КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА. Теоретические вопросы (13) Как определяют объём продуктов сгорания

• Название: Теоретические вопросы (13) Как определяют объём продуктов сгорания
• Дата: 11.04.2023
• Размер: 298 Kb.
• Имя файла: КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА.docx
• Тип: Контрольная работа; #1054757
• страница: 1 из 3

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА (ОСНОВЫ СЖИГАНИЯ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА)

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

1. (1/3) Как определяют объём продуктов сгорания?

Ответ:

При полном сжигании топлива в теоретических условиях образуются продукты сгорания, представляющие собой газовую смесь, состоящую из СО₂, SO₂, N₂, Н₂О. Диоксид углерода и сернистый ангидрид принято объединять и называть «сухие трехатомные газы», обозначая через RO₂, т.е.

RO₂ = CO₂ + SО₂.

Теоретический объем азота в продуктах сгорания (м³/кг):

.

Наличие водяных паров впродуктах сгорания обусловлено горением водорода и испарением влаги, содержащейся в топливе, а также влаги, поступающей вместе с воздухом.

Теоретический объем водяных паров (м³/кг):

.

В уравнении влагосодержание воздуха d₀ = 10 г/кг.

При сжигании газообразного топлива теоретический объем трёхатомных газов (м³/м³):

.

Теоретический объем азота (м³/м³):

.

Теоретический объем водяных паров (м³/ м³):

,

где d_Г.ТЛ. – влагосодержание газообразного топлива, г/м³.

2. (1/13) Особенности кинетического метода сжигания.

Ответ:

При кинетическом сжигании предварительно (до начала воспламенения) готовится однородная, горючая газовоздушная смесь, содержащая воздух в несколько большем количестве, чем это требуется по стехиометрическим соотношениям. Сгорание такой смеси происходит в коротком "жестком" прозрачном факеле, без видимых границ пиролитических процессов, приводящих к термическому распаду углеводородов и образованию в пламени сажистых частиц, что вызывает свечение пламени в желтой части спектра.

Процесс кинетического горения может протекать при почти неограниченной объемной плотности теплового потока в зоне горения и практически без химического недожога. Недостатками кинетического принципа сжигания являются:

- малая устойчивость пламени в отношении его отрыва и проскока;

- невозможность регулирования скорости горения смеси;

- трудность сжигания газа с предварительно нагретым воздухом.

Обычно для сжигания газа по этому принципу применяются специальные смесители или ннжекционные горелки, обеспечивающие приготовление однородной газовоздушной смеси с коэффициентом избытка первичного воздуха (α₁ = 1,02....1,05).
3. (2/3) Как осуществляется смешение газа с воздухом в инжекционных горелках (два первых вида горелок)?

Ответ:

 В инжекционных горелках воздух для горения засасывается (инжектируется) за счёт энергии струи газа и их взаимное смешение происходит внутри корпуса горелки . Иногда в инжекционных газовых горелках подсасывание необходимого количества горючего газа, давление которого близко к атмосферному, осуществляется энергией струи воздуха. В горелках полного смешения (с газом перемешивается весь необходимый для горения воздух), работающих на газе среднего давления, образуется короткий факел пламени, а горение завершается в минимальном топочном объёме. В инжекционные газовые горелки частичного смешения поступает только часть (40-60%) требующегося для горения воздуха (первичный воздух), который и смешивается с газом. Остальное количество воздуха (вторичный воздух) поступает к факелу пламени из атмосферы за счёт инжектирующего действия газо-воздушных струй и разрежения в топках. В отличие от инжекционных газовых горелок среднего давления, в горелках низкого давления образуется однородная газо-воздушная смесь с содержанием газа больше верхнего предела воспламенения; эти газовые горелки устойчивы в работе и имеют широкий диапазон тепловой нагрузки.

 

4. (3/3) Как рассчитывают турбулентные горелки? На что обращают внимание при их расчете?

Ответ:

Горелка газовая турбулентного смешения - горелка, у которой смесеобразование, осуществляемое за счет турбулентной диффузии, начинается в устье и завершается в топочной камере. Горелка газовая турбулентного смешения — горелка с незавершенным (до поступления в топку) предварительным смешением газа с воздухом.

При расчете диффузионных горелок необходимо учитывать следующие особенности процесса горения:

В условиях развитой турбулентности газового потока относительная длина диффузионных факелов зависит от ряда факторов: теоретиче­ского расхода воздуха на горение, вязкости газа, начальной интенсивности турбулентности потоков газа и воздуха, начальной температуры газа и воздуха, соотношения начальных скоростей газа и воздуха, калибра горелки и т. п.

Исходными данными для расчета диффузионной газовой горелки является ее тепловая мощность, химический состав сжигаемого газа, давление и температура газа перед соплом, давление и температура идущего на горение воздуха, а также характеристики тепловой установки, для которой рассчитывается горелка.

4

3

d_В

d_Г

d_К

L_СМ


а


d_В

d_К

L_СМ

3

d_Г


б

Рис. 1. Схема прямоточной диффузионной дутьевой горелки

с центральной (а) и многоструйной периферийной (б) подачей газа:

1  корпус горелки; 2  труба подвода газа; 3  конфузор; 4  отверстия для выхода газа

Упрощенный расчет прямоточной дутьевой диффузионной горелки (рис. 1) сводится к определению пло­щадей проходных сечений для газа, воздуха и подготовленной горючей смеси для заданной производительности горелки по газу и располагае­мом давлении газа и воздуха .

По известному виду сжигаемого газа по справочникам определяют низшую теплоту сгорания и плотность газа , идущего на горение.

Расход газа через горелку может быть найден с использованием соотношения (4). Тогда требуемый расход воздуха через горелку рассчитывают по формуле, м3/с:

,

где Т  коэффициент избытка воздуха, подаваемого в топочную камеру. При горении газового топлива он может быть принят равным 1,05;

 расход воздуха, необходимый для горения 1 нм3 газа, м3/нм3. Это расход воздуха, если он не задан, легко может быть рассчитан по известной формуле для процесса горения газа, м3/нм3,

,

где – процентное содержание в топливе соответствующих газов по объему: оксида углерода, водорода, сероводорода, соответствующих углеводородов и кислорода;

m, n – число атомов углерода и водорода в углеводородном соединении.

Массовая скорость воздуха (произведение плотности воздуха на его скорость ) в подводящем воздуховоде и в канале го­релки принимается экономически целесообразной из соотноше­ния = 22…24 кг/(м2с).

Задав массовую скорость воздуха , в указанных выше пределах, можно определить скорость его движения внутри корпуса горелки.

Внутренний диаметр корпуса горелки для прохода воздуха можно найти из уравнения неразрывности потока, м:

.

Для предотвращения проскока пламени внутрь смесителя горелки при малых расходах газа в конце горелки используют конфузор − суживающуюся часть. Сужение канала горелки позволяет повысить скорость выхода газовоздушной смеси, чтобы эта скорость была выше максимальной скорости распространения пламени.

Для эффективного смешения газа с воздухом в смеси­тель горелки газ вводится системой мелких струй периферийно или центрально, как показано на рис. 1. Условно характер входа струи газа через стенку трубы в поток воздуха показан на рис. 2.


d

d_СТР

h

w_Г

w_Г

w_В


Рис. 2. Схема выхода газа через газовыпускные отверстия

Перепад давления газа в горелке до и после газовыпускных отверстий (обычно известен) и достаточно небольшой. Зная величину перепада давления газа в горелке, несложно подсчитать скорость истечения газа из отверстий , считая его несжимаемой жидкостью, по формуле, м/с

,

где  коэффициент скорости, зависящий от соотношения толщины стенки к диаметру отверстия :

для тонкой стенки, когда , 0,97…0,98;

для толстой стенки, когда , 0,97…0,98;

 плот­ность газа, кг/нм3.

При невысокой скорости выхода газа и высокой скорости воздуха глубина проникновения h будет небольшой, и газо­вая струя будет прижата к внутренней стенке корпуса горелки, а все струи в целом создадут кольцевой поток газовоздушной смеси. При высокой скорости газа и малой скорости движения воздуха глубина про­никновения струи газа h будет значительной, и струи газа будут сливаться в одну большую струю, находящуюся в центре горелки. В обоих этих случаях условия смесеобразования не являются оптимальными. Аналогичная картина, только наоборот, будет наблюдаться при центральной подаче газа.

Эффективное смешение газовых струй с воздухом имеет место при определенном числе этих струй и скоростей воздуха и газа. При малом числе газовых струй их диаметр должен быть большим, при этом потребуется длин­ный смеситель горелки для завершения смесеобразования газа с воздухом. При боль­шом числе небольших струй, когда они имеют у корня малый диаметр, струи могут сливаться друг с другом в потоке воздуха в сплошную кольцевую струю, что ведет к ухудшению смесеобра­зования. Оптимальное число газовых струй дол­жно соответствовать следующему условию:

,

где  диаметр газовой струи в месте ее полного разворота, как показано на рис. 3.

При центральной подаче газа (рис. 1, а) оптимальной считается глубина h про­никновения струй газа в сносящий поток воздуха на величину 0,25( - ). При периферийной подаче газа (рис. 1, б) − на величину (0,15…0,25) .

Диаметр газовыпускных отверстий может быть определен по формуле, мм:

,

где h  глубина проникновения струи газа в поток воздуха, мм;

 экспериментальный коэффициент, учитываю­щий влияние относительного шага между отвер­стиями на размер h:

при ,

при ,

при ,

где S  шаг между отверстиями;

При расчетах необходимо предварительно задавать значение относительного шага , а потом его уточнять.

Число отверстий n для выхода газа может быть найдено по формуле:

,

где   коэффициент расхода для га­зовыпускных отверстий:

для отверстий в тонкой стенке  = 0,60…0,62;

для отвер­стий в толстой стенке  = 0,82.

После нахождения числа n следует принять целое их число и уточнить значение диаметра отверстий для выхода газа .

Подводящие газопроводы к горел­кам проектируют на скорость движения газа:

− при низком давлении газа в пределах от 10 до 12 м/с;

− при среднем давлении газа в пределах от 25 до 30 м/с.

Для обеспечения полного смешения газа с воздухом в горелке длина смесителя LCM (расстояние от газовыпускных отверстий до выходного сечения горелки) обычно принимается равной от 30 до 40 диаметров выходного отверстия для газа .

Диаметр выхода газовоздушной струи из кратера горелки может быть принят в пределах, м

(1,07…1,1) .

В прямоточных горелках (рис. 2) располагаемое полное избыточное давление воздуха перед горелкой может быть найдено по формуле, Па

,

где  коэффициент запаса, учитываю­щий дополнительные потери давления воздуха за счет трения потока о стенки горелки, и сопротивления, связанного с вводом в поток газовых струй, и др. Ориентировочно при расчетах можно принимать =1,05…1,1;

 скорость газовой смеси в выходном сечении горелки (на выходе из кратера), которую можно определить из соотношения, м/с

;

 плотность газовоздушной смеси, определяемая по формуле, кг/м3

;

 избыточное давление (или разрежение) в камере сго­рания, Па;

 коэффициент аэродинамического сопротивления конфузора, который рассчиты­вается по формуле:

;

 угол сужения конфузора, имеющий значения обычно в пределах от 15° до 30°.

При расчете турбулентных горелок следует обратить внимание на расчет воздушного тракта и завихрителей, расчет газовых струй и отверстий для их выхода, расчет необходимого давления газа и воздуха.


ЗАДАЧИ

ЗАДАЧА 1

При образовании углекислоты СО₂ из углерода С_тверд и кислорода О₂ при V=const и температуре Т=298 К тепловой эффект Q_V= - 393.51*10⁶ Дж/кмоль. Определить тепловой эффект Q_pреакции образования СО₂.