Теоретические основы теплотехники - РУС

Изменение температуры одной жидкости незначительно по сравнению с изменением температуры другой жидкости.

2. Если kF/W2 или kF/W1 малая величина.

Тогда средний температурный напор значительно превышает изменение температуры жидкости.

16.5. Гидравлический расчет теплообменных аппаратов.

Целью гидравлического (гидромеханического) расчета является определение величины потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат.

При движении жидкости всегда имеют место сопротивления, препятствующие движению. На преодоление этих сопротивлений необходимо затрачивать механическую энергию. Энергия эта пропорциональна перепаду давления p.

Гидравлические сопротивления разделяют на сопротивление трения (сопротивление по длине) и местные сопротивления.

1. Сопротивление трения обусловлено вязкостью жидкости и проявляется при безотрывном движении жидкости вдоль твердой стенки. При равномерном движении сила трения равна силе давления.

В общем случае потери на трение определяются по формуле

pтр = ( l/d + 0) w2/2

где l - длина,

d - гидравлический диаметр канала.0 - поправка на начальный участок.

Практически применяется формула Дарси

pтр = l/d w2/2 , где

- коэффициент сопротивления трения.

2.Местные сопротивления обусловлены вихреобразованием в местных сопротивлениях (выход, вход, сужение, расширение, поворот и т.п.). Их величина

определяется по формуле Вейсбаха.

pм = ( w2/2), где

- коэффициент местного сопротивления.

- его значения определяются по справочной литературе.

3.Дополнительные сопротивления возникают вследствии применения

плотности газа при изменении его температуры.

py = 2( 2 w22/2 - 2 w22/2) = 2w22 - 1w21

Если w2 > w1 , то газ ускоряется и py - положительная величина.

4. Сопротивление “самотяги” возникает вследствии изменения плотности жидкости с температурой.

pc = g( - ) h

где h - высота вертикального канала (газохода),- плотность холодной жидкости.

Если газы движутся вниз, то сопротивление самотяги увеличивает общее сопротивление канала, если вверх - то уменьшает.

101

Полное сопротивление определяется по формуле

р = ртр + рм + рy + рс

	Расчетные формулы для .
= 64/Re - формула Пуазейля		Re < 2300
= 0,3164	Re-0,25 - формула Блазиуса	3 103 < Re < 105
= 0,0032	+ 0,221/Re0,237 - формула Никурадзе	105 < Re < 108
= 1/(1,82 LgRe - 1,64)2 - единая формула.

16.6. Расчет мощности на перемещение теплоносителей.

Nгидр. = р F W = p (G/ ) - мощность на перемещение теплоносителя. Nнас. = Nгидр./ = pG/ - мощность насоса для перемещения теплоносителя.

Для реализации регенеративных циклов необходимо теплообменные аппараты. Если мощность, потребная на перемещение теплоносителей превышает сэкономленную мощность (благодаря применению регенерации тепла), то теплообменный аппарат устанавливать нецелесообразно.

102

17.ТОПЛИВО И ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ

Вданной лекции рассматриваются следующие вопросы:

1.Химический состав и теплота сгорания топлива. Понятие об условном топливе.

2.Краткая характеристика естественных и искусственных топлив.

3.Расчеты процессов горения топлива.

4.Кинетика гомогенных реакций горения.

5.Самовоспламенение и зажигание горючей смеси.

6.Массо- и теплообмен в пламени. Горение газообразных топлив. Детонация.

Топливо – горючее вещество, сжигаемое для получения тепла.

По своему агрегатному состоянию топлива делятся на твердые, жидкие и газообразные. По происхождению топлива делятся на естественные и искусственные. И те, и другие могут быть в любом агрегатном состоянии.

17.1. Химический состав и теплота сгорания топлива. Понятия об условном топливе.

Свойства топлива как горючего материала определяются его горючей массой, которую характеризуют массовым содержанием следующих элементов. Она приводится в таблицах

CГ НГ ОГ NГ SГ 100%

S летучая сера, входящая в состав органических и колчеданных соединений. Сухая масса топлива включает в себя также золу.

Cc Hc Oc Nc Sc Ac 100%,

где Ас – зола.

Рабочая масса топлива содержит также влагу

Cp Hp Op Np Sp Ap Wp		100%	,

Б баласт

где Wp – влага.

Состав рабочей массы можно получить по формуле:

C

p

C

100 Б

100

100 А

р

W

p

H

p

H

100 Б

р

г

100

100

Э = Э

..............

Состав газообразных топлив обычно задается в объемных долях.

Важнейшей энергетической характеристикой топлива является теплота сгорания. Другими характеристиками являются: содержание золы и влаги выход летучих веществ, свойства нелетучего остатка (кокса).

Теплота сгорания топлива – количество теплоты, выделяющееся при полном сгорания единицы массы топлива.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива.

103

Высшая теплота сгорания учитывает теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания до начальной температуры топлива. Низшая теплота сгорания меньше высшей на величину теплоты парообразования влаги топлива (WP) или образующейся при сгорании водорода, входящего в состав топлива.

Низшая теплота сгорания определяется по формуле Д. И. Менделеева.

QHP 338CP 1025HP 108(OP SP ) 25WP ,кДж/кг.

Высшая теплота сгорания топлива определяется из выражения:

QBP QHP 226H P 25W p QHP r(9H P W P ) ,

	где	r 25.11	кДж	- скрытая теплота парообразования при давлении паров 10
			кг

кПа, характерном для большинства энергетических установок.

Условное топливо – топливо, имеющее принятую теплоту сгорания 29350 кДж/кг. Понятие условного топлива используется для сравнительных и экономических расчетов. Для пересчета действительного количества топлива в условное используют коэффициент эквивалентности.

Э

QHP

29350

Пример: Для дров

QHP

10000

кДж

тогда эквивалент 1 кг дров составит (по

10000

кг

условному топливу Э

0.34кг ).

29350

17.2. Краткая характеристика естественных и искусственных топлив

Твердое топливо

Древесина, торф.

QHP

10...15

МДж

кг

Используется как местное топливо. Влажность торфа до 50%.

Бурые угли.

QHP

10...17

МДж

кг

Имеют высокую зольность, относятся к низкосортным углям.

Каменные угли.

QHP

23...27

МДж

кг

Их классифицируют по выходу летучих и характеру коксового остатка.

Антрацит – уголь с высоким содержанием углерода

QP 30...35

МДж

H

кг

Жидкое топливо.

Нефть. В качестве топлива обычно не применяют.

Бензин, керосин, соляровое масло получают перегонкой нефти. Используются как топлива для ДВС, ГТУ

QP 38...43МДж
H	кг

104

Мазут. Широко используется в теплоэнергетике.

QP 40...42МДж
H	кг

Газообразное топливо.

Природный газ. Содержит 90 – 98 % метана. Используется как топливо для ГТУ на газоперекачивающих станциях.

QP 35...37МДж
H	м3

Генераторный газ. Получают газификацией твердых топлив.

P МДж

QH 5...7 м3

	Доменный газ.	QHP 3...4	МДж
			м3

Жидкие газы (этан, пропан, бутан)

топлива для ДВС, ГТУ.

P		МДж
QH	95		. Применяются в качестве
		м3

17.3. Расчет процессов горения топлива.

Горение – химический процесс соединения топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным выделением тепла и повышением температуры продуктов сгорания.

В расчетах процессов горения важным является определение количества окислителя, необходимого для сжигания топлива. Оно определяется на основе стехиометрических уравнений

Н2 + ½О2 = Н2О	1кг Н2 + 8кг О2 9кг Н2О 1:8
С + О2 = СО2	12кг С + 32кг О2 44кг СО2 1:2,67
S + O2 =SO2	32кг S + 32кг О2 64кг SO2 1:1

Количество воздуха, необходимое для сжигания 1кг топлива определяется из соотношения

L0 (	8	CP 8HP SP OP )	1	,	кг
3			100 0.232 кг

где 0.232 – весовая доля кислорода в воздухе.

Объемный расход воздуха при нормальных условиях составит (при p = 1.293 кг/м3)

V0 0.033(2.67Cp 8HP SP OP ), м3

кг

В реальных процессах горения воздух подают в несколько больших количествах. Vg > V0 – обычно имеет место такое неравенство.

Отношение	V		называют коэффициентом избытка воздуха.
	V	0

Коэффициент избытка воздуха – отношение действительного количества воздуха, подаваемого камеру сгорания, к теоретически необходимому количеству

105

воздуха. Обычно в хороших топочных устройствах = 1.05 – 1.2, в ДВС – до 1.8, в

ГТУ – 3 - 5.

Состав и объем продуктов сгорания

При организации процессов горения стремятся обеспечить по возможности полное сгорание топлива.

Основные компоненты продуктов сгорания:

СО2, SO2 – RO2 H2O

N2

O2 – “избыточный” кислород воздуха

CO
H 2
NO	их доля обычно невелика

прочие

VCO2 VSO2 0.0168(CP 0.375SopP k ) VH2O 0.111HP 0.0124WP

VГ VCO2 VSO2 0.79 BV0 0.21( B 1)V0

Для топлив в справочной и нормативной литературе приводят значение

V 0,VRO2иVH2O .

Эти формулы позволяют рассчитать, теплоемкость, энтальпию продуктов сгорания.

Энтальпия продуктов сгорания

Энтальпию принято относить к 1кг топлива, из которого получились продукты сгорания.

	I V	C t .	[J ]	Дж
				кг
	Объем продуктов сгорания на единицу количества топлива увеличивается с
	увеличением коэффициента избытка воздуха.
	I	IO ( B 1)IBO
	Для всех топлив величины	IO (иIBO )	даются в справочниках. Для расчетов

используются I – t диаграммы.

Адибатная температура – температура, которую имели бы продукты сгорания при отсутствии теплопотерь в окружающую среду в процессе сгорания.

Адиабатная температура максимальна для стехиометрической смеси ( В=1). С увеличением коэффициента избытка воздуха на нагрев “избыточного” воздуха затрачивается лишняя теплота, поэтому температура продуктов сгорания уменьшается.

Теоретические температуры горения.

Н2 – 2370 0С СО – 2230 0С

106

СН4 – 2030 0С

Доменный – 1410 0С

При нагреве воздуха, подаваемого в топку, или обогащении его кислородом температура горения увеличивается.

Кинетика гомогенных реакций горения газа.

Гомогенной называется реакция, протекающая между компонентами, находящимися в одной фазе.

W1 K1 CAa CBb CNn - скорость прямой реакции а, b, …, n – стехиометрические коэффициенты; К – константа скорости реакции.

E

k k0е RT - уравнение Аррениуса Е – энергия активации; [E]=Дж/моль

Скорость гомогенной реакции – количество данного компонента, прореагировавшего в единице объема в единицу времени.

Установлено, что вероятность реакции по схеме 2Н2 + О2 = 2Н2О ничтожно мала. Теории цепных реакций (Н. Н. Семенов) допускают существование свободных атомов водорода и кислорода.

НО + Н2 = Н2О + Н

Н + О2 = НО + О

О + Н2 = ОН + Н По мере накопления молекул воды количество свободных радикалов и

атомов уменьшается и реакция замедляется.

В горении СО, по-видимому, большое значение имеет наличие атомов водорода. Сухая СО горит очень медленно.

Самовоспламенение и зажигание горючей смеси.

Самовоспламенение – инициирование горения во всем объеме смеси. Самовоспламенение смеси происходит лишь в том случае, когда тепловыделение в реакции превышает теплопотери. Скорость реакции экспоненциально растет с температурой, теплопотери вследствие теплоотдачи зависят от температуры линейно.

Температуры самовоспламенения в смеси с воздухом

Н2 – 580-590 0С	~585 0С
СО – 644-638 0С	~651 0С
СН4 – 650-750 0С	~700 0С
С2Н2 – 406-440 0С	~423 0С

Обычно горение инициируется с помощью зажигания вспомогательными устройствами (факел, раскаленный предмет, электрическая искра). Возникает фронт пламени, распространяющейся в объеме смеси.

Тв – температура самовоспламенения.

107

17.4. Массо- и теплообмен в пламени. Горение газообразных топлив. Детонация.

Принудительное воспламенение горючей смеси возможно лишь в определенных пределах по концентрации. Горючая смесь может подаваться в зону горения в готовом виде. В этом случае скорость распространения фронта пламени определяется только кинетикой химических реакций. Такое горение называется кинетическим, а пламя – нормальным.

Если топливо и окислитель подаются в зону горения раздельно, то в этом случае имеет место диффузионное горение.

Горение жидких топлив протекает в парогазовой фазе. Интенсивность испарения топлива определяется тонкостью его распыливания. Для повышения тонкости распыливания необходимо снимать вязкость топлива.

Мазут перед подачей в форсунки подогревают до 350 – 400 К.

Твердое топливо подается в зону горения в виде твердых частиц. В процессе прогрева испаряется влага и происходит выделение летучих веществ. Эти летучие вещества воспламеняются первыми. Они прогревают твердый остаток, который сгорает в последнюю очередь. Образующаяся при этом зола препятствует горению. Плавление золы приводит к ошлаковыванию твердых частиц и еще более ухудшает доступ кислорода к топливу.

Нормальное пламя.

Нормальное пламя – пламя, распространяющееся путем передачи тепла теплопроводностью из зоны горения, в свежую смесь.

Тщательно перемешанная смесь горючего и окислителя сгорают обычно в виде пламени определяется только кинетикой реакций (а не скоростью смешения реагентов).

Процесс горения (химического взаимодействия молекул горючего и окислителя) протекает в зоне толщиной порядка 0.01 – 0.1 мм. зона догорания составляет порядка 10 мм.

Чем выше температура в зоне пламени, тем выше скорость химической реакции и, соответственно скорость распространения пламени.

Существуют концентрационные пределы распространения пламени. Водород < 4.1 % и > 75 % в смеси с воздухом невозможно зажечь. Обычно скорости распространения пламени лежат в пределах порядка долей м/с (0.3 – 0.5 м/с). Наибольшие получены для водорода (13 м/с) и ацетилена (15.4 м/с).

В узких щелях толщиной менее ~1 мм пламя распространяться не может вследствие интенсивного охлаждения (Лампа Г. Дэви).

Турбулентное пламя.

При переходе от ламинарного режима движения газа к турбулентному турбулентные пульсации скорости потока искривляют фронт пламени, увеличивают его поверхность. Соответственно увеличивается количество сгорающей смеси без удлинения факела.

Вследствие турбулентного перемешивания происходит смешение свежей смеси с продуктами сгорания в большом объеме. Чем интенсивнее

108

перемешивание, тем интенсивнее сгорание. В результате длина турбулентного факела мало зависит от скорости истечения смеси.

Величина скорости турбулентного сгорания смеси в цилиндрах ДВС составляет порядка 25 – 40 м/с.

Детонация

Детонация – поджигание смеси топлива ударной волной и распространение фронта пламени с ударной волной.

Толщина фронта ударной волны порядка 0.1 мкм. Смесь сгорает значительно быстрее, чем в нормальном пламени. Скорость распространения фронта пламени составляет порядка 2000 м/с. В определенных условиях в детонацию способно переходить и нормальное пламя.

Для предотвращения детонации в карбюраторных ДВС в топливо добавляют антидетонаторы. Тетраэтил свинца Рb(С2Н5)4 – наиболее распространенный антидетонатор. Очень токсичное вещество.

Склонность топлива к детонации оценивается октановым числом.

Гептан	С7 Н16 О
			условные числа
Изооктан	С8 Н18 100

Диффузионное пламя.

Диффузионное пламя образуется при диффузионном горении, которое осуществляется при раздельной подаче горючего и окислителя. Фронт диффузионного пламени разделяет потоки топлива и окислителя. Положение фронта пламени и скорость сгорания в нем (и соответственно длина факела) определяются интенсивностью диффузии горючего и окислителя и продуктов сгорания.

Диффузионный факел длиннее, чем факел подготовленной смеси, но в технике часто применяют сжигание топлива при разделенной подаче его с окислителем причины этого:

1.Безопасность с точки зрения возможности взрыва и пожара.

2.Удлинения зоны нагрева поверхности (в печах, котельных агрегатах и т. п.). Примером диффузионного пламени может служить пламя спички, свечи.

109

Литература и методические указания: Основаная:

1.Теплотехника / А.И.Басков, Б.В.Берг, О.К.Витт и др.; Под ред. А.П.Баскова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. –224 с.

2.Алабовский А.Н., Недужий И.А. Техническая термодинамика и теплопередача.

– Киев: Вища школа, 1990. –255 с.

3.Теплотехника / А.М.Архипов, С.И.Исаев, И.А.Кожинов и др.; Под ред. В.И.Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. –432 с.

4.Теплотехника / Алабовский А.И., Константинов С.М., Недужий И.А.: Под ред. С.М.Константинова. Киев: Вища школа, 1986. –255с.

Вспомогательные:

1.Техническая термодинамика В.И.Крутов, С.И.Исаев, И.А.Кожинов и др.: Под ред. В.И.Крутова. –М.:Высш.шк., 1991. –384 с.

2.Алексеев Г.И. Общая теплотехника. –М.:Высшая школа, 1980. –552с.

3.Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. –М.:Энергия, 1977. –320с.

Методические указания:

Методические указания к использованию ТСО в курсе «Теплотехника» (для студентов специальности ПТСМО) /Сост. С.А.Горожанкин. –Макеевка: МакИСИ, 1988. –43с.

110