2.2 Расчет физических параметров газовой смеси

Для смеси газов понятие молярной массы является условным, поэтому для характеристики смеси пользуются условной величиной – кажущейся (средней) молярной массой газовой смеси:

.

Если смесь газов подчиняется уравнению состояния Клапейрона, то газовая постоянная смеси газов

.

Парциальные давления компонентов газовой смеси могут быть определены по следующим соотношениям

.

2.3 Расчет плотности и удельного объема газовой смеси

Расчет плотности и удельного объема ведется по формулам, справедливым для реальной газовой смеси

,

где 8,314- универсальная газовая постоянная.

.

2.4 Расчет фактора сжимаемости газовой смеси

Для газовой смеси расчет фактора сжимаемости может быть произведен по формуле

2.5 Расчет динамического и кинематического коэффициентов

вязкости газовой смеси

Для расчета динамического коэффициента вязкости газовой смеси используется следующая приближенная формула [20, c. 60]:

, (6)

где

Для смеси газов, составленной из четырех индивидуальных газов, из формулы (6) при = 4 имеем

,

где

Кинематический коэффициент вязкости газовой смеси определяется по формуле

.

2.6 Расчет коэффициента теплопроводности газовой смеси

Для расчета коэффициента теплопроводности газовых смесей, содержащих, в том числе, в своем составе азот, диоксид углерода, водяной пар и кислород, используется приближенная формула [20, с. 65], полученная на основе разложения строгого выражения молекулярно-кинетической теории для смеси газов:

, (7)

где

Относительная погрешность формулы (7) по сравнению с выражениями для коэффициента теплопроводности газовой смеси, полученными на основании строгой молекулярно-кинетической теории, не превышает 5 %.

Для смеси газов, составленной из четырех индивидуальных газов, из формулы (7) при = 4 имеем:

,

где

2.7 Расчет удельных теплоемкостей газовой смеси

Расчетные формулы для удельных изобарной и изохорной теплоемкостей газовой смеси получены в предположении, что газовая смесь составлена из идеальных газов [21, с. 33]:

;

.

2.8 Расчет коэффициента температуропроводности газовой смеси

Расчетная формула имеет вид:

.

2.9 Расчет числа Прандтля газовой смеси

Расчетная формула:

2.10. Расчет показателя адиабаты газовой смеси

Расчетная формула:

2.11. Расчет скорости звука в газовой смеси

Используется формула:

.

Следует иметь в виду, что данная формула справедлива для вычисления скорости звука в неподвижной газовой смеси.

3 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ЖИДКИХ И

ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ В ВОЗДУХЕ

3.1 Исходные данные для расчета

Состав продуктов сгорания топливных композиций (горючих) определяется применяемыми видами топлива и окислителя.

Для большинства практических задач представляют интерес топливные композиции, использующие в качестве окислителя атмосферный воздух, а в качестве топлива – природный газ, керосин, этиловый спирт и жидкий водород.

Как известно, атмосферный воздух, выступающий окислителем при горении, состоит из сложной смеси индивидуальных газов. Его составные части подразделяются на две основные группы – постоянные и переменные. К первой группе относятся кислород, азот, инертные газы (аргон, неон, криптон, гелий) и некоторые другие вещества в небольших количествах.

Содержание первой группы газов в объемных и массовых долях в сухом воздухе у поверхности земли приведены в таблице 2 по данным [22].

Таблица 2 - Объемные и массовые доли газов в сухом атмосферном воздухе

Наименование газа	Объемная доля %	Массовая доля %	Принятая при расчетах массовая доля %
Азот	78,084	75,521	76,81
Кислород	20,946	23,139	23,15
Аргон	0,934	1,288	0,00
Диоксид углерода	0,033	0,050	0,04
Неон, криптон, гелий и другие газы	0,033	0,002	0,00

Ко второй группе газов относятся диоксид углерода и водяной пар, содержание которых в атмосферном воздухе колеблется от 0,02 % до 0,4 % и от 0,02 % до (4±1) % по объему соответственно.

При выполнении расчетов достаточно учитывать наличие в атмосферном воздухе четырех основных компонентов – азота , кислорода, водяного параи диоксида углерода. Инертные газы (аргон, неон, криптон, гелий и др.) можно отнести к азоту вследствие близости к нему их физических характеристик и малого содержания в атмосферном воздухе.

Таким образом, для проведения расчетов состав сухого воздуха (т. е. лишенного водяного пара) может быть принят в массовых долях следующий:

0,7681; 0,2315; 0,0004. (8)

Основной примесью к сухому воздуху является переменный компонент – водяной пар, находящийся в перегретом состоянии.

Смесь сухого воздуха с перегретым водяным паром называется влажным воздухом, характеризующимся, в частности, следующими взаимосвязанными показателями степени влажности воздуха - это абсолютная и относительная влажность и паросодержание.

Полагая, что перегретый водяной пар приближается по своим свойствам к газам, можно рассматривать влажный воздух как газовую смесь [23, с 113].

По закону Дальтона давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений:

,

где - давление влажного воздуха;

- парциальное давление сухого воздуха;

- парциальное давление водяного пара.

Равным образом можно записать

.

Основными характеристиками влажного воздуха являются абсолютная и относительная влажности.

Абсолютной влажностью , измеряемой в, называется масса перегретого водяного пара, содержащаяся в 1влажного воздуха, т. е.

.

Отношение абсолютной влажности влажного воздуха к максимально возможной при данной температуре воздуха, называется относительной влажностью :

,

где - плотность насыщенного водяного пара при данной температуре

влажного воздуха, .

Паросодержанием влажного воздуха называется отношение массы водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха:

,

где - газовая постоянная сухого воздуха;

- газовая постоянная водяного пара.

Следовательно, величина характеризует, в частности, массу водяного пара, приходящуюся на 1сухого или навлажного воздуха.

Тепловые процессы влажного воздуха имеют ряд особенностей и их можно разделить на:

- процессы, идущие без фазовых превращений, при этом относительная влажность и водяной пар в смеси находится в перегретом состоянии;

- процессы, идущие с фазовыми превращениями, насыщенный пар в этом случае конденсируется и .

Процессы, идущие при наличии фазового перехода, требуют специальной методики расчета и здесь не рассматриваются.

Относительная влажность и паросодержание влажного воздуха связаны следующим соотношением [21, с. 121]:

, (9)

где - абсолютное давление влажного воздуха,;

- давление насыщенного водяного пара при температуре

влажного воздуха, .

Если влажный воздух находится при атмосферном давлении, то для определения паросодержания по (9) необходимо знать относительную влажность атмосферного воздуха, атмосферное давление, температуру влажного воздуха и давление насыщенного пара, определяемого из таблиц свойств водяного пара (см. таблицу А.3) по величине температуры влажного воздуха.

Парциальное давление сухого воздуха можно определить из уравнения состояния

.

Парциальное давление водяного пара во влажном воздухе

.

Объемные доли сухого воздуха и водяного пара во влажном воздухе можно определить через их парциальные давления, т. е.

Массовые доли сухого воздуха и водяного пара во влажном воздухе можно определить через паросодержание:

Для каждой топливной композиции состав продуктов сгорания зависит от соотношения между окислителем и топливом, которое принято характеризовать коэффициентом избытка окислителя :

где - количество окислителя, необходимого теоретически для полного

сгорания 1 кг топлива;

- количество окислителя, действительно подводимого к 1 кг топлива.

При топливная смесь называется стехиометрической и весь углерод, содержащийся в топливе, превращается при горении в диоксид углерода, а весь водород – в водяной пар.

Другим важным параметром для расчета теплофизических характеристик продуктов сгорания является коэффициент , характеризующий соотношение масс окислителя и топлива при:

где и- массы соответственно окислителя и топлива в

стехиометрической топливной композиции, .

Параметр часто называют массовым (весовым) стехиометрическим коэффициентом соотношения компонентов горючего.

В таблице 3 приведены значения коэффициента соотношения различных топливных композиций, соответствующие составы в объемных и массовых долях продуктов сгорания топлив в сухом воздухе припо данным [22, с. 391 - 574].

Таблица 3 - Состав продуктов сгорания некоторых топлив

в сухом воздухе при

Топливо		Содержание индивидуального газа в продуктах сгорания
		Азот		Диоксид углерода		Водяной пар
Природный газ	17,200	71,55	72,55	9,53	15,17	18,92	12,33
Керосин	17,460	73,88	71,77	13,22	20,17	12,30	8,06
Этиловый спирт	8,555	68,77	68,66	12,18	19,11	19,05	12,23
Водород	34,300	65,33	74,54	0,03	0,05	34,64	25,41