3.2. Регулювання витрати повітря
Регулювання витрати повітря є настільки ж гострою і важливою
проблемою,як і регулювання витрати палива.
Щоб відбувалося повне згоряння,необхідно забезпечити постійний контакт надлишкової кількості повітря з паливом. В минулому повітря подавали в значному надлишку, щоб забезпечити повне згоряння всього палива і таким чином уникнути утворення диму і небезпеки вибуху. Однак надлишок повітря послаблює процес горіння, зменшуючи температуру полум'я і збільшуючи втрати тепла з вихідними газами. Тепло, втрачене з вихідними газами, легко обчислити залежно від температури в димовій трубі і процентного вмісту кисню в димовому газі, і цей розрахунок показує, що необхідно максимально зменшити кількість надлишкового повітря.
Зі зростанням цін на паливо з'являються достатні підстави для точного регулювання надлишку повітря. Крім того, при спалюванні відпрацьованого палива зі змінними значеннями теплотворної здатності ще більше зростають вимоги до регулювання надлишку повітря. Необхідно також передбачити в системі регулювання заходи захисту елементів конструкції від пошкоджень. Нарешті, потрібно безперервно контролювати тиск у топці яким-небудь безпечним способом.
3.2.1. Кількість необхідного повітря, для горіння
Рівняння (3.1) описує горіння метану в кисні з утворенням вуглекислого газу і води. Але в більшості процесів горіння в якості окислювача використовують не чистий кисень, а повітря; азот проходить через зону реакції, по суті, без зміни, хоча його теплоємність має великий вплив на температуру полум'я. Перепишемо реакцію горіння з врахуванням азоту, щоб зберегти матеріальний баланс:
Тут х - мольна частка надлишкового повітря, а 7,52 - число молей азоту, що припадають на 2 моля кисню повітря. На 1 моль згорілого палива при нульовому надлишку повітря утворюється 10,52 молей димового газу. З надлишковим повітрям додаються 2-ва молі кисню і 7,52 молі азоту. Тоді мольна частка кисню в
димовому газі, яка визначається у-ком, можна пов'язати з надлишком співвідношенням повітря :
На 1 моль палива припадає кількість тепла, що виходить з відхідними газами через димову трубу, визначається за формулою:
де Ср - середня молярна теплоємність продуктів згоряння, Ts- температура в димовій трубі, а То - температура навколишнього середовища. Стала 36,86 кДж являє собою приховану теплоту випаровування води, що утворюється при горінні. Відносне зростання втрат тепломісткості на одиницю надлишку повітря поблизу точки х = 0 можна обчислити, диференціюючи вираз (3.12) ділячи похідну на значення Qsnpn x = 0 за винятком прихованої теплоти випаровування:
По суті, кожен відсоток надлишку повітря збільшує втрати тепла з тими, що виходять через димову трубу газами на - 1%.
Рідкі вуглеводневі палива, наприклад нафтопродукти, можна представити у вигляді полімеру за формулою (СН2 )n, де п залежить від молекулярної маси і, отже, від летючості палива. Загальне рівняння реакції горіння можна записати тільки для групи СН2:
Співвідношення між вмістом кисню в димовому газі і надлишком повітря дещо відрізняється від написаного вище для метану:
Аналогічні співвідношення можна отримати для інших палив. Не виписуючи рівняння реакції горіння для кожного палива, зведемо в табл 3.2 відповідні сталі для деяких найбільш поширених палив. Співвідношення між вмістом кисню в димовому газі і надлишком повітря набуває наступний вигляд:
(Зауважимо, що число 4,76 представляє собою величину, зворотню відносній концентрації кисню в повітрі.). У табл. 3.2 наведені значення коефіцієнта а для кожного палива.
Необхідна кількість повітря на 1 кДж при спалюванні цих палив і співвідношення між вмістом кисню в димовому газі і надлишком повітря добре узгоджуються один з одним. Це дозволяє зв'язати витрату повітря безпосередньо з необхідною кількістю тепла і контролювати надлишок повітря, вимірюючи вміст
кисню в димовому газі, майже не звертаючи уваги на вигляд палива, що спалюється. Для різних сумішей легких вуглеводневих газоподібних палив ці параметри майже не змінюються, і присутність невеликих кількостей водню та окису вуглецю також надає малий вплив.
Таблиця 3.2 Кількість повітря, необхідного при спалюванні звичайних палив
Нафтове паливо являє собою суміш легких вуглеводнів з різною молекулярною вагою і з різною теплотворною здатністю, але для кожного з них константи, що визначають горіння, настільки близькі одна до одної, що значення, наведені в таблиці, досить характерні для всіх палив. Вугілля не є чистим вуглецем, а в основному являє собою полімер з групи циклічних ароматичних вуглеводнів. Дійсні параметри для вугілля укладені між параметрами для вуглецю і важкими фракціями нафти, але ближче до вуглецю, так як для вугілля відношення числа молей водню до числа молей вуглецю менше 0,5. Зола, що міститься у вугіллі, не вступає в реакцію горіння і тому не впливає на необхідну кількість повітря.
В ідеальному випадку надлишок повітря, що поступає в камеру згоряння, повинен бути рівним нулю. Але згорання ніколи не буває повним, і невелика кількість надлишкового повітря зрушує рівновагу в бік менших концентрацій незгорілого палива. Це особливо важливо при малих швидкостях горіння, коли
зниження швидкостей призводить до погіршення змішання палива з повітрям. Це питання буде розглянуте трохи докладніше в розд. 3.3.