III.4. Эксергетический анализ.

(см. V.2)

(см. VI.1)

(см. IV.3)

IV. Горение топлива.

Исходные данные и допущения:

1. Процесс горения – адиабатный.

2. Процесс протекает изобарно при давлении 1атм (или близком к нему).

3. Исходные компоненты и продукты сгорания рассматриваются как идеальные газы.

4. Состав топлива (по объему): 0,5CH₄ : 0,5C₃H₈.

5. Воздух, подаваемый в камеру сгорания, рассматривается как двухкомпонентная система с объемным соотношением компонентов

O₂ : N₂ = 21% : 79% = 1 : 3,76

6. Параметры топлива и воздуха на входе в камеру сгорания:

T₁=T_oc=T₀=298,15K

P₁=P_oc=Pº=1 атм

7. Воздух, подаваемый в камеру сгорания, подается с избытком. Коэффициент избытка воздуха α_изб=1,04.

8. 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 + 3,5α_избO₂ + 13,16 α_избN₂ → 2CO₂ + 3H₂O + 3,5(α_изб-1)O₂ + 13,16α_избN₂

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 + 3,5α_избO₂ + 13,16 α_избN₂ →

→ 2(1-x)CO₂ + 2xCO + 3(1-y)H₂O + 3yOH + 1,5yH₂ + [x+3,5(α_изб-1)]O₂ + 13,16α_избN₂

C учетом того, что α_изб=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^-6T^2	2(1-x)
CO	-110,5	28,40	0,004	-119,1 + 28,40·10^-3T + 2·10^-6T^2	2x
O2	0	31,50	0,003	-9,52 + 31,50·10^-3T + 1,5·10^-6T^2	(x+0,14)
H2O	-241,8	32,30	0,002	-251,3 + 32,30·10^-3T + 1·10^-6T^2	3(1-y)
OH	42,1	29,0	0,06	30,8 + 29,0·10^-3T + 30·10^-6T^2	3y
H2	0	27,3	0,00335	-8,28 + 27,3·10^-3T + 1,675·10^-6T^2	1,5y
N2	0	27,90	0,004	-8,49 + 27,90·10^-3T + 2·10^-6T^2	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:

K_P,1=1188 ; K_P,2=1584 , откуда x=0,0293 ; y=0,0243.