Энтальпии продуктов сгорания

Энтальпией продуктов сгорания I называется количество теплоты, которое надо сообщить этим продуктам, чтобы нагреть их при постоянном давлении от 0 до h°С. Соответственно, если продукты сгорания охладить, то они отдадут теплоту. Например, при охлаждении газов от h₁ до h₂ они отдадут теплоту, равную

,
где	I ₁ и I ₂	–	энтальпия газа при температуре h₁ и h₂ соответственно.

Энтальпией газов удобно пользоваться в тепловых расчетах котлов, когда необходимо определить количество теплоты, w которое газы, охлаждаясь, отдают поверхностям нагрева. Энтальпию газов I относят к количеству продуктов сгорания, образующихся от сгорания 1 кг топлива, поэтому размерность энтальпии Дж/кг или МДж/кг.

Продукты сгорания являются смесью газов, нагретых до одинаковой температуры. Энтальпию смеси можно подсчитать, если известны объем и теплоемкость каждого компонента смеси, а также ее температура.

23. Температура сгорания

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, воспринимается продуктами сгорания, которые нагреваются до определенной температуры, называемой температурой горения.

В реальных условиях не все тепло, выделяющееся при горении, идет на нагрев продуктов сгорания, так как часть тепла теряется в окружающую среду и некоторое количество тепла теряется из зоны горения излучением. Кроме того, при высоких температурах происходит диссоциация части продуктов сгорания, сопровождающаяся поглощением тепла (эндотермические реакции).

24. Камера сгорания ГТУ

В камерах сгорания внутренняя энергия топлива при сжигании преобразуется в потенциальную энергию рабочего тела. В современных ГТУ используется жидкое или газообразное топливо. Для сжигания топлива необходим окислитель, которым служит кислород воздуха. Воздух повышенного Давления поступает в камеру сгорания после компрессора.

При сжигании топлива образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, которые перемешиваются с дополнительным количеством воздуха. Образующийся горячий газ (рабочее тело) направляется в газовую турбину

20. Рис.1. Камера сгорания ГТУ:
1 - подвод топлива, 2 - регистр, 3 — пламенная труба,
4 - смеситель, 5 - зона смешения, 6 - зона горения,
7 - корпус, 8 - топливораздающее устройство (форсунка)

Простейшая камера сгорания газотурбинной установки (рис.1) состоит из топливораздающего устройства 8, регистра первичного воздуха 2, пламенной трубы 3 и смесителя 4, которые размещаются в корпусе 7. Корпус нагружен давлением изнутри.

Топливораздающее устройство (горелка или форсунка) 8 подает топливо в зону горения 6. Весь воздух, подаваемый в камеру сгорания, разделяется на два потока. Меньшая часть воздуха (первичный воздух) в количестве, необходимом для поддержания процесса горения, поступает через регистр 2 в зону горения. Большая часть воздуха (вторичный воздух) в процессе горения не участвует, а проходит между корпусом 7 и пламенной трубой 3, охлаждая ее. Затем, пройдя через смеситель 4, этот воздух перемешивается с продуктами сгорания в зоне смешения 5, охлаждая их до заданной температуры.

Конструкция камеры сгорания газотурбинных установок зависит от назначения и схемы ГТУ, параметров ее цикла и вида топлива. Вместе с тем существует ряд признаков, по которым можно разделить камеры сгорания ГТУ на несколько типов.

Виды и типы камер сгорания газотурбинных установок

Так, камеры сгорания бывают выносные и встроенные. Выносные располагаются вне корпусов турбины и компрессора и соединяются с ними или регенератором трубопроводами, а встроенные находятся непосредственно в корпусе.

Выносные камеры сгорания, чаще всего используемые в стационарных ГТУ и реже на транспортных (судовых локомотивных и автомобильных), хорошо компонуются с регенератом

25. Требования, предъявляемые к камерам сгорания ГТУ

К камерам сгорания предъявляются следующие требования:

1) в них должно происходить устойчивое горение топлива на всех режимах работы ГТУ, без срывов, опасных пульсаций и затухания пламени;

2) поле температур в газовом потока перед турбиной должно быть достаточно равномерным во избежание местных перегревов и повреждений сопел и лопаток;

3) для увеличения срока службы они должны иметь надежное охлаждение, особенно наиболее нагретых частей;

4) высокая экономичность на всех режимах работы ГТУ;

5) возможно меньшее гидравлическое сопротивление;

6) надежный запуск;

7) по конструкции они должны быть удобными и безопасными в эксплуатации, технологичными в недорогими в изготовлении;

8) камеры сгорания ГТУ передвижных и транспортабельных электростанций, кроме того, должны иметь еще возможно меньшую массу и габариты.

Камеры сгорания современных ГТУ работают на газообразном топливе (в основном это природные газы) и на различных сортах жидкого топлива; газойле, керосине, дизельном топливе, солярном масле, дистилляте. Проблема сжигания в камерах сгорания твердого топлива пока не решена, но в этом направлении ведутся исследовательские работы.

26. Основные показатели работы камер сгорания ГТУ

1 Тепловая мощность камеры сгорания, кВт

Тепловая мощность Q_KC выражается количеством тепла, которое выделяется в единицу времени при полном сгорании топлива:

где В - расход сжигаемого топлива, кг/с: - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.

2. Объемная теплонапряженность q, кВт/м³

Характеризует компактность, а значит, и эффективность использования объема камеры сгорания:

q = Q_кс / V_к = / V_к,

где V_к - объем камеры сгорания, м³; принимается обычно равным объему пламенной (жаровой) трубы.

С повышением давления в камере мощность и теплонапряженность ее увеличивается, так как при этом возрастает массовый расход воздуха через камеру, а следовательно, и расход сжигаемого топлива. Поэтому при оценке камер сгорания их объемную теплонапряженность обычно берут относительно к давлению в камере, т.е.

q_p = / (V_к×P_в)

где P_в - давление на входе в камеру сгорания, МПа

Потери энергии в камерах сгорания состоят из тепловых потерь и потерь давления.

3. Тепловой КПД камеры сгорания, учитывающий все тепловые потери:

(),

где - потери теплоты от неполного сгорания топлива (химический и физический недожог). У современных камер сгорания эти потери не должны превышать 1…5% общего расхода теплоты при работе на всем диапазоне рабочих нагрузок и 1…3% при работе на рабочей нагрузке; - потери за счет отдачи теплоты в окружающее пространство нагретой поверхностью камеры и примыкающих к ней трубопроводов. Эти потери обычно составляют не более 0,5 % расхода теплоты.

В существующих камерах сгорания тепловой КПД при работе на расчетном режиме = 0,97…0,99.

4. Полные потери давления в камере сгорания складывается из следующих составляющих:

а) гидравлических потерь, которые возникают без подвода теплоты в камере в результате потерь на трение при прохождении газового потока и местных сопротивлений от воздухонаправляющих ребер, завихрителей и т.д. Эти потери определяются при холодной продувка камеры:

б) дополнительных потерь давления, вызванных нагревом газа при сгорании топлива в камере. Плотность газа в этом случае уменьшается, а скорость газового потока увеличивается. Процесс снижения давления в газовом потоке при подводе теплоты подробно рассматривается в курсе газовой динамики.

Полные потери давления принято выражать в долях или процентах по отношению к давлению полного торможения воздуха на входе в камеру. В современных конструкциях камер сгорания полные потери давления обычно бывают в пределах n_кс=1…3 %. Потери давления в камере сгорания снижают КПД ГТУ. Это можно учесть с помощью аэродинамического КПД камеры сгорания h⁰_кс, который обычно составляет h⁰_кс = 0,98…0,99%.

Общий КПД камеры сгорания можно представить в виде произведения

h_кс= h^т_кс h⁰_кс.

У современных камер сгорания h_кс = 0,95…0,98.

5. Общий коэффициент избытка воздуха в камере сгорания

a = G_в / (B×L₀),

где G_в и В - соответственно расход воздуха и топлива в камере, кг/с; L₀ - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива, рассчитанному по элементному составу топлива.

Как уже отмечалось, в современных ГТУ a = 4…8.

Непосредственно в процессе сгорания участвует не все количество воздуха G_в, а только часть его - первичный воздух, поступающий в зону горения.