Термодинамические характеристики процессов горения
Эксергия – максимальное количество полезной работы, которое можно получить от горючей системы при ее обратимом переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Полная эксергия (Ex) определяется в Дж, удельная эксергия (ex) – в кДж/кг или в кДж/м3.
Основные виды эксергии:
Эксергия теплоты тела (системы) с постоянной температурой
,
(29)
где q – удельная теплота; Tо.с – температура окружающей среды, K; ex – эксергетическая «температура».
Эксергия теплоты тела (системы) с переменной температурой (например, теплоты сгорания топлива
)
(30)
где
– среднеинтегральная температура
процесса; Тх
– характерная (максимальная) температура
системы;
– потери эксергии системы, определяемые
по формуле М. Гюи – А. Стодолы
(31)
s, sо.с – удельные энтропии системы в данном состоянии и при параметрах окружающей среды, кДж/(кгK).
Эксергия открытой (поточной) системы (например, вентиляционной системы, заполненной дымовыми газами)
,
(32)
где
– удельные энтальпии системы в данном
состоянии и при параметрах окружающей
среды, кДж/кг.
Эксергия закрытой (квазистатической) системы (например, сжатого горючего газа в баллоне или газгольдере)
,
(33)
где
– удельные внутренние энергии и объёмы
соответственно в данном состоянии и
при параметрах окружающей среды;
(кПа) – давление окружающей среды.
Значения h, u можно найти, используя таблицы термодинамических функций по данным С.Л. Ривкина [16].
Эксергетический КПД процесса горения
.
(34)
Полученное
значение
необходимо сравнить с энергетическим
КПД процесса горения, который фактически
соответствует для огнетехнических
устройств тепловому КПД топок
0,8…0,98
(до 0,985…0,995 для камер сгорания газотурбинных
установок), и сделать вывод об эффективности
процессов сжигания горючих веществ с
термодинамической точки зрения.
Характеристики пожаро-взрывоопасности веществ и материалов
Нижний (НКПВ) и верхний (ВКПВ) концентрационные пределы воспламенения (взрыва), % – минимальное и максимальное содержание горючего вещества в смеси с окислителем, вне пределов которых смеси не воспламеняются (табл. 2). В указанных пределах горючие смеси взрывоопасны.
Табл. 2. Концентрационные пределы воспламенения горючих газов при pо.с=101325 Па
-
Газ
НКПВ, %
ВКПВ, %
H2
4,1
75,0
CO
12,5
75,0
СH4
5,3
15,0
C2H6
3,2
12,5
C3H8
2,4
9,5
C4H10
1,9
8,5
Максимальное давление взрыва Рmax – наибольшее избыточное давление, возникающее при дефлаграционном взрыве газо- паро- или пылевоздушной смеси в закрытой системе при начальном давлении смеси P0 = 101325 Па. По методике [17]
,
(35)
где
-
максимальное давление взрыва, определяемое
по справочным данным [17], при невозможности
найти соответствующие данные принимается
равным 900 кПа;
–
в кПа;
масса
газа, поступившая в систему при α = 1,
кг;
стехиометрическая (при
)
концентрация горючего в системе; z
– коэффициент, характеризующий
равномерность распределения горючего
вещества по объёму системы, для
газовоздушной смеси z
1, для пылевоздушной - z
0,5; Kн
– коэффициент, учитывающий неадиабатичность
взрыва и наличие неплотностей объекта,
Kн
3.
При взрывном горении возможно использование методики, основанной на известном газовом законе Шарля [19]
(36)
где
–
плотности горючего вещества и газовоздушной
смеси в объёме системы, кг/м3;
-
удельная массовая теплоемкость смеси
при постоянном давлении, кДж/(кг
К).
Задание на расчетно-графическую работу. Часть 1
«Определение состава, теплоты сгорания
и характеристик продуктов горения твердых, жидких
и газообразных горючих веществ»
Определить состав рабочей массы горючего вещества, низшую и высшую теплоту сгорания и тепловой эквивалент. Рассчитать теоретически необходимое и действительное количество воздуха для горения в условиях топливосжигающего устройства, состав и общий объёмный расход продуктов горения, энтальпию дымовых газов, калориметрическую и теоретическую температуры горения с построением и использованием J – t диаграммы, эксергию и эксергетический КПД процесса горения.
Табл. 6. Состав твердых и жидких топлив
№№ п/п |
Вид топлива |
Рабочий состав топлива на горючую массу, % |
Сух. масса,% |
Раб. масса,% |
||||
Cг |
Hг |
Sлр |
Oг |
Nг |
Aс |
Wр |
||
1 |
Уголь бурый Б |
66,9 |
4,9 |
6,7 |
20,0 |
1,5 |
35,1 |
33 |
2 |
Уголь каменный Д |
75,1 |
5,5 |
5,9 |
11,9 |
1,6 |
22,5 |
13 |
3 |
Антрацит А |
94,5 |
1,8 |
1,6 |
1,4 |
0,7 |
6,8 |
5,4 |
4 |
Торф кусковой |
57,9 |
6,0 |
0,4 |
33,3 |
2,4 |
11,0 |
40 |
5 |
Торф фрезерный |
57,7 |
6,1 |
0,2 |
33,5 |
2,5 |
11,0 |
50 |
6 |
Мазут малосернистый |
88,2 |
10,6 |
0,5 |
0,4 |
0,3 |
0,31 |
3 |
7 |
Мазут высокосернистый |
86,3 |
10,3 |
3,0 |
0,2 |
0,2 |
0,31 |
3 |
8 |
Древесина смешанная |
50,5 |
6,2 |
0 |
42,7 |
0,6 |
1,0 |
30 |
9 |
Древесные отходы |
51,9 |
6,3 |
0,1 |
40,7 |
1,0 |
0,8 |
50,5 |
10 |
Шлифовальная пыль ДСП |
49,1 |
6,4 |
0 |
43,4 |
1,1 |
1,0 |
7,8 |
11 |
Бензин |
85,5 |
14,5 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
12 |
Керосин авиационный |
86,0 |
14,0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
13 |
Соляровое масло |
86,5 |
12,8 |
0,3 |
0,2 |
0,2 |
0,02 |
0 |
14 |
Уголь каменный Г |
80,5 |
5,4 |
4,3 |
8,3 |
1,5 |
17,1 |
7 |
15 |
Уголь каменный Т |
88,4 |
4,3 |
3,4 |
2,4 |
1,5 |
16 |
5 |
16 |
Антрацит АШ |
92,4 |
1,8 |
2,2 |
2,5 |
1,1 |
18 |
7 |
17 |
Торфобрикеты |
55 |
5,5 |
0,8 |
36,9 |
1,8 |
9 |
45 |
18 |
Дистиллат сернистой нефти |
86,1 |
11,3 |
2,3 |
0,1 |
0,2 |
0,01 |
0 |
19 |
Мазут флотский Ф-12 |
87,8 |
10,5 |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,2 |
1 |
20 |
Мазутное топливо (дистиллат) |
86,4 |
11,1 |
2 |
0,2 |
0,3 |
0,1 |
0 |
21 |
Древесина смешанная |
51,0 |
6,1 |
0 |
42,2 |
0,7 |
1 |
40 |
22 |
Дизельное топливо |
87,0 |
12,6 |
0 |
0,4 |
0 |
0 |
0 |
23 |
Горючие сланцы |
60 |
9 |
5 |
22 |
4 |
67,1 |
18 |
24 |
Уголь каменный СС |
79,0 |
5,3 |
1,5 |
12,7 |
1,5 |
40,9 |
7 |
25 |
Полуантрацит ПА |
89,9 |
3,5 |
3,3 |
1,3 |
2 |
22 |
5 |
26 |
Дистиллат малосернистой нефти |
86,5 |
12,6 |
0,35 |
0,25 |
0,3 |
0,01 |
0 |
27 |
Масло нейтральное |
85,7 |
10,8 |
0,4 |
2,1 |
1 |
0,4 |
0,9 |
28 |
Уголь бурый Б3 |
71,1 |
5,3 |
1,9 |
20 |
1,7 |
36 |
18 |
29 |
Дизельное топливо |
85,6 |
13 |
1,1 |
0,2 |
0,1 |
0,02 |
0 |
30 |
Смола угольная |
91,6 |
4,6 |
1,3 |
1,5 |
1 |
0,5 |
13,9 |