книги из ГПНТБ / Термодинамические основы теории тепловых машин учеб. пособие

рания газы между собой не реагируют и вся высвобождаемая при реакции энергия идет на нагревание рабочего тела. При этих усло­ виях расчеты процесса сгорания могут основываться на простых стехиометрических соотношений вида:

С -f- Oj —С 0 2;

2На+ О а = 2НаО.

Однако такие соотношения не характеризуют всей сложности процессов, происходящих при горении смеси, а характеризуют толь­ ко итоговые результаты процесса.

Представления о механизме простых реакций в ряде случаев противоречат накопленным экспериментальным данным. В действи­ тельности продукты сгорания топлив представляют собой смесь химических веществ, между которыми могут протекать химические реакции.

При высоких температурах продукты сгорания состоят не толь­ ко из конечных продуктов С 02 и Н20, но и из продуктов неполного сгорания: ионов СО, ОН, О, Н, которые образуются в результате расщепления конечных продуктов реакции или в результате их взаимодействия. Это явление носит название диссоциации про­ дуктов сгорания.

Диссоциация продуктов сгорания приводит к неполному преоб­ разованию химической энергии; часть ее, остающаяся в продуктах сгорания, может оказаться значительной, что необходимо учиты­ вать при расчете процессов сгорания. Поэтому в общем случае ре­ акции сгорания следует записывать в виде:

1 Л -f В~ЛАВ.

Реакции диссоциации, например углекислого газа и водяных па­ ров, протекающие с затратой энергии, записываются следующим образом:

С 0 2“ ! С 0 + 0;

н 2о ^ : н 2-ь О.

Расчеты процессов сгорания с учетом диссоциации весьма тру­ доемки и в данном пособии не рассматриваются.

Для расчета процесса сгорания в двигателях внутреннего сго­ рания (поршневых, газотурбинных и других) и различных теплотех­ нических устройствах необходимо знать ряд величин, характери­ зующих топлива. К этим величинам относятся элементарный со­ став топлива и запас химической энергии. В результате расчета процесса сгорания определяются состав продуктов сгорания, тео­ ретическая температура сгорания и расход воздуха (окислителя) для осуществления процесса сгорания. Рассмотрим сгорание угле­ водородных топлив с кислородом, содержащимся в воздухе.

27

Состав топлива

Элементарный состав воздуха может быть задан объемными или массовыми долями. При этом учитывается только содержание

Состав жидких углеводородных топлив задается или химиче­ ской формулой или массовыми долями основных элементов.

Основными элементами топлива являются: углерод С, водо­ род Н2, а в некоторых составах небольшое количество кислорода 0 2.

Если топливо представляет собой вполне определенное углево­ дородное соединение, то его элементарный состав выражается фор­ мулой вида

с т н , А ,

где т, п, г — числа атомов соответствующих элементов, входящих в молекулу топлива. Например, СШ—метан, С2НбО— спирт.

Большинство жидких топлив, применяемых в тепловых двигате­ лях, представляет собой смесь различных углеводородов. Элемен­ тарный состав таких топлив определяется методом химического анализа и может быть условно выражен формулой того же вида.

Массовые доли соответствующих элементов могут быть опреде­ лены по условной химической формуле:

В этих уравнениях т т= 12т + п + 16г — относительная моле­ кулярная масса топлива.

Если топливо представляет собой смесь различных компонентов, то элементарный состав такого сложного топлива определяется сле­ дующим образом.

28

где 12 т + п — т т;

I2m/ + n' = m^ — относительные молекулярные массы компо-

нентов топлива.

Массовые доли элементов в сложном топливе определяются но уравнениям:

Теоретически необходимые количества кислорода и воздуха

Теоретически необходимым количеством кислорода (воздуха) называется наименьшее его количество, необходимое для полного окисления одного килограмма топлива.

Теоретически необходимое количество воздуха может быть вы­ ражено в килограммах 10 [кг возд./кг топл.] или в киломолях L0 [кмоль возд./кгг топл.].

Определим количественные соотношения для данных реакций в расчете на 1 кг топлива, состав которого задан массовыми долями

£с- 8н, и gor

29

1 кг Н.-+-—- кмоля О* = —— кмоля Н„0.

4' 2

Врасчете на 1 кг топлива, в составе которого содержится gr кг углерода и g"Ha водорода, получим:

Последние два уравнения позволяют определить теоретически необходимое количество кислорода О0. Это количество кислорода

складывается из кислорода -у|-, необходимого для полного окисле-

ния углерода, и кислорода-^-, необходимого для полного окисле­

ния водорода. Таким образом,

в составе которого по объему содержится 21% кислорода, получим

Для применяемых жидких топлив значения L0 и /0 имеют сле­ дующие примерные значения:

30

— для дизельного топлива

U— 0,495 кмоляікг топл., /0= 14,45 кгікг топл.;

— для бензина

L0 — 0,512 кмоляікг топл.,

10= 1 4 ,8 кг/кг топл.

В реальных процессах сгорания действительное количество воз­ духа 2-д может быть больше или* меньше теоретически необходи­ мого.

Для характеристики состава горючей смеси вводится понятие о коэффициенте избытка воздуха, который представляет собой от­ ношение действительного количества воздуха, участвующего в сго­ рании, к теоретически необходимому

В зависимости от количества воздуха, участвующего в процессе сгорания, оно может быть полным и неполным. При а > 1, чему со­ ответствует избыток воздуха или теоретически необходимое его ко­ личество, сгорание будет полным. Если а < 1, то действительное количество воздуха меньше теоретически необходимого и сгорание будет неполным. Для полного сгорания реакции сгорания записы­ ваются в форме уравнений (34).

Неполное сгорание

При недостатке воздуха ( а < 1) в продуктах сгорания присут­ ствуют продукты неполного окисления горючих элементов.

При рассмотрении реакций неполного сгорания предполагает­ ся, что водород является более активным элементом и сгорает пол­ ностью, а недостаток кислорода сказывается на сгорании углерода. Продуктом неполного сгорания углерода является окись углеро­ да СО.

Таким образом, при неполном сгорании рассматривается сле­ дующая условная схема реакции:

— часть углерода xg~ сгорает в СО, а остальная часть (1—x ) g с окисляется полностью в СО2;

—водород сгорает полностью;

—свободный кислород в продуктах сгорания отсутствует.

В соответствии с этим при неполном сгорании рассматриваются три реакции: ранее рассмотренные реакции (34) полного окисления

31

Так как в СО сгорает x g Q кг С, а в С 02— (1—x )g c кг С, то в

расчете на 1 кг топлива при неполном сгорании получим следующие уравнения:

Определим долю углерода х, сгорающего в СО, если известны состав топлива и коэффициент избытка воздуха.

Полное количество киломолей кислорода, участвующего при не­ полном сгорании, как следует из уравнений (37), равно

С другой стороны, это количество кислорода может быть опрв' делено по уравнению

где 0,21 а£0 — число киломолей кислорода, подведенного с воз­ духом;

32

Откуда доля углерода, сгорающего в СО,

Рассмотрение неполного сгорания по принятой схеме ограничи­ вается значением х = 1, при котором количество кислорода доста­ точно только для сгорания углерода в окись углерода.

Коэффициент избытка воздуха при этом имеет критическое зна­ чение акр.

Из уравнения (40) при х = 1 получим

Для углеводородных топлив, применяемых в тепловых двига­ телях,

* „ р = 0.6 0,7.

При а < а,ф принятая схема неполного сгорания теряет смысл

и необходимы дополнительные условия.

Однако практически сгорание топлив в тепловых Двигателях и различных теплотехнических устройствах происходит обычно при а > а , для которых введенные допущения могут быть приняты.

Состав продуктов сгорания

П о л н о е с г о р а н и е

При полном сгорании (а 5* 1) в продуктах сгорания содержится С 02, Н20, избыточный кислород 0 2 и атмосферный азот N2.

Число киломолей С 02 и Н20 в продуктах сгорания одного кило­ грамма топлива определяется по уравнениям (34'):

Л4оа= Од — О0-~ 0,21aZ.0 — 0,2! /-о —0,21 (а — 1)Д,.

Число киломолей азота ѵИм, в продуктах сгорания равно его количеству в подведенном воздухе, так как азот принимается инертным газом, не участвующим в сгорании,

Л4ка = 0,79 а/,и.

Таким образом, общее число киломолей продуктов сгорания равно

(мольными) или массовыми долями.

При объемном задании состава продуктов сгорания доли соот­ ветствующих компонентов определяются по уравнениям:

ö CM = S G j = ö c o 2 4 - G h ,o “ ! ~ G o 2 - ] - O n ,

Так как на 1 кг топлива расходуется а/0 кг воздуха, то

Осы~ 1 + ^По­

следовательно, массовые доли компонентов можно определять по уравнениям вида:

Для проверки правильности определения состава продуктов сго­ рания используются уравнения:

Sr, = 1 и Е& = 1,

24

Н е п о л н о е с г о р а н и е

При неполном сгорании ( а < 1) в составе продуктов сгорания имеются С 02, СО, Н20 и N3. Количества киломолей С 02, СО и Н20 в продуктах сгорания 1 кг топлива определяются из уравнений (67).

Принимая во внимание уравнения (40), получим:

fits, = 0,79xLu.

Общее число киломолей продуктов сгорания:

Ч * = Мсо, н- /Исо -і- Л1Ні0 -!- M Kl = — - - ; + 0,79al0. (46)

Для задания состава продуктов сгорания в объемных или мас­ совых долях используются уравнения, аналогичные уравнениям (43)

и (44).

Из уравнений (45) можно установить, что с уменьшением а в продуктах сгорания увеличивается содержание СО и уменьшается