CC BY
105
УДК 620.9:621.311
Е. А. Курганова, М. Н. Покусаев
О РАСЧЕТЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВ ПО ОБОБЩЕННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ
Введение
Расчет процесса горения является начальной стадией теплового расчета транспортных и энергетических котлов [1-6] и имеет определенные аспекты [1-3], в том числе - при использовании новых видов топлив [4]. Этот расчет по нормативным данным [6] предполагает, в частности, знание (или определение) химического состава горючей и рабочей массы топлива и определение по ним параметров процесса (объемы продуктов сгорания общие и по газовым составляющим) по сводке расчетных формул. Кроме громоздкости формул в [6], расчет имеет следующие недостатки: при использовании другой марки топлива или смеси топлив (последнее является фактически правилом для газовых топлив вследствие меняющегося состава смесей газов) необходимо повторять расчеты процесса горения; затруднено использование расчета при обработке результатов испытаний котлов.
При появлении метода расчета процесса горения по обобщенным теплотехническим характеристикам топлива [5] и при дальнейшем развитии метода автором [5] в 60-70-е гг. XX в. появилась возможность универсального расчета с использованием этих характеристик. Для расчетов в этом случае требуется знать только вид топлива (газ, жидкое топливо), удельную низшую теплоту сгорания и обобщенные характеристики топлива данного вида.
В настоящее время к обобщенным и стабильным характеристикам топлив и процесса горения относят [1, 2, 5]:
- жаропроизводительность топлива ґмакс, °С, которая равна максимальной теоретической температуре продуктов стехиометрического сгорания топлива при начальной температуре топлива и воздуха, °С;
- отношение удельной рабочей низшей теплоты сгорания Єн топлива к теоретическому объему сухих продуктов сгорания при стехиометрическом горении, кДж/нм3:
Р = ер / Пух; (1)
- отношение объемов сухих и влажных продуктов сгорания:
В = ПуХ /Гп, ; (2)
- отношение удельной рабочей низшей теплоты сгорания к объему влажных продуктов сгорания, кДж/нм3:
я=Єнр /Рп.с; (3)
- максимальное содержание двуокиси углерода в сухих продуктах сгорания Я02макс, %;
- максимальное содержание водяного пара в продуктах сгорания Н20макс, %.
В табл. 1 приведены (в том числе по уточнениям для природных газов, водорода и диме-тилэфира [2, 3 и др.]) основные обобщенные характеристики, достаточные для расчета процесса горения.
Таблица 1
Основные обобщенные характеристики процесса горения для видов топлив
Характеристика Природные газы и их смеси Мазуты Ф12/М40 Водород Твердое топливо Диметилэфир
ґ , °С макс ’ 2 040 2 150(2 100) 2 237 2 120 2 080
Я , ккал/нм3 (кДж/нм3) 810(3 390) 840(35 200) 895(3 750) 860(3 600) 860(3 600)
В 0,81 0,88 0,65 0,95 0,82
Р, ккал/нм3 (кДж/нм3) 1 000(4 190) 960(4 020) 1 370(5 740) 910(3 810) 1 045(4 380)
яо_ , % 2макс ’ 11,8 16,2(16,3) - 20,2 -
Для природных газов для упрощения расчетов процесса горения в топках котлов имеют значение величины У0 и Уп с. В [2, 3] получены зависимости теоретического объема воздуха У0
и объема продуктов сгорания Уп.с от удельной теплоты сгорания О (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость теоретического объема воздуха:
1 - для горения; 2 - для объема продуктов сгорания от удельной теплоты сгорания для 67 природных газов и их смесей [2, 3]
Для природных газов, нм3 /нм3,
У = 0,265 • 10-3 • ен .
(4)
Величину Упссм. на рис. 1.
Теоретическая температура горения газов при коэффициенте избытка воздуха а = 1 и температуре воздуха для горения больше 0 °С может быть определена по У0 и Уп с по формуле:
ґтеор ґмакс + У0 • Св • ґв /(Уп.с • сп.с ) ,
(5)
где ґв - температура воздуха, °С.
Рис. 2. Увеличение теоретической (максимальной) температуры горения газов при повышении температуры воздуха по формуле (5)
На рис. 2 результаты расчетов по (5) представлены в виде зависимости для ( теор - tмaкс от . В расчетах приняты св = 1,3 кДж/(нм3 • °С) — средняя удельная теплоемкость воздуха в интервале 0...700 °С; спс = 1,67 кДж/(нм3 • °С) — средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания топлива в интервале 0.700 °С; ^макс = 2 040 °С (табл. 1). Результаты расчетов показывают существенную зависимость теоретической температуры горения от температуры воздуха и возможность получать высокую температуру при сгорании органического топлива.
При а > 1 используется формула
уп.с а = V,, + (а — 1) • V), (6)
или
уп.с а/уп.с = 1 + (а — 1) • у0/кп.с, (7)
где Упс а — объем продуктов сгорания при а >1, нм3/нм3. Частная зависимость Упс а от а представлена, в качестве примера, на рис. 3.
Рис. 3. Объем продуктов сгорания газов (начальная температура 0 °С) при различных коэффициентах избытка воздуха по формуле (6)
Интерес представляет температура горения при реальных условиях: а = 1,0...5,0;
ґв = 0... 700 °С. Эта температура определяется по формуле
(р = ^макс + 0,8 ' (в ' а / [і + 0,8 ' (а - 1)] . (8)
По литературным данным и расчетам по приведенным формулам в табл. 2 приводятся характеристики процесса горения различных видов топлив. Необходимо отметить существенно меньший объем продуктов сгорания водорода и существенно большую долю водяного пара в продуктах сгорания (35 %), что позволяет ставить проблему выделения воды из продуктов сгорания для использования в технических целях.
Таблица 2
Характеристики процесса горения различных видов топлива, рассчитанные по обобщенным характеристикам
Характеристика процесса горения Г азы природные и их смеси Мазут М 40 Водород Диметилэфир
Теплота сгорания кДж/нм3 кДж/кг Диапазон до 45 000 1 080
39 400 31 730
Теоретический объем воздуха, нм3/нм3 10,1 2,38
необходимый для горения V} нм3/кг 10,38 7,95
Объем продуктов сгорания Упс нм3/нм3 11,27 2,88
нм3/кг 11,2 8,82
Суммарный объем углекислого и нм3/нм3 1,15 -
сернистого газов УКо2 нм3/кг 1,6 - 0,97
Объем водяных паров УН2о нм3/нм3 2,14 1,0
нм3/кг 1,4 1,57
Объем сухих продуктов сгорания нм3/нм3 9,13 1,88
V* = ^ нм3/кг 9,8 7,25
Объем азота нм3/нм3 7,98 1,88
нм3/кг 8,2 6,28
Например, для газа Шебелинского месторождения, Ор = 9 130 ккал/нм3 (38 230 кДж/нм3).
С использованием данных табл. 2 и формул (1)-(8) находим: У0 = 10,1 нм3/нм3,
Упс = 11,27 нм3/нм3, Усух = 9,13 нм3/нм3, УН2о = 2,14 нм3/нм3, = 7,98 нм3/нм3, ^теор при а = 1
и при tв = 100 °С составит 2 140 °С, а Упс а = 13,29 нм3/нм3 при а = 1,2 и tв = 0 °С, tр = 2 109 °С
при tв = 100 °С и а = 1,2. Таким образом, по и обобщенным характеристикам топлива с ис-
пользованием простых соотношений можно найти все основные характеристики процесса горения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адамов В. А. Сжигание мазута в топках котлов. - Л.: Недра, 1989. - 304 с.
2. Курганова Е. А. Обобщенные характеристики процесса горения газообразного топлива // Материалы 5 Рос. науч.-практ. конф. - Ульяновск: УлГТУ, 2006. - С. 253-256.
3. Курганова Е. А. Расчет процесса горения органического топлива // Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов. - Махачкала: ИПГ ДагНЦ РАН, 2008. - С. 273-277.
4. Экспериментальное исследование использования диметилового эфира в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания / М. Н. Покусаев, С. В. Виноградов, Г. А. Джихинто и др. // Академия энергетики. Прил. - 2008. - № 3 (23). - С. 29-31.
5. Равич М. Б. Определение эффективности использования природного газа. - М.: Изд-во Моск. ин-та нефтехим. и газ. пром-сти им. И. М. Губкина, 1965. - 19 с.
6. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод. - СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.
Статья поступила в редакцию 6.02.2009
ON CALCULATION OF BURNING PROCESS OF FUELS BY GENERALIZED HEAT-TECHNICAL CHARACTERISTICS
E. A. Kurganova, M. N. Pokusaev
The generalized heat-technical characteristics of gaseous and liquid fuels, of hydrogen and dimethilether, formulas for calculation of burning process and examples of calculation are given.
Key words: fuel, generalized heat-technical characteristics, burning process, formulas, examples of calculation.
