0. 1.3. Отклонение реальных газов от законов для идеального газа

Как уже отмечалось, законы идеальных газов справедливы для реальных газов только при низких давлениях. Но в городских системах газоснабжения, хотя и редко, но приходится иметь дело и с более высокими давлениями, чем 0,5 МПа. Высокие давления, прежде всего, могут быть в транзитных магистральных газопроводах и в газгольдерах. Поэтому необходимо знать, как ведут себя газы при высоких давлениях. Так, водород при увеличении давления сжимается меньше, чем это предусмотрено законом Бойля – Мариотта. В то же время природный газ (табл. 1.1) при давлении до 35 МПа сжимается больше, чем реальный газ. На поведение газов оказывает влияние также и температура.

При расчете для реальных газов в уравнение состояния вводится эмпирический поправочный коэффициент Z (коэффициент сжимаемости), и уравнение имеет следующий вид:

PV= ZRT, (1.9)

где Z – безразмерная величина, выражающая отклонение ре­альных газов от идеального.

Величина Z меньше единицы для давлений примерно до 35 МПа (при обычных температурах). Это значит, что реальные газы сжимаются сильнее, чем полагается по закону для идеального газа. Каждый реальный газ имеет свое значение коэффициента сжимаемости.

Коэффициент сжимаемости реального газа зависит от его температуры, избыточного давления, плотности и объемных долей в газовой смеси СО₂ и N₂ и приведен в прил...

Особенно велико отклонение от законов идеального газа для тяжелых углеводородов (этилен, этан, пропан, бутан, пропилен, бутилен) при низких температурах.

Большинство объектов систем газоснабжения работает под давлением 0,5 МПа и выше со значительным влиянием коэффициента сжимаемости Z на производительность. Поэтому наиболее корректно считать расчеты газопроводов газодинамическими, а не гидравлическими.

Важнейшим отличием реальных газов от идеального является способность переходить в жидкое состояние при определенных, называемых критическими, величинах температуры и давления. Так например, для метана СН₄ критические параметры следующие: t_кр= -83,5ºС, Р_кр=4,48 МПа.

1.4. Теплофизические свойства горючих газов

Компонентный состав газообразного топлива. Газовое топливо представляет собой смесь отдельных однородных газов, называемых компонентами газовой смеси. Химический состав горючего газа зависит от вида месторождения и способа получения газа и характеризуется выражением:

, (1.10)

где r_i – объемная доля i-го компонента в смеси, %.

Плотность газовой смеси – это масса газа, приходящаяся на 1м³ занимаемого им объема. E_e определяют по уравнению:

, (1.11)

где r_i – объемные доли; ρ_0i , кг/м³ – плотность компонентов газовой смеси при нормальных условиях ( см. прил…..)

На практике часто пользуются понятием относительная плотность d, которая представляет собой отношение плотности газа ρ₀ к плотности воздуха ρ_в=1,293 кг/м³ при нормальных физических условиях:

. (1.12)

Для пересчета плотности горючего газа при нормальных физических условиях ρ₀ на рабочие параметры применяют уравнение:

, (1.13)

где ρ , кг/м³ – плотность газа при рабочих физических условиях; Т₀=273К, Р₀=101,3 кПа, Р – давление газа, Т – температура газа.

Теплота сгорания (теплотворная способность) – важнейшая теплофизическая характеристика газообразного топлива.

Теплота сгорания – это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 м³ газа при нормальных условиях.

В технических расчетах определяют низшую теплоту сгорания сухих горючих газов , МДж/м³, по формуле:

, (1.14)

где - теплота сгорания компонента газовой смеси; r_i – объемная доля компонента.

Концентрационные пределы воспламеняемости (взрываемости) газовоздушных смесей. Газовоздушные смеси способны воспламеняться (взрываться) при определенных концентрациях горючих компонентов во взрывчатой газовоздушной смеси.

Низшая (или высшая) концентрация горючих компонентов в газовоздушной смеси, при которой еще не распространяется пламя и не может происходить реакция горения, называется низшим (или высшим) пределом воспламеняемости (взрываемости) горючего газа.

Пределы воспламеняемости определяют по формуле:

, (1.15)

где L – низший L_н или высший L_в пределы воспламеняемости смеси, %; L_i – пределы воспламеняемости компонентов,%; приведены в прил….;

r_i – объемные доли горючих компонентов, %.

Пример 1. Определение теплофизических свойств природного газа.

Определить плотность, теплоту сгорания и концентрационные пределы взрываемости природного газа следующего состава: СН₄=93,0%; С₂Н₆=4,0%; С₃Н₈=0,5%; С₄Н₁₀=0,5%; С₅Н₁₂=0,3%; СО₂=0,2%; N₂=1,5%.

Измеренное манометрическое (избыточное) давление газа Р_и=12 кг/см²; температура природного газа t_г=30°С.

Решение.

1. Плотность сухого газа при нормальных условиях определяем по формуле (1.11):

Плотность всех компонентов смеси при нормальных условиях принимаем по прил….

ρ₀= 0,01(0,7168·93 + 1,356·4 + 2,01·0,5 + 2,703·0,5 + 3,457·3 + +1,997·2 + 1,2503·1,5) = 0,78 кг/м³.

2. Относительная плотность газа равна (формула (1.12)):

.

3. Коэффициент сжимаемости газа z находим по прил…. в зависимости от избыточного расчетного давления и расчетной температуры газовой смеси.

Для этого предварительно определим коэффициенты К_Р и К_Т:

Находим избыточное расчетное давление

Р_ир=Р_и·к_р=12·1,005=12,06 кг/см²

и расчетную температуру газовой смеси

t_р=к_Т(t+273,15)-273,15=0,9685(30+273,15)-273,15=20,45°С.

При Р_ир=12,06 кг/см² и t_р=20,45°С находим по прил…величину коэффициента сжимаемости газа z=0,9743.

4. Определим плотность сухого газа при рабочих параметрах в газопроводе по формуле (1.13) с учетом расчетного коэффициента сжимаемости реального газа:

5. Находим низшую теплоту сгорания по формуле (1.14) с подстановкой данных о величинах теплоты сгорания всех компонентов смеси (прил…):

=35,8·0,93 + 64,8·0,04 + 91,3·0,005 + 118,5·0,005 + 146,2·0,003= =37,4 МДж/м³.

6. Определяем пределы воспламеняемости газа по формуле (1.15):

• низший предел воспламеняемости

• верхний предел воспламеняемости

Пределы воспламеняемости отдельных компонентов приняты по прил…