Расчеты горения топлива

При горении топлива в качестве окислителя используют кислород воздуха. В результате образуются продукты сго­рания и развивается определенная температура горения. Поэтому расчеты горения топлива выполняются с целью определения:

а) количества необходимого для горения воздуха;

б) количества и состава продуктов сгорания;

в) температуры горения.

Расход воздуха

Расходы воздуха можно определять как в объемных, так и в массовых единицах.

Для уяснения методики определения расхода воздуха рассмотрим полное горение метана (СН₄) по реакции СН₄ + 2О₂ = СО₂+2Н₂О.

Сначала определим расход воздуха в объемных едини­цах. Как следует из приведенной реакции, для сжигания 1 моля СН₄ требуется 2 моля О₂. Поскольку 1 кмоль любо­го газа занимает при нормальных условиях одинаковый объем (22,4 м³), то для сжигания 22,4 м³ СН₄ потребуется 2×22,4=44,8 м³ О₂. Таким образом, для сжигания 1 м³ СН₄ требуется 2 м³ О₂, но в сухом воздухе кислород по объему составляет 21%, остальные 79% приходятся на долю азо­та. Следовательно, количество азота в воздухе в 3,762 раза больше количества кислорода. Поэтому расход воздуха на сжигание 1 м³ метана составит 2+2×3,762=9,524 м³.

Аналогичный расчет можно провести и в массовых еди­ницах. Подобные расчеты чаще делают для твердого или жидкого топлива. Возьмем, например, горение углерода С + О₂ = СО₂. Из этой реакции видно, что на 1 кмоль С рас­ходуется 1 кмоль О₂, но 1 кг×моль С имеет массу, равную 12 кг, а кг×моль О₂ 32 кг; следовательно, для сжигания 1 кг С потребуется кг кислорода. В воздухе кислород по массе составляет 23,2%, а азот 76,8%. Поэтому вместе с кислородом войдет азота кг.

Следовательно, для сжигания 1 кг углерода потребуется воздуха 2,67+8,83=11,50 кг. Это количество можно пере­вести в объемное, поделив общую массу воздуха на его плотность (1,293 кг/м³), т.е. 11,50/1,293=8,89 м³.

Как при горении метана, так и при горении углерода полученные по реакциям количества кислорода и воздуха представляют собой те наименьшие количества, которые не­обходимы для полного окисления единицы горючего веще­ства. Такое наименьшее необходимое количество воздуха (кислорода) называется теоретическим количеством. На практике, однако, сжигание топлива осуществляется при расходах воздуха, несколько превышающих теоретическое количество. Величина, показывающая отношение действи­тельного расхода воздуха (V_д) к теоретическому количест­ву (V_т), называется коэффициентом избытка воздуха п =V_д/V_ти играет на практике очень важную роль.

Более универсальной величиной является коэффициент расхода кислорода (п₀), который показывает отношение действительного расхода кислорода ( ) к теоретически необходимому ( ), т.е. .

Коэффициент избытка воздуха пригоден только для пол­ного сгорания топлива в воздухе.

При неполном же сгорании, когда подаваемое количе­ство кислорода меньше теоретического, применим только коэффициент расхода кислорода, который становится мень­ше единицы. При применении обогащенного дутья, в кото­ром количество кислорода превышает 21%, характерным также является коэффициент расхода кислорода. В этом случае метод определения расхода дутья аналогичен выше изложенному с той лишь разницей, что изменяется соотно­шение между азотом и кислородом.

Всякое промышленное топливо представляет собой ме­ханическую или химическую смесь отдельных горючих эле­ментов, поэтому общий расход воздуха (кислорода) опре­деляется суммированием аналогичного расхода для отдель­ных элементов.

Состав и количество продуктов сгорания

Состав и количество продуктов сгорания определяют по методу, применяемому для определения расхода воздуха. Рассмотрим снова пример полного горения метана при ко­эффициенте избытка, равном единице. В результате горе­ния образуются СО₂ и Н₂О. Кроме того, в продуктах сго­рания будет присутствовать N₂, внесенный с воздухом.. Определим последовательно количество каждой составляющей продуктов сгорания. При сжигании 1 м³ метана обра­зуется СО₂ 1м³ и Н₂О 2 м³. Кроме того, с воздухом вносится 2×3,762 = 7,524 м³ N₂. Таким образом, полное количество продуктов сгорания составит 1 м³ + 2 м³ + 7,524 м³ = 10,524 м³.

Состав продуктов сгорания следующий:

;

;

;

Если бы СН₄ сжигали с коэффициентом избытка воз­духа, превышающим единицу, то общее количество про­дуктов сгорания возросло бы в связи с увеличением коли­чества азота и наличием в продуктах сгорания избыточно­го кислорода.

При сжигании топлива в обогащенном кислородом воз­духе наблюдается обратная картина.

При расчетах горения необходимо составлять матери­альный баланс процесса, путем определения исходных ве­ществ и продуктов сгорания.

Температура горения

Под температурой горения понимают ту температуру, которую приобретают продукты сгорания в результате со­общения им тепла, выделенного при сжигании. Различают теоретическую и калориметрическую температуру горения.

Продукты сгорания топлива нагреваются до высоких температур, при которых возможна диссоциация СО₂ и Н₂О, достигающая иногда 10%. В результате диссоциации происходит изменение объема и уменьшается выделяемое количество тепла, так как в процессе диссоциации погло­щается тепло. Теоретическая температура горения опреде­ляется с учетом диссоциации в продуктах сгорания, т.е.

,

где — теплота сгорания топлива, Дж/м³, или Дж/кг;

q_дисс — тепло, пошедшее на процесс диссоциации, Дж;

V_пр — объем продуктов сгорания, образующихся при сго­рании единицы топлива, м³;

с — удельная теплоемкость про­дуктов сгорания, кДж/(м³×К).

Калориметрическая температура определяется из усло­вия, что все выделившееся при горении тепло расходуется только на повышение температуры продуктов сгорания. Иными словами, калориметрическая температура горения определяется для адиабатных условий, когда отсутствует теплообмен с внешней средой. Следовательно, .

При наличии подогретого воздуха (или топлива) кало­риметрическую температуру можно определить из выраже­ния

,

где Q_ф — физическое тепло подогрева воздуха и топлива.

На практике обычно определяют калориметрическую температуру горения, которая является одной из характе­ристик топлива.

Расчет калориметрической температуры выполняют из условий полного сгорания топлива следующим образом. Продукты сгорания любого топлива представляют собой смесь различных газообразных составляющих СО₂, Н₂О, N₂, О₂, SО₂. Каждой из этих составляющих при той или иной температуре присуща вполне определенная величина теплоемкости. Это дает возможность определить теплоем­кость продуктов сгорания в целом для соответствующей температуры.

Энтальпия продуктов сгорания, как смеси газов, опреде­ляют аналогично определению теплоемкости продуктов сгорания.

Количество тепла, которое выделяется при горении еди­ницы топлива, равно произведению энтальпии на объем продуктов сгорания, образовавшихся от сгорания единицы топлива Q = IV.

Однако возможна и обратная постановка задачи. Дело в том, что для продуктов сгорания определенного состава каждой величине теплоемкости 1 м³ продуктов сгорания со­ответствует вполне определенная температура. Другой теплоемкости будет соответствовать и другая температура. По­добный метод определения температуры по величине теп­лоемкости (или энтальпии) продуктов сгорания широко применяется в расчетах.