книги из ГПНТБ / Васильев В.К. Термодинамические основы исследовательского проектирования судовых энергетических установок

Таблица 18

Молекулярные (атомные) веса, плотности, абсолютные значения энтальпии и энтропии при 1 = 0° С

для одноатомных, двухатомных и трехатомных неорганических газов [23]

* Абсолютные значения при t = °C.

получим

Если принять т = 1 и я = 1,т. е. взять Т = Тс и р = рс (пара-

метры критической точки), то по формуле (247) получим Сс = ---- ^

и ас — 0,6484. Как видно, для любых газообразных рабочих веществ в критической точке С и а одинаковы и определяются указанными выше значениями.

Как показывает табл. 16, для сухого воздуха величина С от мак­ симального отрицательного значения при параметрах критической

дальнейшем увеличении температуры остается положительной, сна­ чала увеличиваясь до 0,01105 при температуре 562,0 К и затем падая до 0,005076 при температуре 1773,15 К.

По данным табл. 16, пользуясь формулой (248), можно построить изотермы в координатах я, а. По ходу изотерм видно, до каких пределов давлений и температур можно пользоваться таблицами [72]

186

Аср, At и As, рассчитываемые по формулам (234), (242) и (243).

В газотурбинных установках открытого цикла абсолютные значения давлений рабочего агента не превышают давления крити­ ческой точки рс, и максимум я бывает меньше единицы. Тогда изме­ няемость коэффициента а составляет примерно 1%, и в таких слу­ чаях для расчетов теплоемкостей и энергетических параметров атмосферного сухого воздуха можно'Пользоваться таблицами [72] без введения корректирующих членов. В правых частях уравнений (224) и (235) можно ограничиться величинами ср0, сУоь, t0 и s0, взяв их из таблиц [72 ].

Иначе обстоит дело в установках закрытых циклов, где абсолют­ ные значения предельных давлений могут быть достаточно высокими, чтобы их влиянием можно было пренебречь.

Пользуясь изложенным методом, можно анализировать физи­ ческие свойства и других газообразных рабочих агентов. При этом не обязательно пользоваться готовыми таблицами термодинамических параметров газа, если таких таблиц нет. Установив путем расчета значение функции а (Т, р), можно расчеты параметров рабочего агента в процессах цикла газотурбинных установок выполнять, пользуясь уравнением состояния в форме (222).

§ 24. РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА КАК РАБОЧЕГО АГЕНТА В ЦИКЛАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Общие соображения. В настоящее время в газотурбинных уста­ новках сжигание топлива производится при постоянном давлении в камерах сгорания специального устройства. В подавляющем боль­ шинстве случаев применяют органическое топливо, состоящее из смеси углеводородов, сжигаемых с различными коэффициентами избытка воздуха. Так как при этом воздух используется не только как окислитель горючей массы, но и как охладитель продуктов сгорания, то его количество может значительно превышать теорети­ чески необходимое для процесса сжигания. Коэффициент избытка воздуха будет зависеть от допустимой температуры рабочего агента, которым в данном случае являются продукты сгорания: чем ниже эта температура, тем больше будет избыток воздуха, проходящего через камеру сгораний.

Очевидно, что даже при одинаковом составе топлива химический состав рабочего агента в газотурбинных установках различен и за­ висит от величины коэффициента избытка воздуха. Чистыми, или стехиометрическими, продуктами сгорания называются газы, обра-

187

зовавшиеся при количестве воздуха, теоретически необходимом для полного сжигания горючей массы топлива.

весовых долей неиспользованного чистого воздуха. Возьмем 1 кг сухого воздуха и предположим, что в нем стехиометрически сжи­ гается b кг топлива. Обозначим через ттвесовое (массовое) количество продуктов сгорания, рассчитанное на 1 кг топлива:

Обозначим весовое (массовое) количество воздуха на 1 кг топлива

Перейдем в уравнении (250) к весовому (массовому) количеству реагирующих веществ.

Можно написать

Mq = Мв -)- Л4Т,

где через М с соответствующими подстрочными знаками обозначены количества продуктов сгорания воздуха и топлива. Отнеся их к 1 кг воздуха, получим

M q __ , , М Т

м в — "Г М в ■

Введем обозначение

188

Эту формулу можно изобразить графически (рис. 30). Обозначим низшую теплотворную способность топлива через QK и заменим при

изучении процессов сжигания топлива результат химических реак­ ций подводом теплоты QE кДж/кг на 1 кг топлива. Отнеся величину M TQ£ к 1 кг воздуха, получим:

На рис. 30 даны также зависимости р и q от х.

При расчетах процессов сжигания органического топлива необ­ ходимо использовать стехиометрические зависимости. Следует счи­ тать, что атмосферный воздух, являющийся здесь окислителем горючих составных частей топлива, содержит влагу и поэтому не­ сколько отличается по составу от сухого воздуха (см. § 23). Примем следующий весовой состав воздуха:

189

§ 25. НЕОБХОДИМЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ОРГАНИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ

Количество атмосферного воздуха, необходимое для полного сжигания топлива, зависит от химического состава топлива. Помимо горючих частей топливо содержит ряд негорючих примесей или цен­ ных химических элементов, которые надо выделить из сырого топ­ лива, прежде чем сжигать его в топочных устройствах. Поэтому добытое из природных залежей топливо приходится подвергать соответствующей переработке, в результате которой получается остаток, пригодный для сжигания и получения рабочего агента энергетических установок.

Твердое и жидкое органическое топливо состоит из сложных хи­ мических соединений углерода С, водорода Н, серы S, кислорода О и азота N. После подготовительной переработки в нем обычно оста­ ются влага W и негорючие вещества (зола) А. При таком составе своей «горючей массы» топливо идет в топочное устройство или в ка­ меру сгорания энергетической установки. Влага W и зола А состав­ ляют «внешний балласт», как не дающие тепловыделений. Кислород О и азот N по тем же причинам можно назвать «внутренним баллас­ том».

Основные расчеты процесса сжигания топлива выполняют на ос­

чественно на процессы сжигания горючей части в среде атмосфер­ ного воздуха. В составе рорючей массы учитывают только органи­ ческую S0 и колчеданную S к серу, составляющие вместе горючую или летучую серу (Бл — SQ+ SK). Эта сера подвержена окислению до конечного продукта S 0 2 с выделением теплоты.

Сырое топливо (рабочая масса) перед поступлением в топливо­ сжигающее устройство может подвергаться химическому лаборатор­ ному анализу, для чего пробу предварительно подсушивают и сни­ жают в ней количество влаги W рабочей массы топлива до величины Wa. Рабочая масса, из которой выделена внешняя влага W — Wa, называется «аналитической массой». Если бы подсушкой пробы была удалена вся влага W, то масса топлива стала бы называться «сухой массой».

Исключив из состава горючей массы колчеданную серу SK, можно получить «органическую массу» топлива. Удобно воспользоваться графическим изображением состава топлива (рис. 31). Обычно состав топлива выражается в процентах. На рис. 31 в элементарный состав топлива входят следующие компоненты:

— рабочая масса (с надстрочным значком «р» в обозначениях

190

— сухая масса (со значком «с»):

Сс + Нс + Ос + Nc + Sc + ^ c = 100%;

— горючая масса со. значком «г»:

Сг + Нг + Or -f Nr + Sr = 100%;

— органическая масса со значком «о»:

С° + Н ° + О 0 + № + S° = 100% .

t.

Цифровые значения количества элементов, входящих в состав указанных масс, будут'для одного и того же топлива различными,

Рис. 31. Схема элементарного состава топлива.

почему и приходится обозначать их надстрочными индексами. При переходе от элементарного состава одной массы к элементарному составу другой следует состав компонент пересчитать. Например, переходя от состава горючей массы топлива к составу его рабочей массы, надо воспользоваться формулой пересчета

Сера, находящаяся в составе топлива, является нежелательной примесью. Ее присутствие в топливе снижает содержание углерода и уменьшает теплоту сгорания топлива. Образующиеся при сжигании серы окислы S 0 2 и S 03 вызывают коррозию металлических частей агрегатов, отравляют воздух, губят растительность и ускоряют разрушение строительных сооружений. Колчеданная сера SKвходит в минеральную часть топлива преимущественно в виде FeS2. Суль­ фатная сера Sc, входящая в состав высших окислов FeS04, CaS04 и MgS04, не подвергается окислению при сжигании топлива и оста­ ется в составе золы.

191

В нефти (жидком топливе) также имеется сера; при перегонке она переходит в остатки (мазут), причем чем глубже идет перегонка, тем больше в остатках содержится серы. В зависимости от содержа­

электростанциях и в судовых установках транспортного флота обычно для паровых котлов приходится довольствоваться мазутом с содер­ жанием серы Sr 2,5 -г-3,5%.

В табл. 19 даны основные характеристики некоторых сортов твердого и жидкого топлива, используемого в энергетических уста­ новках. В основу классификации твердого

Газы, обладая большей проникающей способностью, протекают через поры толщи земной коры, собираясь в пустотах, замкнутых более плотными слоями грунта, и образуют в них природные газо­ вые хранилища, часто значительно удаленные от нефтяных залежей. В таких хранилищах газ находится под значительным давлением. Природные газы добывают из чисто газовых природных хранилищ путем бурения скважин йа глубину газоносного слоя. Выходя через скважину под действием давления в хранилище, газ улавливается, обеспыливается и после удаления нежелательных компонент (на­ пример, сероводорода) направляется в магистральные газопроводы и через них отводится потребителю.

Иное дело — газы, получаемые из нефтяных скважин. Нефть залегает в недрах земли под давлением в десятки и сотни атмосфер, вследствие чего в ней растворено большое количество газов (в 1 т нефти 200—400 м3 газов). Выбрасываемая из скважин нефть снижает

давление до атмосферного, и растворенный в ней газ частично выде­ ляется из раствора, являясь побочным продуктом добычи нефти. Этот газ называется нефтепромысловым или попутным газом нефте­ добычи. Газовое скопление над нефтяным слоем в недрах,—: газо­ вая шапка (рис. 32) не используется как самостоятельная добыча газа и предназначено служить для поддержания давления в нефтя­ ном пласте.

Нефтепромысловый (попутный) газ отделяется от нефти в специ­ альных сепараторах, откуда подается на газобензиновые заводы для извлечения из него бензина и получения сжиженных газов. Затем он направляется к потребителям, пройдя, если это необходимо, обеспыливание, сушку и другую обработку.

В табл. 20 даны состав и свойства некоторых природных и нефте­ промысловых газов.

Помимо природного газообразного топлива применяют и искус­ ственные газы. Они являются или продуктами переработки твер-

194

дого и жидкого топлива, или отходами различных технологических процессов в соответствующих отраслях народного хозяйства.

Рассмотрим метод получения нефтезаводских газов, образу­ ющихся на нефтеперерабатывающих предприятиях как побочный продукт переработки нефти. Основными процессами такой перера­

термического процесса нагрева нефти (термического разделения ее на фракции: бензиновую, керосиновую, газойлевую и т. д.) без заметного разложения углеводородов. При этом получается газ прямой перегонки, содержащий большое количество пропана С3Н8 (от 7 до 16%) и бутана С4Н10 (от 13 до 30%). Это тяжелые углеводо­ роды, которые можно подвергнуть сжижению и выделить из газа прямой перегонки, после чего этот газ может быть использован как газообразное топливо.

К р е к и н г нефтепродуктов является в настоящее время глав­ ным технологическим процессом переработки нефти в бензин и дру­ гие виды легкого жидкого топлива. Он состоит в нагревании нефте­ продуктов до температуры 450—650° С, вследствие чего высоко­ молекулярные углеводороды исходного сырья расщепляются с обра­ зованием легких углеводородов. При этом часть сырья превращается в горючий газ. Процесс может осуществляться как при давлении 1—5 ат (парофазный крекинг), так и при высоком давлении 70 ат (жидкофазный крекинг). Его можно проводить в присутствии ката­ лизатора, тогда крекинг называется каталитическим. Если процесс идет без катализатора, крекинг называется термическим. Указанные разновидности процесса дают различный выход газа. При термиче­ ском крекинге газойля получается около 15% газа, а при каталити­ ческом— около 5%. Состав газа тоже неодинаков. Однако в том и другом случае получаемый газ отличается высоким содержанием непредельных (олефиновых) углеводородов, которые служат ценным сырьем для химической промышленности. Поэтому их следует выде­ лить из газа раньше, чем он пойдет на топливо.

П и р о л и з нефтепродуктов состоит в нагреве их до 650—750° С при атмосферном давлении. Он применяется с целью получения ароматических углеводородов (бензола СеН 6 и его гомологов),

этом процессе доходит до 50% по весу; это во многом зависит от природы подвергаемого обработке сырья и от температуры нагрева.

ляет собой каталитический крекинг, осуществляемый в присутствии водорода под высоким давлением (500—700 ат). При этом проис­ ходит не только расщепление высокомолекулярных углеводородов, но и обогащение углеводородных молекул атомами водорода, напри­ мер С2Н4 + Н 2 = С2Н6, с превращением этилена С2Н4 в этан С2Н6.