Тепловой баланс процесса горения

Целью составления теплового баланса процесса горения является определение температуры горения топлива, т.е. температуры, которую имеют продукты сгорания на выходе из зоны горения. Величина этой температуры зависит от теплоты сгорания топлива ( ), физической теплоты продуктов горения – воздуха и топлива ( и ), коэффициента избытка воздуха ( ), потерь теплоты от диссоциации ( ) и других потерь теплоты ( ). В зависимости от этих факторов различают следующие названия температуры горения:

- калориметрическая (адиабатная);

- теоретическая;

- действительная.

3.1 Расчёт энтальпии и построение - диаграммы продуктов сгорания для твёрдого топлива при изменении температуры от 500 до 2500 °C

Величина энтальпии продуктов сгорания , кДж/кг определяется по формуле

, (3.1)

где – энтальпия теоретического объёма продуктов сгорания, кДж/кг;

– энтальпия воздуха, кДж/кг;

– энтальпия золовых частиц, кДж/кг;

Значения этих энтальпий определяем по формулам

, (3.2)

, (3.3)

(3.4)

где , , , – объёмы соответствующих компонентов продуктов сгорания и воздуха, м³/кг;

, , , – изобарные объёмные теплоёмкости компонентов продуктов сгорания и воздуха, кДж/(м³·K);

– теплоёмкость золы твёрдого топлива, кДж/(кг·K).

Энтальпия золы учитывается только для твёрдого топлива при условии

(% кг)/МДж.

В данном случае энтальпия золовых частиц не учитывается, т.к. не выполняется условие , т.е. кДж/кг.

В таблице 3.1 приведены значения энтальпии продуктов сгорания твердого топлива при коэффициенте избытка воздуха .

Таблица 3.1

, °C
, кДж/кг
, кДж/кг
, кДж/кг
, кДж/кг

По значениям энтальпии продуктов сгорания при заданной температуре строим - диаграмму продуктов сгорания твердого топлива (рисунок 3.1).

3.1.1 Определение калориметрической температуры горения твёрдого топлива ( , ºC) при не подогретом воздухе ( ºC)

Температура горения, определяемая без учёта потерь теплоты, называется калориметрической (адиабатной). Уравнение теплового баланса в этом случае имеет следующий вид:

, (3.5)

откуда

,

где – объёмная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м³·K).

Калориметрическую температуру горения можно определить методом последовательных приближений или графически – с помощью - диаграммы продуктов сгорания.

На оси энтальпии - диаграммы откладываем значение низшей теплоты сгорания и определяем соответствующее значение калориметрической температуры для случая, если воздух не подогрет:

1712 ºC.

3.1.2 Определение калориметрической температуры горения ( , ºC), если воздух нагрет до температуры 500 ºC ( ºC)

Определяем физическую теплоту воздуха , кДж/кг по формуле

. (3.6)

4322 кДж/кг.

Откладываем на оси энтальпий сумму низшей рабочей теплоты сгорания и физической теплоты воздуха и определяем соответствующее значение калориметрической температуры :

2064 ºC.

3.1.3 Определение теоретической температуры горения ( , ºC), если воздух нагрет до температуры 500 ºC ( ºC)

Если при определении температуры горения учитывать затраты теплоты на диссоциации, то она называется теоретической. Уравнение теплового баланса в этом случае имеет вид:

, (3.7)

откуда

.

Процесс диссоциации одновременно изменяет состав части продуктов сгорания ( и ). В этом случае количество теплоты, затраченное на диссоциацию , кДж/кг, определяется следующим образом:

, (3.8)

где , - константы диссоциации двуокиси углерода и водяного пара соответственно.

2186 кДж/кг.

Откладываем на оси энтальпий сумму низшей рабочей теплоты сгорания и физической теплоты воздуха с учетом затрат на диссоциацию и определяем соответствующее значение теоретической температуры :

1886 ºC.

3.1.4 Определение температуры воздуха ( , ºC), если действительная температура горения равна 1600 ºC ( 1600 ºC), а пирометрический коэффициент равен 0,7 ( 0,7)

Температура горения, определяемая с учётом всех пяти факторов, называется действительной:

. (3.9)

Расчёт температуры горения по данной формуле затруднён отсутствием данных по определению , поэтому на практике определяют по формуле

, (3.10)

откуда

. (3.11)

Таким образом, калориметрическая температура равна:

2285 ºC.

Откладываем полученную температуру на - диаграмме продуктов сгорания и определяем соответствующее ей количество теплоты , кДж/кг:

26635 кДж/кг.

Определяем физическое тепло воздуха по формуле

. (3.12)

7035 кДж/кг.

Температура воздуха , ºC определяется из формулы (3.6):

. (3.13)

где – изобарная теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·K).

В первом приближении теплоемкость принимаем при температуре 500 ºC, т.е. 1,34 кДж/(кг·K). Тогда искомая температура воздуха равна

814 ºC.

Рассчитываем погрешность приближения , % по формуле

. (3.14)

%.

Так как погрешность % необходимо второе приближение. Во втором приближении теплоемкость принимаем при 815 ºC, т.е. 1,38 кДж/(кг·K). Тогда искомая температура воздуха равна

792 ºC.

Рассчитываем погрешность приближения , % по формуле (3.13):

%.

В таблице 3.2 приведены рассчитанные температуры для твёрдого топлива.

Таблица 3.2

, ºC не подогретый воздух ( ºC)	, ºC воздух нагрет ( ºC)	, ºC воздух нагрет ( ºC)	, ºC при 1600 ºC, 0,7

Рисунок 3.1 – - диаграмма продуктов сгорания твердого топлива

3.2 Расчёт энтальпии и построение - диаграммы продуктов сгорания для газообразного топлива при изменении температуры от 500 до 2500 °C

Формулы для расчёта энтальпии продуктов сгорания приведены в разделе 3.1.

В таблице 3.3 приведены значения энтальпии продуктов сгорания газообразного топлива при коэффициенте избытка воздуха .

Таблица 3.3

, °C
, кДж/м3
, кДж/м3
, кДж/м3

По значениям энтальпии продуктов сгорания при определённой температуре строим - диаграмму продуктов сгорания газообразного топлива (рисунок 3.2).

3.2.1 Определение калориметрической температуры горения газообразного топлива ( , ºC) при не подогретом воздухе ( ºC)

На оси энтальпии - диаграммы откладываем значение низшей теплоты сгорания и определяем соответствующее значение калориметрической температуры для случая, если воздух не подогрет:

1940 ºC.

3.2.2 Определение калориметрической температуры горения ( , ºC), если воздух нагрет до температуры 500 ºC ( ºC)

По формуле (3.6) определяем физическое тепло воздуха , кДж/кг:

6970 кДж/кг.

Откладываем на оси энтальпий сумму низшей рабочей теплоты сгорания и физической теплоты воздуха и определяем соответствующее значение калориметрической температуры :

2279 ºC.

3.2.3 Определение теоретической температуры горения ( , ºC), если воздух нагрет до температуры 500 ºC ( ºC)

По формуле (3.8) определяется количество теплоты, затраченное на диссоциацию , кДж/кг продуктов сгорания:

7016 кДж/кг.

Откладываем на оси энтальпий сумму низшей рабочей теплоты сгорания и физической теплоты воздуха с учетом затрат на диссоциацию и определяем соответствующее значение теоретической температуры :

1937 ºC.

3.2.4 Определение температуры воздуха ( , ºC), если действительная температура горения равна 1600 ºC ( 1600 ºC), а пирометрический коэффициент равен 0,7 ( 0,7)

Из формулы (3.11) определяем калориметрическую температуру горения :

2285 ºC.

Откладываем полученную температуру на - диаграмме продуктов сгорания и определяем соответствующее ей количество теплоты , кДж/кг:

44511 кДж/кг.

По формуле (3.12) определяем физическое тепло воздуха :

7112 кДж/кг.

По формуле (3.13) определяем температуру воздуха , ºC, учитывая, что в первом приближении теплоемкость принимается при температуре 500 ºC, т.е. 1,34 кДж/(кг·K):

510 ºC.

Рассчитываем погрешность приближения , % по формуле (3.14):

%.

Так как погрешность % второе приближение не требуется.

В таблице 3.4 приведены рассчитанные температуры для газообразного топлива.

Таблица 3.4

, ºC не подогретый воздух ( ºC)	, ºC воздух нагрет ( ºC)	, ºC воздух нагрет ( ºC)	, ºC при 1600 ºC, 0,7

Рисунок 3.2 – - диаграмма продуктов сгорания газообразного топлива