- •Российский химико-технологический университет
- •I. Введение.
- •II. Схема эхтс.
- •III.3. Баланс энергии. Исследование политропного процесса.
- •III.4. Эксергетический анализ.
- •IV. Горение топлива.
- •IV.1. Материальный баланс.
- •IV.2. Энергетический (энтальпийный) баланс.
- •IV.3. Эксергетический анализ.
- •V. Расчет химического реактора.
- •V.1. Энергетический баланс. Определение расхода топлива.
- •V.2. Эксергетический анализ.
- •VI. Процесс теплообмена
- •VI. 1. Эксергетический анализ.
- •VII. Расчет турбокомпрессора.
- •VII.1. Определение механической мощности турбокомпрессора.
- •VII.2. Определение расхода воды.
- •VII.3. Графическое представление процесса сжатия в турбокомпрессоре.
- •VIII. Паросиловой цикл Ренкина.
- •VIII.1. Аналитический расчет цикла.
- •VIII.2. Определение механической мощности цикла.
- •XI. Список литературы.
III.4. Эксергетический анализ.
(см. V.2)
(см. VI.1)
(см. IV.3)
IV. Горение топлива.
Исходные данные и допущения:
Процесс горения – адиабатный.
Процесс протекает изобарно при давлении 1атм (или близком к нему).
Исходные компоненты и продукты сгорания рассматриваются как идеальные газы.
Состав топлива (по объему): 0,5CH4 : 0,5C3H8.
Воздух, подаваемый в камеру сгорания, рассматривается как двухкомпонентная система с объемным соотношением компонентов
O2 : N2 = 21% : 79% = 1 : 3,76
Параметры топлива и воздуха на входе в камеру сгорания:
T1=Toc=T0=298,15K
P1=Poc=Pº=1 атм
Воздух, подаваемый в камеру сгорания, подается с избытком. Коэффициент избытка воздуха αизб=1,04.
Энтальпия топочных газов в интервале температур 2000 ÷ 2400 К принимается за линейную функцию температуры.
IV.1. Материальный баланс.
Уравнение реакции горения 1 моля топлива при полном сгорании топлива
0,5CH4 + 0,5C3H8 + 3,5αизбO2 + 13,16 αизбN2 → 2CO2 + 3H2O + 3,5(αизб-1)O2 + 13,16αизбN2
При температуре 1500˚С продукты сгорания начинают разлагаться:
1) CO2 CO + ½O2
(1-x) x ½x
2) H2O OH + ½H2
(1-y) y ½y
3) H2OH2 + ½O2
Эта реакция во внимание не берется ввиду низкой степени диссоциации.
Уравнение реакции горения 1 моля топлива с учетом диссоциации продуктов сгорания:
0,5CH4 + 0,5C3H8 + 3,5αизбO2 + 13,16 αизбN2 →
→ 2(1-x)CO2 + 2xCO + 3(1-y)H2O + 3yOH + 1,5yH2 + [x+3,5(αизб-1)]O2 + 13,16αизбN2
C учетом того, что αизб=1,04, уравнение реакции запишется в виде:
0,5CH4 + 0,5C3H8 + 3,64O2 + 13,69N2 →
→ 2(1-x)CO2 + 2xCO + 3(1-y)H2O + 3yOH + 1,5yH2 + (x+0,14)O2 + 13,69N2
Выражения для констант равновесия реакций через долю продиссоциировавших продуктов сгорания:
Экспериментальные значения констант равновесия реакций диссоциации:
T,K |
KP,1 |
KP,2 |
2000 |
2430 |
3240 |
2400 |
152 |
202 |
Для нахождения x и y необходимо определить теоретическую температуру адиабатного горения, составив энергетический баланс (в данном случае – энтальпийный)
IV.2. Энергетический (энтальпийный) баланс.
(Определение температуры адиабатного горения.)
Рассматриваемый процесс является стационарным процессом, совершающимся в открытой термодинамической системе. В этом случае энергетический баланс записывается в виде:
Полученное балансовое выражение является энтальпийным балансом:
Энтальпия компонента на входе в камеру сгорания равна стандартной энтальпии образования ; на выходе – определяется из соотношения:
Энтальпии компонентов на входе в камеру сгорания.
Компонент | ||
CH4 |
-74,8 |
0,5 |
С3H8 |
-103,3 |
0,5 |
O2 |
0 |
|
N2 |
0 |
|
Энтальпии компонентов на выходе из камеры сгорания.
Компонент | |||||
CO2 |
-393,5 |
32,20 |
0,022 |
-404,1 + 32,20·10-3T + 11·10-6T2 |
2(1-x) |
CO |
-110,5 |
28,40 |
0,004 |
-119,1 + 28,40·10-3T + 2·10-6T2 |
2x |
O2 |
0 |
31,50 |
0,003 |
-9,52 + 31,50·10-3T + 1,5·10-6T2 |
(x+0,14) |
H2O |
-241,8 |
32,30 |
0,002 |
-251,3 + 32,30·10-3T + 1·10-6T2 |
3(1-y) |
OH |
42,1 |
29,0 |
0,06 |
30,8 + 29,0·10-3T + 30·10-6T2 |
3y |
H2 |
0 |
27,3 |
0,00335 |
-8,28 + 27,3·10-3T + 1,675·10-6T2 |
1,5y |
N2 |
0 |
27,90 |
0,004 |
-8,49 + 27,90·10-3T + 2·10-6T2 |
13,69 |
Общее количество вещества компонентов на выходе из системы:
∑n=x+1,5y+18,83≈18,83 (т.к. x, y ~ 0,01 ÷ 0,1 << 18,83)
Подставив эту величину в выражения для констант равновесия (см. IV.1), находим x и y:
T,K |
x |
y | |
2000 |
0,0183 |
0,0152 |
-345,0 |
2400 |
0,1090 |
0,0913 |
124,7 |
Согласно сделанному допущению энтальпия топочных газов линейно зависит от температуры, т.е.
Из системы уравнений находимA=1,174 ; B=-2693,
Согласно энтальпийному балансу, ; , откуда
Для нахождения x и y при температуре адиабатного горения определим константы равновесия реакций диссоциации методом линейной интерполяции:
KP,1=1188 ; KP,2=1584 , откуда x=0,0293 ; y=0,0243.