9. Состав и количество продуктов сгорания

В топках, камерах сгорания различных устройств практически всегда имеет место неполное сгорание топлива. Причиной этого может быть: недостаток воздуха (1); плохое перемешивание топлива с воздухом, даже когда 1; недостаточный объем топочного устройства; низкий температурный уровень в зоне горения.

При неполном сгорании могут образовываться следующие продукты:

СО, Н₂, H₂S, C_mH_n.

Состав продуктов неполного сгорания:

CO₂ + H₂O + SO₂ + CO + H₂ + H₂S + C_mH_n + O₂ + N₂ = 100%.

Состав продуктов полного сгорания:

CO₂ + H₂O + SO₂ + O₂ + N₂ = 100%.

Массовое количество газообразных продуктов сгорания выражается суммой сжигаемого топлива и количества воздуха, подаваемого на его сжигание.

M _пс = 1 +  l₀ 1 кг продуктов сгорания / 1 кг топлива.

Объемное количество продуктов сгорания принято выражать как сумму сухих газов и водяных паров.

V_пс = V_сг + Vн₂о м³ / м³ продуктов сгорания

V_сг = Vco₂ + Vso₂ + V^o _N2 + Vв

Vco₂ + Vso₂ = V_RO2

V_пс = V_RO2 + V^o _N2 + Vв + Vн₂о

Составляющие этого уравнения определяются по стахеометрическим реакциям горения аналогично определению теоретически необходимого количества воздуха.

Для твердых и жидких топлив

V_RO2 = 0,01866 (C^p + 0,375 S^p_Л) м³ / кг

V^o _N2 = 0,79 V_o + 0,008 N₂^p

Vн₂о = 0,111 H^p + 0,0124 W^p + 0,0161 V_o

Vв = ( - 1) V_o

Для газообразного топлива:

V_RO2 = 0,01 ( СО + + H₂S + CO₂ м³ / м³

V^o _N2 = 0,79 V_o + 0,01 N₂^p

Vн₂о = 0,01 ( H₂ + + H₂S) + 0,0161 V_o

Vв = ( - 1) V_o

10. Определение энтальпии продуктов сгорания

Энтальпию продуктов сгорания определяют всегда на единицу количества топлива и вычисляют по формуле:

h_пс= M_пс  Cp_пс  t^o_пс = V_пс  Cp¹ _пс  t^o_пс

где: M_пс - массовое количество продуктов сгорания [ кг / кг ], [кг / м³],

V_пс - объем продуктов сгорания [ м³ / кг ], [м³ / м³],

Cp_пс - удельная массовая теплоемкость продуктов сгорания [Дж/(кгград)]

t^o_пс - температура продуктов сгорания [ ⁰ C ],

Cp¹ _пс - удельная объемная теплоемкость продуктов сгорания [Дж/(кгград)]

Cp¹ _пс = Cp¹ _СО2  V_RO2/ V_пс + Cp¹ _N2  V^o _N2/ V_пс +

+ Cp¹ _H2O  V _H2O/ V_пс + Cp¹ _в  V_в/ V_пс

h _пс = (Cp¹ _СО2  V_RO2 + Cp¹ _N2  V^o _N2 + Cp¹ _H2O  V _H2O +

+ Cp¹ _в  V_в) t^o _пс

11. Определение температуры сгорания Различают: 1) калориметрическую

2. теоретическую

3. действительную температуру сгорания

Калориметрической называют температуру, до которой нагрелись бы продукты полного сгорания, если бы вся теплота топлива и воздуха пошла на нагревание газов.

Для этого случая тепловой баланс камеры сгорания:

Q^p_H + h_T + h_В = V_пс  Cp¹ _пс  t_k ,

h_T - энтальпия топлива,

h_В - энтальпия воздуха.

t_k = (Q^p_H + h_T + h_В) / (V_пс  Cp¹ _пс) - калориметрическая температура сгорания.

При расчетах калориметрической температуры воздуха ее находят методом последовательного приближения, т.к. входящая в формулу удельная объемная теплоемкость является функцией температуры.

Калориметрическая температура может быть определена с помощью h-t – диаграммы продуктов сгорания.

Теоретической называют температуру, до которой нагрелись бы продукты сгорания, если на их нагрев пошла бы вся теплота за вычетом физической (q_физ) и химической (q_хим) неполноты сгорания топлива и диссоциации продуктов сгорания.

Для этого случая тепловой баланс камеры сгорания:

,

где коэффициент тепловыделения равен

,

- потери теплоты от физической неполноты сгорания, %;

- потери теплоты от химической неполноты сгорания, %.

- теоретическая температура сгорания.

Действительная температура – температура, учитывающая все потери теплоты (на физическую и химическую неполноту и потери в окружающую среду).

Значение действительной температуры может быть определено путем сложных вычислений с учетом теплопередачи.

1.12. h – t - диаграмма продуктов сгорания

При проектировании и эксплуатации теплоиспользующих установок приходится выполнять множество расчетов, связанных с процессом горения топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха, степени подогрева топлива и воздуха, типа форсунки и т.д.

Эти расчеты значительно упрощаются при использовании h – t диаграммы продуктов сгорания типичных топлив.

Пример h – t диаграммы показан на рис.1.1.

По оси координат отложены значения энтальпии продуктов сгорания, отнесенные к единице количества топлива (кДж/м³), а по оси абсцисс - температура газов. На диаграмме нанесены семейства кривых h=f(t_г) для различны значений коэффициента избытка воздуха  при полном сгорании топлива. Кроме того, даны кривые калориметрических температур сгорания при различных коэффициентах избытка воздуха и температурах подогрева воздуха.

Пример 1. Определение калориметрической температуры сгорания

Температура подогрева воздуха и (условно для активной зоны горения в камере сгорания ГТУ). В точке пересечения А калориметрическая температура .

Пример 2. Определение коэффициента общего избытка воздуха, подаваемого в камеру сгорания ГТУ

Для получения температуры газов перед турбиной (точка Д) при температуре воздуха на входе в камеру сгорания (изотерма t_В ), необходимо иметь коэффициент избытка воздуха (точка В).

Рис. 1.1. h-t-Диаграмма для Ставропольского природного газа

Пример 3. Определение теплоперепада в турбине.

Пусть на входе в турбину газы имеют и (точка В), а на выходе . Процесс идет при постоянном значении  (т.В  т.Е). Тогда теплоперепад в турбине будет равен

.

Пример 4. Определение количества теплоты, переданного воздуху в регенераторе.

Продукты сгорания в изобарном процессе при в регенераторе ГТУ от температуры 400⁰С (точка Е) охлаждается до температуры 230⁰С (точка F).

.