Взаимозаменяемость газов. Число Воббе

Если произвести анализ значений теплоты сгорания различных веществ, главным образом углеводородного ряда, для указанных выше веществ, отнесенная к единице массы, является примерно величиной постоянной. Это обстоятельство объясняется тем, что с увеличением молекулярной массы углеводородов растет не только количество молекул углерода и водорода, участвующих в процессе окисления, но и увеличивается также и плотность углеводородов. Исходя из этих соображений, мы можем с достаточной степенью точности утверждать, даже не зная точно состава углеводородов, входящих в горючий газ, что значение низшей теплоты сгорания будет находиться в интервале 46…50 МДж / кг, а высшей в интервале50…55 МДж/кг. Указанное выше значение в полной мере относится также к жидким углеводородам, в том числе и нефти, бензину, керосину и т.д.

В мире резко возросла добыча газов, расширилась география газовых месторождений. Каждое месторождение имеет свой особенный состав горючего газа, а, следовательно, и теплоту сгорания. В этой связи для того, чтобы газопотребляющие установки работали устойчиво, пришли к проблеме взаимозаменяемости газов.

В мировой практике, в качестве характеристики природных газов, широко используется число Воббе. Это число было введено для определения условий, при которых тепловая мощность газогорелочных устройств остается неизменной при замене одного газа другим.

Рассмотрим формулу для расчета расхода газа через сопло газогорелочного устройства:

, (2.78)

где m - коэффициент расхода (зависит от состава газа и конструкции газового

сопла);

F – площадь выходного отверстия;

Р ₁ и Р ₂ – соответственно давление газа перед соплом и на выходе из него;

r - плотность газа.

Предположим, что газ выходит из газового сопла в атмосферу. Тогда Р ₁ - Р ₂ = = Р_{изб .} – является избыточным давлением газа.

С целью соблюдения постоянства тепловой мощности газогорелочного устройства при замене топлива необходимо обеспечить равенство произведений следующих двух параметров:

(2.79)

где Р_р – тепловая мощность при рабочих условиях;

- соответственно низшая теплота сгорания и расход газа при

рабочих условиях.

Учитывая уравнение (2.78) можно записать:

. (2.80)

Представим теперь вместо значения плотности газа, значение ее величины по отношению к воздуху:

, (2.81)

получим:

. (2.82)

Из этого выражения видно, что в случае равенства давлений газа перед соплом, условием взаимозаменяемости газов по тепловой мощности является следующее отношение:

. (2.83)

Анализируя последнее выражение, следует отметить, что число Воббе не учитывает зависимость коэффициента расхода от состава газа. Иными словами число Воббе характеризует тепловую мощность газогорелочного устройства при постоянном давлении:

. (2.84)

Число Воббе может быть низшим () или высшим ().

При равенстве чисел Воббе имеют место следующие соотношения:

Для низшего числа Воббе:

. (2.85)

Аналогично для высшего числа Воббе:

, (2.86)

где соответственно низшее и высшее числа Воббе;

и соответственно низшая теплота сгорания одного газа и другого;

S ₁ и S ₂ – соответственно относительные (по воздуху) плотности одного газа и другого.

В отдельных случаях, когда не удается получить одинаковые числа Воббе, можно достигнуть взаимозаменяемости газов, изменив давление газа перед газогорелочным устройством. Для этого случая имеется формула для расчета расширенного числа Воббе:

Для низшего числа Воббе:

. (2.87)

Для высшего числа Воббе:

, (2.88)

где Р ₁ и Р ₂ – соответственно давление газа перед соплом газовой горелки

заменяемого газа и заменяющего.

Следует отметить, что при переводе газовой аппаратуры с одного газа на другой используют низшее число Воббе, а при общем рассмотрении взаимозаменяемости газов – высшее число.

Необходимо учесть также, что при определении взаимозаменяемости газов необходимо сохранить не только тепловую мощность, но также следует обеспечить необходимый подсос первичного воздуха и устойчивость горения (горение без проскока пламени и отрыва), а также избежать увеличения выхода вредных веществ при горении. Кроме того, важным фактором является также условие равенства скоростей распространения пламени.

Исходя из приведенных соображений, постоянство числа Воббе является необходимым, но недостаточным условием для взаимозаменяемости газов.

Анализ практических данных по взаимозаменяемости показывает, что эксплуатация газоиспользующих агрегатов без существенных нарушений в работе происходит при изменениях числа Воббе в пределах 5…7% от номинального значения.