Расчет температуры горения

Температура горения зависит от состава горючего материала, условий горения: разбавления продуктов горения избыточным воздухом, температуры воздуха, полноты сгорания исходного горючего материала.

Задача вычисления адиабатической температуры горения сводится к нахождению такой температуры (Т'), при которой наблюдается равенство внутренних энергий исходных веществ и продуктов их горения.

Расчет температуры горения может быть осуществлен так же из уравнения энергетического баланса:

Q_H· (I- η) = V _пг ^пр·C_p· (T_г- T₀),

где:

Q_н - тепло, выделяемое при реакции горения, кДж,

V_пг^пр- объём продуктов полного горения с учетом избытка воздуха, м³.

С_р- средняя объемная теплоёмкость продуктов горения при постоянном давлении; кДж/(м³·К),

Т_г - температура горения, К,

Т₀ - начальная температура, К.

Следовательно, чтобы рассчитать температуру горения, необходимо знать теплоту горения, объём и теплоёмкость продуктов горения.

В первом приближении температуру горения можно рассчитать непосредственно из уравнения теплового баланса, имея в виду, что средняя теплоёмкость продуктов горения в интервале температур 1500 - 2500 К может быть принята равной 1,75 кДж/(м³·К).

При выполнении расчёта температуры горения значения теплоемкостей продуктов горения берут из таблиц, а подсчет производят по методу последовательных приближений, каждый раз определяя теплосодержание продуктов горения при выбранной температуре.

В таблицах 3 и 4 приведены энтальпии газов - С_рТ, отнесённые к молю или м³.

Важно иметь в виду, какой таблицей пользоваться, что зависит от того, в чем рассчитано количество продуктов горения (кмоль или м³).

Низшая теплота сгорания горючего принимается по справочной литературе, а также может быть определена расчетным методом. В настоящей работе допускается использовать теплоту сгорания рассчитанную в п.2.4.

В общем виде алгоритм вычисления температуры горения можно представить следующим образом:

1. Рассчитывается низшая теплота горения вещества;

2. Вычисляется количество продуктов горения, образующихся из единицы массы или объема горючего вещества.

3. Определяется средняя энтальпия (теплосодержание) продуктов горения с учетом теплопотерь в окружающую среду;

4. По значению средней энтальпии продуктов горения, с помощью справочной литературы по таблицам «Теплосодержание газов при постоянном давлении», ориентируясь на азот, приближенно определяем температуру горения.

5. Методом итераций (последовательных приближений) вычисляется температура горения: определяют теплосодержание продуктов горения при выбранной температуре, затем сравнивают ее с количеством тепла, выделяющегося при горении с учетом теплопотерь. Далее или понижают или повышают предполагаемую температуру горения и снова определяют теплосодержание ПГ. Снова сравнивают с количеством тепла, выделяющегося при горении с учетом теплопотерь. Так до тех пор, пока не будет определен интервал температур, в котором находится искомая температура горения. После этого методом интерполяции определяют температуру горения при заданных условиях.

Если потери теплоты не учитывались, то получается адиабатическая, а если учитывались, то - действительная температура горения.

Таблица 3. Теплосодержание газов при различных температурах (кДж/кмоль)

Температура воздуха (Т-273)К	Теплосодержание, кДж/кмоль
Кислород	Азот	Воздух	Углекислый газ	Вода	Оксид серы
	15678.9	14945.7	15058.8	22303.4	17828.4	23275.4
	19072.9	18104.9	18255.8	27473.8	21733.5	28533.9
	22521.2	21331.3	21524.0	32795.1	25772.7	33876.1
	26019.9	24616.2	24842.5	38237.9	29937.5	39385.5
	29564.6	27955.7	28211.3	43785.5	34232.3	44799.5
	33142.9	31337.0	31621.9	49442.0	38648.5	50321.9
	36750.5	34760.2	35074.5	55140.4	43198.9	55907.2
	40391.6	38221.2	38560.6	60922.6	47807.9	61492.4
	44036.9	41719.8	42067.6	66788.6	52584.5	67161.5
	47724.1	45252.0	45629.1	72654.6	57403.0	72797.1
	51453.2	48771.6	49190.6	78562.5	62347.2	78436.8
	55182.3	52375.0	52794.0	84554.2	67333.3	84135.2
	58953.3	55936.5	56397.4	90545.9	72445.1	89821.0
	62766.2	59539.9	66000.8	96579.5	77598.8	95557.1
	66579.1	63143.3	63646.1	102613.1	82794.4	101184.3
	70392.0	66788.6	67333.3	108646.7	88073.8	107012.6
	74246.8	70433.9	71020.5	114722.2	93395.1	112715.2
	78101.6	74121.1	74707.7	120839.6	98758.3	118451.3
	81998.3	77766.4	78394.9	126915.1	104163.4	124220.9
	85936.9	81453.6	82124.0	133032.5	109631.3	130024.1
	89875.5	85140.8	85853.1	139149.9	115141.1	135756.0
	94015.2	89003.9	89330.8	145325.9	119398.2	141513.0
	97857.4	92653.5	93105.9	151481.1	124782.4	147295.2

Таблица 4. Теплоемкость газов при различных температурах (кДж/м³)

Температура воздуха (Т-273)К	Теплосодержание, кДж/кмоль
Кислород	Азот	Воздух	Углекислый газ	Вода	Оксид серы
	669.3	666.6	672.0	925.1	586.2	1034.9
	850.6	807.8	814.5	1225.6	969.5	1269.6
	1004.7	951.9	960.3	1463.1	1149.7	1507.5
	1160.6	1098.2	1108.2	1706.2	1335.3	1746.4
	1319.0	1206.9	1258.7	1953.8	1527.2	1994.8
	1478.6	1398.2	1410.7	2205.2	1724.2	2237.4
	1639.5	1551.1	1564.9	2460.4	1926.5	2488.8
	1802.1	1705.3	1720.4	2718.5	2133.9	2735.2
	1965.1	1861.2	1877.5	2979.1	2345.5	2979.5
	2129.8	1808.8	2035.5	3241.4	2560.9	3238.0
	2295.7	2176.7	2194.7	3505.7	2781.3	3488.2
	2462.4	2335.5	2355.2	3771.4	3004.2	3747.5
	2630.5	2495.9	2515.7	4039.6	3231.7	4003.1
	2799.7	2656.9	2678.2	4307.3	3461.3	4161.2
	2669.4	2818.2	2840.4	4579.5	3693.5	4529.8
	3140.8	2979.9	3004.2	4847.8	3928.5	4667.6
	3311.7	3142.9	3167.6	5118.2	4166.1	5059.4
	3497.8	3306.3	3332.3	5392.5	4405.8	5337.2
	3559.1	3469.3	3497.4	5660.7	4667.1	5608.7
	3834.3	3633.1	3663.3	5933.0	4890.9	5892.8
	4009.8	3797.4	3828.8	6209.6	5136.5	6169.8
	4184.9	3553.9	3988.4	6487.4	5387.1	6460.1
	4368.9	4135.9	4156.5	6761.8	5639.3	6753.8

Пример: Вычислить действительную температуру горения анилина С₆Н₅NH₂, если потери тепла излучением составляют 20 %, а горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,1.

1. Составляем уравнение реакции горения анилина:

С₆Н₅NH₂ + 7,75(O₂ + 3,76 N₂) = 6 CO₂ + 3,5 H₂O + 7,75×3,76 N₂ + 0,5 N₂

2. По уравнению реакции горения определяем количество киломоль продуктов горения:

Поскольку в рассматриваемом случае горение протекает с избытком воздуха (), необходимо учесть остаточный кислород в продуктах сгорания и азот в избытке воздуха:

Таким образом, практический состав продуктов сгорания следующий:

Определяем общее количество продуктов сгорания при сжигании 1 киломоля горючего:

3. Определяем среднее теплосодержание продуктов горения

Теплота горения анилина составляет:

Q_гор = 32386, кДж/кг

Поскольку расчет ведется на 1 кмоль, необходимо перевести эту величину в кДж/кмоль:

кДж/кмоль

По условию задачи теплопотери составляют 20 %, следовательно, h = 0,2.

Q_ПГ = 3011898 (1 – 0,2) = 2409518,4кДж/моль

Среднее теплосодержание продуктов горения:

Q_ср = 56270,8кДж

4. По справочным данным, ориентируясь на азот (табл. 4), определяем Т₁ = 1700⁰С

5. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения

Q_ПГ¹⁷⁰⁰ = 90545,9×6 + 72445,1×3,5 + 55936,5×32,54 + 58953,3·0,775= 543275,4+253557,85+1820173,71+45688,8=2662696 кДж

Q_ПГ¹⁷⁰⁰ = 2662696 > Q_ПГ= 2409518,4, следовательно, выбираем Т₂ = 1600⁰С

Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 1600⁰С.

Q_ПГ¹⁶⁰⁰ =84554.2·6+67333,3·3,5+52375·32,54+55182,3·0,775=2490041кДж

Q_ПГ¹⁶⁰⁰ = 2490041 > Q_ПГ= 2409518,4, следовательно, выбираем Т₃ = 1500⁰С

Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 1500⁰С.

Q_ПГ¹⁵⁰⁰ =78562.5·6+62347.2·3,5+48771.6·32,54+51453.2·0,775=2316494кДж

Q_ПГ¹⁵⁰⁰ = 2316494 < Q_ПГ= 2409518,4, следовательно температура горения находится в интервале от 1500 до 1600⁰С.

6. Методом интерполяции рассчитываем температуру горения:

1553

Ответ: температура горения анилина при заданных условиях составляет 1553 К.

Если потери тепла не учитывались, то получаем адиабатическую температуру горения, а если учитывались, то - действительную температуру горения вещества.

Пример 2. Вычислить действительную температуру горения горючего сланца следующего состава: С – 35 %, Н – 5 %, О – 10 %, S – 4 %, N – 1 %, W – 15 %, зола – 30 %. Потери тепла излучением составляют 10 %, а горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,2. Условия нормальные.

1. Определяем объем каждого компонента продуктов горения 1 кг горючего сланца.

V(СО₂) = = 0,651 м³

V(H₂O) = = 0,746 м³

V(SО₂) = = 0,028 м³

V(N₂) = = 3,455 м³

V_ПГ = 0,651 + 0,746 + 0,028 + 3,455 = 4,88 м³

2. Горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,2, следовательно, в состав продуктов горения будет входить избыточный воздух.

Определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной массы образца угля:

V_в^теор = = 4,28 м³

Определяем избыток воздуха:

DV_в= V_в^теор(a -1) = 4,28×(1,2 – 1) = 0,856 м³

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

V_ПГ^* = V_ПГ+ DV_в = 4,88 + 0,856 = 5,736 м³

3. Рассчитываем Q_н по формуле Д.И. Менделеева.

Q_н = 339,4×35 + 1257×5 – 108,9×(10 + 1 – 4) – 25,1×(9×5 + 15) = 15881,7 кДж/кг

4. С учетом теплопотерь определяем теплосодержание продуктов горения:

Q_ПГ = 15881,7 (1,1 – 1) = 14293,53 кДж/кг

5. Определяем среднее теплосодержание продуктов горения:

Q_ср = 2480,22 кДж/м³

По таблице 3, ориентируясь на азот, определяем Т₁ = 1500⁰С.

6. Определяем теплосодержание продуктов горения при 1500⁰С:

Q_ПГ¹⁵⁰⁰ = 3505,7×0,651 + 2781,3×0,746 + 2176,7×3,455 + 3488,2×0,028 + 2194,7×0,856 = 13853,889 кДж

7. Q_ПГ¹⁵⁰⁰ = 13853,889 < Q_ПГ = 14293,53, следовательно, выбираем Т₂ = 1600⁰С.

8. Определяем теплосодержание продуктов горения при 1600⁰С:

Q_ПГ¹⁶⁰⁰ = 3771,4×0,651 + 3004,2×0,746 + 2335,5×3,455 + 3747,5×0,028 + 2355,2×0,856 = 14886,44 кДж

9. Q_ПГ¹⁶⁰⁰= 14886,44 > Q_ПГ = 14293,53, следовательно, температура горения вещества находится в интервале от 1500 до 1600⁰С.

10. Определяем температуру горения:

Т_Г=1500 + = 1556⁰С = 1829 К

Ответ: температура горения горючего сланца при заданных условиях составляет 1829 К.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

11 12 13 14 15 16 17

Подборка статей по вашей теме: