CC BY
345
УДК 620.9:621.311
А. К. Ильин, Е. А. Курганова, Р. А. Ильин Астраханский государственный технический университет
ОБОБЩЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ВОДОРОДА КАК ТОПЛИВА
Определению и использованию в расчетах обобщенных характеристик топлива, и в частности максимальной температуры горения органических топлив, посвящено достаточно много работ [1-7]. В данной работе приводятся основные обобщенные характеристики природных горючих газов и водорода как топлива.
Теплофизические особенности водорода как топлива:
- удельная низшая теплота сгорания QP 10 786 кДж/нм3 (119 830 кДж/кг) значительно выше, чем у органических топлив;
- продукты сгорания экологически чистые, с повышенным содержанием водяного пара;
- удельная теплоемкость продуктов сгорания несущественно отличается от таковой других топлив.
Перспективность водорода в качестве «универсального» топлива связана:
- с высокой теплотой сгорания и повышенной температурой горения;
- высоким качеством сгорания при простых конструкциях горелоч-ных устройств;
- возможностью эффективного использования практически во всех теплоэнергетических объектах - от трактора и автомобиля до котлов, самолетов и др.
Важной теплофизической характеристикой органических топлив является «жаропроизводительность» ^макс, т. е. максимальная температура горения при начальной температуре газа и воздуха 0 °С, при стехиометрическом сжигании, при условии затрат теплоты сгорания топлива только на нагревание образующихся продуктов сгорания и без учета затрат энергии на диссоциацию продуктов сгорания. На основе обобщения данных по 60 природным газам величина ^макс уточнена: ^макс = 2 040 °С (рис. 1). Уточнена эта величина также для водорода: ^макс = 2 237 °С.
2 050 2 000 1 950
Водород - 2 237 °С
^макс, С ^ ^
%.«ТГ .!/%•• «I* •
I V Природные газы
б/, кДж/нм3
35 000 40 000 45 000
Рис. 1. Жаропроизводительность топлива /макс для 60 природных газов различных месторождений с различной теплотой сгорания (учтены совпадения точек) и водорода
Расчеты максимальной температуры горения с учетом потерь энергии на диссоциацию продуктов сгорания ґмакс. д по обычным методикам показали существенное влияние диссоциации на эту характеристику (рис. 2). Однако необходимо учесть, что методики дают максимальную величину снижения температуры продуктов сгорания.
Рис. 2. Максимальная температура горения с учетом потерь энергии на диссоциацию продуктов сгорания при различной жаропроизводительности топлива: 1 - /макс; 2 - 4^. д;
3 - область для природных газов; для водорода 4жс = 2 237 °С, 4жс. д = 2 077 °С
Важные для практики расчетные результаты представлены на рис. 3-6.. Для природных газов имеют значение (для упрощения расчетов процесса горения, например, в топках котлов) величины Уо (теоретический объем воздуха для горения) и Vп.с (теоретический объем продуктов сгорания). На рис. 4 эти величины приведены по результатам расчетов для большого количества газов и хорошо обобщают имеющиеся литературные данные. Для водорода Уо = 2,38 нм3/нм3, Уи.с = 2,88 нм3/нм3.
Рис. 3. Увеличение максимальной теоретической температуры горения газов при увеличении температуры подаваемого воздуха (4) от 0 до 500 °С:
1 - природные газы; 2 - водород
12
V), Vп с, нм3/нм3
V"-
V' * £
кп.с ^ Н2 , Природнга К
/( газы
Я
*иК° ^ Н2 Qнр, кДж/нм3
10 000 20 000 30 000 40 000
Рис. 4. Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания природных газов и водорода
8
4
0
Рис. 5. Доля объема водяного пара в объеме продуктов сгорания водорода и метана (35 830 кДж/нм3) при различных избытках воздуха при горении
0,3
0,2
0,1
IV / V Водород ^ 0,347
Г ^Н2О / 'п.с
Природные газы
•• •• •• «I •• • • ••
Qнр, кДж/нм3
35 000 40 000 45 000
Рис. 6. Доля объема водяных паров в объеме продуктов сгорания
36 природных газов (учтено совпадение точек) и водорода (при стехиометрическом сжигании)
Таким образом, рис. 1-6 показывают, что температура горения водорода существенно выше, чем природных газов как при теоретических расчетах, так и в реальных условиях. Удельный объем продуктов сгорания водорода ниже, чем у природных газов, а содержание водяного пара в продуктах сгорания значительно выше. Эти особенности оказывают вполне определенное влияние на технические характеристики камер сгорания.
В качестве исходных расчетных данных могут быть приняты следующие обобщенные характеристики для водорода: отношение удельной низшей теплоты сгорания ко всему объему продуктов полного сгорания при а = 1 составляет 894 кДж/нм3 газа; отношение той же теплоты сгорания к объему сухих продуктов полного сгорания при а =1 составляет 1 370 кДж/нм3, отношение объема сухих продуктов полного сгорания к общему объему продуктов полного сгорания - 0,653; отношение объема водяного пара в продуктах сгорания к общему объему продуктов полного сгорания - 0,347.
Приведенные выше характеристики природных газов и водорода как энергетических топлив в основном показывают предельные возможности использования топлив в теплоэнергетических установках. Наиболее важна в этом случае характеристика «жаропроизводительность», которая непосредственно используется при оценке термодинамической эффективности установок различных видов.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Аминов Р. З. Современные аспекты совершенствования топливно-энергетического комплекса // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. Вып. 1. Общенаучные вопросы. - Саратов: СГУ, 2001. - С. 3-7.
2. Ильин А. К. К расчету процесса горения топлива по обобщенным характеристикам // Энергетика России в 21 веке: развитие, функционирование, управление: Материалы Всерос. конф. - Иркутск: Ин-т систем энергетики, 2005. - С. D. 1.4.1 - D. 1.4.4.
3. Иссерлин А. С. Основы сжигания газового топлива: Справ. пособие. Изд-е 2-е. -Л.: Недра, 1987. - 336 с.
4. Пеккер Я. Л. Теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам топлива. - М.: Энергия, 1977. - 256 с.
5. РавичМ. Б. Топливо и эффективность его использования. - М.: Наука, 1971. - 358 с.
6. Тарараева Е. М. Состояние работ по водородной энергетике в России // Альтернативная энергетика и экология. - 2005. - № 1 (21). - С. 66-68.
7. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод. - СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.
Статья поступила в редакцию 24.03.06
THE GENERALIZED CHARACTERISTICS OF NATURAL GASES AND HYDROGEN AS FUEL
A. K. Ilyin, E. A. Kurganova, R. A. Ilyin
The basic generalized and dimensionless characteristics of a great quantity of natural burning gases are given. The comparison with hydrogen is executed.
