7102

Физико-химические основы тепловых процессов

Конспект

Физика

Физико-химические основы тепловых процессов Лекция № 1 Введение. Классификация топлива. Введение. Данный курс рассматривает совокупность последовательных физических и химических действий (процессов) для получения тепловой энергии. Народное хозяйство...

Русский

2013-01-16

291.5 KB

83 чел.

Физико-химические основы тепловых процессов

Лекция № 1 Введение. Классификация топлива.

Введение.

Данный курс рассматривает совокупность последовательных физических и химических действий (процессов) для получения тепловой энергии. Народное хозяйство потребляет энергию в огромном количестве. Главными потребителями энергии являются промышленность и транспорт. Тепловая энергия может быть получена разными способами: непосредственно от солнца, в виде естественных источников горячей воды из недр земли, в результате химических реакций сгорания топлива, а также в результате внутриядерных реакций.

В настоящее время самым мощным источником получения тепловой энергии является процесс сгорания топлива, который представляет собой химическую реакцию окисления. Кроме того топливо используют как технологическое сырье в различных химических процессах. Далеко не все вещества, способные выделять тепловую энергию при соединении с кислородом, можно считать топливом. Лишь некоторые вещества, удовлетворяющие следующим особым требованиям, принято называть топливом, а именно:

1) продукты сгорания должны быть газообразными. Это позволяет гибко управлять процессом и использовать тепло, полученное при сгорании топлива за пределами топки;

2) продукты сгорания должны быть безвредными для обслуживающего персонала и аппаратуры, а также для животного и растительного мира при выбрасывании продуктов сгорания в окружающую среду;

3) в природе должны быть достаточно большие запасы таких веществ, чтобы обеспечивать потребность человечества на многие годы.

Этим требованиям удовлетворяют лишь два химических элемента: углерод (С) и водород (Н), а также их соединения, которые имеют органическое происхождение и являются основой любого топлива. Такие вещества как алюминий, дающий высокий тепловой эффект при соединении с кислородом, сера, которая выделяет много тепла при обжиге сернистых руд, примеси чугуна (кремний и фосфор), которые являются источником тепла в конверторном процессе получения металла, не могут быть причислены к топливу. Основным показателем качества топлива является тепловой эффект химической реакции соединения горючих компонентов (элементов) топлива с кислородом.

В мировом энергетическом балансе на долю топлива, как источника тепловой энергии приходится приблизительно 80%. В связи с вышесказанным в данном курсе мы будем изучать основы теории горения топлива.

Классификация топлива.

Топливо в его естественном виде не всегда может удовлетворять требованиям, предъявляемым различными отраслями техники, а потому часто естественное топливо подвергают предварительной обработке, в результате чего появляются различные искусственные виды топлива. Для обобщения материала при изучении вопроса о топливе создана общая классификация топлива, в основу которой положено агрегатное состояние и происхождение топлива.

Таблица 1.1Общая классификация топлива

Агрегатное

Происхождение

состояние

Естественное

Искусственное

Твердое

Дрова, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, горючие сланцы

Древесный уголь, кокс, брикеты, термоантрацит, угольная пыль и др.

Жидкое

Нефть

Бензин, керосин, мазут, смола и др. жидкие продукты переработки нефти и твердого топлива. Масла, спирты

Газообразное

Естественный газ (природный, попутный)

Коксовый, доменный, генераторный, водяной, светильный, газ подземной газификации углей и сланцев

Кроме того, топливо классифицируют: по теплоте сгорания (калорийности); по калориметрической температуре, а также по количеству золы в твердом и жидком топливе и количеству балласта в газообразном.

При оценке качества твердого топлива по зольности важно не только знать количество золы, но и температура ее плавления. По температуре плавления золу делят на 4 группы:

легкоплавкая (tпл<1150oC);

среднеплавкая (tпл=11501350oC);

тугоплавкая (tпл=13501500oC);

огнеупорная (tпл>1500oC).

Лекция № 2 Состав и компоненты топлива.

Состав топлива.

При изучении того или иного конкретного вида топлива его подвергают анализу, в результате которого узнают состав топлива. Используют три метода анализа: 1) элементарный химический анализ; 2) технический анализ; 3) вещественный анализ.

Как уже было сказано все виды топлива представляют собой химическую или механическую комбинацию углерода с водородом. Кроме этих горючих элементов, в топливе могут находиться различного рода негорючие примеси, попавшие в топливо в процессе его образования в природных условиях и процессе добычи. Сюда прежде всего нужно отнести минеральные примеси, которые принято называть “золой” (А) и влагу (W). Зола и влага являются балластом топлива. Роль балласта в топливе могут играть азот (N2) и углекислый газ (СО2). В топливе может содержаться кислород (О2) и его соединения (СО2, Н2О и др.), и, следовательно, входит в состав балласта топлива.

Состав газообразного топлива.

Газообразное топливо состоит из горючих и негорючих компонентов. К горючим компонентам газовой смеси относятся: окись углерода (СО), водород (Н2), углеводороды (СmНn), сероводород (Н2S). К негорючим компонентам относятся: углекислый газ (СО2), азот (N2), сернистый газ (SO2), водяной пар (Н2О), кислород (О2). Различают сухой и влажный газ (рабочий газ). В первом случае при каждом компоненте ставят значок “с”, а во втором “в” или “р”.

Химическим анализом определяют вещественный состав практически сухого газа в объемных процентах, т.к. при взятии пробы газа с высокой температурой происходит его охлаждение и водяные пары конденсируются до поступления в газоанализатор. Влажность газа (коэффициент влажности) выражают чаще всего количеством граммов влаги, приходящимся на 1 м3 сухого газа при температуре 0оС и давлении 101 кПа и обозначают буквой f.

Коэффициент пересчета с сухого газа на влажный определяется по формуле

Кс-в =  ,                                                          (2.1)

где   удельный объем влаги, м3/г.

Коэффициент Кс-в может быть также определен по известному объемному процентному содержанию водяных паров во влажном газе, %

Кс-в =                                                            (2.1а)

Объемный процент водяных паров во влажном газе может определятся по формуле

%,                                                          (2.2)

где 803,6 плотность водяных паров, г/м3 при 0 оС

После пересчета состава сухого газа на влажный сумма всех составляющих, включая водяные пары, должна быть равной 100%

Состав твердого и жидкого топлива

Различают технический и элементарный состав твердого и жидкого топлива. Технический анализ предшествует элементарному и доступен любой заводской лаборатории, а полученные данные являются достаточно надежными характеристиками для контроля качества топлива.

Технический состав. Для проведения технического анализа изготовляют лабораторную и аналитическую пробы. Аналитическая проба отличается меньшим размером частиц и большей точностью их взвешивания.

Во время технического анализа определяют: содержание влаги, золы, выход летучих веществ (Л) и выход нелетучего остатка кокса (К). Для определения влажности часть пробы (12 г) высушивают в сушильном шкафу при температуре 102105 оС до постоянной массы. Изменение в массе, вычисленное в процентах, представляет собой содержание влаги Wp. Для определения количества золы тигель с навеской топлива прокаливаются в окислительной среде при t = 800 oC до тех пор, пока масса негорючего остатка (золы) не окажется постоянной. Для определения выхода летучих навеску сухого топлива (1г) помещают в фарфоровый тигель с притертой крышкой и нагревают при t=850 oC в электрической печи без доступа воздуха в течение 7 мин. Летучие вещества, образующиеся в результате термического разложения топлива, выходят через неплотность между тиглем и крышкой. После нагревания тигель охлаждают и взвешивают. За выход летучих веществ принимают потерю в массе, вычисленную в процентах от навески топлива. Остаток в тигле после удаления летучих веществ представляет собой кокс. Кроме того при анализе твердого топлива определяют также содержание серы и теплоту сгорания. Методика анализа жидкого топлива, в особенности определения влаги и серы, сложнее, чем твердого. При анализе жидкого топлива определяют также вязкость и температуру застывания.

Элементарный химический состав. Сущность элементарного анализа состоит в сжигании определенного количества топлива в струе кислорода и поглощении продуктов сгорания специальными поглотителями. Содержание каждого элемента топлива в % по массе определяют взвешиванием поглотителя  до и после опыта соответствующим расчетом. Результаты расчета представляют в виде табл. 2.1

Таблица 2.1Результаты элементарного химического анализа

Состав массы

C

H

N

O

S

A

W

Рабочая (р)

р

р

%Nр

%Oр

%Sр

%Aр

%Wр

100

Сухая (с)

с

с

%Nc

%Oc

%Sc

%Ac

100

Горючая (г)

г

г

%Nг

г

%Sг

100

Органическая (о)

о

о

%Nо

о

100

Пересчет состава топлива с одной какой-либо его массы на другую производят при помощи коэффициентов приведенных в табл. 2.2

Для суждения о реальном составе топлива нужно знать его рабочий состав.

Таблица 2.2Коэффициенты для пересчета элементарного состава топлива

Заданная масса

Масса топлива, на которую производят пересчет

топлива

органическая

горючая

сухая

рабочая

органическая

К = 1

горючая

1

сухая

1

рабочая

1

Компоненты топлива.

Углерод является наиболее важной горючей составной частью топлива. Углерод в топливе может находиться в форме разнообразных соединений с водородом, кислородом, азотом и серой. Эти соединения могут подвергаться естественному разложению в природных условиях и искусственному разложению при нагревании топлива без доступа воздуха. В результате получаются соединения приближающиеся к чистому углероду и содержащие в своей органической части водород, кислород, азот и серу в ничтожных количествах (антрацит, кокс, древесный уголь).

В органической части различных твердых топлив содержание углерода колеблется от 50 % в древесине до 95 % в антраците. В различных сортах жидкого топлива содержится 8590 % углерода и 1015 % водорода.

Окись углерода входит в состав газообразного топлива. Наибольшее количество ее содержится в доменном и генераторном газах (2535 %) в коксовом газе содержится примерно 610 %, а в природном газе заметны лишь следы окиси углерода. Окись углерода способна вступать в соединение с гемоглобином крови.

Водород в топливе может находиться в свободном виде, а также в виде различных соединений с углеродом, серой и кислородом. Водород с углеродом и серой образуют непрочные соединения и дает при сгорании тепла примерно в таком же количестве, как и свободный. Водород, связанный с кислородом, остается инертным при горении, следовательно, является балластом топлива, причем условно считают, что весь кислород топлива связан с водородом в виде воды.

Общее содержание водорода в естественном твердом топливе колеблется в пределах 16 %, в жидком 1015 %, а в газообразном может достигать 60% (коксовый газ). Наибольшее количество свободного водорода содержится в коксовом газе, наименьшее в доменном и генераторном газах.

Углеводороды.

Естественные виды топлива, являясь продуктами органического мира, содержат соединения углерода, водорода и кислорода. Углерод и водород склоны вступать в прочные химические соединения между собой. Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя “углеродный скелет” молекулы. Каждый атом углерода играет роль звена в углеродной цепи. Атом углерода может образовать 4 химические связи, из которых обычно 2 связи идут на образование углеродной цепи, а остальные могут быть заняты атомами водорода. Между атомами углерода могут быть двойные и тройные связи.

Углеводороды получают свои названия в зависимости от строения молекул.

Алканы (парафины) имеют молекулу с общей формулой CnH2n+2 (метан CH4, этан C2H6, пропан C3H8, бутан C4H10 и т.д). Углеводороды метанового ряда являются основными составляющими естественного газообразного топлива, а также входят в состав некоторых видов нефти.

Алкены (олефины) имеют молекулу с общей формулой CnH2n (этилен иначе этен C2H4, пропилен C3H6, бутен C4H8 и т.д).

Алкины имеют молекулу с общей формулой CnH2n-2 (ацетилен иначе этин C2H2, пропин C3H4, бутин C4H6 и т.д).

Углеводороды могут окисляться, т.е. вступать в соединение с кислородом, в результате чего образуются вещества: спирты, эфиры, альдегиды, карбоновые кислоты, углеводы в виде сахаридов, крахмал, клетчатка или целлюлоза.

Кислород в топливе находится, как правило, в прочных химических соединениях с горючими элементами и является балластом. В твердом топливе содержание кислорода достигает 44% (в древесине), в жидком до 1,5%, а в газообразном топливе содержание свободного кислорода незначительно до 0,5%.

Азот является негорючей составной частью топлива и, следовательно, представляет собой балласт. Содержание азота в твердых и жидких топливах весьма незначительно (0,51%). Иначе обстоит дело с газообразными топливами, где азот в свободном состоянии может содержаться в больших количествах (60% в доменном газе).

Сера в твердом топливе может содержаться в трех видах: в виде органических соединений с углеродом, водородом, азотом и кислородом (So); в виде сернистого соединения (железный колчедан) называется колчеданной (Sк); в виде сернокислых сульфатных соединений CaSO4, FeSO4 и т.д. называется сульфатной (Sс). При нагревании топлива без доступа воздуха (при сухой перегонки) вся органическая и колчеданная сера улетучивается  такую серу называют летучей. При горении летучей серы выделяется тепло в значительных количествах. Присутствие серы в топливе нежелательно по следующем причинам: сернистый газ разъедает металлические части топки, а выброшенный в атмосферу вредно действует на растительный и животный мир; при нагревании или плавлении металла часть серы может переходить в металл, резко снижая его качество. Содержание серы в различных видах топлива колеблется от десятых долей процента в газообразном топливе до нескольких процентов в твердом.

Зола топлива является балластом. В состав золы входят кислотные окислы (SiO2, Al2O3) основные окислы (CaO, MgO, FeO, Fe2O3, Na2O, K2O и др.). Зола входит главным образом в состав твердого топлива. Жидкое топливо содержит мало золы, а газообразное топливо может содержать немного минеральной пыли.

Влага, являясь балластом топлива, способствует самовозгоранию твердого топлива в процессе хранения и его смерзанию в зимнее время. Различают влагу внешнюю и внутреннюю. Количество внешней влаги зависит от атмосферных условий. Внешняя влага удаляется при естественной подсушке топлива (без подогрева).

Внутренняя влага включает в себя гигроскопическую и гидратную влагу. Гигроскопическая влажность иначе называется влажностью аналитической пробы. Эта влага удаляется из топлива при нагревании его до 105 оС. В золе содержится гидратная влага, входящая в состав различных химических соединений. Эта влага удаляется при температуре порядка 400500 оС в процессе нагревания топлива.

Лекция № 3 Теплота сгорания топлива.

При сгорании топлива выделяется теплота. За единицу измерения количества теплоты (работы и энергии) в системе СИ принимают джоуль (дж = нм).

Джоуль определяется как работа, производимая силой в 1 ньютон (1 н) при перемещении точки приложения этой силы на 1 метр (1 м) по ее направлению (1 дж = 1 нм). Широкое распространение в науке и технике получила международная калория (кал).

1 кал = 4,187 дж.

Горение элементов топлива может быть полным и неполным. При полном сгорании образуются конечные продукты углекислый газ и водяной пар и выделяется максимум тепла. Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива(1 кг или 1 м3), называется теплотой сгорания.

Теплота сгорания углерода зависит от его состояния: аморфного (древесный уголь, сажа) или кристаллического (алмаз, графит, кокс). Углерод, полученный при горении углеводородов, находится в аморфном состоянии. Рассмотрим основные тепловые эффекты реакции горения аморфного и кристаллического углерода.

Сам + О2 = СО2 + 410 Мдж/кмоль

Скр + О2 = СО2 + 394 Мдж/кмоль

Следовательно, теплота сгорания аморфного углерода составляет

410/12 = 34,1 Мдж/кг;

а теплота сгорания кристаллического углерода снижается до

394/12 = 32,8 Мдж/кг.

Теплота сгорания водорода зависит от агрегатного состояния продукта реакции горения водорода

Н2 + 0,5О2 = Н2Ож + 286 Мдж/кмоль 

Н2 + 0,5О2 = Н2Ог + 242 Мдж/кмоль

Теплота сгорания водорода соответственно составляет

286/2 = 143 Мдж/кг и 242/2 = 121 Мдж/кг.

Естественно, что теплота сгорания при условии образования Н2О в виде жидкости выше, т.к. при конденсации пара в воду выделяется скрытая теплота парообразования 2260 кдж/кг. Так возникает понятие о высшей и низшей теплоте сгорания.

Максимальная теплота сгорания с учетом теплоты конденсации водяных  паров называется высшей и обозначается Qв. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании единицы топлива без конденсации водяных паров, называется низшей теплотой сгорания, обозначается Qн.

В практике работы печей уходящии продукты сгорания имеют температуру, превышающую 100 оС, следовательно, имеется в виду низшая теплота сгорания. Теплоту сгорания газообразного топлива можно определять расчетным путем, а твердого и жидкого экспериментальным. Это связано с тем, что определение теплоты сгорания расчетным путем может быть строгим лишь в том случае, когда известны химические соединения, составляющие горючую массу топлива, и теплоты сгорания этих элементов.

Экспериментальное определение теплоты сгорания.

Теплоту сгорания топлива определяют в специальных приборах, которые называются калориметрами. Калориметрическая установка для определения теплоты сгорания твердого топлива представляет собой металлический сосуд с двойными стенками, заполняемый водой. Во внутренний сосуд устанавливают калориметрическую бомбу с навеской топлива. Бомба представляет собой пустотелый толстостенный цилиндр из кислотоупорной стали, заполняемый кислородом под давлением. После установки бомбы в калориметр температура всей системы уравнивается. Навеска топлива воспламеняется при помощи электрической искры и сгорает, выделяя тепло, которое поглощает вода калориметра. При сжигании навески топлива с массой Р, г повышается не только температура воды в калориметре с массой М, г, но и температура всех частей прибора. Тепло, затраченное на нагревание всех частей калориметра, выражают через водяной эквивалент W.

Водяным эквивалентом называется то количество воды, для повышения температуры которой на 1 гр требуется столько же тепла, сколько нужно для повышения температуры всех частей прибора на 1 гр (теплоемкость воды равна 4,187 дж/(ггр)).

При экспериментальном определении теплоты сгорания газообразного топлива, в калориметре получают высшую теплоту сгорания топлива, а низшую рассчитывают по высшей.

Связь между высшей и низшей теплотой сгорания.

В продуктах сгорания твердых и жидких топлив водяные пары образуются при сгорании водорода топлива, а также при испарении начальной влаги топлива. Если в рабочем топливе содержится Нр кг водорода, то образуется 9Нр кг водяного пара и разница между высшей и низшей теплотой сгорания составит 2500(Wp + 9Нр) кдж/кг. Число 2500 кдж/кг является приблизительной разницей между высшей и низшей теплотой сгорания на 1 кг Н2О.

При сжигании газообразного топлива водяные пары в продуктах сгорания образуются при горении водорода и углеводородов, а также переходят из влаги топлива и воздуха.

Расчетный метод определения теплоты сгорания.

Теплоту сгорания газообразного топлива можно рассчитать, если известны тепловые эффекты реакций горения и химический состав топлива по следующей формуле

Qн = 127,7CO + 108H2 + 358CH4 + 590C2H4 + 555C2H2 + 636C2H6 +

    + 913C3H8 + 1185C4H10 +1465C5H12 + 234H2S кдж/м3,

где 127,7; 108 и т. д тепло, выделяемое при сгорании 1 % СО; Н2 и т. д;

      СО; Н2 и т. д содержание горючих составляющих топлива, %.

Следует отметить, что расчетная величина теплоты сгорания может немного отличаться от опытной, т.к. в газе содержаться пыль и смолы.

Нахождение теплоты сгорания твердого и жидкого топлив расчетным способом носит приближенный характер, т.к. это топливо анализируют не по химическим соединениям, а лишь по химическим элементам.

Д. И. Менделеев предложил следующую формулу для определения теплоты сгорания твердого и жидкого топлив

Qв = 340Ср + 1260Нр  109(Ор  Sp) кдж/кг

Формула Менделеева для определения низшей массовой теплоты сгорания топлива принимает вид

Qн = 340Ср + 1030Нр  109(Ор  Sp) 25Wp кдж/кг,

где W содержание влаги в топливе в % по массе.

Условное топливо

Каждое топливо имеет различную теплоту сгорания. Для удобства учета, сравнения и пересчета с одного топлива на другое было предложено принять за единицу учета такое топливо, теплота сгорания которого составляет 29,3 Мдж/кг (7000 ккал/кг), и назвать его условным. Пересчеты можно производить для любого топлива твердого, жидкого и газообразного.

Условное топливо очень удобно для сравнения экономичности работы печей, работающих на различном топливе. При сравнении определяют расход условного топлива на единицу нагреваемого в печи материала (кг/т)

Лекция № 4 Расход кислорода и воздуха для горения топлива.

Состав воздуха.

В теплотехнических расчетах принимают следующий состав сухого атмосферного воздуха: 79% N2 и 21% О2. С целью упрощения инертные газы, а также углекислый газ, содержащийся в небольших количествах ( 1%), объединяют с азотом. На одну объемную единицу кислорода, поступающего для горения из воздуха, вводят 79/21 = 3,762 объемных единиц азота.

Расход кислорода для горения топлива.

Количество кислорода, которое необходимо израсходовать для полного сгорания единицы топлива, согласно стехиометрическому соотношению, в химической реакции горения называется удельным теоретическим расходом кислорода. Это стехиометрическое число wo зависит:

1) от природы горючих элементов топлива;

2) от концентрации горючих элементов в техническом топливе (чем больше балласта, тем меньше стехиометрическое число).

При наличии многих горючих составляющих в топливе стехиометрическое число для твердого и жидкого топлива подсчитывается по формуле

wo = 0,01wxcx кг/кг,

где wx  cтехиометрическое число соответствующего горючего, кг/кг;

     сx  концентрация горючего элемента в топливе в % по массе.

Теоретический объемный расход О2, необходимый для полного сгорания 1 кг топлива, определиться из выражения

 м3/кг,

гдеплотность кислорода, равная 1,43 кг/м3.

Теоретический объемный расход кислорода, необходимого для полного сгорания 1 м3 газообразного топлива определяется по формуле

 м33,

где Vo2  теоретический объемный расход кислорода, необходимый для полного сгорания 1 м3 соответствующего горючего.

Стехиометрические объемные соотношения в реакции горения равны отношению молей.

Расход воздуха для горения топлива. Коэффициент расхода воздуха.

Расход воздуха, отвечающий стехиометрическому, также называется теоретическим. Объемный расход воздуха обозначают L0, а расход по массе G0. Для расчета расхода воздуха на горение существуют три метода: аналитический, приближенный, по графикам.

Аналитический метод расчета. Теоретический расход воздуха определяют по теоретическому расходу кислорода и объемной доле кислорода в воздухе ko2.

Если для горения используют влажный воздух, в котором на 1 м3 сухой части содержится  f , г, влаги или 0,00124f, м3, водяного пара, то расход влажного воздуха составит

L0 = (1+0,00124f)L0 c.в м3/ед.топл.

Чтобы обеспечить более быстрое и полное сгорание топлива, вводят избыточный воздух в некотором количестве сверх теоретического Lизб, зависящее от вида топлива и организации процесса его сжигания. Отношение объема избыточного воздуха к теоретическому объемному расходу воздуха носит название коэффициента избытка воздуха, и обозначают буквой .

Воздух в количестве, которое практически вводят для полного сгорания единицы топлива, называют действительным расходом воздуха (Ln). Отношение действительного расхода воздуха к теоретически необходимому носит название коэффициента расхода воздуха. Этот коэффициент обозначают буквой “n”.

Приближенный метод расчета. Нужно отметить следующую закономерность: чем больше теплота сгорания топлива, тем больше воздуха необходимо для сгорания единицы топлива. На использовании этой прямой пропорциональной зависимости между теплотой сгорания и расходом воздуха основан приближенный метод для расчета расхода атмосферного воздуха

L0 = kQн/1000 м3/кг или м33,

где k  поправочный коэффициент, значение которого близко к единице: для углерода его значение максимально k = 1,1; для окиси углерода минимально k = 0,788; для водорода k = 0,93

В формуле Qн выражено в ккал.

Для быстрого и ориентировочного определения расхода воздуха можно исходить из положения, что на 1000 ккал теплоты сгорания топлива требуется приблизительно 1 м3 воздуха.

Воздух, обогащенный техническим кислородом.

В современной практике для сжигания топлива часто используется не атмосферный воздух, а воздух, обогащенный техническим кислородом, или даже чистый технический кислород.

При смешивании технического кислорода с воздухом объемный процент кислорода в смеси возрастает прямо пропорционально увеличению доли технического кислорода. Если обозначить объемную долю технического кислорода в смеси с воздухом через k1, то процент кислорода в смеси может быть найден по следующему уравнению

2см = 21 + 79k1.

Если объемная доля технического кислорода в смеси с воздухом k1 = 0, то О2см = 21%, т.е. смесь представляет собой обычный воздух. Если же k1 = 1, то О2см = 100%, т.е. вся смесь состоит из технического кислорода.

Естественно, что объемный расход обогащенного воздуха меньше объемного расхода обычного атмосферного воздуха вследствие уменьшения содержания азота.

Лекция № 5 Состав продуктов сгорания. Недожог топлива.

Состав продуктов сгорания.

При сжигании любого топлива с теоретическим количеством воздуха (n =1,  =0) продукты сгорания будут состоять из СО2 и Н2О, образовавшихся в результате реакции полного горения, и азота, перешедшего из воздуха и топлива. Содержание азота в продуктах сгорания различных топлив колеблется в довольно узких пределах (6575%) и для большинства топлив составляет в среднем 70%. На долю СО2 и Н2О приходится в сумме примерно 30%. Если суммарное количество СО2 и Н2О составляет примерно одну и ту же величину, то содержание их в отдельности колеблется в более широких пределах. Так, например, в продукты сгорания антрацита, содержащего 86,3% С, входит 21% СО2 и 3% Н2О; в продуктах сгорания доменного газа содержится 23% СО2 и 3% Н2О; в продуктах сгорания коксового газа, в состав которого входит 50% Н2 и 25% СН4 содержится 8% СО2 и 22% Н2О; в продуктах сгорания природного газа, состоящего, в основном, из углеводородов содержание водяного пара составляет 20%, а на долю углекислого газа приходится 10%. В продуктах сгорания может также присутствовать небольшое количество сернистого газа.

Плотность продуктов сгорания (дымовых газов) при сжигании различных топлив колеблется в пределах 1,21,4 кг/м3 и составляет в среднем 1,3 кг/м3, т.е. примерно равна плотности воздуха. Т.к. водяные пары легче углекислого газа, то наименьшей плотностью из технических топлив обладают продукты сгорания коксового газа (1,21 кг/м3), а наибольшей продукты сгорания доменного газа (1,4 кг/м3).

При взятии пробы для анализа вода конденсируется и практически определяется состав сухих продуктов сгорания.

Состав сухих продуктов горения при сжигании доменного и коксового газов значительно отличается, что вполне естественно, т.к. при сжигании водорода сухие продукты сгорания будут состоять из 100% N2, а при сжигании окиси углерода из 65,3% N2 и 34,7% CO2.

При неполном горении в продуктах сгорания будут присутствовать горючие газы СО, Н2 и др.

Определение количества и состава продуктов сгорания при полном сгорании топлива.

Для определения количества и состава продуктов сгорания, так же как и для определения расхода воздуха, существуют аналитический, приближенный и графический способы расчета.

Аналитический метод расчета. При полном сгорании твердого и жидкого топлива объем продуктов сгорания определяют по приведенным ниже формулам:

1. Объем углекислого газа

Vco2 = 0,011,867Cp м3/кг,

где 1,867 объем СО2, полученный при полном сгорании 1 кг углерода.

2. Объем водяных паров

Vн2о = 0,01[11,2Hp +1,242(Wp + Wф)]+0,00124fLn  м3/кг,

где 11,2=22,4/2 удельный объем водяных паров, образовавшихся от сгорания 1 кмоля водорода, м3/кмоль;

      1,242 удельный объем водяного пара (м3/кг);

       Wф  количество пара (кг), расходуемое в форсунках для распыления 100 кг топлива.

3. При наличии серы в продуктах сгорания будет присутствовать сернистый газ. Из 1 кг S получится 22,4/32=0,7 м3 SO2

Vso2 = 0,010,7Sp м3/кг.

4. Объем азота

VN2 = 0,010,8Np + (1  ko2)Ln  м3/кг,

где 0,8=22,4/28 удельный объем азота, м3/кг.

5. Объем избыточного кислорода воздуха

Vо2 =  ko2(n1)L0  м3/кг,

При сжигании газообразного топлива объем продуктов сгорания определяют по следующим формулам:

1. Объем углекислого газа

Vco2 = 0,01(CO2т + CO т + CН4т +mCmHnт ) м33,

где CO2т, CO т и т.д. составляющие топлива, % (объемн.)

2. Объем водяных паров

Vн2о = 0,01[H2т + Н2От +CmHnт]+0,00124fLn  м33,

3. Объем SO2

Vso2 = 0,01Н2S т м33.

4. Объем азота

VN2 = 0,01N2т + (1  ko2)Ln  м33.

5. Объем избыточного кислорода воздуха

Vо2 =  ko2(n1)L0  м33.

Приближенный метод расчета объема продуктов сгорания, так же как и расхода воздуха, основан на прямой зависимости объема продуктов сгорания от теплоты сгорания топлива. Для подсчета состава продуктов сгорания общий объем продуктов сгорания принимают за 100% и находят процентное содержание каждого составляющего.

Недожог топлива.

Различают химический, физический и механический недожог топлива.

Химический недожог. Если для полного сжигания топлива будет подано недостаточное количество воздуха, то в продуктах сгорания будут присутствовать горючие газы, т.е. получится недожог топлива. Этот недожог называется химическим, т.к. он обусловлен нехваткой воздуха для протекания химических реакций горения.

Физический недожог. Наличие в продуктах сгорания топлива кислорода и горючих газов говорит о другом виде недожога, который называют физическим. При сжигании топлива факельным способом физический недожог обнаруживают по чрезмерно большой длине пламени факела, когда она (длина факела) превышает длину рабочего пространства печи. Физический недожог повышает потери топлива еще в большей степени, чем химический и может быть устранен наладкой или модернизацией топливосжигающих устройств, которые должны обеспечить завершение перемешивания топлива с воздухом и сгорания его в пределах рабочего пространства печи.

Величина химического недожога может быть определена по формуле

Qх.н = 0,01(12,77СОс.г + 10,8Н2с.г +35,8СН4с.г)Vc.г Мдж/ед.топл,

где СОс.г, Н2с.г и СН4с.г  объемное процентное содержание горючих компонентов в сухих дымовых газах;

     Vc.г  объем сухих дымовых газов, полученный при сжигании единицы топлива с учетом химического недожога, м3/ед.топл.

Механический недожог имеет место при сжигании твердого топлива в слое вследствие провала горючего через зазоры колосниковой решетки, потерь со шлаком и уносом частиц топлива с продуктами сгорания.

Для приближенных расчетов механического недожога принимают, что топливо, провалившееся через колосниковую решетку, потерянное со шлаком и уносом, содержит только золу и углерод.

Если обозначить углерод, потерянный в результате механического недожога, через Смех , то количество фактически сгоревшего углерода определяется по разности

С’ = Cp  Cмех .

При более точных расчетах такие же поправки необходимо вносить в содержание других составляющих, потерянных в результате механического недожога

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.

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/(м3К),

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 = 0,01А%А + СВ%В + СД%Д) кдж/(м3оС);

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 (м33);

     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. 

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

пир = tк/tкал .

Практические значения пир изменяются от 0,6 до 0,8. Следовательно, действительная температура горения примерно равна 0,7tкал и определяется тепловым балансом печи (топки).

Лекция № 7. Теплотехническая оценка топлива.

Теплотехническая и связанная с ней экономическая оценка топлива представляет собой вопрос большой практической важности. Ранее было сказано, что топливо можно характеризовать удельной теплотой сгорания топлива или по расчетному значению энтальпии продуктов сгорания топлива, а также по его способности создавать в печи максимально высокую температуру горения.

Оценка качества топлива по теплоте сгорания, по величине удельной энтальпии дымовых газов и нормальной калориметрической температуре.

При сравнении теплоты сгорания нужно относить все виды топлива к одинаковой единице измерения. Наиболее надежной единицей является массовая, а не объемная. Сопоставляя массовую теплоту сгорания распространенных видов топлива можно сразу решить, где концентрация тепла выше. Например, природный газ имеет 4550 Мдж/кг, мазут 43,5 Мдж/кг, каменный уголь 3037 Мдж/кг. Оценка по теплоте сгорания не охватывает всех сторон вопроса о качестве топлива и по теплотехнической сущности является односторонней.

Энтальпия 1 кг или 1 м3 дымовых газов, определенная в результате расчета, является как бы аналогом теплоты сгорания данного топлива и тоже может служить показателем качества, но при одинаковых условиях, которые называют нормальными. Приведем некоторые значения удельной энтальпии продуктов сгорания, i0, кдж/м3: ацетилен 4525; окись углерода 4330; водяной газ 3850; мазут 3770; метан 3410; доменный газ 2500. Оценка топлива по этому показателю является также неполной.

Нормальная калориметрическая температура горения тоже может служить характеристикой топлива. Чем выше эта температура, тем лучше качество топлива. Максимальной нормальной калориметрической температурой горения (жаропроизводительностью) обладает ацетилен (tж =2620 оС), а минимальной располагает доменный газ (tж =1450 1500 оС).

Все эти показатели позволяют производить лишь качественные сравнения и приближенно судить о том, что одно топливо лучше или хуже другого.

Наиболее полную оценку топлива с учетом, как внутренних свойств топлива, так и конкретных условий работы печи можно сделать при помощи коэффициента использования тепла топлива (КИТ).

Коэффициент использования тепла топлива.

Прямое целевое назначение топлива производить тепловую работу т.е. оставлять в печи как можно больше рабочего тепла (iн - iк). Чем больше можно получить рабочего тепла на единицу топлива, тем лучше это топливо. Работоспособность топлива определяется коэффициентом использования тепла топлива (КИТ).

Большинство печей осуществляют регенерацию тепла продуктов сгорания, уходящих из рабочего пространства печи. Под регенерацией тепла понимают нагрев воздуха и топлива, подаваемых для горения, в специальных теплообменных аппаратах за счет тепла дымовых газов, отходящих из этой же печи. Первичным источником получения тепла в этих печах является только теплота сгорания топлива, т.е. химическое тепло. КИТ в развернутом виде для печей с регенерацией тепла можно сформулировать таким образом:

= (Qнр + Qфв + Qфт  Qух  Qх.н)/Qнр ,              (7.1)

где Qнр  низшая теплота сгорания топлива, кдж/кг, кдж/м3;

     Qфв  физическое тепло воздуха, израсходованного для горения единицы толива, кдж/кг, кдж/м3;

     Qфт  физическое тепло единицы топлива, кдж/кг, кдж/м3;

     Qух  физическое тепло уходящих дымовых газов из рабочего пространства печи, кдж/кг, кдж/м3;

     Qух  химическое тепло, получающееся как результат недожога топлива в рабочем пространстве печи, кдж/кг, кдж/м3.

В числители КИТ стоит разность между теплом, приходящим в печь с единицей топлива (Qнр + Qфв + Qфт ), и теплом, уходящим из печи вместе с дымом, полученным от сжигания этой единицы топлива (Qух + Qх.н). Эта разность представляет собой рабочее тепло, оставленное в печи единицей топлива. Это тепло может быть использовано для производства полезной по технологическому процессу работы и бесполезной работы в виде неизбежных тепловых потерь рабочего пространства печи.

Отношение количества тепла, оставленного в рабочем пространстве печи, от сжигания единицы топлива к теплоте сгорания этой единицы топлива дает величину КИТ в данной печи.

Существуют печи, где подогрев воздуха и топлива осуществляют в теплообменниках с самостоятельным отоплением. В таких печах без регенерации тепла своих продуктов сгорания источником тепла является не только химическое тепло топлива, но и физическое тепло воздуха и топлива. Тогда КИТ будет выражен следующим образом:

= (Qнр + Qфв + Qфт  Qух  Qх.н)/(Qнр + Qфв + Qфт) ,              (7.2)

Коэффициент использования тепла обладает универсальным свойством одновременно освещать термодинамическую, техническую и экономическую сторону вопроса об использовании топлива. Предельное значение КИТ равно единице. В печах без регенерации тепла это получилось бы при температуре уходящих из печи газов tух = 0 оС, а в печах с регенерацией тепла при (Qфв+Qфт)=(Qух+Qх.н). Ни то, ни другое не представляется возможным осуществить, отчего величина КИТ всегда будет меньше единицы.

Величину КИТ определяют следующие основные факторы:

1) теплота сгорания топлива;

2) подогрев воздуха и топлива;

3) обогащение воздуха кислородом;

4) недожог топлива в печи;

5) избыток воздуха при горении;

6) температура уходящих продуктов сгорания.

Проанализируем влияние основных факторов на КИТ в печах с регенерацией тепла.

1. Теплота сгорания, входя в числитель и знаменатель КИТ, противоречиво влияет на его величину. Конкретные расчеты показывают, что КИТ получается более высоким у топлива с большей теплотой сгорания.

2. Подогрев воздуха и топлива является самым мощным средством для повышения КИТ.

3. Обогащение воздуха кислородом является новым средством столь же мощным, как и подогрев воздуха и топлива. Увеличение содержания кислорода в воздухе уменьшает балласт и ведет к уменьшению количества дымовых газов, отчего снижаются потери тепла с уходящими из печи дымовыми газами. Следовательно, КИТ от обогащения воздуха кислородом повышается. Попутно повышается калориметрическая температура горения топлива. Таким образом, действие технического кислорода аналогично действию подогрева воздуха и топлива.

4. Недожог топлива по своей силе даже превосходит два предыдущих фактора, но оказывает отрицательное влияние на КИТ, ухудшая его.

5. Избыток воздуха при горении необходим для того, чтобы облегчить и обеспечить наиболее полное сжигание топлива в рабочем пространстве печи. После полного завершения реакции горения топлива избыточный воздух остается свободным, входит в состав продуктов сгорания и увеличивает их объем в качестве балласта, что снижает КИТ. Поэтому нужно сжигать газ с минимальным избытком воздуха. Чем выше температура нагретого воздуха, тем слабее вредное влияние избытка воздуха на КИТ.

6. Увеличение температуры уходящих продуктов сгорания снижает КИТ, но при решении этого вопроса нужно быть осмотрительным, т. к. снижение температуры уходящих продуктов сгорания может привести к уменьшению производительности печи.

Показатель излучательной способности топлива. Карбюрация факела.

Теплопередача излучением в печах с высокой температурой (>1000 oC) составляет примерно 9095 % всего тепла, полученного нагреваемыми материалами. При изучении этого вопроса следует выделить два момента: излучение факела в процессе горения в момент, когда образуются молекулы углекислого газа и воды; излучение продуктов сгорания углекислого газа и воды. Второй случай изучен лучше первого. Удельный поток излучения слоя газов (qлуч Вт/м2) зависит от температуры газов (Тг), от парциальных давлений (р) углекислого газа и воды в продуктах сгорания и от толщины (S) излучающего газового слоя.

Излучение горящего факела мало изучено, хотя излучение в момент горения имеет наибольшее практическое значение. В момент построения новой молекулы углекислого газа или воды выбрасывается огромное количество лучистой энергии. Максимальная первичная температура реагентов мгновенно резко снижается, как за счет излучения, так и за счет многочисленных соударений с соседними балластными молекулами.

При горении углеводородов вопрос об излучении факела усложняется еще больше. В процессе нагревания молекулы углеводородов распадаются и выделяют атомарный водород и углерод. Оставшиеся после отрыва водорода углеродные цепи коагулируют (от лат. coagulatio свертывание, сгущение) и образуют твердые частички сажистого углерода. Сажистый углерод, имея высокую температуру, раскален до белого цвета и излучает на всем спектре волн как твердая частичка. Степень черноты такого факела значительно повышается. Обильное излучение сажистого углерода, усиливая теплопередачу, быстрее понижает начальную температуру первичной реакции горения до действительной конечной температуры. Конечная температура продуктов сгорания светящегося факела получается более низкой, чем у прозрачного факела, что приводит к повышению коэффициента использования тепла.

Этот способ повышения степени черноты факела называется карбюрацией, которая представляет большой практический интерес. Способностью выделять частички сажистого углерода обладают сложные углеводороды, имеющие в своем составе молекулы непредельных углеводородов с двойными и тройными связями.

Насыщенные углеводороды метан и другие алканы с высоким содержанием водорода, менее склонны к образованию частичек сажи, горят несветящимся прозрачным пламенем, что ведет к понижению коэффициента использования тепла в печи.

Вопрос о карбюрации факела заслуживает большого внимания, т. к. многие печи (мартеновские, стеклоплавильные) значительно улучшают свою работу при наличии яркого светящегося факела. Яркость факела зависит не только от состава топлива, но и от организации факела. Например, сжигание метана при малой скорости истечения газа, когда факел приближается к типу ламинарного, происходит обильное выделение сажи и имеет место хорошая светимость пламени, которая исчезает при сильно турбулентном факеле.

Следовательно, существуют какие-то особые условия, при которых метан успевает нагреваться и распадаться, а атомы углерода успевают группироваться в сажистые частички.

Процесс коагуляции атомов углерода требует какой-то минимум времени, в течение которого произойдет образование частичек сажистого углерода. Если этого времени недостаточно до момента встречи с кислородом, то происходит сгорания атомарного углерода, который как и газы СО и Н2, дает прозрачное несветящееся пламя.

Получение светящегося факела облегчается, когда топливо содержит в себе масла смолы и другие сложные углеводороды (алкины, алкены). Смола и мазут являются лучшими естественными карбюраторами факела. Достаточно 510 % смолы или мазута по теплу ввести в прозрачный факел, чтобы придать ему яркость и значительно изменить его степень черноты, а следовательно теплопередачу.

Аэродинамическая характеристика топлива.

При сжигании топлива получают газообразные продукты сгорания, которые нужно удалять из печи в атмосферу. На пути их следования возникают значительные аэродинамические сопротивления, для преодоления которых применяют как естественную (дымовая труба), так и искусственную тягу (дымосос). Чем больше продуктов сгорания получают на единицу теплоты сгорания топлива, тем труднее становится задача их удаления из печи. Работа многих печей лимитируется, как правило, именно трудностью удаления продуктов сгорания, а потому аэродинамический фактор часто определяет уровень производительности печи

В зависимости от состава топлива изменяется выход продуктов сгорания. Чем больше балласта в топливе, тем больше получается продуктов сгорания на единицу теплоты, тем труднее задача их удаления. Выход продуктов сгорания на 1 Мдж теплоты сгорания служит очень важным показателем качества топлива.

Выход дыма на 1 Мдж теплоты сгорания для основных компонентов топлива следующий: СО 0,227 м3; Н2  0,268 м3; С 0,260 м3; СН4  0,294 м3. Самый большой выход дыма на 1 Мдж теплоты сгорания имеет доменный газ, который составляет 0,403 м3. Природный газ (метан) имеет выход дыма 0,294 м3. Приблизительно такой же показатель, как у метана, или несколько лучше у коксового газа и мазута при распылении его паром. Использование воздуха, обогащенного кислородом, значительно изменяет все эти показатели в лучшую сторону.

Аэродинамические сопротивления в сети пропорциональны динамическим давлениям в дымоходах. Чем больше выход дыма на 1 Мдж теплоты сгорания, тем больше будут скорости движения газов и динамические давления в дымоходах того же сечения.

Сопоставляя два топлива (природный и доменный газ) при одинаковой тепловой мощности, получим следующее отношение динамических давлений и потребной тяги:

,

где 1,23 и 1,4 соответственно плотность дыма при горении метана и доменного газа.

Из этого примера видно, что потребность в дымовой тяге при одинаковой тепловой мощности и температуре уходящих дымовых газов примерно в 2 раза меньше на печи, работающей на природном газе, чем на доменном.

Наибольший интерес представляет такое условие сравнения, при котором в печи остается одинаковое количество рабочего тепла, характеризующего производительность печи. В случае, если необходимо учитывать коэффициент использования тепла, то отношение потребности в дымовой тяги будет иметь следующий вид:

,

где индекс 1 относится к параметрам при горении метана, а 2 относится к параметрам при горении доменного газа.

При наличии какого-то разряжения дымососа через систему дымоходов можно пропустить в час вполне определенное количество дыма. При переходе от одного топлива к другому с сохранением постоянной тяги тепловая мощность печи может измениться, что приведет к изменению производительности печи.

Модуль №3

Лекция № 8. Основы теории горения.

Энергетика химических связей и теплота сгорания топлива.

Энергетическая сущность химического процесса горения заключается в разрыве старых химических связей в молекулах горючего и кислорода и в образовании новых химических связей в молекулах продуктов сгорания. Образование новых связей сопровождается выделением тепла (экзотермический процесс), а разрыв существующих связей может происходить при наличии притока тепла извне (эндотермический процесс).

Разность между выделением и поглощением тепла равна изменению внутренней энергии системы u. Согласно первому началу термодинамики, часть этой внутренней энергии расходуется на приращение энтальпии веществ (тепловой эффект реакций Qэф), а другая часть совершает работу расширения над газообразными продуктами.

u = Qэф + pv,

где v изменение числа молей в процессе реакции, которое может быть равным нулю, положительным или отрицательным;

      p  статическое давление, при котором протекает процесс.

Тепловой эффект при постоянном давлении отличается от теплового эффекта при постоянном объеме на величину работы расширения. Одако эта разница столь не существенна по сравнению с величиной самого теплового эффекта, что при практических расчетах ею вполне можно пренебречь.

Тепловой эффект реакции горения, отнесенный к единице топлива, называют теплотой сгорания, которая взаимосвязана с энергией связи атомов в молекулах продуктов сгорания и исходных реагентов. Если известна энергия связей горючего, кислорода и продуктов сгорания, то можно определить теплоту сгорания. Рассмотрим реакцию горения водорода

Н2+0,5О22Огаз+Qэф ,

где Qэф = 239 Мдж/кмоль тепловой эффект реакции при р = const.

Молекула кислорода содержит два атома, соединенных друг с другом двойной молекулярной связью. Разрыв первоначальных связей между атомами в молекуле кислорода является эндотермическим процессом. Энергия связи атомов кислорода друг с другом равна Ео2 = 495 Мдж/кмоль. Разрыв связей между атомами водорода идет с поглощением тепла в количестве Ен2 = 436,2 Мдж/кмоль.

Найдем энергию связи атома кислорода с атомами водорода в молекуле Н2Огаз . Для этого предварительно вычислим работу расширения:

pv=101,31-1,522,4= -1135 кдж/кмоль.

Изменение внутренней энергии в ходе реакции равно

u = Ен2о (Ен2+0,5Ео2) = Qэф + pv,

откуда

Ен2о = 436200+0,5495000+2390001135 = 921,6 Мдж/кмоль.

Если газообразные продукты сгорания водорода перейдут в жидкое состояние, то они выделят еще некоторое количество тепла. Эта теплота конденсации паров воды не является прямым следствием реакции горения. Поэтому теплота конденсации паров воды не может быть причислена к теплоте сгорания газообразного топлива. Следовательно, нормальной теплотой сгорания следует считать низшую.

Иногда для оценки силы химических связей в углеводородах производят сравнение теплоты сгорания данного углеводорода с теплотой сгорания механической смеси “свободного” молекулярного водорода со “свободным” твердым углеродом, взятым в пропорции углеводорода.

ТаблицаQн углеводородов и смеси C и H2в эквивалентных количествах

Углеводороды

Qн , Мдж/кмоль

Qсм , Мдж/кмоль

Qн  Qсм

Метан СН4

803,6

875,2

71,6

Этан С2Н6

1428

1514

86

Пропан С3Н8

2040

2150

110

Бутан С4Н10

2658

2786

128

Пентан С5Н12

3265

3422

157

Этилен С2Н4

1315

1272

43

Бутен С4Н8

2547

2542

5

Ацетилен С2Н2

1257

1028

229

Данные этой таблицы позволяют сделать два важных вывода:

1. Теплота сгорания алканов, имеющих одинарную связь между атомами углерода в молекуле, меньше теплоты сгорания эквивалентной механической смеси водорода с углеродом. Это означает, что разрыв химических связей в углеводороде требует больше тепла, чем в молекулярном водороде и твердом углероде. Поэтому весьма выгодно производить предварительный крекинг алканов, например в регенераторах.

2. Теплота сгорания алкенов и алкинов, имеющих соответственно двойную и тройную связи между атомами углерода в молекуле, больше теплоты сгорания эквивалентной механической смеси водорода с углеродом.

Скорость реакции.

Скорость реакции показывает, насколько изменяется количество какого-либо вещества в единицу времени вследствие происходящего химического процесса.

Учение о кинетике химических процессов обогатилось теорией цепных реакций, в которой изучается конкретный механизм возникновения и развития микропроцессов в химических реакциях. Скорость реакции связана с концентрацией, которая подразделяется на абсолютную и относительную. В свою очередь абсолютная концентрация может быть общей и частной.

В технической литературе для упрощения записи концентрацию вещества А обозначают [A]. Абсолютная концентрация, в отличии от относительной концентрации вещества, зависит от температуры и давления согласно закону Менделеева Клапейрона.

Скорость реакции может быть абсолютной общей и абсолютной удельной, отнесенной для гомогенной реакции к единице объема, а для гетерогенной к единице поверхности на границе раздела фаз.

Изменение концентрации с за промежуток времени  дает среднюю удельную скорость гомогенной реакции, кмоль/(м3 сек)

wср = с/.

Сужая интервал времени  до d, получим истинную или мгновенную скорость реакции, кмоль/(м3 сек)

w = dс/d.

В кинетике химических рекций существует понятие о порядке химической реакции. Если в процессе реакции необходимо столкновение двух молекул, то такая реакция называется бимолекулярной. Если для реакции необходимо столкновение трех нужных молекул, то это будет реакция третьего порядка, или тримолекулярная, и т. д. В общем случае

аА+bB =cC+dD.

Тогда порядок реакции определяется числом n=a+b, если a+b с+d.

Реакция первого порядка представляет собой необратимый распад молекулы на ее составляющие. Реакции третьего порядка и выше редко встречаются в природе.

Не каждый удар между молекулами реагентов заканчивается химическим актом между ними. В реакцию вступают лишь молекулы, обладающие большой индивидуальной энергией, достаточной для разрыва старых энергетических связей у реагентов.

Минимальная энергия, которой должны обладать молекулы в данной конкретной реакции, носит название энергии активации, Е кдж/кмоль. При энергии активации Е = 80 Мдж/кмоль процент активных молекул составляет 0,0051,3% от общего числа. Наличие свободных атомов и радикалов молекул облегчает начальную стадию и дальнейший ход реакции между молекулами. Энергия активации при этом снижается в 510 раз. Активные центры могут появиться как результат распада некоторых молекул вследствие повышения температуры реагентов.

Чем больше температура реагентов, тем больше активных молекул, наделенных нужным уровнем энергии активации.

Продолжение лекции № 8

Закон действующих масс.

Сущность закона действующих масс состоит в том, что относительная скорость бимолекулярной реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ:

wотн = k ,

где k  константа скорости реакции, которая зависит от энергии активации реагентов, от температуры реагентов и давления газовой среды.

Образование активных центров прекратится по мере израсходования запасов реагирующих веществ.

Обратимость реакций и константа равновесия реакций.

В процессе химической реакции количество начальных веществ уменьшается, а количество продуктов реакции увеличивается, что создает видимость одностороннего направления реакции. В большинстве газовых реакций наряду с прямой реакцией образования новых веществ идет обратная реакция разложение ее продуктов (диссоциация) и образование из них исходных начальных веществ. Чем больше образуется продуктов реакции, тем интенсивнее развивается обратная реакция. Закон действующих масс с полным правом можно применять как к прямой, так и к обратной реакции. Реакции, идущие в обоих направлениях, носят название химически обратимых и записываются таким образом:

аА+bB cC+dD.

Скорость реакции слева направо обозначим w1, а справа налево w2:

w1 = k1a b; w2 = k2C cD d.

Результирующая скорость реакции w будет равна разности скоростей, и в пределе стремиться к нулю (w = w1  w2  0). Наступает подвижное химическое равновесие, когда количество исходных веществ, вступающих в реакцию в единицу времени равно количеству этих веществ, получаемых в результате обратной реакции, т. е. w1 = w2, или

k1a b = k2С сD d.

Отсюда получается

где kc  константа химического равновесия. Индекс “с” означает, что константа получена по безразмерным концентрациям веществ.

Следует отметить, что константа химического равновесия по относительным концентрациям (kc) равна константе по относительным парциальным давлениям (kр).

Константа равновесия может быть также выражена через абсолютные концентрации веществ и абсолютные парциальные давления. На константы химического равновесия оказывают влияние температура, при которой установилось равновесие, и общее давление газов. Величину константы равновесия определяют экспериментальным путем, изменяя температуру или давление в системе.

Принцип Ле-Шателье

Изменение направления хода равновесной химической реакции в зависимости от изменения того или иного активного фактора сформулировал Ле-Шателье.

Сущность принципа Ле-Шателье представляет собой частный случай проявления инерционных свойств материального мира и заключается в том, что всякое воздействие внешних сил на систему реагентов меняет ход реакции в том направлении, который будет препятствовать этому воздействию. Например, при подводе тепла извне в системе начнут развиваться эндотермические реакции, которые, поглощая внешний приток тепла, будут тормозить подъем температуры реагентов. При охлаждении системы, наоборот, начнут развиваться реакции, способствующие выделению тепла (экзотерми-ческие реакции), что будет компенсировать потерю тепла системой и тормозить понижение температуры реагентов.

Подобное происходит, когда изменяется внешнее давление, например, если начать повышать давление, то система окажет сопротивление изменению давления путем медленного образования таких химических реакций, которые сопровождаются уменьшением объема, общего числа молей, что будет тормозить повышение давления в системе. Остановка температуры или давления на новом уровне приведет к другому значению константы равновесия, т. е. к другому соотношению реагентов. Прибавление в систему какого-либо реагирующего вещества извне вызывает сдвиг реакции в сторону, ведущую к увеличению образования таких веществ, которые стремятся израсходовать добавленное вещество и тем затормозить повышение его концентрации.

Лекция № 9 Воспламенение топлива, температура воспламенения

Окисление топлива и горение представляют собой один и тот же химический процесс, физическое проявление которого совершенно различно. Постепенное нарастание количественной стороны процесса окисления способствует возникновению качественно нового процесса горения. Критический момент перехода от спокойного окисления к бурному горению называют воспламенением топлива. Часто бывает достаточным появления лишь искры, чтобы началась цепная реакция и произошло воспламенение всего горючего, переходящее в бурно развивающийся процесс горения топлива или даже взрыв.

Минимальная температура реагентов, при достижении которой происходит развитие бурного самоускоряющегося процесса горения, называется температурой воспламенения топлива.

Температура воспламенения топлива зависит от состава, физической структуры топлива и от условий, в которых происходит процесс зажигания. В основе процесса зажигания и воспламенение лежит повышение температуры топлива и кислорода. Источник тепла может быть внешним, когда топливо и воздух подогреваются извне, или внутренним, когда реагенты получают тепло вследствие медленно идущего процесса окисления горючего.

Повышение температуры реагентов ускоряет процесс окисления топлива, ход которого зависит от соотношения процессов прихода тепла в очаге реакции окисления топлива и расхода тепла из очага по условиям теплопередачи. С увеличением температуры интенсивность обоих процессов возрастает. Таким образом, изучение процессов воспламенения сводится к рассмотрению процессов окисления и теплопередачи в какой-то конкретной обстановке. Процесс окисления в адиабатических условиях (при абсолютной теплоизоляции) всегда приведет к самовоспламенению топлива. С другой стороны, если все тепло химической реакции окисления уходит из очага и температура реагентов не повышается, то воспламенение произойти не может.

Воспламенение топлива от внешнего источника надежно и более быстро обеспечивает подъем температуры реагентов хотя бы в каком-либо месте. Далее по закону цепных реакций воспламенение и горение может распространяться по всему объему, занятому топливом и кислородом.

Более полно изучено воспламенение газообразного топлива в виде смеси горючего газа с воздухом или кислородом. Когда концентрация горючего в смеси равна начальной и является самой высокой, то температура смеси является минимальной. По мере уменьшения концентрации горючего, вследствие реакции, температура системы реагентов повышается. Когда концентрация горючего будет равна нулю, температура поднимается до максимальной, равной калориметрической.

Адиабатный процесс самовоспламенения и горения рассматривается при условии постоянного давления или при условии постоянного объема.

В последнем случае отсутствует расширение газов при их нагревании. Работа расширения газов равна нулю и вся тепловая энергия, выделенная реакцией, идет только на повышение температуры газовой смеси. Теплоемкость при постоянном объеме Сv , меньше теплоемкости при постоянном давлении на величину Ср  Сv = R кдж/(кмольК); поэтому температура реагентов поднимается быстрее и конечная максимальная калориметрическая температура будет выше.

Вопрос о воспламенении горючей смеси усложняется, если рассматривать процесс при наличии тепловых потерь (qп , кВт), когда часть тепла будет уходить из очага реакции и только остаток тепла пойдет на разогрев реагентов. Рассмотрим возможности воспламенения при наличии тепловых потерь. С повышением температуры ускоряется реакция, увеличивается приход тепла (qр , кВт), но усиливается теплопередача (qп , кВт). Таким образом, оба противоречивых процесса являются функцией температуры реагентов.

Скорость нагрева (охлаждения)  газовой горючей смеси, находящейся в какой-то оболочке, через которую тепло теряется во внешнее пространство, согласно теории нагрева, можно записать так:

= ,

где Mc  теплоемкость смеси, кдж/К;

имеет смысл скорости нагрева смеси вследствие прихода тепла реакции, К/с;

имеет смысл скорости охлаждения смеси вследствие тепловых потерь, К/с.

Из этого дифференциального уравнения можно сделать следующие выводы:

1. Если qп = 0, то мы имеем случай адиабатического процесса.

2. Если qр  qп , то   0  будет иметь место разогрев системы и подъем температуры, хотя более медленный, до полного исчезновения концентраций. Максимальная температура продуктов реакции Тр будет ниже калориметрической из-за тепловых потерь.

3. Если qр  qп = const 0 (dT/d = const), то температура газов будет подниматься по закону прямой линии. Это будет возможным при предположении, что тепловые потери qп и скорость реакции wp развиваются во времени по аналогичному закону, что маловероятно, так как законы химической реакции и теплопередачи различные по характеру.

4. Если qр  qп = const = 0, тогда dT/d = 0, T = const. Величину этой температуры можно изменять лишь путем внешнего воздействия. Такое температурное и тепловое равновесие можно представить в математическом описании, но физически и практически оно почти невыполнимо из-за трудности регулирования тепловых потерь. Данный случай является примером изотермических реакций.

5. Если qp < qn , то dT/d < 0 система будет охлаждаться и реакция постепенно замрет.

6. Теплопередача (потери тепла) пропорциональна температуре газов Т, чем выше тепловые потери, тем ниже конечная действительная максимальная температура Тд . Чем интенсивнее теплопередача (k) и быстрее нарастают тепловые потери, тем позднее наступает воспламенение и тем выше температура воспламенения Тв .

Продолжение лекции № 9

В действительных природных условиях самовоспламенение довольно редко случается, хотя вполне возможно. В технике топливо приходится зажигать принудительно, пользуясь посторонними источниками тепла или огня.

В газовой горючей смеси искра весьма быстро воспламеняет весь объем и вызывает взрыв. Это говорит о большой скорости распространения огня от одной точки по всему объему смеси согласно закону цепной реакции. Цепные реакции, возникшие в каком-либо месте пронизают весь объем горючей смеси за доли секунды.

При повышении давления молекулы реагирующих газов сближаются между собой, число столкновений в единицу времени между ними возрастает, воспламенение облегчается и температура воспламенения снижается. Температура воспламенения большинства горючих газов в кислороде ниже, чем в воздухе.

Пределы воспламенения.

Холодная газовоздушная смесь может загореться от контакта с огнем лишь в определенном интервале соотношений газ воздух. Пределы воспламенения измеряются объемным процентным содержанием данного топлива в смеси его с воздухом и обозначается N.

Нижним пределом Nн называется минимальное содержание топлива в смеси с воздухом, при котором смесь, имеющая tнач = 20 оС, воспламеняется от источника огня. Верхним пределом Nв  максимальное содержание топлива в смеси с воздухом, выше которого смесь не воспламеняется.

Наличие пределов воспламенения по цепной теории горения может быть объяснено тем, что развитие цепной реакции окисления протекает тем интенсивнее, чем в большей степени скорость развития цепей превосходит скорость их обрыва. На нижнем и верхнем пределе, когда соотношение газ воздух далеко от стехиометрического, уменьшение числа непосредственных контактов между молекулами газа и воздуха приводит к тому, что скорость обрыва цепей на балластных молекулах достигает значительной величины и смесь не загорается.

Пределы воспламенения, так же как и температура воспламенения, не являются физико-химическими константами данного топлива, так как зависят от химической природы топлива, начальной температуры и давления газовоздушной смеси и других факторов.

В табл. 9.1 приведены значения температур и пределов воспламенения для смеси различных газов с воздухом при стандартных условиях.

Таблица 9.1Пределы воспламеняемости и температура воспламенения для смеси различных газообразных топлив с воздухом.

Наименование газа

Пределы воспламеняемости газов, %(объемный) газа в смеси с воздухом

Температура воспламенения, оС

нижний предел

верхний предел

Окись углерода

16,3

71,2

625 675

Водород

6,2

71,4

550 605

Метан

5,6

14,5

630 750

Этан

3,0

15,0

550 625

Пропан

2,3

9,5

510 585

Бутан

1,9

8,4

500 550

Природный (Шебел.)

5,3

14,4

640 720

Доменный

34,0

71,2

615 660

КДС (Q=8,38 Мдж/м3)

8,2

38,0

600 620

Из табл. 9.1 видно, что

температура воспламенения основных горючих газов в воздухе изменяется от 550 до 750 оС;

температура воспламенения насыщенных углеводородов метанового ряда с увеличением молекулярной массы снижается;

наиболее низкие температуры воспламенения присущи сероводороду и ацетилену;

температура воспламенения различных технических газообразных топлив лежит в интервале 600 750 оС;

наиболее широким диапазоном воспламеняющихся концентраций обладает смесь водорода (6,2 71,4 %) и окиси углерода (16,8 71,2 %) с воздухом;

наиболее узким диапазоном воспламеняющихся концентраций обладает смесь насыщенных углеводородов с воздухом. Так метан имеет пределы 5,6 14,5 %, а этан 3 14 %.

Процентное содержание газа в стехиометрическом соотношении газ воздух лежит внутри концентрационных пределов воспламенения. Так, например, при горении окиси углерода в воздухе нижний предел воспламенения Nн = 16,3 %, верхний Nв = 71,2 %, а процент газа в газовоздушной смеси при стехиометрическом расходе воздуха Nс = 30 %. Для метана эти цифры соответственно равны 5,6; 14,5 и 9,5 %.

Таким образом, стехиометрическая смесь газа с воздухом при поднесении огня всегда воспламеняется.

Пределы воспламенения, полученные по опытным данным и приведенные для различных технических газообразных топлив в табл. 9.1 можно также определить расчетным путем. Вычисление пределов воспламенения для газообразного топлива, в состав которого входит несколько горючих газов, производится с помощью правила смешения (аддитивности) по следующей формуле:

,

где N концентрационный предел (нижний или верхний) смеси рассматриваемого газа с воздухом;

m1, m2, mi объемные % горючих компонентов в сложном газе;

N1, N2, Ni концентрационные пределы воспламенения данного горючего в смеси с воздухом (верхний или нижний).

Следует отметить, что эта формула справедлива для подсчета пределов воспламенения топлив, содержащих незначительное количество балласта. Если же в газообразном топливе содержится значительное количество негорючих компонентов, то подсчет пределов надо производить с учетом влияния балластных газов по специальному графику, где приведены значения концентрационных пределов смеси горючего газа с инертным. Результаты расчета пределов незначительно зависят от принятой компановки смесей инертных и горючих газов.

Если сжигать газообразное топливо в воздухе, обогащенном кислородом, то концентрационные пределы воспламенения расширяются за счет уменьшения количества инертного газа. Наиболее широкие пределы воспламенения будут при сжигании газа в чистом кислороде.

При повышении начальной температуры газовоздушной смеси перед зажиганием диапазон воспламеняющихся концентраций расширяется и при подогреве смеси до температуры воспламенения смесь загорается при любом соотношении газ воздух.

При понижении давления холодной газовоздушной смеси пределы воспламенения суживаются и, наконец, при некотором малом давлении, названном критическим, смесь не воспламеняется ни при каких соотношениях между газом и воздухом в смеси.

Модуль №4

Лекция № 10 Распространение пламени в газовоздушных смесях

Поджигание горючей газовоздушной смеси может осуществляться: 1) в замкнутом сосуде постоянного объема и 2) в трубке с открытым концом, когда обеспечивается возможность беспрепятственного расширения реагирующей смеси и сохраняется постоянство давления.

1. В замкнутом сосуде при v = const сгорания первых порций смеси приводит к повышению температуры и соотвественно давления реагирующей системы, что влечет за собой сжатие смеси, ускоряющее зажигание, в результате чего происходит взрыв.

2. Во втором случае (p = const) при поджигании смеси в точке благодаря передаче тепла теплопроводностью (диффузией) поднимется температура соседнего слоя, и смесь в этом слое также воспламенится. Итак, путем передачи тепла от слоя к слою фронт пламени будет перемещаться вдоль трубки от открытого конца по направлению к ее запаянному концу. Такой процесс распространения пламени называется нормальным и соотвественно скорость распространения пламени вдоль трубки также нормальной (un , м/с)

Таким образом, поджигание холодной газовоздушной смеси при условии постоянства объема приводит к взрыву, а при условии постоянства давления к нормальному распространению пламени. Следует отметить, что нормальное горение при постоянном давлении иногда переходит в процесс детонации, протекающий с огромными скоростями (до 25 км/с) аналогично взрыву. При этом нагревание смеси до воспламенения осуществляется путем сжатия.

Величина нормальной скорости распространения пламени имеет практическое значение при расчете горелок предварительного смешения, в которых скорость выхода смеси из наконечника горелки должна быть больше un во избежание обратного проскока пламени в корпус горелки.

Метод определения un по перемещению фронта пламени в трубках является простым и надежным, но результаты опытов при данном давлении и температуре газовоздушной смеси в значительной мере зависят от диаметра, температуры и материала трубки, в которой производится испытание, а также от положения ее в пространстве. С увеличением диаметра трубки скорость нормального горения резко возрастает, затем наступает некоторое замедление темпа роста un , после чего рост вновь продолжается.

Перегиб на кривой связан с ростом доли конвективного переноса тепла.

С уменьшением диаметра трубки скорость распространения пламени падает и, наконец, при достижении так называемого критического диаметра пламя в трубке вообще не распространяется. Величина этого диаметра зависит от природы сжигаемого газа и составляет примерно 13 мм. Это явление используется в шахтерских лампах: делается сетка с отверстиями меньше критических, что предотвращает возможность выхода пламени из лампы наружу.

В связи с вышесказанным, при использовании экспериментальных данных по определению un всегда необходимо указывать диаметр, материал и толщину стенки трубки, в которой производился эксперимент. Чаще всего опыты производят в стеклянных трубках d = 1”(25,4 мм) при tнач = 20 оС и нормальном давлении (р = 100 кПа).

Характер зависимости нормальной скорости распространения пламени от природы газа объясняется в первую очередь величиной коэффициента теплопроводности и коэффициента диффузии. С увеличением этих коэффициентов возрастает и нормальная скорость горения.

Чем выше начальная температура газовоздушной смеси перед зажиганием, тем больше скорость распространения пламени. При подогреве смеси до температуры воспламенения смесь загорается одновременно по всему объему, что равнозначно бесконечно большой скорости, и понятие о скорости распространения пламени вообще теряет физический смысл.

По опытным данным, нормальная скорость горения растет примерно пропорционально квадрату абсолютной температуры газовоздушной смеси.

При увеличении процента газа в смеси нормальная скорость распространения пламени сначала возрастает, а затем начинает падать, причем максимум скорости соответствует коэффициенту расхода воздуха на горение несколько меньше теоретического. Так, для водорода максимум скорости горения отвечает коэффициенту расхода воздуха n = 0,8, а для метана n = 0,97.

Следовательно, максимальная скорость распространения пламени  отвечает некоторому избытку газа в смеси сверх стехиометрического соотношения газ воздух, что по теории цепных реакций объясняется возрастанием числа активных центров. В связи с этим интересно отметить, что наибольший избыток газа сверх стехиометрического соотношения для обеспечения максимальной нормальной скорости горения необходим при сжигании окиси углерода, воспламенение и горения которой облегчается лишь в присутствии водяных паров. Скорость распространения пламени на верхнем и нижнем пределе воспламенения одинакова для всех газов и равна примерно 0,2 м/с.

Лекция № 11. Ламинарный и турбулентный газовый факел

Газообразное топливо сжигают факельным способом. Факел представляет собой горящую струю газа, имеющую геометрическую форму и определенную направленность. Если поперечные размеры топочного пространства весьма велики по сравнению с радиальными размерами факела, то факел называют свободным, в противном случае его условно называют ограниченным.

По месту встречи и характеру перемешивания газового и воздушного потоков различают три метода сжигания газов:

1). Газ и необходимый для горения воздух встречаются друг с другом вне горелочного устройства в топочном пространстве и перемешиваются в процессе горения. Этот метод сжигания называют факельным с полным внешним перемешиванием.

2). Газ и некоторая часть воздуха, идущего на горение, предварительно перемешивается друг с другом до вылета в топочное пространство, а остальной воздух присоединяется к смеси в топочном пространстве в процессе горения. Этот метод сжигания называют факельным с частичным предварительным перемешиванием.

3). Газ и весь воздух, идущий на горение, предварительно перемешивается друг с другом до вылета в топочное пространство. Этот метод сжигания следовало бы назвать факельным с полным предварительным перемешиванием, но по традиции его называют беспламенным или бесфакельным.

При сжигании газов в промышленных печах особое внимание уделяют длине факела. Длина факела должна быть такой, чтобы горение топлива оканчивалось в пределах топочного пространства.

Наибольшее распространение получил факельный метод сжигания с полным внешним перемешиванием (I метод), который дает наибольшую длину факела.

В промышленных условиях организованный факел, как правило, создается за счет кинетической энергии газовой струи. Свойства факела во многом зависят от режима движения газа в горелочном устройстве. Различают два режима движения газа ламинарный и турбулентный.

Характер движения жидкостей и газов определяют по величине критерия (число) Рейнольдса:

,

где w средняя скорость движения потока, м/с;

d0 диаметр трубопровода, м;

  коэффициент кинематической вязкости, м2.

В результате опытов установлено, что, как правило, при Re 2000 имеет место ламинарное движение; при Re 3000 турбулентное.

Переход от ламинарного к турбулентному движению в зависимости от состояния стенок трубопровода происходит при Re = 20003000. Причем более шероховатым трубам отвечают меньшие значения критических чисел Рейнольдса, и наоборот. Хорошо развитая турбулентность наблюдается при Re800010000. В зависимости от начального числа Рейнольдса горящие газовые струи могут быть ламинарными или турбулентными.

При ламинарном факеле контакт горючего с кислородом происходит на поверхности струи газа, а внутренние слои газового потока не соприкасаются с кислородом.

При турбулентном факеле струя газа захватывает окружающую среду, перемешивается с ней и проталкивает ее вперед. Поэтому турбулентная струя газа после вылета из сопла расширяется и принимает конусообразную форму. По своей структуре турбулентная струя представляет собой совокупность хаотично перемещающихся макрочастиц вещества, объединенных в единое целое силами вязкости и общим направленным движением.

При поджигании турбулентной струи процесс горения начинается на поверхности струи. Образующиеся здесь продукты сгорания вовлекают в свое движение макрочастицы воздуха и вместе с ними постепенно проникают в глубь струи. Вследствие хаотичности турбулентной струи очаги горения в каждом элементарном объеме факела возникают дискретно. При зрительном восприятии большого числа близко расположенных и дискретно появляющихся очагов горения в объеме факела они сливаются воедино и турбулентный факел нам представляется в виде сплошной струи горящего газа.

Для уяснения динамики перехода ламинарного факела в турбулентный рассмотрим последовательное изменение длины вертикального факела при возрастании скорости в сопле. С ростом скорости длина факела сперва возрастает почти пропорционально и при любом значении скорости факел имеет резко ограниченный контур и неизменную форму. При достижении критической скорости wкр вершина пламени становится неустойчивой и начинает пульсировать. При дальнейшем возрастании скорости эта неустойчивость развивается и факел как бы складывается из двух частей нижней ламинарной и верхней турбулентной.

При еще большем увеличении скорости истечения длина факела начинает уменьшаться и граница раздела частей пламени перемещается от вершины к соплу. При некотором значении скорости w’ факел становится полностью турбулентным и дальнейшее увеличение скорости истечения вызывает вновь увеличение длины факела, но уже в значительно более медленном темпе, чем при ламинарном режиме. Таким образом, кривую, характеризующую изменение длины факела в зависимости от скорости истечения газа, можно разделить на три области: ламинарную, переходную и турбулентную.

Исследования показывают, что значения чисел Re, при которых начинается переход от ламинарного факела к турбулентному, зависят от природы горючего газа и диаметра сопла. При увеличении диаметра сопла переход от ламинарного к турбулентному факелу начинается при меньших значениях чисел Re.

Длина ламинарного газового факела

Идеальная картина поверхностного горения газа получается при направлении ламинарной струи газа вертикально вверх, так как при другом направлении ламинарной струи из-за действия подъемной силы факел получается искривленным. Под высотой или иначе длиной ламинарного факела понимают расстояние от сопла до точки, где оканчивается процесс горения.

При сжигании однородных стехиометрических смесей в ламинарном факеле общая скорость процесса горения определяется ходом процесса перемешивания продуктов сгорания со свежей горючей смесью при проникновении некоторой части продуктов сгорания из фронта пламени навстречу течению горючей смеси. Этот процесс сопровождается передачей тепла теплопроводностью к новым порциям смеси и зажиганием их.

При сжигании заранее подготовленной стехиометрической смеси горючего газа с воздухом в ламинарной струе фронт пламени локализуется в очень тонком поверхностном слое, в результате чего горящая струя приобретает форму конуса, остроконечная вершина которого находится в том месте, где оканчивается процесс горения. Длина факела по данным В. А. Михельсона, равна

,

где w средняя скорость истечения смеси из сопла, м/с;

wпл = wcos  средняя скорость распространения пламени (здесь   угол между направлением движения смеси и нормалью к фронту горения;

r0 радиус сопла, из которого истекает стехиометрическая смесь, м.

При wпл  w квадрат безразмерной длины факела (Lфак/d0)2 равен отрицательной величине. Практически это означает, что процесс горения проникает внутрь самого сопла. Поэтому длина факела по уравнению В. А. Михельсона получается мнимой величиной.

Ламинарно-диффузионный факел

При ламинарно-диффузионном факеле топливо и воздух подают раздельно. Топливо и кислород, чтобы перемешаться и вступить в реакцию должны диффундировать навстречу друг к другу через слой продуктов сгорания.

Согласно теории Бурке и Шумана, положение фронта диффузионного пламени определяется как геометрическое место точек, в которых отношение количества горючего газа, диффундирующего наружу, к количеству кислорода, диффундирующего внутрь, удовлетворяет стехиометрическому уравнению полного сгорания горючего газа. Таким образом, в пламени в зоне окисления не может существовать несгоревшее топливо, а в топливной зоне непрореагировавший кислород, если только в самой струе горючего газа не содержался первичный кислород.

Далее принимали, что скорость химических реакций горения на много больше скорости диффузии. Это означает, что горение локализовано в тонком слое между топливом и окислителем, а скорость распространения пламени определяется в первую очередь скоростями диффузии молекул топлива и окислителя через слой продуктов сгорания в зону горения.

Ниже приведена формула для расчета длины ламинарно-диффузионного факела, в основу которой положены предпосылки Бурке и Шумана

Lф = ,

где Vc  объемный расход газа через сопло, м3;

 и Dv коэффициенты кинематической вязкости и диффузии, м2;

k0 размерная постоянная, определяемая из опыта, с/м3 (k0 0,5);

  молярная концентрация топлива в стехиометрической смеси,

здесь s стехиометрический расход воздуха, необходимый для сжигания 1 м3 газа, м33;

  начальная молярная концентрация топлива в смеси с воздухом,

здесь 0 объемное количество воздуха, предварительно перемешенного с 1 м3 газа, м33.

Для конкретных расчетов более удобно, задаваясь длиной факела определять секундный расход газа.

Из рассмотренного уравнения можно сделать следующие выводы:

1. Длина ламинарно-диффузионного факела в сильной мере зависит от расхода газа через сопло.

2. На длину ламинарно-диффузионного факела существенное влияние оказывает произведение Dv .

3. Чем больше стехиометрический расход воздуха s , тем длиннее факел.

Уравнение для расчета длины турбулентного газового факела

В настоящее время имеется множество формул для расчета длины турбулентного факела. Это объясняется тем фактом, что длина турбулентного факела является функцией большого числа параметров, охват которых одним математическим выражением представляет серьезные трудности.

Опыт показывает, что при выходе горючего газа из сопла турбулентная струя начинает захватывать и вовлекать в свое движение окружающий воздух. Массовый расход газов Gсм , проходящих через поперечное сечение струи, по мере удаления от среза сопла постепенно возрастает.

Путь, на протяжении которого струя захватывает для горения стехиометрическое количество воздуха, называется длиной пути захвата. Часть кислорода этого воздуха успевает прореагировать с газом, другая часть находится в стадии реакции, а третья еще не перемешалась с горючим. Свободный кислород преимущественно находится в периферийных слоях, а газ главным образом сосредоточен в центральном ядре факела. Для завершения процесса горения требуется определенный дополнительный путь, который называется длиной пути перемешивания. Таким образом, общая длина турбулентного факела определяется как

Lфак = Lзах + Lпер.

Длину турбулентного факела рассматривают как путь от среза газового сопла до точки или плоскости, в которой оканчивается процесс горения по условиям перемешивания. Предполагают, что химические реакции горения протекают постольку, поскольку совершается процесс смешения горючего с кислородом и горючие и кислород немедленно полностью реагируют друг с другом, так что в конце пути перемешивания в факеле оканчивается процесс горения.

Уравнение для расчета длины турбулентного факела имеет следующий вид:

,

где Zф =Lф/d0 безразмерная длина факела, выраженная в калибрах газового сопла;

= Gв/Gг  стехиометрическое число, показывающее, сколько кг воздуха необходимо для сжигания 1 кг газа, кг/кг;

f(  безразмерная функция от стехиометрического числа, которая при расчетах может быть принята равной f( = 0,00148;

безразмерная функция плотностей;

  критерий Фруда;

Jв безразмерное количество движения, которое вносит в струю газа воздух на пути захвата;

JEu безразмерное число, называемое критерием Эйлера


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

47816. Физика. Учебно-методический комплекс 1.67 MB
  Общие свойства и характеристики волновых процессов. Заряды одного знака отталкиваются друг от друга заряды разных знаков притягиваются рис. Шелк Стекло = Мех Янтарь = Рис. Величина элементарного заряда по абсолютной величине в СИ: Электрические заряды присущи многим элементарным частицам в частности электронам и протонам входящим в состав различных атомов из которых построены все тела в природе.
47817. ОБЛІК У БЮДЖЕТНИХ УСТАНОВАХ. КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ 1.48 MB
  Метою вивчення дисципліни є засвоєння теорії і практики бухгалтерського обліку в бюджетних установах оволодіння студентами базовими знаннями з організації і функціонування бюджетних установ формування вміння орієнтуватись у законодавчонормативних документах та інструктивнометодичних матеріалах з організації та методики бухгалтерського обліку в...
47818. ОСНОВЫ ПРАВА 891 KB
  Теория права. Признаки государства: Наличие особой публичной власти не совпадающей с основным населением особый аппарат управления и принуждения Территориальная организация населения государство защищает интересы каждого субъекта находящегося на его территории в отличие от власти в догосударственный период когда интересы субъекта защищались либо по признаку принадлежности к данному сообществу либо по признаку родства Наличие права Налоги обязательные платежи с субъектов идущие в т. на содержание “публичной властиâ€...
47819. Інвестування. Навчально-методичний посібник 789 KB
  Рецензенти: РВВ ЖДТУ Житомир 2005 ВСТУП Мета і завдання дисципліни її місце у навчальному процесі Актуальним завданням на сьогодні є розвиток інвестиційної діяльності спрямованого на створення привабливого інвестиційного середовища та суттєвого нарощування обсягів інвестицій. Разом з тим річні обсяги інвестицій в Україні поки ще залишаються на низькому рівні через велику низку причин: несприятливий інвестиційний клімат нерозвинутість фондового ринку та фінансовокредитної системи високий податковий тиск неефективне використання...
47821. Художественные направления, течения и школы в литературе ХХ века. Модернизм и постмодернизм: проблема соотношения понятий в современном литературоведении 61.5 KB
  Модернизм и постмодернизм: проблема соотношения понятий в современном литературоведении. Открыть и разрешить вопрос соотношения модеонизма и постмодернизма. Воникновение и развитие постмодернизма. Попарт сегодня предстает как переход от модернизма к постмодернизму.
47823. Вялікая Айчынная вайна савецкага народа 1.44 MB
  Рэкамендавана да выдання Камісіяй па прыёмцы і атэстацыі электронных версій вучэбных і вучэбна-метадычных матэрыялаў Акадэмii кiравання пры Прэзiдэнце Рэспублiкi Беларусь