Температуры горения топлива

Под температурой горения понимают ту температуру, которую приобретают продукты сгорания в результате сообщения им тепла, выделяемого при сжигании. Различают адиабатную и действительную температуру горения. Адиабатной называется температура, которую приобретают продукты сгорания в адиабатных условиях, т.е. без теплообмена с окружающей средой. Действительной называется температура, которую приобретают продукты сгорания в реальных условиях сжигания.

Различают три адиабатные температуры: жаропроизводительность (по Д.И.Менделеееву), калориметрическая и теоретическая температуры.

Рассмотрим адиабатную оболочку, в которой находится 1 м³ газа или 1 кг жидкого топлива, или 1 кг твердого топлива. Внутри адиабатной оболочки находится стехиометрическое количество воздуха L_о, При подсчете жаропроизводительности принимают температуру топлива и воздуха равную 0 ^оС.

Составим уравнение теплового баланса. С одной стороны в адиабатной системе выделяется . С другой стороны количество теплоты, которое пошло на нагрев продуктов горения V _пг составляет

На основании теплового баланса

Из этого выражения следует, что максимальная температура, которую приобретают продукты горения, равна

, ^оС

где - низшая теплота сгорания, кДж/м³;

V_п.г - объем продуктов полного горения, полученный при

cтехиометрическом сжигании топлива, м³/м³, м³/кг;

- средняя объемная теплоемкость продуктов горения,

кДж/м³ К, кДж/кг К.

Полученная температура была названа Д.И.Менделеевым жаропроизводительностью топлива.

Полученную максимальную температуру в развернутом виде можно записать

, ^оС (1.29)

Величина жаропроизводительности различных индивидуальных газов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Жаропроизводительность различных горючих газов

Если при расчете температуры адиабатного горения учитывается подогрев воздуха и газа, то полученная температура называется калориметрической.

Тепловой баланс горения имеет вид

из которого следует

, (1.30)

где Q_{ф.в .} - физическое тепло подогретого воздуха, МДж/м³;

Q_ф.т - физическое тепло подогретого газа или жидкого топлива, МДж/м³.

Величину Q_{ф.в .} и Q_ф.г можно вычислить по формулам

,

где α - коэффициент расхода воздуха

L_о - теоретический расход воздуха, м³/м³;

- средняя объемная теплоемкость подогретого воздуха

кДж/м³ К;

- средняя объемная теплоемкость подогретого газа

кДж/м³ К;

t_г, t_в – температуры подогрева газа и воздуха

Величину Q_{ф.в .} и Q_ф.г можно записать и через энтальпии

Тогда t_к можно записать в виде

Если левую и правую часть уравнения умножить на , то получим выражение калориметрической энтальпии

(1.31)

Можно записать в виде

Вычислить t_к по представленным формулам невозможно, т.к. в формулу входит величина С_пг, которая зависит от этой t_к. Определяют t_к двумя методами: 1) методом инерций; 2) графическим методом построения зависимости h_п.г = f (t).

В соответствии с методом итераций задаемся калориметрической температурой t'_к и вычисляем калориметрическую энтальпию h'_к. Сравниваем h_к и h'_к. Если окажется, что h'_к > h_к, то следовательно принятая температура t'_к завышена. Принимаем следующую температуру t''_к на 100 ^о ниже, чем предыдущая и вновь рассчитываем h''_к и сравниваем с h_к. Необходимо достичь, чтобы h_к находилась между h'_к и h''_к, тогда и калориметрическая температура будет находиться в диапазоне t'_к и t''_к. Калориметрическую температуру можно определить по интерпаляционной формуле

, ^оС

Калориметрическую температуру можно определить графическим путем. Для этого необходимо построить зависимость продуктов горения по формуле

,

где и т.д. – энтальпия соответствующих компонентов

продуктов горения СО₂, Н₂О и т.д. – процентное содержа-

ние указанных компонентов в продуктах горения.

Затем вычисляется калориметрическая энтальпия продуктов горения

Откладывая h_к на оси ординат h_пг, проводится прямая параллельная оси абсцисс до пересечения с кривой энтальпии и из этой точки опускается на ось абсцисс, где и отмечается t_к.

Калориметрическая температура рассчитывается из условий адиабатности и необратимости. В действительности реакции являются обратимыми и при температурах выше 1800 ^оС эндотермические реакции начинают оказывать ощутимое влияние. Адиабатическая температура, которая учитывает диссоциацию продуктов горения называется теоретической.

До температуры 2200 ^оС считается, что частичной диссоциации подвергаются только СО₂ и Н₂О

СО₂ СО +½ О₂ - Q_дисс

Н₂О Н₂ +½ О₂ - Q_дисс

Продукты горения в этом случае состоят из

СО – СО₂ – Н₂ - Н₂О – N₂

При подсчете температуры в печи при сжигании газов с высокой температурой сгорания, особенно при подогреве воздуха и газа, необходимо считаться с понижением температуры вследствие диссоциации продуктов сгорания

, (1.32)

где - теплота диссоциации продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг или 1 м³ топлива, кДж/кг, кДж/м³.

Расчет теоретической температуры весьма трудоемкий, поэтому воспользуемся с достаточной для технических расчетов степенью точности зависимостями в области температур до

2200 ^оС:

Величина φ равна:

1900 - 2000 ^оС Þ φ = 0,96

2000 - 2100 ^оС Þ φ = 0,945

2100 - 2200 ^оС Þ φ = 0,93

При температуре выше 2200 ^оС происходит более глубокая диссоциация продуктов горения

СО₂ СО +½ О₂ - Q_дис

Н₂О Н₂ +½ О₂ - Q_дис

Н₂ Н + Н - Q_дис

О₂ О + О - Q_дис

½N₂ + ½ О₂ NО - Q

Действительная температура горения t_д соответствует реальным условиям сжигания и потерь тепловой энергии в печи

, (1.33)

где q_пот – потеря тепловой энергии в результате горения в реальных условиях, отнесенная к 1 м³ или 1 кг сжигаемого топлива

При рассмотрении понятия t_д имеется в виду и теплопередача газов при этой температуре.

В связи со сложностью расчетов t_д из-за q_пот и q_дисс было предложено использование пирометрического коэффициента η_пир. Отношение действительной температуры горения к калориметрической называется пирометрическим коэффициентом.

(1.34)

Средние значения пирометрических коэффициентов для различных печей приведены в таблице 4.

Таблица 4- Средние значения пирометрических коэффициентов

Значение η_пир колеблется в пределах 0,6-0,85 для нагревательных печей. η_пир является эмпирической величиной, но можно вычислить и по формуле

, (1.35)

где ε – КПД топочного процесса, доли единицы;

q_пот и q_пол - величина отдачи тепла продуктами сгорания нагреваемому материалу (полезная отдача) и различного рода потери.

Поиск по сайту: