Расчет расхода топлива, окислителя и воздуха, идущего на разбавление продуктов сгорания топлива. Определение составов газов за камерой смешения, а также температуры газа после камеры сгорания

               Определить расходы топлива В, кг/с (м³/с), окислителя V_ок, м³/с,  и воздуха, идущего на разбавление продуктов сгорания топлива V_в, м³/с,  необходимые для получения заданного количества энергоносителя V_э = 4,5 м³/с, имеющего температуру Т_э = 1150 К. Определить составы газов за камерой смешения, а также температуру газа после камеры сгорания Т_ксг, К.

          В качестве окислителя и воздуха, подаваемого для разбавления продуктов сгорания, принять воздух О₂ = 21%, N₂ = 79% с температурой  Т_в = Т_ок = 300 К и влагосодержанием d_в = d_ок =15 г/м³.

Схема движения теплоносителей.

          Исходные данные:

- топливо – Газ генераторный водяной: (об. %) CO — 44, N₂ — 6, CO₂ — 5, H₂ — 45.

- тепловые потери:

 с химическим недожогом q_хн = 0,5%;

а) через наружные ограждения камеры сгорания q_но^ксг = 5%;

б) через наружные ограждения камеры смешения q_но^ксм = 8%;

- коэффициент расхода окислителя α = 1,15.

Решение:

1.Определение низшей теплота сгорания 1 м³ топлива (генераторного водяного газа).

Q_H^C=0,01*(CO*Q_CO+H₂*Q_H2) = 0,01*(44*12,636 + 45*10,743) = 10,403 МДж/м³

где    Q_CO, Q_H2 – теплота сгорания оксида углерода и  водорода МДж/м³;

          CO, H₂ - содержание оксида углерода и  водорода в генераторном газе, %об.

          2. Расчёт теоретического расхода окислителя и теоретического выхода продуктов полного сгорания топлива.

          Теоретический расход окислителя:

V_OK⁰ = V_O2⁰*100/O₂^OK,

где    O₂^OK – концентрация кислорода в окислителе, O₂^OK = 21% об;

          V_O2⁰- теоретический расход кислорода, необходимый для полного сгорания 1 м³ газообразного топлива, м³/м³.

          Для генераторного газа:

V_O2⁰ = 0,5*(H₂ + CO)/100 = 0,5*(45 + 44)/100 = 0,445 м³/м³.

где   CO, H₂ - концентрация составляющих газового топлива, % об.

V_OK⁰ = 0,445*100/21 = 2,12 м³/м³.

          Суммарный теоретический выход продуктов полного сгорания:  

V_ксг⁰ = V_RO2⁰ + V_N2⁰ + V_H2O⁰;

где V_RO2⁰ – теоретический выход сухих трёхатомных газов с учётом СО₂, содержащегося в топливе;

 V_N2⁰  - теоретический выход азота, определяемый в зависимости от содержания азота в газовом топливе и  окислителе;

V_H2O⁰ – теоретический выход  водяных паров с учётом влагосодержания окислителя..

V_RO2⁰ = V_CO2 = 0,01*(CO + CO₂) = 0,01*(44+5) = 0,49 м³/м³;

V_N2⁰ = 0,01*(N₂ +  V_OK⁰*N₂^OK) = 0,01*(6 + 2,12*79) = 1,74 м³/м³;

V_H2O⁰ = 0,01*H₂ + 0,00124* V_OK⁰*d_OK = 0,01*45+0,00124*2,12*15=0,489 м³/м³;

V_ксг⁰ = 0,49 + 1,74 + 0,489 = 2,719 м³/м³.

          3. Расчёт действительного расхода окислителя и действительного выхода продуктов полного сгорания топлива.

          Действительный расход окислителя:

V_OK = α* V_OK⁰ = 1,15*2,12 = 2,438 м³/м³,

где   α – коэффициент расхода окислителя.

Суммарный действительный  выход продуктов полного сгорания:         

V_ксг = V_RO2 + V_N2 + V_H2O + V_О2,

где     V_RO2 = V_RO2⁰ -  действительный    выход сухих трёхатомных газов;

V_N2  - действительный  выход азота;

V_H2O – действительный  выход  водяных паров;

V_О2 – содержание кислорода в продуктах сгорания.

V_N2   = 0,01*(N₂ +  α*V_OK⁰*N₂^OK) = 0,01*(6 + 1,15*2,12*79) = 1,99 м³/м³;

V_H2O = 0,01*H₂ + 0,00124* α*V_OK⁰*d_OK = 0,01*45+0,00124*1,15*2,12*15=0,496 м³/м³;

V_О2 = (α – 1)* V_OK⁰*О₂^ОК/100 = (1,15 – 1)*2,12*21/100 = 0,067 м³/м³;

V_ксг⁰ = 0,49 + 1,99 + 0,067 + 0,496  = 3,043 м³/м³.

          4. Определение температуры газов после камеры сгорания.

          Воспользуемся уравнением теплового баланса камеры сгорания:

(Q_H^C + Q_OK)*[(100 – (q_хн + q_но^ксг)]/100 = H_ксг,

где     Q_H^C – низшая теплота сгорания топлива;

          Q_OK – тепло подогретого окислителя;

q_хн – потери тепла с химическим недожогом, %;

q_но^ксг – потери тепла через наружные ограждения камеры горения %;

H_ксг – энтальпия продуктов сгорания.

Q_OK = V_OK *С_ОК*t_OK = 2,438*1,307*27 = 86,035 кДж/м³,

где   С_ОК – объёмная теплоёмкость окислителя при t_OK = 27⁰С.

          В явном виде уравнение баланса камеры сгорания не решается, так как входящие в это уравнение теплоёмкости продуктов сгорания сами являются функцией температуры Т_ксг. Определим Т_ксг, используя графоаналитический метод. Для этого выразим из уравнения баланса Т_ксг:

Т_ксг = {[(Q_H^C + Q_OK)*[(100 – (q_хн + q_но^ксг)]/100]/[ V_RO2*C_RO2 + V_N2*C_N2 + +V_H2O*C_H2O + V_О2* C_O2} + 273,

где   С_i – объёмная теплоёмкость i-го компонента продуктов сгорания