Примеры расчетов горения топлива

 

Пример 1.

Определить расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания, а также калориметрическую температуру горения мазута. Состав мазута, %: C^Р=85,6, Н^Р=10,5, N^Р=0,7, О^Р=0,5, S^Р=0,7, А^Р=0, W^Р=2. Провести расчет при величине коэффициента избытка воздуха n=1,15. Температура подогрева воздуха t_В=300 ^оС.

Решение:

Расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания определим, пользуясь табличным методом. Для удобства расчет горения жидкого топлива следует вести на 100 кг горючего.

В основу расчета положены реакции полного сгорания отдельных элементов:

С + О₂ = СО₂; Н₂ + ½ О₂ = Н₂О; S + О₂ = SО₂.

 

Таблица 5 – Форма таблицы для записи результатов определения расхода воздуха, количества и состава продуктов сгорания

Участвуют в горении									Газообразные продукты, образующиеся при горении
Топливо					Воздух				СО2, кмоль	Н2О, кмоль	SО2, кмоль	О2, кмоль	N2, кмоль	всего
Составляющие	Содержание	Масса, кг	Молекулярная масса	Количество, кмоль	О2, кмоль	N2, кмоль	всего
														кмоль	м3
							кмоль	м3
С Н S О N W	85,6 10,5 0,7 0,5 0,7 2,0	85,6 10,5 0,7 0,5 0,7 2,0	12 2 32 32 28 18	7,13 5,25 0,022 0,016 0,025 0,111	7,13 2,625 0,022 -0,016 - -	9,761∙3,762	9,761+36,72	46,481∙22,4	7,13 - - - - -	- 5,25 - - - 0,111	- - 0,022 - - -	- - - - - -	36,72 (из воздуха) 0,025 -		49,238∙22,4
Суммарное значение: при n=1  (%) при n=1,15 (%)					9,761 (21) 11,22 (21)	36,72 (79) 42,23 (79)	46,481 (100) 53,45 (100)	1041,17   1197,35	7,13 (14,48) 7,13 (12,68)	5,361 (10,89) 5,361 (9,54)	0,022 (0,045) 0,022 (0,04)	-   1,459 (2,59)	36,745 (74,58) 42,255 (75,15)	49,258 (100) 56,227 (100)	1103,4   1259,5

 

Для определения калориметрической температуры необходимо знать теплоту сгорания топлива. Для жидкого топлива ее можно определить по формуле (15)

=339 ∙ 85,6 + 1256 ∙ 10,5 – 109 (0,5 – 0,7) – 25 ∙ (9 ^. 10,5+2) = 39815,7  кДж/кг.

Определим энтальпию продуктов сгорания при условии, что воздух подогрет до 300 ^оС:

I₀=  кДж/м³.

Задаемся возможной температурой горения t_К = 1800 ^оС.

Для этой температуры энтальпия продуктов сгорания (приложение В) будет равна

СО₂ + SО₂ . . . . . . . . . (0,1268+0,0004) ∙ 4360,67=554,68

Н₂О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,0954 ∙ 3429,9=327,21

О₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,259 ∙ 2800,48=725,32

N₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,7515 ∙ 2646,74=1989,03

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3596,24 кДж/м³.

Поскольку I₀<I₁₈₀₀  ^оС, то действительная калориметрическая температура будет ниже 1800 ^оС.

Примем t_К = 1700 ^оС, тогда энтальпия составит

СО₂ + SО₂ . . . . . . . . . (0,1268+0,0004) ∙ 4087,1=519,88

Н₂О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,0954 ∙ 3203,05=305,57

О₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,259 ∙ 2632,09=681,71

N₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,7515 ∙ 2486,28=1868,44

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3375,6 кДж/м³.

Поскольку I_{1700 ˚С}<I₀, действительная калориметрическая температура лежит в пределах 1700 – 1800 ^оС. Калориметрическую температуру горения определяют интерполяцией по формуле

,

где  – калориметрическая температура горения, ^оС,

 

t_К=1700 + 1777 ^оС.

 

Пример 2.

Для случая сжигания смешанного газа с теплотой сгорания 21 МДж/м³ определить расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания, калориметрическую температуру горения при коэффициенте расхода (избытка) воздуха n=1,12. Температура подогрева воздуха 380 ^оС. Температура подогрева топлива 200 ^оС. Составить материальный баланс процесса горения.

Состав топлива А, %: СО₂=15, СО=16, Н₂=39, СН₄=24, С₂Н₄=3, N₂=3. Влажность топлива А: W_А=31 г/м³.

Состав топлива Б, %: СН₄=93,2, С₂Н₄=0,3, С₂Н₆=0,4, С₃Н₈=0,6, С₄Н₁₀=0,6, N₂=4,9. Влажность топлива Б: W_Б=4,5 г/м³.

Решение:

Выполним пересчет каждого топлива с сухой массы на влажную, используя формулы (11) и (12)

Для топлива А

;

;

;

;

;

;

.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты топлива А:

=14,44 +15,41 +37,56 +23,11 +2,89+2,89+3,70 = 100 %.

Для топлива Б

;

;

;

;

;

.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты топлива Б:

=92,679 +0,298 +0,398 +0,597 +0,597+4,874+0,557 = 100 %.

Определяем теплоту сгорания каждого топлива по формуле (16).

Теплота сгорания топлива А

Q^р_н(А) = 127·15,41+108·37,56+358·23,11+590^.2,89 = 15992 кДж/м³.

Теплота сгорания топлива Б

Q^р_н(Б) = 358^.92,679+590^.0,298+635·0,398+913^.0,597+1185^.0,597 =34860 кДж/м³.

Определяем состав смеси двух топлив.

Для этого необходимо определить долю топлива А в смеси газообразных топлив из выражения таблицы 4

 

,

где   а – доля топлива А в смеси двух топлив;

Q^р_н(А), Q^р_н(Б) – теплота сгорания соответственно топлива Б и топлива А, кДж/м³;

Q^р_н(см) – теплота сгорания смеси топлив, кДж/м³,

 

.

Состав смеси определяется по формуле, указанной в таблице 4

 

Х^вл(см) = Х^вл(А).а + Х^вл(Б).(1-а),

где   Х^вл(см), Х^вл(А), Х^вл(Б) – содержание компонента в смеси топлив и в топливах А и Б соответственно, %.

 

Тогда с учетом формулы состав смеси топлив будет следующий

СО₂^см =14,44^.0,73+0 = 10,54 %;

СО^см =15,41· 0,73+0 = 11,25 %;

Н₂^см = 37,56^.0,73+0 = 27,42 %;

СН₄^см =23,11^.0,73+92,679^.(1-0,73) = 41,89 %;

С₂Н₄^см =2,89^.0,73+0,298^.0,27 = 2,19 %;

С₂Н₆^см=0+0,398^.0,27 = 0,11 %;

С₃Н₈^см=0+0,597^.0,27 = 0,16 %;

С₄Н₁₀^см=0+0,597^.0,27 = 0,16 %;

N₂^cм =2,89· 0,73+4,874^.0,27 = 3,43 %;

Н₂О^см =3,70· 0,73+0,557· 0,27 = 2,85 %.

Проверяем правильность расчета, складывая все компоненты смеси топлив

=10,54 +11,25 +27,42 +41,89 +2,19+0,11+0,16+0,16+3,43+2,85=100 %.

Определяем расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания. Расчет ведем на 100 м³ смеси топлив.

Составляем реакции горения горючих компонентов смеси топлив и на их основе определяем количество требуемого для горения кислорода, а также количество образующихся продуктов сгорания.

а)  СО + 1/₂ О₂ = СО₂

1 м³СО - 0,5 м³ О₂

11,25 м³ СО - 5,625 м³ О₂ ;

1 м³СО - 1 м³ СО₂

11,25 м³ СО - 11,25 м³ СО₂.

 

б) Н₂ + 1/₂О₂ = Н₂О

1 м³Н₂ - 0,5 м³ О₂

27,42 м³ Н₂ - 13,71 м³ О₂ ;

1 м³ Н₂ - 1 м³ Н₂О

27,42 м³ Н₂ - 27,42 м³Н₂О.

 

в) СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

1 м³ СН₄ -2м³ О₂

41,89 м³ СН₄ - 83,78 м³ О₂ ;

1 м³ СН₄ - 1 м³ СО₂ и 2 м³ Н₂О

41,89 м³ СН₄ – 41,89 м³ СО₂ и 83,78 м³Н₂О.

 

г) С₂Н₄+ 3О₂ = 2СО₂ + 2Н₂О

1 м³ С₂Н₄ - 3 м³ О₂

2,19 м³ С₂Н₄ - 6,57 м³ О₂ ;

1 м³ С₂Н₄ - 2 м³ СО₂ и 2 м³ Н₂О

2,19 м³ С₂Н₄ - 4,38 м³ СО₂ и 4,38 м³ Н₂О.

 

д) 2С₂Н₆ + 7О₂ = 4СО₂ + 6Н₂О

2 м³ С₂Н₆ - 7 м³ О₂

0,11 м³ С₂Н₆ - 0,385 м³ О₂ ;

2 м³ С₂Н₆ - 4 м³ СО₂ и 6 м³ Н₂О

0,11 м³ С₂Н₆ - 0,22 м³ СО₂ и 0,33 м³ Н₂О.

 

е) С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О

1 м³ С₃Н₈ - 5 м³ О₂

0,16 м³ С₃Н₈ - 0,80 м³ О₂ ;

1 м³ С₃Н₈ - 3 м³ СО₂ и 4 м³ Н₂О

0,16 м³ С₃Н₈ – 0,48 м³ СО₂ и 0,64 м³ Н₂О.

 

ж) 2С₄Н₁₀ + 13О₂ = 8СО₂ + 10Н₂О

2 м³ С₂Н₄ - 13 м³ О₂

0,16 м³ С₂Н₄ - 1,20 м³ О₂ ;

2 м³ С₂Н₄ - 8 м³ СО₂ и 10 м³ Н₂О

0,16 м³ С₂Н₄ - 0,64 м³ СО₂ и 0,80 м³ Н₂О.

 

Полученные данные заносим в таблицу 5.

Для определения количества воздуха с учетом коэффициента избытка воздуха, необходимо воспользоваться выражением (19).

 

Таблица 5 – Результаты расчета расхода воздуха, состава и количества продуктов сгорания

Участвуют в горении					Образуется продуктов сгорания, м3
Топливо, м3		Воздух, м3
Составля-ющая	Содержание, м3	О2	N2	всего	СО2	Н2О	О2	N2	всего
СО2 СО Н2 СН4 С2Н4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 N2 Н2О	10,54 11,25 27,42 41,89 2,19 0,11 0,16 0,16 3,43 2,85	- 5,625 13,71 83,78 6,57 0,385 0,80 1,20 - -	112,07.3,762=421,61	112,07+421,61=533,68	10,54 11,25 - 41,89 4,38 0,22 0,48 0,64 - -	- - 27.42 83,78 4,38 0,33 0,64 0,80 - 2,85		3,43+421,61=425,04
n = 1 (%)	100	112,07 (21)	421,61 (79)	533,68 (100)	69,40 (11,3)	120,20 (19,6)	-	425,04 (69,1)	614,64 (100)
n = 1,12 (%)	100	125,52 (21)	472,20 (79)	597,72 (100)	69,40 (10,2)	120,20 (17,7)	13,45 (2,0)	475,63 (70,1)	678,68 (100)

 

Для определения состава продуктов сгорания, воспользуемся формулой

 

,

где  – содержание i-того компонента в продуктах сгорания, %

 – объем i-того компонента в продуктах сгорания, м³;

 – общий объем продуктов сгорания, м³.

 

Таким образом, состав продуктов сгорания составит

;

;

;

.

Для проверки правильности расчета составляется материальный баланс. Материальный баланс представлен в таблице 6.

 

Таблица 6 – Материальный баланс горения смеси двух топлив

Поступило, кг

Получено, кг

Топливо: СО2 = 10,54·44/22,4 = 20,70 СО = 11,25·28/22,4 = 14,06 Н2О = 2,85.18/22,4 = 2,29 Н2 = 27,42·2/22,4 = 2,45                                      СН4  = 41,89·16/22,4 = 29,92     С2Н4  = 2,19·28/22,4 = 2,74             N2 = 3,43·28/22,4 = 4,29                              С3Н8 = 0,16.44/22,4 = 0,31 C2Н6  = 0,11·30/22,4 = 0,15    С4Н10 = 0,16.58/22,4 = 0,41 Воздух: О2 = 125,52.32/22,4 = 179,31 N2 = 472,20.28/22,4 = 590,25                        Итого: 846,88 кг.

Продукты сгорания: СО2 = 69,40·44/22,4 =136,32                                Н2О = 120,20.18/22,4 = 96,59 N2 = 475,63·28/22,4 = 594,54                              О2 = 13,45.32/22,4 = 19,21   Итого: 846,66 кг.

 

Рассчитываем погрешность вычислений .

Т.к. погрешность менее 0,5 %, следовательно, расчет проведен правильно.

Из таблицы 1 следует, что для сжигания 100 м³ смеси топлив необходимо затратить 597,72 м³ воздуха при указанной величине коэффициента избытка воздуха, равной 1,12. При этом образуется продуктов сгорания 678,68 м³. Т.е. для

 сжигания 1 м³ смеси топлив необходимо затратить 5,98 м³ воздуха и образуется

продуктов сгорания 6,79 м³.

Определяем калориметрическую температуру горения. Для этого необхо-

димо найти начальную энтальпию (теплосодержание) 1м³ продуктов сгорания по формуле (24).

Количество тепла, получаемое от сжигания топлива в расчете на единицу объема продуктов сгорания, определим из выражения (21)

 кДж/м³.

Количество тепла, вносимое подогретым воздухом, может быть определено по выражению (23).

Теплоемкость воздуха при температуре 380 ^оС определяем методом интерполяции

 кДж/(м^3.оС).

Тогда количество тепла, вносимое подогретым воздухом

 кДж/м³.

Количество тепла, вносимое подогретым топливом, определяем по формуле(22).

Теплоемкость топлива, состоящего из многих компонентов, определяется из выражения

 

,

где    с_i – теплоемкость i-того компонента топлива при указанной температуре, кДж/(м^3.оС);

 – доля i-того компонента топлива в смеси.

 

Теплоемкость компонентов смеси топлив при температуре 200 ^оС (согласно приложению Б):

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС);

 кДж/(м^3.оС).

Теплоемкость топлива

С_т= 1,8079^.0,1054+1,3105^.0,1125+1,2979^.0,2742+1,7669^.0,4189+1,3030^.0,0343+

+1,5174^.0,0285+2,328^.(0,0219+0,0011+0,0016+0,0016) =1,4115 кДж/(м^3.оС).

Количество тепла, вносимое подогретым топливом

 кДж/м³.

Таким образом, энтальпия продуктов сгорания составит

 кДж/м³.

Далее искомую температуру находим методом подбора. Для этого задаемся возможной температурой горения, например, равной 2200 ^оС, и определяем при этой температуре энтальпию продуктов сгорания с учетом табличных данных и состава продуктов сгорания

СО₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,102 ∙ 5464,20 = 557,3

Н₂О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,177∙ 4358,83 = 771,5

О₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,020 ∙ 3487,44 = 69,7

N₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,701 ∙ 3295,84 = 2310,4

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3708,9 кДж/м³.

Сравниваем полученную энтальпию с действительной энтальпией продуктов сгорания. Поскольку I<I₂₂₀₀ , следовательно, искомая температура горения меньше, чем 2200 ^оС.

Задаемся температурой горения, равной 2100 ^оС. Энтальпия продуктов сгорания при этой температуре

СО₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,102 ∙ 5186,81 = 529,1

Н₂О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,177∙ 4121,79 = 729,6

О₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,020 ∙ 3314,85 = 66,3

N₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,701 ∙ 3131,96 = 2195,5

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3520,5 кДж/м³.

Т.к. I₂₁₀₀<I, то действительная калориметрическая температура горения лежит в пределах 2100 – 2200 ^оС.

Калориметрическая температура горения

 ^оС.

Выполнение домашнего задания/контрольной работы аналогично рассмотренному примеру 2. Варианты задания приведены в приложении А.

---

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 3167; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!