Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Физико-химические основы горения топлива

1. Исходные данные для проектирования.

Курсовой проект выполняется на основании задания на проектирования.

Задание №13

Состав природного газа:

СН₄-84,41%

С₂Н₆-6,72%

С₃Н₈-1.77,%

С₄Н₁₀-0,43%

С₅Н₁₂-0,27%

Н₂S-0,36%

N₂-2,59%

СО₂-0,28%

Влагосодержание топлива d_T=0,01 мг/м³

Коэффициент избытка воздуха α_B=1,1

Влагосодержание воздуха d_B=0,015 мг/м³

Температура смеси Т_о=450 К

Давление смеси 101,3 кПа

Высота топки 4000 мм

Диаметр топки 3000 мм

2. Определение состава продуктов полного сгорания топлива.

Теоретическое количество кислорода, необходимого для сгорания 1м³ топлива, определяется по формуле:

где: H₂S, - процентное содержание сероводорода в 1м³ топлива;

C_nH_m- процентное соотношение i-го углеводорода в 1м³ топлива;

n, m – число атомов соответственно углерода и водорода в химической формуле 1-го углеводорода.

Так как в атмосфере воздуха содержится 21% кислорода, количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания 1 м³ топлива, будет в 1/0,21=4,76 раза больше чем кислорода:

Количество двуокиси углерода, образующейся при полном сгорании 1 м³ газового топлива, определяется по следующей зависимости:

где: СО_2Т, - процентное содержание двуокиси углерода в балансе топлива;

Количество сернистого газа, образующемся при сгорании 1 м³ топлива:

Количество водяных паров, образующихся при сгорании 1м³ топлива:

Количество кислорода, входящих в состав продуктов сгорания при α_B>1 .

Количество азота, образующийся при сгорании 1м³ топлива:

где: N_2Т - процентное содержание азота в балансе топлива;

Полный объём продуктов сгорания 1м³ топлива:

где: V_сух- объём сухих продуктов сгорания.

Результаты расчёта сводятся в таблицу 1

Таблица 1

a_в	Выход продуктов сгорания, м³
a_в	H₂О	СО₂	SO₂	N₂	О₂	V_сух	V_Г
a_в=1	2,20	1,06	0,004	7,77	0	8,84	11,04
a_в=a_{в зад}	2,2	1,06	0,0036	8,85	0,214	9.83	12,03

Для проверки результатов вычислений выполняется расчёт состав продуктов полного сгорания природных газов. Результаты расчёта сводятся в таблицу 2

Таблица 2

Компоненты газо-воздушной смеси и уравнения реакций горения		Расход воздуха, м³		Выход продуктов горения, м³
Компоненты газо-воздушной смеси и уравнения реакций горения		O₂	N₂	CO₂	H₂O	N₂	O₂	SO₂
СН₄	0,8441	1,688	6,348	0,844	1,688	6,348	-	-
С₂H₆	0,0672	0,235	0,884	0,134	0,202	0,884	-	-
С₃H₈	0,0177	0,089	0,333	0,053	0,071	0,333	-	-
С₄H₁₀	0,0043	0,028	0,105	0,017	0,022	0,105	-	-
С₅Н₁₂	0,0027	0,022	0,081	0,014	0,016	0,081	-	-
H₂S	0,0036	0,005	0,020	-	0,004	0,020	-	0,004
Итого для горючих компонентов топлива при α_B=1,0		1	2,07	1,06	2,00	7,77		0,004
Итого для горючих компонентов топлива при α_B=1,0		9,84		1,06	2,00	7,77		0,004
СО₂ N₂ Водяной пар в 1м³ топлива (d_т, кг/м³)				0,0028	-	-	-	-
				-	-	0,0259	-	-
		-		-	0,0124	-	-	-
Избыточный воздух с содержанием пара d_в, кг/м³		0.984		-	0,201	0,777	0,21	-	-	-
Итого для газо-воздушной смеси		10,822		1,0628	2,0124	8,5745	0,2066	0,004

3. Определение адиабатной температуры горения газовой смеси

3.1 Определение адиабатной температуры горения газовой смеси,

при постоянном объёме.

где: r_i-доля компонента

Q_нi-теплота сгорания i-го компонента.

Т_Т=Т_В=Т_о=450 К=176,85 ⁰С

где: V_g. C_Vg- количество и средняя в диапазоне 0…Т_а изохорная объёмная теплоёмкость g-го компонента продуктов сгорания.

Т_а^пр=800 ⁰С

Т_а^пр=1000 ⁰С

Т_а^пр=1200 ⁰С

Т_а^пр=1400 ⁰С

Т_а^пр=1600 ⁰С

Т_а^пр=1800 ⁰С

Т_а^пр=2000 ⁰С

Т_а^пр=2200 ⁰С

Т_а^пр=2400 ⁰С

Т_а^пр=2600 ⁰С

По данным значениям строится график 1, по которому вычисляется истинное значение Т_а.

Рис 1. График зависимости адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном объёме.

По графику Т_а= 2400 °С

3.2 Определение адиабатной температуры горения газовой смеси,

при постоянном давлении.

где: V_g. C_Рg- количество и средняя в диапазоне 0…Т_а изобарная объёмная теплоёмкость g-го компонента продуктов сгорания.

Т_а^пр=800 ⁰С

Т_а^пр=1000 ⁰С

Т_а^пр=1200 ⁰С

Т_а^пр=1400 ⁰С

Т_а^пр=1600 ⁰С

Т_а^пр=1800 ⁰С

Т_а^пр=2000 ⁰С

Т_а^пр=2200 ⁰С

По данным значениям строится график 2, по которому вычисляется истинное значение Т_а.

Рис 1. График зависимости адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном давлений.

По графику Т_а= 2000 °С

4. Определение основных параметров адиабатного воспламенения

Анализ параметров адиабатного воспламенения удобнее производить в безразмерных величинах.

Безразмерная температура:

Безразмерная концентрация:

Критерий Аррениуса (мера реакционной способности смеси):

Чем больше Аrr, тем труднее протекает реакция горения смеси.

Безразмерное время:

4.1 Определение основных параметров адиабатного воспламенения и

горения газовой смеси, при постоянном объеме.

Безразмерная температура для изохорного процесса, определяется по формуле:

где: Т_о - начальная температура газовой смеси Т₀=450К

Т_А - адиабатная температура горения газовой смеси, при постоянном объеме.

Т_А=2400+273=2673 К

Критерий Аррениуса, определяется по формуле:

где: Е-энергия активации, принимается Е=124024, КДж/моль

R- универсальная газовая постоянная, КДж/мольК

Определяется безразмерное время индукции адиабатного теплового воспламенения.

где: - температура воспламенения в момент

Определяется теплота в точке максимума тепловыделения:

Безразмерные величины переводятся в размерные:

Определяем период горения (время резкого роста температуры периода индукции):

а) безразмерный период:

Dx_г = (1-q₀)/(1-q^*)*ехр(Arr/q^*) = (1- 0,168)/(1-0,865)*ехр(5,57/0,865) = =3727,59;

б) реальный период:

Dt_г = Dx_г/k₀ = 3727,59/5,58*10³² = 7,44*10^-30, с;

4.2 Определение основных параметров адиабатного воспламенения и

горения газовой смеси, при постоянном давлении.

Безразмерная температура для изобарного процесса, определяется по формуле:

где: Т_о- начальная температура газовой смеси Т₀=450К

Т_А- адиабатная температура горения газовой смеси, при постоянном давлении

Т_А=2000+273=2273 К

Критерий Аррениуса, определяется по формуле:

где: Е-энергия активации, принимается Е=124024, КДж/моль

R- универсальная газовая постоянная, КДж/мольК

Определяется безразмерное время индукции адиабатного теплового воспламенения.

где: - температура воспламенения в момент

Определяется теплота в точке максимума тепловыделения:

Безразмерные величины переводятся в размерные:

Определяем период горения (время резкого роста температуры периода индукции):

а) безразмерный период:

Dx_г = (1-q₀)/(1-q^*)∙ехр(Arr/q^*) = (1- 0,197)/(1-0,8815)∙ехр(6,56/0,8815) = = 11402,45;

б) реальный период:

Dt_г = Dx_г/k₀ = 11402,45/6,91*10³² = 1,901*10^-29, сек.

Предэкспонента К₀, определяется по формуле:

где: R- универсальная газовая постоянная, КДж/мольК

Т₀-начальная температура смеси, К

Е- энергия активации реакций метана в смеси с воздухом перед воспламенением, Е=124024, КДж/моль,

Т_А-аддиабатная температура горения газовой смеси, при постоянном объёме, или давлении,⁰К

Определяется значение предэкспонента К₀ для изохорного процесса.

Определяется значение предэкспонента К₀ для изобарного процесса.

5. Расчёт коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи

многокомпонентной газовой смеси.

5.1 Определение коэффициентов теплопроводности.

Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры смеси выражается формулой Сазерленда, однако при достижении достаточно высоких температур, условно можно принять:

l=l_о∙(Т_о/T_А)^0,5

Для определения l_о используется формула Масона-Саксена:

где: l_m-коэффициент теплопроводности m-го компонента смеси;

r_m, r_j - объемные доли m-го и j-го компонентов смеси;

где : m_rj, m_rm - молекулярные массы j-го и m-го компонентов смеси;

h_j, h_m - коэффициенты динамической вязкости j-го и m-го компонентов смеси.

Значения m, h и l приводятся в справочной литературе.

Расчёт lо ведётся по программе Microsoft Exel

l_о=0,026 Вт/(м²К)

Так как коэффициент теплопроводности зависит от температуры, то l для процессов с постоянными объемом и давлением определяется по формуле:

l= l_о*(T_о/Т_А)^0,5,

При постоянном давлении Р=const:

При постоянном объёме V=const:

5.2 Определение фиктивного коэффициента теплоотдачи.

Фиктивный коэффициент теплоотдачи a определяется по формуле:

a=4∙l/R₀,

где: l - коэффициент теплопроводности газовой смеси

R₀ - радиус сосуда в котором находится данная смесь

при постоянном давлении

при постоянном объёме

6. Расчёт пределов распространения пламени горючей смеси с

учётом химической кинетики и реакции горения.

Верхним и нижним концентрационным пределом распространения пламени называется максимальное и минимальное содержание горючего в его смеси с окислителем, при котором возможно распространение пламени в смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Минимальное флегматизирующее содержание индивидуальных инертных компонентов, определяется по формуле:

где: стандартная теплота образования горючей части газа, при 25 ⁰С, кДж/моль

т_с, т_н, т_о-число атомов углерода, водорода и кислорода в условной формуле горючей части газа.

Количество С в горючей смеси: 1+2+3+4+5=15

Количество Н в горючей смеси: 4+5+8+10+12+2=42

Число атомов углерода в условной формуле горючей части газа, определяется по формуле:

где: С_пр,, с_пр, С_непр, с_непр Н_пр,, н_пр, Н_непр, н_непр -число атомов углерода, водорода и количество предельных и непредельных углеводородов.

С_гор- сумма горючих компонентов

Стандартная теплота образования горючей части газа, при 25 ⁰С, кДж/моль, определяется по формуле:

где: -теплота образования и количество предельных и непредельных углеводородов.

Минимальное флегматизирующее содержание всех инертных компонентов, находящихся в газе, определяется по формуле:

где: минимальное флегматизирующее содержание индивидуальных инертных компонентов, %

К_ф-коэффициент флегматизации

Коэффициент флегматизации определяется по формуле:

где: , - коэффициенты флегматизации;

, – минимальное флегматизирующее содержание индивидуальных инертных компонентов, %

Коэффициенты флегматизации минимальное содержание индивидуальных инертных компонентов определяются по формулам:

Значения коэффициентов Аи В находятся по формулам:

где: Н₂, СО, С_пр, С_непр, N₂, СО₂, Н₂О и О₂ – объёмные доли газов, предельных и непредельных углеводородов в смеси, %; С_гор – сумма горючих компонентов, %;

, , , , , , , – соответственно, нижний и верхний пределы распространения пламени газов;

К_ф и f_ф - коэффициент флегматизации и минимальное флегматизирующее содержание всех инертных компонентов, находящихся в газе; Δ - поправка, учитывающая содержание кислорода в газе, %.

Δ – поправка, учитывающая содержание кислорода в газе, %.

Δ=0, т.к О₂=0

Пределы распространения пламени определяются следующими соотношениями:

т.к. температура газовоздушной среды отлична от 25⁰С, то нижний и верхний пределы распространения пламени рассчитывают по формулам:

7. Расчёт процессов распространения пламени.

Интенсивность процесса распространения пламени в неподвижных или ламинарно движущихся горючих смесях характеризуется нормальной скоростью распространения пламени и массовой скоростью горения.

1. Нормальная скорость распространения пламени и_n-линейная скорость перемещения элементов фронта пламени относительно свежей смеси в направлении нормали к ним.

Нормальная скорость распространения пламени, определяется по формуле:

где: А-безразмерный коэффициент, который зависит от начальной температуры смеси, температуры горения и кинетики реакции горения;

а_см - температуропроводность смеси

-время химической реакции во фронте пламени.

Расчёт нормальной скорости по данному соотношению затруднён, поэтому значения и_р определяют эксперементально.

2. Массовая скорость горения и_м- количество горючей смеси сгорающую в единицу времени на единице поверхности фронта пламени.

Массовая скорость горения и_м, определяется по формуле:

где: плотность горючей смеси.

Плотность смеси определяется по формуле:

ρ_см=0,01∑ V_iρ_i,

ⁱ⁼¹

где: V_i – объем газа, %

n- количество компонентов

-плотность отдельных компонентов

ρ_см=0,01∙ (84,41∙0,717+6,72∙1,356+1,77∙2,019+0,43∙2,702+0,27∙1,977+

+0,36∙1,251)=0,75 кг/м³

Для газообразных горючих смесей, состоящих из родственных компонентов, нормальная скорость подчиняется закону аддитивности. Её максимальное значение для конкретной горючей смеси определяется формулой:

где: -максимальные скорости для нормального горения для газовоздушных смесей каждого из компонентов горючего.

Z_i-объёмные процентные содержания в сложной газовоздушной смеси простых (двойных) смесей с составом, соответствующим для каждой смеси, %

где: r_i-объёмное содержание горючих газов в сложном несбалансированном газе;

объёмные процентные содержания горючих компонентов в простых газовоздушных смесях, соответствующие ,%

объёмное процентное содержание сложного газа в газовоздушной смеси, %

Объёмное процентное содержание сложного газа в газовоздушной смеси, определяется по формуле:

Если в газе содержится балласта более 5%, то вводится поправка:

где: N₂, СО₂-процентные содержания азота и диаксида углерода в горючем газе, %

Балласт: N₂+CО₂=2,59+0,28=2,87%<5%, поправка не вводится.

8. Список используемой литературы.

1. Методическое пособие “Последовательность расчётного определения параметров самовоспламенения природного газа” В. Н. Диденко, Ижевск, 1996 г.

2. Методическое пособие “Воспламенение природных газов (основное положения)” В. Н. Диденко, Ижевск, 1996 г.

3. Методическое пособие ”Определение состава продуктов полного сгорания топлива” В. Н. Диденко.

4. Ионин В. А. “Газоснабжение”, М., Стройиздат, 1989 г.

5. Методическое пособие “Расчет состава и температуры продуктов сгорания природного газа с учетом диссоциаций”. Ижевск ИжГТУ 1998 г.