Определение калориметрической температуры горения

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ

Месторождение: Деминское (Тюменская область)

Процентное содержание различных элементов в топливе:

СН₄=92,6

С₂Н₆=0,4

С₃Н₈=0,3

С₄Н₁₀=0,2

С₅Н₁₂=0,1

СО₂=0,5

N₂=5,9

Q_Н^Р=34120 кДж/м³

 

 

 

РЕШЕНИЕ

Принимаем α=1,1

Объем кислорода, теоретически необходимый для сгорания природного газа, м³/м³

V_о2^°=0,01(2СН₄+3,5С₂Н₆+5С₃Н₈+6,5C₄H₁₀+8C₅H₁₂)=

=0,01(2*92,6+3,5*0,4+5*0,3+6,5*0,2+8*0,1)=1,902

Теоретический расход воздуха, м³/м³

V_в^°=4,76V_о2^°=4,76*1,902=9,053

Действительный расход воздуха, м³/м³газа

V_в=αV_в^°=1,1*9,053=9,96

 

Избыточное количество воздуха в продуктах сгорания, м³/м³газа

V_в^изб=(α-1)V_в^°=(1,1-1)*9,053=0,905

Теоретический выход азота, содержащийся в газовом топливе, м³/м³газа

V_N2^°=3,76V_O2^°+0,01N₂=3,76*1,902+0,01*5,9=7,21

Выход водяных паров при сжигании природного газа в абсолютно сухом воздухе, м³/м³газа

V_H2O^°=0,01(2СН₄+3С₂Н₆+4С₃Н₈+5C₅H₁₂)=

=0,01(2*92,6+3*0,4+4*0,3+5*0,2)=1,89

Выход двуокиси углерода, м3/м3 газа

V_co2=0,01(СО₂+ СН₄+2С₂Н₆+3С₃Н₈+4С₄Н₁₀+5С₅Н₁₂)=

=0,01(0,5+92,6+2*0,4+3*0,3+4*0,2+5*0,1)=0,961

Теоретическое количество продуктов полного сгорания, м³/м³газа

V^°_∑= V_co2+ V_N2^°+ V_H2O^°= 0,961+7,21+1,89=10,1

 

Определение жаропроизводительности топлива

Способ 1

Жаропроизводительность топлива (t_max) определяется при полном сгорании топлива без избытка воздуха при температуре топлива и воздуха равной 0^оС

t_max=Q^р_н/V⁰_∑*С_пр.сг=34120/1,675*10,1=2017 ^оС

 

Способ 2

( основан на том, что подсчет ведут, задаваясь определенной температурой продуктов сгорания)

Задаемся температурой сгорания 2000 ^оС, определяем по таблице средние теплоемкости СО₂, H₂O, N₂ от 0 до 2000 ^оС: (кДж(м3*К))

СО₂=2,422

H₂O=1,963

N₂=1,483

Подсчитаем, какой теплотой обладал бы газ, если бы при его сгорании в стехиометрическом объеме воздуха развилась температура 2000 ^оС:

Q₁=(V_со2 *С_со2+V_н2о *С_н2о+ V_N2*С_N2)2000=

=(0,961*2,422+1,89*1,963+7,21*1,483)2000=33460 кДж/ м³

Найденная величина ниже Q_Н^Р, следовательно, жаропроизводительность газа выше 2000 ^оС.

Подсчитаем, какой теплотой обладал бы газ, если бы при его сгорании в стехиометрическом объеме воздуха развилась температура 2100 ^оС:

(предварительно определяем по таблице средние теплоемкости СО₂, H₂O, N₂ от 0 до 2100 ^оС: (кДж(м³*К)

СО₂=2,436

H₂O=1,982

N₂=1,489)

Q₂=(V_со2 *С_со2+V_н2о *С_н2о+ V_N2*С_N2)2100=

=(0,961*2,436+1,89*1,982+7,21*1,489)2100=35328 кДж/ м³

Определяем t_max газа путем интерполяции

35328 кДж/ м³- 2100 ^оС

33460 кДж/ м³- 2000 ^оС

1868 кДж/ м³- 100 ^оС

34120 кДж/ м³- 2000 ^оС +х

33460 кДж/ м³- 2000 ^оС

660 кДж/ м³ х

1868 кДж/ м³ 100 ^оС

660 кДж/ м³ х ^оС

х= = 35 ^оС; t_max= 2000+35=2035 ^оС

Способ 3

( графический способ определения жаропроизводительности)

Определим, какой теплотой сгорания должно было бы обладать топливо, если t_max=2000^оС

Q₂₀₀₀=33460 кДж/ м³

Определим, какой теплотой сгорания должно было бы обладать топливо, если t_max=2100^оС

Q₂₁₀₀=35328 кДж/ м³

Построив график, а так же проанализировав его можно сделать вывод что t_max = 2035 ^оС

Определение теоретической температуры горения

Теоретическая температура горения определяется по формуле

t_теор=

Величина Q_дис (кДж/ м³) определяется по следующей зависимости

Q_дис=12640*α *V_со2+10800*β* V_н2о,

где α и β – степень диссоциации СО₂ и H₂O соответственно

Определяем парциальное давление СО₂ и H₂O, атм

p_co2= * p_атм= *1 = 0,095

p_H2O= * p_атм = * 1= 0,187

С помощью рассчитанных p_co2 и p_H2O по таблице определяем α и β

α=0,127

β=0,0347

и рассчитываем Q_дис

Q_дис=12640*0,127*0,961+10800*0,0347*1,89 = 2251 кДж/ м³

Средневзвешенную теплоемкость неразбавленных воздухом продуктов сгорания (С_пр.сг) от 0 до 2000 ^оС рассчитываем по формуле

С_пр.сг= С_со2*r_co2+ С_H2O* r_H2O+ С_N2*r_N2=

=2,422* +1,963* +1,483* = 1,65 кДж/(м³ *К)

Считаем t_теор

t_теор= =1912 ^оС

 

Определение калориметрической температуры горения

Калориметрическую температуру горения можно определить по формуле, ^оС

t_кал= ,

где t_т=t_в=50 ^оС; V_в=9,96 м3/м3 газа; С_в=1,2985 кДж/(м³ *К)

Средняя теплоемкость топлива С_т от 0^° до t_т определяем по формуле, кДж/(кг*К)

С_т=C_СН4*r_CH4+C_С2Н6*r_C2H6+ C_С3Н8* r_C3H8+ C_С4Н10*r_C4H10+ C_С5Н12*r_C5H12+C_СО2*r_CO2+C_N2* r_N2

С_т=1,5985*0,926+2,376*+0,004+3,2445*0,003+4,3225*0,002+5,483*0,001+

+1,6535*0,005+1,2955*0,059=1,59

По скольку теплоемкость продуктов сгорания и избыточного воздуха, нагретых до t_кал, зависит от калориметрической температуры горения, подсчет ведут по методу последовательных приближений.

а) С_пр.сг(2000 ^оС) =1,65 кДж/(м³ *К)

С_в^изб = 1,501 кДж/(м3*К)

t_кал= = =1935 ^оС

б) С_пр.сг(1935^оС)=2,412*0,095+1,949*0,187+1,478*0,714=1,65 кДж/(м3*К)

С_в^изб=1,496 кДж/(м³ *К)

t_кал= =1934 ^оС

Температуру нагрева воздуха, необходимую для достижения t_кал=2100 ^оС, можно определить по формуле

t_в= ,

где С_пр.сг(2100^оС)=2,436*0,095+1,982*0,187+1,489*0,714=1,66 кДж/(м3*К)

С_в^изб=1,508 кДж/(м³ *К)

t_в= =389*С_в