Лекція № 15 процеси горіння рідкого і газоподібного палива. Ексергетичний і термічний ккд.

15.1. Загальні зведення про горіння, ексергія палив.

15.2. Продукти згоряння і теплотворна здатність палив.

15.3. Розрахунок кількості повітря для горіння (теоретичний і фактичний).

15.4. Ексергія продуктів горіння. Ексергетичний і термічний ККД.

15.1. У процесі горіння рідких або газоподібних палив у залежності від конструкцій печей (або казанів) ККД коливається в широких межах. Однак максимально можливий ККД залежить від температури і складу продуктів горіння. ККД установки для спалювання палив може дорівнювати одиниці в тому випадку, коли температура продуктів горіння буде дорівнювати температурі навколишнього середовища, що на практиці одержати неможливо. Чим вище температура продуктів горіння, тим легше тяга і вище ефективність процесу горіння, а також поліпшується ступінь його регулювання. Разом з тим, чим вище температура продуктів горіння, тим більше втрати ексергії і тем менше, природно, ККД установки як термічний струм і ексергетичний.

Для наочності розглянемо приклад горіння природного газу і мазуту наступного складу

Природный газ					Мазут
С	H	N	H2S	CO2	C	H	S	O	N
67	20	10	1,0	2	85	11	0,9	1,1	2

Ексергія рідких вуглеводнів наближається до нормативної теплоти згоряння (теплотворна здатність) палива і визначається по формулі /27/.

= 1,0406 + 0,0144

Якщо в рідкому паливі присутній кисень, то

(11.1)

при наявності С, Н, О и S

(11.2)

де: Q_ж - теплотворна здатність палива (кДж/кг);

С, Н, О, S - число атомів водню, вуглецю, кисню, сірки.

Для газоподібних палив ексергія визначається по формулі:

(11.3)

де: Q_г - теплотворна здатність газоподібного палива.

15.2. Теплотворна здатність палив і продукти згоряння.

Витрати повітря на горіння палива, склад і кількість продуктів згоряння визначаються за допомогою рівнянь хімічних реакцій окислювання основних горючих елементів палива з урахуванням змісту цих елементів у паливі. У випадку повного горіння продуктами згоряння вуглеводневого палива є вуглекислий газ СО₂, вода Н₂О и сірчистий газ SO₂. Якщо в складі палива мається азот, він виділяється при горінні у вільному виді (N₂) і додається до азоту, що надходить у продукти згоряння з атмосферним повітрям. Кількість повітря і продуктів згоряння обчислюється звичайно в молях, кг або нормальних кубічних метрах, узятих при температурі 0^оС і абсолютному тиску 760 мм рт. ст. на 1 кг палива. При недоліку кисню для повного окислювання палива або при поганому перемішуванні палива з окислювачем горіння може бути неповним, і тоді в продуктах згоряння з'являються окис вуглецю СО, вільний водень Н₂, метан СН₄ і інші пальні гази. Для спрощення розрахунків часто приймають, що недопал проявляється тільки у виді СО і у виді Н₂.

Кількість повітря (або кисню) для повного згоряння 1 кг палива, розрахована по рівняннях хімічних реакцій, називається теоретично необхідною кількістю повітря. Дійсна кількість повітря, поданого для згоряння палива, звичайно буває більше теоретично необхідної.

Відношення дійсної кількості повітря до теоретично необхідної називається коефіцієнтом надлишку повітря.

(11.4)

Повна кількість продуктів згоряння складається з кількості вуглекислоти, води, невикористаного кисню, азоту, а також сірчистого ангідриду, якщо в паливі мається сірка:

(моль/кг) (11.5)

Кількість тепла, що виділяється при повному згорянні 1 кг палива, називається теплотворною здатністю палива Q (кДж/кг).

Якщо водяні пари, що знаходяться в продуктах згоряння, скондесувати, то може бути використана прихована теплота конденсації; у цьому випадку говорять про вищу теплотворну здатність Q_b . Якщо ж вода залишається в пароподібному стані, то кількість тепла, отримана від згоряння палива, характеризується нижчою теплотворною здатністю Q_H .

Нижча і вища теплотворні здібності зв'язані між собою співвідношенням

Q_H = Q_b - 2512(9H+W) (кДж/кг) (11.6)

де: Н – зміст водню в паливі, кг/кг;

W – зміст вологи в паливі, кг/кг.

Якщо відсутні дані про експериментальне визначення теплотворної здатності для даного палива, її можна з достатньою точністю підрахувати по формулі Менделєєва.

Q_b =33913C+125604H+10885.7S-1088.7O (кДж/кг) (11.7)

де: С, Н, О, S - ваговий зміст вуглецю, водню, сірки і кисню в паливі, кг/кг.

Використовується також рівняння теплотворної здатності робочої суміші палива і повітря.

(кДж/кг) (11.8)

де: - коефіцієнт надлишку повітря;

- теоретично необхідна кількість повітря.

Якщо в паливі мається вода, то теплотворну здатність підраховують по одній з вище зазначених формул (11.7 або 11.6) у залежності від температури продуктів горіння. Якщо температура продуктів горіння t_п.г100, то розраховують по формулі (11.6), якщо t_п.г< 100^оС, то по (11.7).

Для розрахунку термічного ККД використовують формулу теплотворної здатності палива (11.8).

Теоретично необхідна кількість повітря в молях для горіння палива підраховується по формулі:

Якщо в паливі мається сірка, то формула прийме вид:

(моль/кг)

Повна кількість продуктів згоряння природного палива підраховується по формулі:

де: C, H, S, N - вагові змісти елементів у паливі (кг/кг);

 - коефіцієнт надлишку повітря ( );

- теоретично необхідна кількість повітря в молях.

Коефіцієнт надлишку повітря коливається в досить широких межах. У двигунах внутрішнього згоряння він може бути навіть менше 1 і коливається в межах (0,8-1,2). Для газових турбін коефіцієнт надлишку повітря може складати від 5 до 9.

15.4. Після визначення кількісного складу продуктів горіння і їхніх температур (звичайно температура топкових газів дається за умовою), визначають термічну ексергію кожного компонента по формулі:

де: e_T- термічна ексергія компонента продуктів горіння;

e_To- нормальна мольна ексергія компонента продуктів горіння в стандартному стані, що визначається по довідковій літературі, наприклад (27, с.266);

T - абсолютна температура продуктів горіння;

T₀- температура навколишнього середовища в ^оК.

Потім ексергія продуктів горіння підсумовують і визначають загальну ексергію топкових газів (продуктів горіння).

Визначають корисну ексергію, віднімаючи від ексергії горіння палива ексергію продуктів горіння

Е_топл - Е_п.г. = Е_пол.

Визначають ексергетичний ККД по формулі:

Для визначення «термічного» ККД знаходять теплоту згоряння суміші палива з повітрям по формулі:

Потім визначають утрати тепла з продуктами горіння. Теплоємність продуктів горіння приведена в довідковій літературі, наприклад (28, с.528). Сумарні втрати тепла Q_п з продуктами горіння використовують для визначення «термічного» ККД установки для спалювання палива по формулі

Як правило, «термічний» ККД завжди вище ексергетичного.