5. Кількість повітря, необхідного для спалювання
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, еобхідного 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.