Обобщенные теплотехнические характеристики процесса горения традиционных и нетрадиционных углеводородных топлив

УДК 662.613:001.24

Р. А. Ильин, Е. А. Курганова, А. К. Ильин

ОБОБЩЕННЫЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТРАДИЦИОННЫ1Х И НЕТРАДИЦИОННЫ1Х УГЛЕВОДОРОДНЫ1Х ТОПЛИВ

Определению и расчету теплотехнических характеристик процесса горения углеводородных топлив посвящено достаточно много работ. В развитие теории горения применительно к теплоэнергетическим установкам значительный вклад внесли В. В. Померанцев, Л. Н. Хитрин,

A. М. Гурвич, Г. Ф. Кнорре, Д. М. Хзмалян, В. И. Частухин, В. П. Линчевский, В. Иост и др. Длительное время (с 30-х гг. XX в.) разрабатывается проблема создания, совершенствования и обобщения методов расчетов процесса горения топлив. Определенное внимание уделяется обобщенным, в том числе теплотехническим, характеристикам топлив. В этом направлении важную роль сыграли оригинальные работы С. Я. Корницкого (1931, 1945, 1947), В. П. Лин-чевского (1947, 1959), В. Н. Андрианова (1959), Ю. Н. Флаксермана (1961), А. В. Арсеева (1963), М. Б. Равича (1965, 1966, 1971, 1974, 1987), Я. Л. Пеккера (1966, 1977), В. Е. Егорова (1973), Н. А. Федорова (1983), А. С. Иссерлина (1987), В. В. Сагадеева (2001) и др. Некоторые аспекты этой проблемы рассмотрены в наших работах [1-6].

В частности, С. Я. Корницкий ввел приведенные характеристики топлива, отнеся их к удельной теплоте сгорания топлива, а не к единице массы или объема, как в классическом методе, и показал стабильность величин этих характеристик. Ю. Н. Флаксерман составил 124 I - /-диаграммы для расчета процесса горения всех топлив, использовавшихся в СССР того времени. Особенности метода - недостаточное обобщение расчетов и нераспространение диаграмм на другие топлива и их смеси. Я. Л. Пеккер модернизировал диаграммы, используя приведенные характеристики топлива, и свел их количество к шести.

В. Н. Андрианов предложил обобщенную и простую I - /-диаграмму продуктов сгорания.

B. Г. Егоров разработал метод расчета теоретической температуры горения топлива при минимальных исходных данных. В. В. Сагадеев с сотрудниками разработал метод расчета удельной теплоты сгорания различных углеводородных топлив по аддитивной схеме.

Решающий вклад в развитие теории и практики использования обобщенных характеристик в расчетах процесса горения углеводородных топлив внес М. Б. Равич (АН СССР). Он показал, что с увеличением теплоты сгорания природного газа (и других топлив) практически в той же степени увеличиваются объемы сухих и влажных продуктов горения, образующихся при сжигании газа в теоретически необходимом объеме воздуха. Поэтому теплота сгорания различных природных газов, отнесенная к 1 нм3 или 1 кг продуктов горения, остается постоянной величиной при реальном диапазоне изменения теплоты сгорания газа.

В настоящее время к обобщенным и стабильным характеристикам топлив и процесса горения относят: жаропроизводительность топлива /макс, °С (теоретическая температура адиабатного горения топлива при стехиометрическом сжигании и начальной температуре топлива и воздуха 0 °С, определяемая без учета диссоциации продуктов сгорания), о которой впервые упоминал Д. И. Менделеев (эта характеристика стабильна, она незначительно отличается для различных видов топлива [1-3], например, для природных газов и их смесей она составляет около 2 040 °С); отношение удельной рабочей низшей теплоты сгорания QH к теоретическому объему сухих продуктов сгорания при стехиометрическом сжигании топлива; максимальное содержание двуокиси углерода в сухих продуктах сгорания Я02 макс; максимальное содержание водяного пара в продуктах сгорания; отношение объемов сухих Ксух и влажных Упс продуктов сгорания; изменение объема сухих продуктов сгорания при увеличении коэффициента избытка воздуха от единицы; ряд других характеристик [1-3].

Наиболее важная обобщенная характеристика процесса горения - жаропроизводитель-ность - для нетрадиционных топлив приведена на рис. 1, а и 2, б.

а б

в г

Рис. 1. Примеры теплотехнических характеристик некоторых топлив: а - теплота сгорания и жаропроизводительность спиртов: ДМЭ - диметилэфир, пс - число атомов углерода в молекуле; б - теплота сгорания и жаропроизводительность органических кислот; в - увеличение температуры адиабатного стехиометрического горения по сравнению с жаропроизводительностью при увеличении температуры воздуха для горения: 1 - природные газы; 2 - водород; /в - температура воздуха; г - объемные характеристики продуктов сгорания: 1 - теоретический объем продуктов сгорания для 60-ти природных газов и их смесей; 2 - то же для спиртов; 3 - отношение теоретического объема водяных паров в продуктах сгорания спиртов к теоретическому объему продуктов сгорания. ДМЭ - на линии 3

На рис. 1, а данные для первых десяти спиртов представлены по М. Б. Равичу (метиловый - СН4О; этиловый - С2Н6О; пропиловый - С3Н8О; бутиловый - С4Н10О; амиловый - С5Н12О; гексиловый - С6Н14О; гептиловый - С7Н16О; октиловый - С8Н18О; нониловый - С9Н20О; децило-вый - С10Н22О), для следующих десяти (ундециловый - С11Н24О; додециловый - С12Н26О; триде-циловый - С13Н28О; тетрадециловый - С14Н30О; пентадециловый - С15Н32О; гексадециловый -С16Н34О; гептадециловый - С17Н36О; октадециловый - С18Н38О; нонадециловый - С19Н40О; эйкози-ловый - С20Н42О) и для ДМЭ (СН3ОСН3), который начинает применяться в качестве топлива [7], вычислены нами. На рис. 1, б приведены (по М. Б. Равичу) аналогичные свойства органических кислот: уксусной - С2Н4О2; масляной - С4Н8О2; каприновой - С10Н20О; стеариновой - С18Н36О. Для этих топлив подтверждается стабильность характеристики ґмакс .

В целом нами уточнены основные теплотехнические характеристики процесса горения топлив - 60-ти природных газов и их смесей, спиртов, кислот, ДМЭ. В качестве примера на рис. 1, г приведены объемные характеристики продуктов сгорания: теоретические объемы продуктов сгорания газов и спиртов, отношение объема водяных паров в продуктах сгорания к объему продуктов сгорания. Графики такого рода, построенные для различных видов топлива (жидкое, газообразное и т. д.), позволяют сразу получить обобщенные характеристики только по удельной теплоте сгорания топлива. Основные характеристики приведены в таблице.

Основные обобщенные характеристики процесса горения для различных видов топлива

Характеристика Природные газы и их смеси Водород Моторное топливо Твердое топливо (антрацит) Спирт ДМЭ

/макс, °С 2 040 2 237 2 150 2 120 2 100 2 080

2нр / Упс 810 895 840 860 827.. .840 830

Усух / Упс 0,81 0,65 0,81 0,95 0,76...0,85 0,805

бнр / У сух 1 000 1 370 970 910 990.1 020 1 030

Й-02 макс , % 11,8 - 15,6 20,2 - -

Необходимо отметить, что при увеличении температуры воздуха, подаваемого для горения, теоретическая температура адиабатного стехиометрического горения увеличивается по сравнению с жаропроизводительностью (рис. 1, в). На линии 1 находится и ДМЭ. Дальнейшее изменение условий горения за счет повышения коэффициента избытка воздуха дает реальную температуру адиабатного горения (рис. 2, по расчетам).

Рис. 2. Зависимость температуры адиабатного горения /р природного газа от коэффициента избытка воздуха при различных значениях температуры воздуха

В результате анализа получены также необходимые расчетные формулы [5, 6], некоторые из них приведены ниже. Для 60-ти газов и их смесей рассчитаны затраты тепловой энергии на диссоциацию продуктов сгорания Qд в зависимости от /макс на основании зависимости

^макс. д (1 Qд / 0,н ) * ^макс .

Получена формула для определения теоретической температуры горения с учетом диссоциации:

^макс. д 0,1 * ^м

+ 1655 оС.

Для величины /макс = 2 040 °С можно принять /макс. д = 1 866 °С.

Получены зависимости теоретического объема воздуха Ув и объема продуктов сгорания Упс от удельной теплоты сгорания. В частности, для газов

Ув = 0,265 * 10-3 * б/, нм3/нм3 .

Теоретическая температура горения газов при а = 1 и при температуре воздуха больше 0 °С может быть определена по Ув и Уп.с по формуле

^теор. в ^макс + ув * ^в * ^в / (Уп.с * ^п.с).

В расчетах приняты: св = 1,3 кДж/(нм3К) - средняя удельная теплоемкость воздуха в интервале температур 0...700 °С, сп.с = 1,67 кДж/(нм3К) - средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания топлива в интервале температур 0. 700 °С, гмакс = 2 040 °С.

При а > 1 используется формула

Уп.с.а = Уп.с + (а - 1) • Ув, где Уп.с.а - объем продуктов сгорания при а > 1, нм3/нм3, или формула

Уп.с.а / Уп.с = 1 + (а - 1) • Ув / Уп.с .

Стабильность величины гмакс позволяет применять при расчетах метод оценки эффективности топливных теплоэнергетических установок по коэффициенту использования располагаемой эксергии. Результаты расчетов этого коэффициента по методу [6] для характерных параметров современных теплоэнергетических установок представлены на рис. 3.

Рис. 3. Коэффициент использования располагаемой эксергии, получаемой при сжигании топлива, в различных теплоэнергетических объектах: 1 - отопительные котлы; 2 - ГТУ без утилизационного котла;

3 - паротурбинные ТЭС; 4 - парогазовые ТЭС

Таким образом, на основе обобщенных характеристик природных газов возможен простой

метод определения характеристик процесса горения: ^акс, Імакс. д, Ір , Ув, Уп.с, Уп.с.а, Ув / Уп.с и др.

Это упрощает расчеты при проектировании и испытаниях теплоэнергетических установок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильин А. К., Аминов Р. З., Ильин Р. А. Некоторые свойства водорода как топлива // Нац. конф. по теплоэнергетике НКТЭ-2006. - Казань: КазНЦ РАН, 2006. - С. 343-345.

2. Ильин А. К., Курганова Е. А., Ильин Р. А. Обобщенные характеристики природных газов и водорода как топлива // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2006. - № 3(32). - С. 257-260.

3. Ильин Р. А., Ильин А. К., Курганова Е. А. О максимальной температуре горения природных газов // Малая энергетика-2005: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - М.: Минэнерго РФ, 2005. - С. 123-124.

4. Ильин Р. А., Курганова Е. А. О критериях оценки эффективности теплоэнергетических установок / Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: материалы Всерос. конф. - Екатеринбург: Энергопресс, 2005. - С. 74-76.

5. Курганова Е. А. Обобщенные характеристики процесса горения газообразного топлива // Материалы 5 Рос. науч.-практ. конф. - Ульяновск: УлГТУ, 2006. - С. 253-256.

6. Курганова Е. А., Ильин Р. А. О методах расчета процесса горения органического топлива / Авиакосмические технологии АКТ-2007: материалы 8 Всерос. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2007. - С. 270-274.

7. Экспериментальное исследование использования диметилового эфира в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания / М. Н. Покусаев, С. В. Виноградов, Г. А. Джихинто и др. // Академия энергетики. - 2008. - Прил. к № 3 (23). - С. 29-31.

Статья поступила в редакцию 21.08.2008

GENERALIZED THERMO-TECHNICAL CHARACTERISTICS OF BURNING PROCESS OF TRADITIONAL AND NON TRADITIONAL HYDROCARBON FUELS

R. A. Ilyin, E. A. Kurganova, A. K. Ilyin

The results of the research of thermo-technical characteristics of fuel burning processes are generalized. The Russian scientific data (1931-2007) and the results of the authors of the article are used. Concrete recommendations about characterization of burning process of hydrocarbon fuels are given.

Key words: fuel, burning, thermo-technical characteristics, theoretical data.