5.1.3. Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

Количество теплоты, содержащееся в воздухе или продуктах сгорания, называют теплосодержанием (энтальпией) воздуха или продуктов сгорания. При выполнении расчетов принято энтальпию воздуха и продуктов сгорания относить к 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива и к 1 м³ (при нормальных условиях) газообразного топлива.

Расчет энтальпий продуктов сгорания производится при действительных коэффициентах избытка воздуха после каждой по­верхности нагрева (значения коэффициента избытка воздуха после поверхности нагрева берутся из таблицы 5.3). Расчет следует производить для всего возможного диапазона температур после поверхностей нагрева, так как температуры эти неизвестны. В дальнейших расчетах при пользовании значениями энтальпии допускается линейная интерполяция в интервале температур 100 К. Поэтому при расчетах энтальпии интервал температур не должен быть более 100 К.

Определение энтальпий воздуха и продуктов сгорания производится в следующей последовательности:

1. Вычислить энтальпию теоретического объема воздуха для всего выбранного диапазона температур для твердого и жидкого топлива (кДж/кг) и газа (кДж/м³)

, (5.19)

где (с_в  энтальпия 1 м³ воздуха, кДж/м³, принимается для каждой выбранной температуры по табл. 4.4; V⁰  теоретический объем воздуха, необходимого для горения, принимается по таблице 5.3.

2. Определить энтальпию теоретического объема продуктов сгорания для всего выбранного диапазона температур (кДж/кг или кДж/м³)

, (5.20)

где (с_RO2, (с_N2, (с_H2O  энтальпии 1 м³ трехатомных газов, теоретического объема азота, теоретического объема водяных паров, принимаются для каждой выбранной температуры по таблице 5.4, кДж/м³; – объемы трехатомных газов, теоретический объем азота и водяного пара, берутся из таблицы 4.3, м³/кг или м³/м³.

3. Определить энтальпию избыточного количества воздуха для всего выбранного диапазона температур (кДж/кг или кДж/м³)

. (5.21)

4. Определить энтальпию продуктов сгорания при коэффи­циенте избытка воздуха (кДж/кг или кДж/м³)

, (5.22)

где I_зл  энтальпия золы, учитывается только при а_ун А^п >1,4∙10² кг/МДж;

, (5.23)

здесь (с_зл  энтальпия 1 кг золы, кДж/кг.

Таблица 5.4.

Энтальпия 1 м³ воздуха, газообразных продуктов сгорания (кДж/м³)

и 1 кг золы (кДж/кг)

, °С	(сRO2	(сN2	(сО2	(сH2O	(св	(сзл
100	170	130	132	151	133	81
200	359	261	268	305	267	170
300	561	393	408	464	404	264
400	774	528	553	628	543	361
500	999	666	701	797	686	460
600	1226	806	852	970	832	562
700	1466	949	1008	1151	982	664
800	1709	1096	1163	1340	1134	769
900	1957	1247	1323	1529	1285	878
1000	2209	1398	1482	1730	14'40	987
1100	2465	1550	1642	1932	1600	1100
1200	2726	1701	1806	21S8	1760	1209
1300	2986	1856	1970	2352	1919	1365
1400	3251	2016	2133	2566	2083	1587
1500	3515	2171	2301	2789	2247	1764
1600	3780	2331	2469	З011	2411	1881
1700	4049	2490	2637	3238	2574	2070
1800	4317	2650	2805	3469	2738	2192
1900	4586	2814	2978	3700	2906	2934
2000	4859	2973	3150	3939	3074	2520
2100	5132	3137	3318	4175	3242	–
2200	5405	3301	3494	4414	3410	–

Результаты расчета энтальпии продуктов сгорания по газоходам котлоагрегата сводят в таблицу. Форма расчетной таблицы применительно к промышленному котлоагрегату приведена в таблице 5.5.

Данные таблицы 5.5 позволяют в последующих расчетах по температуре продуктов сгорания определять их энтальпию:

(5.24)

или, наоборот, по энтальпии продуктов сгорания  их температуру

. (5.25)

При этом производится линейная интерполяция в интервале температуры 100К. В формулах (5.24) и (5.25) I_б, I_м  энтальпии, соответствующие большей и меньшей температурам иско­мого интервала температур, приведенным в таблице 5.5; t_изв  температура, для которой вычисляется энтальпия, °С; t_м  температура, соответствующая меньшей энтальпии искомого интервала, °С; I_изв ‑ энтальпия, по значению которой определяется температура.

Таблица 5.5.

^{Энтальпия продуктов сгорания I=f(), кДж/кг или кДж/м}3

Поверхность нагрева	Температура после поверхности нагрева, °С	ф-ла (5.19)	ф-ла (5.20)	ф-ла (5.21)	I, ф-ла (5.22)
Верх топочной камеры, фестон, т=	2000
	1900
	1800
	1700
	1600
	1500
	1400
	1300
	1200
	1100
	1000
	900
	800
Пароперегреватель, пе=	1000
	900
	800
	700
	600
	500
Конвективные пучки, к=	700
	600
	500
	400
	300
	200
Водяной экономайзер, эк=	400
	300
	200
Воздухоподогреватель ВП=	200
	100

Пример. Расчет топлива и продуктов сгорания за котлом ТВГ-8М

Элементарный состав рабочей массы топлива, %

СН₄=92,8; СО₂=0,1; С₂Н₆=3,9; Н₂S=0; С₃Н₈=1,0; О₂=0; С₄Н₁₀=0,4; СО=0; С₅Н₁₂=0,3; Н₂=0; N₂=1,5

Теплота сгорания нижняя сухого газа Q^c_н=37300 МДж/м³

Объем воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива:

V^o_в=0,0476 [0,5CO+0,5 Н₂+1,5 Н₂S+Σ (m+n/4)·C_mn – О₂] = 0,0476 [0,5·0+0,5·0+1,5·0+(1+4/4)·92,8+(2+6/4)·3,9+(3+8/4)·1+(4+10/4)·0,4+(5+12/4)·0,3 – 0]=9,5724 м³/ м³

Объем продуктов сгорания, которые образовались вовремя сгорания топлива с теоретическим объемом воздуха

– теоретический объем азота

V^o_N2=0,79 V^o_в+0,01N₂=0,79·9,5724+0,01·1,5=7,5772 м³/ м³

– теоретический объем трехатомных газов

V^o_RО2=0,01(СО₂+СО+Н₂S+ΣmC_mH_n)=0,01(0,1+0+0+92,8+2·3,9+3·1+4·0,4+5·0,3)=1,068 м³/ м³

– теоретический объем водяных паров

V^o_Н2О=0,01(Н₂+Н₂S+Σn/2C_mH_n+0,124d_г*0,124d_вV^o_в)=

0,01 (0+0+2*92,8+3*3,9+4*1+5*0,4+6*0,3+0,124*10+0,124*13*9,5724)=2,2177 м³/ м³

Избыток воздуха в конце топки ά _m=1,10.

Для принятой конструкции и компоновки поверхностей нагрева используется присосы воздуха в газоходах:

– котельный пучок Δ ά _к.п.=0,1

– водяной экономайзер Δ ά _в.э.=0,08

Избытки воздуха в газоходах:

В конце топки α_т=1,1

Полный объем продуктов сгорания при горении топлива с избытком воздуха, с учетом присосов:

V^o_г= V^o_RО2+ V^o_N2+ V^o_Н2О+(ά _ср-1) V^o_в м³/ м³

Объем водяных паров при горении топлива с избытком воздуха, с учетом присосов

V_Н2О= V^o_Н2О+0,0161 (ά _ср-1) V^o_в м³/ м³

Объемная доля водяных паров

r_H2O = V_Н2О/ V^o_г

Объемная доля трехатомных газов

r_RO2 = V^o_RО2/ V^o_г

Численные значения величин, подсчитанных по приведенным выше формулам, указаны в таблице 2.1

Объемные характеристики продуктов сгорания

Таблица 2.1

Наименование величина и ее обозначение	Газоходы котла
	топка	котельный пучок	водяной экономайзер
Коэффициент избытка воздуха, ά»	1,1	1,2	1,28
Средний коэф-нт избытка воздуха в газоходе, άср	1,1	1,15	1,24
Объем водяных паров в продуктах сгорания, VH2O,м3/м3	2,2331	2,2408	2,7547
Полный объем продуктов сгорания, Vг,м3/м3	11,8355	12,321	13,1973
Объемная доля водяных паров, rH2O	0,1887	0,1818	0,1708
Объемная доля трехатомных газов, rRO2	0,0902	0,0866	0,0809

Энтальпия воздуха (МДж/м³) теоретически необходимого для горения топлива, в приделах возможных температур продуктов сгорания, МДж/м³

I^o_в= V^o_в(cν)_в*10^-3

где (cν)_в- удельная энтальпия воздуха при соответствующей температуре, кДж/ м³

Энтальпия газообразных продуктов сгорания при горении с теоретическим объемом воздуха в интервале тех же температур

I^o_г= [(cν)_RO2*V_RО2+(cν)_N2* V^o_N2+(cν)_H2O* V^o_Н2О]* 10^-3 МДж/м³

Численные значения энтальпий, подсчитанных по приведенным выше формулам, указаны в таблице 2.2

Энтальпии воздуха и продуктов сгорания в газоходах котла

Таблица 2.2

ν,°C	Iво, кДж/кг	Iго, кДж/кг	α «т=1,1	α «к.п.=1,2	α «эк=1,28
			топка	котельный пучок	водяной экономайзер
100	1267,424	966,5408
200	2550,1891	1958,54
300	3858,424	2978,809			3904,831
400	5190,021	4031,752			5277,357
500	6553,705	5114,213			6687,103
600	7949,476	6214,105		7406,527	8121,979
700	9385,355	7346,704		8754,507
800	10829,26	8510,854		10135,24
900	12273,16	9701,861	10929,18	11542,83
1000	13757,17	10905,06	12280,78
1100	15281,28	1213,42	13641,54
1200	16805,4	13329,27	15009,81
1300	18329,52	15840,63	17673,58
1400	19893,74	16468,8	18458,17
1500	21457,97	19379,5	21525,3
1600	23022,2	20836,03	23138,25
1700	24586,42	22314,26	24772,91
1800	26150,65	23792,5	26407,56
1900	27754,98	25273,07	28048,57
2000	29359,32	26773,01	29708,96
2100	30963,65	28275,29	31371,66
2200	32567,99	29777,58	33034,37