от степени  подогрева топлива и воздуха, потерь теплоты при горении, тепловосприятия  в топке, коэффициента избытка воздуха.

Чтобы выявить потенциальные  возможности топлива, вводят понятие  горения без подогрева топлива  и воздуха при идеальном адиабатическом процессе, т. е. горения с теоретическим  количеством воздуха, без потерь теплоты и без теплообмена  в топочной камере и с окружающей средой. Полученная в этих условиях температура продуктов сгорания называется теоретической.

Калориметрическая температура отражает влияние подогрева топлива и воздуха и коэффициента избытка расхода воздуха α на температуру адиабатического горения. Повышение температуры подогрева топлива и воздуха увеличивает приход теплоты в зону горения и повышает температуру горения, а увеличение коэффициента избытка воздуха a вызывает увеличение объема продуктов сгорания V_г, что понижает температуру горения. Поэтому в зависимости от влияния этих факторов калориметрическая температура может быть выше или ниже теоретической.

В реальных условиях не все тепло, выделяющееся при горении, идет на нагрев продуктов реакции, так  как часть тепла передается экранной системе топочной камеры и некоторое  количество тепла теряется в окружающую среду; кроме того, при высоких  температурах происходит диссоциация  части продуктов сгорания (СО₂ и Н₂О), сопровождающаяся поглощением тепла.

Для каждого типа топки, вида и способа сжигания топлива  разработана специальная методика расчета теплообмена в топке  и определения действительной температуры  газов на выходе из топки.

Отношение действительной температуры горения топлива  к теоретической называется пирометрическим коэффициентом.

В расчет горения топлива входит также  определение температуры его  горения. Различают калориметрическую  и действительную температуру горения  топлива. Калориметрической температурой горения называется та температура, которую приобрели бы образующиеся продукты горения при полном сгорании топлива и при условии, что тепло не уходит в окружающее пространство, т. е. остается в продуктах горения.

Если  печь работает на низкокалорийном газе, который подогревается, то учитывается  также физическое тепло, вносимое им.

Подогрев  газа и воздуха часто осуществляют и при достаточной температуре  горения с целью экономии топлива  и улучшения условий горения.

Расчет горения твердого и жидкого топлива

Для расчета  процессов горения твердого и  жидкого топлива составляют материальный баланс процесса горения.

Материальный  баланс процесса горения выражает количественные соотношения между исходными  веществами (топливо, воздух) и конечными  продуктами (дымовые газы, зола, шлак), а тепловой баланс — равенство  между приходом и расходом теплоты. Для твердого и жидкого топлива  материальный и тепловой балансы  составляют на 1 кг топлива, для газообразной фазы — на 1 м³ сухого газа при нормальных условиях (0,1013 МПа, О °С). Объемы воздуха и газообразных продуктов также выражают в метрах кубических, приведенных к нормальным условиям.

При сжигании твердого и жидкого топлива горючие  вещества могут окисляться с образованием оксидов различной степени окисления. Стехиометрические уравнения реакций  горения углерода, водорода и серы можно записать так:

а) С+О2=СО2;   б) С+(1/2)·О2=СО;   в) S+О2=SО2;   г) H2+(1/2)·О2=H2О;

(15.1)

 

При расчете  объемов воздуха и продуктов  сгорания условно принимают, что  все горючие вещества окисляются полностью с образованием только оксидов с наивысшей степенью окисления (реакции а, в, г).

Из уравнения (а) следует, что для полного окисления 1 кмоль углерода (12 кг) расходуется 1 кмоль, т. е. 22,4 м³, кислорода и образуется 1 кмоль (22,4 м³) оксида углерода. Соответственно для 1 кг углерода потребуется 22,4/12 = 1,866 м³ кислорода и образуется 1,866 м³ СО₂. В 1 кг топлива содержится С^p/100 кг углерода. Для его горения необходимо 1,866·С^p/100 м³ кислорода и при сгорании образуется 1,866 С^p/100 м³ CO₂.

Аналогично  из уравнений (в) и (г) на окисление горючей  серы (μ_s = 32), содержащейся в 1 кг топлива, потребуется (22,4/32) S^p_л/100 м³ кислорода и образуется такой же объем SO₂. А на окисление водорода ( ), содержащегося в 1 кг топлива, потребуется 0,5·(22,4/2,02) Н^p/100 м³ кислорода и образуется (22,4/2,02) Н^p/100 м³ водяного пара.

Суммируя  полученные выражения и учитывая кислород, находящийся в топливе ( ), после несложных преобразований получим формулу для определения количества кислорода, теоретически необходимого для полного сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг:

 

В воздухе  содержится кислорода примерно 21 % по объему, поэтому количество воздуха, теоретически необходимое для полного  сжигания 1 кг топлива V⁰, м³/кг, составляет:

(15.2)

 

В процессе полного горения с теоретически необходимым количеством воздуха  образуются газообразные продукты, которые  состоят из CO₂, SO₂, N₂ и H₂O - оксиды углерода и серы являются сухими трехатомными газами. Их принято объединять и обозначать через RO₂ = CO₂ + SO₂.

При горении  твердых и жидких топлив теоретические  объемы продуктов сгорания, м³/кг, вычисляют по уравнениям (15.1) с учетом содержания соответствующих компонентов в топливе и воздухе.

Объем трехатомных  газов в соответствии с уравнениями (15.1, а и б)

(15.3)

 

Теоретический объем азота равен объему азота, поступившему с воздухом , и объему азота, выделяемого из топлива , т. е.

(15.4)

 

Теоретический объем водяного пара , м³/кг, складывается из объема, полученного при горении водорода, равного (22,4/2,02)·(H^p/100), объема, полученного при испарении влаги топлива, равного , и объема, вносимого с воздухом: , — удельный объем водяного пара, м³/кг; ρ_в = 1,293 кг/м³ — плотность воздуха, d_в = 0,01 — содержание влаги в воздухе кг/кг. После преобразований получим:

(15.5)

 

При паровом  распылении мазута теоретический объем  водяного пара увеличивают на объем  водяного пара, подаваемого в форсунку: , где — удельный расход пара на распыление мазута, кг/кг.