Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Тепловые эффекты химических реакций при V=const и p=const

В химической термодинамике изучаются процессы изменения состояния системы, в которой происходят химические превращения: образования новых веществ, разложение сложного вещества на его составляющие. В ходе химической реакции при взаимодействии молекул разрушаются одни и образуются другие типы молекул, появляются новые и исчезают старые связи между атомами. Эти превращения сопровождаются изменением внутренней энергии системы. Химическая реакция может протекать с выделением теплоты и с поглощением теплоты. В первом случае они называются экзотермическими, а во втором эндотермическими. Следовательно, в термодинамических системах, в которых осуществляются химические процессы, происходят изменение внутренней энергии системы DU , выделение или поглощение Q и совершение работы A

где U1 ,U 2 - внутренняя энергия системы до и после химической реакции; Q-теплота химической реакции;

A- полная работа, совершаемая системой в ходе химической реакции

А/ - работа, совершаемая на преодоление немеханических сил; L- работа, совершаемая на преодоление сил внешнего давления.

Последнее соотношение является аналитическим выражением первого закона термодинамики применительно к химическим процессам. Если сис-темой совершается только механическая работа, то уравнение первого за-кона термодинамики будет иметь вид



Сумма теплоты, выделенной системой, и всех видов работы, совершенных над ней, за исключением работы в поле сил давления, для случая, когда все величины отнесены к одинаковой температуре, называется тепловым эффектом химической реакции Qт.эф.

2. Стехиометрические уравнения реакций горения углеводородов

Химическая формула сгорания газового топлива с указанием всего механизма реакций, связанного с возникновением и исчезновением большого количества свободных атомов, радикалов и других активных частиц достаточно сложна. Поэтому для упрощения пользуются стехиометрическими уравнениями. Стехиометрические уравнения не отражают всех про-межуточных явлений процесса, а характеризуют лишь итоговые соотношения между исходными веществами и конечными продуктами химических реакций. Если углеводородные газы обозначить Cm H n , то уравнение химической реакции горения этих газов в кислороде примет вид

где m, n - количество атомов углерода и водорода в газе;

3. Смесеобразование и горение при сжигании газового топлива

В основе процесса горения лежат химические реакции соединения топлива с окислителем. Для протекания процесса горения газа должны быть созданы специальные условия. Во-первых, необходимо к горючему газу подвести в достаточном количестве окислитель (чаще всего воздух) и перемешать их. Во-вторых, газовоздушная смесь должна иметь концентрационные пределы воспламеняемости и должен быть создан источник воспламенения. В-третьих, необходимо создать условия для развития процесса горения, т. е. определенный температурный уровень.

Смесеобразование (равномерное смешение газа с воздухом) -- одна из основных стадий всего процесса горения. От процесса смесеобразования во многом зависят и все дальнейшие стадии, через которые проходит топливо при превращении химической энергии в тепловую. Поскольку в зоне горения всегда устанавливается высокий температурный уровень, время, затрачиваемое на химические реакции горения, всегда значительно меньше времени, необходимого для процесса смесеобразования.

Сжигание газового топлива, как и любого другого, в воздушном потоке в соответствии с современными воззрениями возможно на основе кинетического и диффузионного принципов.

При протекании процесса горения в кинетической области скорость горения зависит от свойств данной горючей смеси, температуры в реакционном объеме и концентрации реагентов в зоне горения, т. е. регулируется законами химической кинетики. В то же время скорость процесса в кинетической области не зависит от гидродинамических факторов, т. е. от скорости потока, геометрических размеров реакционной камеры и т. д.

Наоборот, в диффузионной области скорость процесса определяется гидродинамическими факторами и не зависит от кинетических. В этой области перестают играть определяющую роль свойства горючей смеси и температурный фактор. Сравнительно про стыми гидродинамическими средствами можно влиять на интенсивность смешения, что приведет к изменению характеристик диффузионного факела.

4. Количественные характеристики горения газов

Кроме рассмотренных характеристик пожароопасности веществ и материалов, используется понятие горючести вещества или материала, т. е. их способности к горению. По этому признаку все вещества делятся на горючие (сгораемые), трудногорючие (трудносгораемые) и негорючие (несгораемые).

Горючими называют такие вещества и материалы, которые продолжают гореть и после удаления источника зажигания. Трудносгораемые вещества способны возгораться на воздухе от источника зажигания, но после его удаления самостоятельно гореть не могут. Негорючие вещества и материалы не способны гореть на воздухе. Для количественной характеристики горючести веществ и материалов используют показатель возгораемости В:

где  - количество теплоты, полученный от источника поджигания;

Q0 - количество теплоты, выделяемой образцом при горении в процессе испытания.

Если величина В более 0,5, то материалы относят к сгораемым, для трудносгораемых В = 0,1-0,5, а для несгораемых - В менее 0,1.

Основными причинами пожаров на производстве являются нарушение технологического режима работы оборудования, неисправность электрооборудования, плохая подготовка оборудования к ремонту, самовозгорание различных материалов и др. В соответствии с нормативными документами (ГОСТ 12.1.044-84 «Пожарная безопасность» и ГОСТ 12.1.010-76 «Взрывобезопасность. Общие требования») вероятность возникновения пожара или взрыва в течение года не должна превышать 10-6 (одной миллионной). Для предотвращения пожаров и взрывов необходимо исключить возможность образования горючей и взрывоопасной среды и предотвратить появление в этой среде источников зажигания.

При проектировании промышленных предприятий следует учитывать требования пожарной безопасности. Необходимо, чтобы используемые строительные конструкции обладали требуемой огнестойкостью, т. е. способностью сохранять под действием высоких температур пожара свои рабочие функции, связанные с огнепреграждающей, теплоизолирующей или несущей способностью.

5. Пределы воспламеняемости газовых смесей

		Пределы воспламеняемости
Газ
	% газа в смеси с воздухом	% газа в смеси с кислородом
	нижний	верхний	нижний	верхний
Водород	4,1	74,2	4,0	94
Окись углерода	12,5	74,2	15,5	94
Метан	5,3	14,0	5,1	61
Этан	3,2	12,5	3,0	66
Пропан	2,4	9,5	2,3	55
Бутан	1,9	8,4	1,8	48
Ацетилен	2,5	80,0	2,5	98
Коксовый	5,6	31,0
Водяной	6,2	72,0
Сланцевый	10,7	32,8
Природный	4,5	17,0
Доменный	35	74,0

Воспламенение передается на весь объем смеси самопроизвольно путем распространения пламени, происходящего не мгновенно, а с определенной пространственной скоростью. Эта скорость называется скоростью распространения пламени в газовоздушной смеси и является важнейшей характеристикой, определяющей условия протекания и стабилизации горения. Разбавление горючих газов балластными примесями (N2, CO2) ухудшает условия их воспламенения.

6. Скорость распространения пламени

При вынужденном зажигании смеси возникает пламя, которое распространяется с определенной скоростью, захватывая все новые объемы смеси горючего с окислителем.

Пламенем называется зона, в которой протекает реакция горения. Существует два случая распространения пламени: медленное (нормальное) горение и детонационное горение.

Распространение пламени, объясняемое молекулярной теплопроводностью, называется нормальным распространением пламени. Оно характеризуется нормальной скоростью распространения пламени.

Нормальная скорость распространения пламени uн - это скорость движения фронта пламени в направлении, нормальном к его поверхности, отнесенная к свежей, еще не сгоревшей смеси, и обязанная своим происхождением процессу передачи теплоты молекулярной теплопроводностью.

Резкое возрастание давления и быстрое расширение продуктов горения обусловливают разрушительный эффект взрыва.

Давление, возникающее при взрыве природного газа в помещениях, достигает 0,8 МПа. При взрывах газовоздушной смеси в трубах с большим диаметром и длиной скорость распространения пламени может превзойти скорость распространения звука и достичь 2000…..4000 м/с. В результате быстро движущегося взрывного воспламенения местное повышение давления составит 8 МПа и выше.

Такое взрывное воспламенение называется детонацией.

Нормальное распространение пламени имеет место в ламинарном потоке смеси, или в неподвижной газовоздушной смеси.

7. Воспламенение газовых смесей

Для того чтобы могли протекать реакции горения, необходимо создать условия для воспламенения смеси топлива и окислителя. Воспламенение может быть самопроизвольным и вынужденным. В технике находят применение оба способа воспламенения смеси, но в газогорелочных и топочных устройствах зажигание осуществляется вторым методом. Окисление горючих газов возможно при низких температурах, но тогда оно протекает чрезвычайно медленно из-за незначительной скорости реакций. При повышении температуры скорость реакции окисления возрастает до самовоспламенения (вместо медленного окисления начинается процесс самопроизвольного горения). Процесс воспламенения характеризуется тем, что имеются определенные границы (пределы), вне которых воспламенение ни при каких условиях. Известно, что газовоздушные смеси воспламеняются только в том случае, когда содержание газа в воздухе находится в определенных (для каждого газа) пределах - нижний и верхний пределы воспламеняемости.

8. Пламя газовой горелки

Наивысшая температура пламени и распределение температур в различных частях пламени зависит от состава газа и воздуха, регулирования поступления газа и воздуха, конструкции горелки и т.п.



Схема пламени газовой горелки:

А - область пламени, в которой горение не происходит (смесь газа с воздухом)

В - область восстановительного пламени (сгорание газа происходит не полностью - недостаток кислорода; содержатся раскалённые углеродистые продукты распада молекул газа)

О - область окислительного пламени (полное сгорание - избыток кислорода)

9. Проскок и отрыв пламени в горелках

При работе горелок возможны случаи неустойчивого горения пламени двух видов -- проскок пламени в горелку и отрыв пламени от горелки.

Проскок пламени в горелку -- это перемещение фронта пламени из топки в горелку, при котором горение топлива начинается непосредственно в горелке. При проскоке пламени в горелку образуются продукты неполного сгорания топлива, горелка раскаляется и может выйти из строя.

Отрыв пламени от горелки -- это перемещение фронта пламени от выходного отверстия горелки в направлении движения газовоздушной смеси, сопровождающееся погасанием пламени. Отрыв приводит к наполнению топки газовоздушной смесью, а затем к хлопку или взрыву.

Отрыв пламени в газовой горелке может произойти при любом принципе сжигания топлива. Отрыв пламени от горелок любого типа происходит в том случае, когда скорость выхода газа или газовоздушной смеси больше скорости распространения пламени. Проскок пламени в горелку невозможен при диффузионном принципе сжигания. Проскок пламени для горелок с предварительным смешением топлива с окислителем может произойти, если скорость выхода газовоздушной смеси меньше скорости распространения пламени.\

Причинами отрыва факела от газовой горелки могут быть резкое повышение давления газа или воздуха, нарушение соотношения расходов газ --воздух, резкое увеличение разрежения на выходе из топки, работа горелки за верхним пределом производительности, указанным в паспорте.

Причинами проскока пламени в горелку могут быть понижение давления газа или воздуха, уменьшение производительности горелок с предварительным смешением газа и воздуха ниже значений, указанных в паспорте.

10. Стабилизация процесса горения

Предотвращение проскока пламени достигается увеличением скорости выхода газовоздушной смеси из насадка горелки и отводом тепла от него. Конструктивно это решается сужением

Насадка на выходе и установкой теплоотводящих пластин, ребер, решеток с большим числом мелких отверстий, а также воздушным и водяным охлаждением насадка.

Для стабилизации пламени необходимо создать у устья горелки условия для надежного воспламенения газовоздушной смеси.

Керамическая горка в качестве стабилизатора горения применяется в тех случаях, когда толщина фронтовой кладки агрегата не позволяет разместить в ней керамический туннель. Струя газовоздушной смеси направляется на горку, которая раскаляется и интенсивно излучает тепло, что обеспечивает надежную стабилизацию пламени.

Особое внимание следует обращать на расположение керамической горки. Практика эксплуатации показывает, что часто горка находится или слишком близко от устья горелки, создавая удар струи и сильный нагрев насадка, или слишком далеко от устья горелки и поэтому не прогревается во время розжига.

В промышленных установках часто применяют керамические туннели. Стабилизация пламени в керамическом туннеле (рис. 6) осуществляется следующим образом. Струя газовоздушной смеси, выходя из насадка горелки в туннель, расширяется, так как диаметр туннеля выполняется обычно равным 2,5 диаметрам насадка (0=2,5с1). В головной части туннеля между его стенками и струей образуются вихревые зоны, в которых создается разрежение. Это вызывает рециркуляцию продуктов горения. Раскаленные стенки туннеля служат источником излучения, тем самым сохраняя и даже несколько повышая температуру продуктов горения. Непрерывная подача к корню факела раскаленных продуктов горения обеспечивает устойчивое зажигание вытекающей из горелки холодной газо- воздушной смеси.

Керамический туннель является надежным стабилизатором горения, однако он требует тщательного изготовления и периодического ремонта. Практика эксплуатации туннелей на предприятиях показывает, что они нуждаются в ремонте после 1,5--2 месяцев работы. Для ремонта туннеля необходима остановка агрегата на несколько дней. По действующим нормам предусматривается оста - овка котла 3--4 раза в год для проведения текущего ремонта.

11. Определение пределов устойчивости работы горелок

Для определения верхнего предела устойчивой работы горелки давление газа и поступление воздуха увеличивают постепенно до появления пульсирующего горения или отрыва пламени, определяемых визуально. В этот момент горелку следует немедленно отключить. Значения минимальной и максимальной тепловой мощности принимают по предельным значениям устойчивой работы в соотношениях, приведенных в разделе.

Для определения пределов устойчивой работы горелок с принудительной подачей воздуха при поддержании заданной тепловой мощности (заданного давления газа) устанавливают такое давление воздуха, чтобы коэффициент а был близок к 1, а неполнота сгорания отсутствовала. При неизменном разрежении в топке, производительности котла, равной 75- 80 % от номинальной, и настроенном пропорционизаторе устанавливают давление газа согласно расходной характеристике. Постепенно уменьшают давление воздуха и газа до появления неустойчивого пламени. Затем во избежание погасания горелки выводят ее из неустойчивого горения, а при погасании - немедленно выключают. По давлению, соответствующему неустойчивому горению, определяют нижний предел устойчивой работы. При отсутствии пропорционизатора воздуха пределы устойчивой работы устанавливают путем постепенного изменения давления газа, а затем воздуха в соответствии с характеристикой горелки. Положение нерегулируемых воздухонаправляющих устройств горелки должно соответствовать верхнему пределу устойчивой работы. При определении пределов устойчивой работы горелок первичный преобразователь защиты от погасания должен быть отключен, а обслуживающий персонал подготовлен к возможному прекращению горения в топке.

Полуавтоматические и автоматические горелки проверяют на защитное отключение подачи газа при «розжиге горелки, погасании пламени, аварийном отклонении давления газа или воздуха. Время защитного отключения определяют путем повторяемых не менее 15 раз проверок. Измерения следует производить при помощи секундомера с ценой деления шкалы 0,01 с.

Время защитного отключения подачи топлива проверяют: при розжиге горелки - при закрытом ручном кране путем измерения интервала времени с момента открытия отсечного клапана до закрытия; при погасании пламени в диапазоне рабочего регулирования - быстрым закрытием крана с последующим измерением времени до момента срабатывания отсечного клапана; при отклонениях давления газа или воздуха - путем поочередного снижения или повышения контролируемых давлений при отключенном устройстве контроля с последующим измерением времени до момента срабатывания клапана.

12. Огневое моделирование

Способ огневого моделирования высокочастотной неустойчивости горения в камере сгорания заключается в подаче в натурную камеру сгорания компонентов топлива, их сжигании при низком давлении и измерении пульсации давления до и после возникновения высокочастотной неустойчивости процесса горения в камере сгорания. В качестве компонентов топлива используют нетоксичные компоненты, например этиловый спирт и воздух, стехиометрическое соотношение которых приближено к соотношению компонентов топлива в натурных условиях. Перед подачей в камеру сгорания окислитель нагревают до 300-500°С, горючее нагревают до температуры, которая выше, чем температура кипения горючего при давлении, равном давлению в камере сгорания. Изобретение позволит при уменьшении материальных затрат и сокращении сроков отработки определить особенности механизма развития высокочастотных колебаний в камере сгорания и провести выбор, отработку и оптимизацию средств устранения высокочастотных колебаний давления в камере сгорания. 2 ил.

Формула изобретения. Способ огневого моделирования высокочастотной неустойчивости горения в камере сгорания, заключающийся в том, что в натурную камеру сгорания подают компоненты топлива, сжигают их при низком давлении и измеряют пульсации давления до и после возникновения высокочастотной неустойчивости процесса горения в камере сгорания, отличающийся тем, что в качестве компонентов топлива используют нетоксичные компоненты, например этиловый спирт и воздух, стехиометрическое соотношение которых приближено к соотношению компонентов топлива в натурных условиях, при этом перед подачей в камеру сгорания окислитель нагревают до 300-500°С, а горючее нагревают до температуры, которая выше, чем температура кипения горючего при давлении, равном давлению в камере сгорания.

13. Характеристики горелок

Газогорелочные устройства предназначены для подачи к месту горения определенного количества газа и воздуха, а также для создания условий их перемешивания и воспламенения, кроме этого горелка должна обеспечивать стабилизацию факела. Независимо от типа большинство газовых горелок имеет общие конструктивные элементы: устройство для подвода газа и воздуха, камеру смешения, горелочный насадок и стабилизирующее устройство.

Основными характеристиками горелочных устройств являются: давление газа, тепловая мощность, коэффициент предельного регулирования, коэффициент избытка воздуха.

Давление газа. Газовые горелки могут работать на различном избыточном давлении газа в зависимости от их конструктивного исполнения и давления газа в сетях. Горелки низкого давления работают на давлении до 0,05, среднего -- в пределах от 0,05 до 3,0 и высокого -- свыше 3,0 кгс/см2. Различают три вида давления газа перед горелкой: номинальное-- /эг. ном, максимальное -- Рт тах и минимальное -- Рг тт. Под номинальным понимается такое давление газа, на которое рассчитана работа горелки. Под максимальным и минимальным понимаются такие давления, в диапазоне которых горелка работает устойчиво.

Тепловая нагрузка горелки. Количество тепла, выделяющееся в единицу времени при сжигании газа определенной теплоты сгорания, называют тепловой нагрузкой

Различают три вида тепловой нагрузки горелок: максимальную, номинальную и минимальную. Максимальная тепловая нагрузка достигается при длительной работе горелки с предельно большим расходом газа без нарушения устойчивости ее работы. Номинальная тепловая нагрузка соответствует режиму работы горелки с номинальным расходом газа. За минимальную принимается нагрузка, обеспечивающая устойчивую работу горелки при наименьших расходах газа.

Диапазон устойчивой работы горелки. Отношение минимальной тепловой нагрузки горелки к максимальной

Называют диапазоном устойчивой работы. Он характеризует пределы надежной эксплуатации горелки.

Кроме того, принято характеризовать работу горелок пределом регулирования. Под этим понимают пределы изменения тепловой нагрузки горелки, при которых экономичность сжигания газа незначительно отличается от оптимальной (отсутствует химический недожог при минимальных значениях коэффициента избытка воздуха).

Диапазон устойчивой работы является важной эксплуатационной характеристикой горелки, показывающей ее форсировочные возможности.

Для инжекционных горелок низкого и среднего давления диапазон устойчивой работы должен быть не менее 1 :3. Для горелок с принудительной подачей воздуха диапазон устойчивой работы должен быть не менее 1 :5.

При выборе горелок необходимо, чтобы их диапазон устойчивой работы был увязан с типом агрегата и его технологическим процессом.

Коэффициент избытка воздуха. Практически в процессе полного горения газового топлива воздуха участвует больше, чем требуется теоретически. Коэффициент избытка (расхода) воздуха *

Требования, предъявляемые к конструкции горелки. Газогоре - лочные устройства должны быть компактными, т. е. иметь минимальные размеры, удобными и надежными в эксплуатации. Конструкция горелки должна предусматривать возможность быстрой и доступной замены отдельных ее деталей.

Шум, создаваемый горелками. Часто работа горелок сопровождается сильным шумом, вызывающим у обслуживающего персонала быструю утомляемость. По нормам санитарной инспекции интенсивность шума, создаваемого газогорелочными устройствами, работающими на номинальном режиме, не должна превышать 85 дб.

14. Классификация газовых горелок

Газогорелочные устройства предназначены для подачи к месту горения определенного количества газа и воздуха, а также для создания условий их перемешивания и воспламенения, кроме этого горелка должна обеспечивать стабилизацию факела. Независимо от типа большинство газовых горелок имеет общие конструктивные элементы: устройство для подвода газа и воздуха, камеру смешения, горелочный насадок и стабилизирующее устройство.

Основными характеристиками горелочных устройств являются: давление газа, тепловая мощность, коэффициент предельного регулирования, коэффициент избытка воздуха.

Диффузионные горелки. Наиболее простые по конструкции горелки представляют собой трубу с просверленными отверстиями для выхода газа. Инжекционные горелки. Горелки данного типа подразделяются на горелки частичного предварительного смешения и полного предварительного смешения газа с воздухом.

Требования, предъявляемые к газовым горелкам

Газогорелочные устройства должны обеспечивать качественное проведение технологического процесса в газоиспользующей установке и требуемый температурный режим в топочном пространстве. Горелка должна работать устойчиво без проскока и отрыва пламени в заданном интервале изменения нагрузки, работать длительное время без выхода из строя с минимальными тепловыми потерями, то есть экономично. Следующим требованием является предотвращение загрязнения воздушного бассейна и воздуха в газифицированных квартирах вредными составляющими продуктов сгорания газа.

Газогорелочные устройства должны быть компактными, то есть иметь минимальные размеры. Конструкция горелки должна предусматривать возможность быстрой замены отдельных деталей. По возможности, горелки должны работать бесшумно.

Иногда при эксплуатации возникает необходимость переделки горелок в связи с изменением теплоты сгорания и плотности газового топлива, так как работа горелок на газе с теплотой сгорания и плотностью, отличающимся от расчётных, приводит к изменению тепловой мощности и ухудшению условий сгорания.

Инжекционные горелки низкого давления (a г <1,0). Для сохранения неизменной тепловой мощности инжекционной горелки низкого давления при переходе на газовое топливо иного состава необходимо изменить диаметр газового сопла. Если давления газа в сети достаточно для сохранения тепловой мощности горелки, можно (не меняя конструктивных размеров) изменить давление газа перед горелкой.

Инжекционные горелки низкого и среднего давления (a Г і 1,0 ). Для того, чтобы сохранить неизменную тепловую мощность горелок низкого и среднего давления при переходе на газ иного состава, надо изменить диаметр газового сопла для обеспечения подсасывания необходимого количества воздуха.

Горелки с принудительной подачей воздуха (a Г і 1,0 ). Для сохранения расчётной тепловой мощности горелки с принудительной подачей воздуха нужно изменить площадь газовыходных отверстий, однако при этом отношение скорости газа и скорости воздуха должно оставаться постоянным.

Теоретический расчет горелок представляет собой весьма сложную задачу. Поэтому на практике используют упрощенную методику расчета.

15. КПД котельного агрегата определяется по обратному балансу котла:

Где - потеря теплоты с уходящими газами, %

%

реакция горение газовый топливо

Где - энтальпия уходящих газов (определяется по Н-? таблице в зависимости от температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха ) -энтальпия холодного воздуха при температуре присасываемого холодного воздуха

- потеря теплоты от химической неполноты сгорания , % (при сжигании газообразного топлива принимается равной 1,0)

- потери теплоты от наружного охлаждения, % выбирается по таблице 3,5 или рис 3.2.1 МУ и переводится в фактическое по формуле

%

16. Определение располагаемого тепла продуктов сгорания потерь тепла с уходящими газами

При сжигании топлива его потенциальное тепло преобразуется в физическое, или располагаемое, тепло продуктов сгорания Qпр.сг . Располагаемое тепло продуктов сгорания Q1 используется в установках, а неиспользуемое тепло Q2 теряется с уходящими газами в окружающую среду.

При сжигании газового топлива потери теплоты с уходящими газами являются одним из основных видов теплопотерь. Зависят эти потери в основном от количества и температуры газов. Чем ниже температура уходящих газов, тем, соответственно, меньше будет теряться теплоты, поэтому следует стремиться к снижению данной температуры (в разумных преде-лах). При полном сгорании газа без избытка воздуха наблюдаются наи-меньшие потери теплоты, так как при этом сокращается количество про-дуктов сгорания. Однако на практике в большинстве случаев газ сжигается с некоторым избытком воздуха, в результате и продукты сгорания разбав-ляются этим избыточным количеством воздуха.

Располагаемое тепло продуктов сгорания и потери тепла с уходящими газами можно подсчитать двумя методами: на основе теплоты сгорания топлива или на основе его жаропроизводительности (методика М.Б. Рави-ча).

Для того, чтобы определить располагаемое тепло продуктов сгорания по этой формуле необходимо знать: состав и температуру продуктов сго-рания, количество сжигаемого топлива и его теплоту сгорания и состав то-плива, на основе которого подсчитывают объем продуктов сгорания. По формуле можно подсчитать также физическое тепло уходящих газов, от-водимых из установки, то есть потери тепла с уходящими газами. Однако в большинстве случаев потери тепла с уходящими газами определяют по разности между физическим теплом уходящих газов и физическим теплом воздуха, поступающим в установку.

17. Закон Гесса

Независимость теплового эффекта реакции от промежуточных стадий химических процессов была установлена русским ученым академиком Г. И. Гессом в 1840г. на основании экспериментальных данных. Это справед-ливо для реакций, протекающих при V,Т = const или p, Т= const. Такое ут-верждение является, по существу, законом сохранения энергии примени-тельно к химическим реакциям. Следует заметить, что закон Гесса -- ос-новной закон химической термодинамики был открыт еще до того, как был сформулирован первый закон термодинамики. Закон Гесса устанавливает, что тепловой эффект химической реакции не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое, а определяется лишь начальным и конечным ее состояниями.

Таким образом, выведенные ранее соотношения являются алгебраическими выражениями закона Гесса.

Qp--=--DH--=--H--2-----H1--и--QV--=--U2---U1--

Для определения тепловых эффектов химических реакций применяются специальные приборы -- калориметры.

Закон Гесса имеет большое практическое значение, так как с его помощью можно вычислить тепловые эффекты химических реакций, экспериментальное определение которых затруднительно или практически не осуществимо.

Предположим, что вещество А превращается в вещество В тремя путями: непосредственно из вещества А в вещество В с тепловым эффектом Q1 через стадии С, D с тепловыми эффектами Q2 , Q3 , Q4 , через стадии

E,N,M с тепловыми эффектами Q5 , Q6 , Q7 иQ8 . По закону Гесса суммарные тепловые эффекты одинаковы, поэтому

Пользуясь этими соотношениями, легко вычислить тепловой эффект любой химической реакции, который невозможно получить эксперимен-тально. Например, тепловой эффект Q8 = Q1 - Q5 - Q6 - Q7 .

С помощью закона Гесса можно производить расчеты, используя термохимические уравнения, представляющие собой стехиометриче-ские уравнения химических реакций, d которых наряду с химическими формулами веществ, участвующих в реакции, записываются тепловые эффекты (отнесенные к одинаковым условиям). С этими уравнениями можно производить алгебраические действия так же, как с любыми алгебраическими уравнениями. Стехиометрическими уравнениями или соотношениями называются численные соотношения между количествами реагирующих веществ, отвечающие законам стехиометрии, основные положения которой вытекают из законов Авогадро, Гей-Люссака, и постоянства состава.

Из закона Гесса вытекают следующие практические следствия:

· Тепловой эффект реакции разложения химического соединения Q раз по величине равен и противоположен по знаку тепловому эффекту образования Qобр этого соединения из продуктов разложения Q разл = Qобр.

· Если из двух химических систем образуются одни и те же конечные продукты двумя различными путями, то разность между значениями тепловых эффектов химических реакций равна тепловому эффекту превращения одной химической системы в другую. Так, например, для реакции образования вещества В из веществ A и С (рис. 2), согласно закону Гесса, Q1 = Q2 + Q3 , откуда тепловой эффект превращения вещества A в С будет равен Q3 = Q1 - Q2.

Если одинаковые по химическому составу системы двумя путями превращаются в различные конечные продукты, то разность между значениями тепловых эффектов, равна теплоте, полученной при превращении одного конечного продукта химической реакции в другой. Так, при образовании из вещества А веществ В и С (рис. 2), согласно закону Гесса, Q1 = Q2 + Q3, откуда тепловой эффект перехода вещества С в вещество В Q3 = Q1 - Q2 [7].

Рисунок 2. Следствия из закона Гесса

18.Теплотой сгорания

Теплотой сгорания соединения называется тепловой эффект реакции окисления данного соединения кислородом с образованием предельных высших окислов соответствующих элементов. Так, например, в органиче-ских соединениях, являющихся основным топливом в тепловых двигате-лях, углерод окисляется до углекислого газа, водород -- до водяных паров, другие вещества, входящие в соединение в незначительных количествах -- до их конечных продуктов окисления.

Принцип работы калориметров основан на том, что в них сжигается точно замеренный объем газа, выделяющееся тепло которого передается протекающей воде. Замеряя количество воды и повышение температуры, определяют количество выделенного тепла и теплоту сгорания газа. Теп-лота сгорания, определенная таким способом, будет теплотой сгорания для процесса при V = const, то есть это будет тепловой эффект QV .

Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Одним из продуктов полного сгорания топлива, а точнее входящего в его состав водорода, являются водяные пары. Для превращения кипящей воды в пар необходимо определенное количество тепла, называемое скрытой теплотой парообразования, которая для 1кг воды составляет 539ккал. При переходе водяных паров в жидкое состояние, то есть при их конденсации, выделяется тепло, соответствующее скрытому парообразованию. С учетом дополнительного тепла, выделяемого при охлаждении водяного пара до температуры его конденсации, а также охлаждение конденсата до температуры нагреваемой среды (воды) принимают, что 1кг водяных паров при конденсации отдает 600ккал.

Высшей теплотой сгорания топлива QB называется полное количество теплоты, выделившееся при сгорании горючих частей топлива при условии конденсации водяных паров. Однако, в обычных установках водяные пары уходят с дымовыми газами в атмосферу и скрытая теплота паро-образования не используется. Отсюда низшей теплотой сгорания топ-лива QН , называют разницу между полным количеством выделившейся теплоты и скрытой теплотой парообразования воды как имеющейся в топ-ливе в виде примеси, так и получающейся в результате сгорания водо-рода. Следовательно, низшая теплота сгорания отличается от высшей расходом теплоты на испарение влаги, содержащейся в топливе и обра-зующейся при сгорании водорода, содержащегося в топливе (W=9H).

Теплота сгорания газовой смеси определяется согласно правилу смешения

Qсм с = y1Q1c + y2Q2c + ...+ ynQnc =--е yiQic ,

где Qсм с - высшая или низшая теплота сгорания сухой горючей смеси; у1, …уn - объемная (мольная) доля компонента в газовой смеси;

Q1c ,...Qnc - высшая (низшая) теплота сгорания 1м3 компонента, входяще-го в смесь.

19. Кинетическая теория

Многие свойства газообразных веществ объясняются кинетической теорией газов, основные положения которой впервые были высказаны М.В.Ломоносовым. Если тот или иной газ заключен в какой-нибудь сосуд, то его молекулы, постоянно ударяясь при движении о стенки сосуда, создают то, что мы называем давлением газа.

Один из основных выводов кинетической теории: Молекулы всех газов при одной и той же температуре обладают одинаковой средней кинетической энергией.

Кинетическая теория газов позволяет вычислить средние скорости движения молекул. Она же лежит в основе объяснений физических свойств газов и законов газового состояния. Большинство законов газового состояния были выведены для идеального газа, то есть газа, молекулярные силы которого равны нулю, а объем самих молекул бесконечно мал по сравнению с объемом межмолекулярного пространства.

Законы газового состояния

Закон Бойля-Мариотта

где  -- давление газа;  -- объём газа, а  -- постоянная в оговоренных условиях величина.

Закон Шарля

Закон Гей-Люссака

или 

Уравнение состояния идеального газа

Закон Авогадро: в равных объемах любых газов, взятых при одинаковой температуре и одинаковом давлении, содержится одинаковое число молекул.

Закон Грейама (Грэма)

при заданном давлении и постоянной температуре скорости молекул обратно пропорциональны корням квадратным из плотностей газов.

Закон Дальтона Давление смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно сумме парциальных давлений.

Закон Рауля

Парциальное давление насыщенного пара компонента раствора прямо пропорционально его мольной доле в растворе, причём коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара над чистым компонентом.

Закон Генри

устанавливает прямо пропорциональную зависимость концентрации с газа, растворённого при пост. темп-ре в данном растворителе, от пар циального давления р этого газа над поверхностью раствора:

где Г - коэф. (или константа) Генри, к-рый зависит от темп-ры:

Если радикалы (или другие активные частицы) вступают в реакции с молекулами исходного вещества с последующим образованием новых радикалов, которые в свою очередь реагируют с молекулами исходного вещества, и этот процесс периодически повторяется в течение всей реакции, то весь комплекс процессов называется цепной реакцией.



20. Вынужденное зажигание

Речь идет о вынужденном зажигании, для осуществления которого совершенно не требуется нагревать горючую смесь по всему занимаемому объему, а достаточно разместить высокотемпературный источник (искру, накаленное тело, небольшое пламя и т.

В результате вынужденного зажигания, в конце концов, реакциями охватывается весь объем, занимаемый горючей смесью.

Это происходит после воздействия на смесь указанным источником зажигания самопроизвольно, путем распространения пламени, происходящего, как это выяснится из дальнейшего, не мгновенно, а с некоторой конечной пространственной скоростью.

Можно считать, что в основе вынужденного зажигания, так же как и при самовоспламенении, лежит тепловой фактор**.

Вынужденное зажигание смеси от нагретой стенки.

температурой вынужденного зажигания.

Другими словами, источник, нагретый до температуры Т2, перестает как таковой участвовать в процессе зажигания потому, что тепловой поток от него становится равным нулю; дальнейшее протекание процесса определяется условиями, которые имеют место в слое газа, находящегося в контакте с указанным нагретым телом и выделяющего нужное количество тепла.

Анализируя эти соображения, следует подчеркнуть, что критические условия, которые характеризуют зажигание, должны быть связаны, с одной стороны, со свойствами источника зажигания, а с другой стороны, -- с условиями распространения пламени в горючей смеси.

21. Распространение пламени в ламинарном потоке

Для осуществления стабильного процесса горения в потоке необходимо создать такие условия, чтобы фронт пламени был оставлен в пространстве. Выполняют это условие газогорелочные устройства. Фронт пламени, распространяющийся навстречу потоку газовоздушной смеси, стабилизируется в той области, где скорость потока равна скорости фронта пламени.

Условием, обеспечивающим устойчивость пламени, является полная и прямая компенсация скорости потока встречной скоростью пламени. Компенсация только нормальной составляющей скорости потока, которая наблюдается при косом пламени, не обеспечивает устойчивого горения. Поэтому газовая горелка должна иметь такие конструктивные элементы, в которых создаются благоприятные условия для возможности прямой компенсации скорости потока скоростью пламени.

Внутренний конус пламени ярко очерчен и имеет зеленовато-голубой цвет. Внешний конус представляет собой поверхность, где в результате диффузии окружающего воздуха выгорает оставшаяся часть газа. Наружный конус не имеет четкого контура и его границы размыты. Если считать внутренний конус геометрически правильным, можно получить простое соотношение, связывающее высоту конуса с основными характеристиками процесса горения. Имеем:

где h - высота внутреннего пламени; R - внутренний радиус горелки. Тогда:

Следовательно, чтобы экспериментально определить нормальную скорость распространения пламени достаточно измерить расход газа, внутренний радиус горелки, высоту внутреннего конуса и коэффициент первичного воздуха.

22. Диффузионное пламя

Пространство, в котором сгорают пары и газы, называется пламенем или факелом. Пламя может быть кинетическим или диффузионным в зависимости от того, горит ли заранее подготовленная смесь паров или газов с воздухом или такая смесь образуется в пламени в процессе горения. В условиях пожара газы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем.

Структура диффузионного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя. Ламинарное пламя возникает при малых сечениях потока паров или газов, движущихся с небольшой скоростью (пламя свечи, спички, газа в горелке небольшого диаметра и т.д.). При пожарах образуется турбулентное пламя. Оно меньше изучено, и для объяснения этого явления используют положения теории ламинарного пламени.

Пламя состоит из зоны горения и зоны паров, последняя
занимает почти весь объем пламени. Подобное по строению пламя образуется также при горении газов и твердых веществ, если скорость движения газов и паров соответствует ламинарному режиму.

Зона горения в диффузионном пламени представляет собой очень тонкий слой, в котором протекает реакция горения. Превращение веществ и выделение тепла в этом слое вызывают возникновение молекулярной диффузии в прилегающих к нему слоях воздуха и горючего. Причиной молекулярной диффузии является разность парциальных давлений и температур газов, участвующих в горении.

Распределение концентраций газов и паров в ламинарном диффузионном пламени и окружающей его среде отражает процессы диффузии, происходящие в пламени. Образующиеся
в зоне горения продукты сгорания диффундируют как в воздух, так и в горючие пары и газы. В пламени малого размера продукты сгорания находятся во всем объеме зоны паров и газов, а в пламени большого размера только в слое, прилегающем к зоне горения. Концентрация кислорода в зоне горения равна нулю, так как он полностью вступает в реакцию. Вследствие этого кислород в зону паров диффундировать не может, и горение в ней отсутствует.

Турбулентное пламя отличается от ламинарного тем, что не имеет четких очертаний и постоянного положения фронта пламени. Температура его при горении нефтепродуктов составляет: 1200 °С для бензина, 1100 °С для керосина тракторного, дизельного топлива, сырой нефти и 1000 °С для мазута. При горении древесины в штабелях температура турбулентного пламени составляет 1200--1300 °С.

23. Горелка атмосферная

Горелка атмосферная -- горелка с предварит, смешением газа с частью воздуха; относится к классу эжекционных горелок, работающих при атм. давлении или разрежении в топке до 20 Па. Г.а. состоит из газового сопла, эжекц. смесителя, головки с большим числом отверстий и регулятора первичного воздуха. Предварит, смешение газа с частью воздуха, необходимого для горения и наз. первичным, осуществляется в эжекц. смесителе, куда первичный воздух эжектируется струей газа. Оттуда смесь с равномерными полями концентраций топлива и окислителя под избыточным давлением поступает в головку Г.а. Из нее газовоздушная смесь истекает через отверстия со скоростью, обеспечивающей устойчивое горение. Часть воздуха, необходимая для полного сгорания газа и наз. вторичным воздухом, поступает к пламени непосредственно из окружающей среды за счет диффузии и эжектирующего действия истекающих струй. Пламя горелки имеет 2 конуса: внутр. ярко очерченный, зелено-голубого цвета и внешн., имеющий нёск. размытые контуры и бледно-фиолетовый цвет. Во внутр. конусе выгорает та часть газа, к-рая обеспечена первичным воздухом (газсгораеткинетич.пламенем).

Внешн. конус представляет собой пламя диффуз. типа. Г.а. работает с коэфф. первичного воздуха а1 - 0,45...0,7. Для обеспечения полного сгорания газа в зависимости от условий работы атмосферной горелки коэфф. избытка воздуха колеблется в пределах 1,3--1,8. Головка обычно представляет собой коллектор с большим числом выходных отверстий. Конструкция головок конфорочных горелок газовых плит соответствует посуде, к-рая устанавливается на них, а горелок иодонагревателей, кипятильников, котлов и т.д. -- габаритам топок этих агрегатов и условиям работы в них. Головка атмосферной горелки расположена в топке так, чтобы к ней были обеспечены подвод необходимого вторичного воздуха, норм. развитие конуса пламени и отвод продуктов сгорания газа. Высоту топочной камеры проектируют такой, чтобы внутр. конус пламени не соприкасался с холодными поверхностями нагрева, т.к. это приводит к хим. неполноте сгорания газа и к появлению в продуктах сгорания оксида углерода (СО).

Высота внутр. конуса пламени зависит от состава газа, коэфф- первичного воздуха, скорости выхода газовоздушной смеси и диаметра выходных отверстий. Для обеспечения стабильного разрежения в плоскости головки Г.а., ус-тановл. в топках агрегатов, оборудуют тя-гопрерывателями (см. Тягопрерыватель). Достоинства Г.а.: простота конструкции и надежность работы, возможность работы при низком давлении газа; отсутствие необходимости в подаче воздуха под давлением; устойчивая работа в широком диапазоне изменения тепловой мощности; бесшумность. Г.а., как правило, работают на газе низкого давления и применяются в бытовых газовых аппаратах (плитах, водонагревателях), в тепловых установках обществ, питания (ресторанные плиты, кипятильники), в лабораторной практике, в чугунных отопит, котлах и сушилках.

Конфорочная горелка стола газовой плиты ПГЧ-К модель 1445 предназначена для сжигания природных и сжиж. углеводородных газов, снабжена вертик. литым смесителем, на к-ром имеется резьба под накидную гайку для соединения с газопроводом плиты и установки сопла.В ней предусмотрено 2 ряда отверстий с размерами и шагом, предотвращающими слияние языков пламени. Верхний ряд отверстий -- осн., нижний--для создания стабилизирующего пламени (для повышения устойчивости горения).

Горелка газовых проточных водонагревателей ВПГ-18 имеет повыш. эжекц. способность, предназначена для сжигания природных и сжиж. углеводородных газов. Имеет 2 эжекц. трубки, к-рые присоединены к общему распределит. коллектору. Газ в каждую эжекц. трубку подают через сопло с тремя отверстиями. Такая конструкция позволяет сократить размеры эжекц. смесителя и одновременно увеличить коэфф. первичного воздуха <х до 0,75. К распределит, коллектору присоединена головка горелки, состоящая из 13 трубок с щелевыми отверстиями, располож. вдоль продольной оси по краям каждой трубки в 2 ряда. Щели для выхода газовоздушной смеси образованы за счет вырезов в стальных пластинах, вставляемых в верхнюю часть трубок. Стальная пластина обеспечивает необходимую термостойкость горелки. Устойчивость горения в отношении отрыва обеспечивается малыми скоростями истечения газовоздушной смеси из отверстий и взаимным поджиганием факелов, а в отношении проскока -- докритической шириной щели. Эти горелки могут использоваться в кипятильниках, дистилляторах, варочных котлах и др. установках с близкой тепловой мощностью.

Эжекц. горелка ГГИ предназначена для сжигания природного и сжиж. углеводородных газов в топках ресторанных плит, пищеварочных котлов, хлебопекарных печей, сушилок и др. газоиспользу-ющих агрегатов, работающих под разрежением. Разработаны 3 газогорелочиых блока: ГГИ-2 с одной, ГГИ-4 с двумя, ГГИ-б и ГГИ-10 с тремя горелками. Особенность ее в том, что головка имеет не коллектор с большим числом отверстий, а конич. трубку с одним отверстием большого диаметра. В результате значит, удлиняется пламя горелки. Из-за разрежения в топке вторичный воздух по кольцевому каналу между головкой и спец. кожухом поступает к корню факела. У горелки предусмотрена возможность регулирования кол-ва первичного и вторичного воздуха. Устойчивость горения обеспечивается подачей первичного воздуха с а -0,5,,т.е. образованием негорючей смеси. При этом предотвращается проскок пламени, а отрыв невозможен ввиду того, что скорость истечения газовоздушной смеси не превышает скорости распространения пламени. Групповая эжекц. горелка низкого давления используется для сжигания природного газа в топках чугунных котлов (типа "Универсал", "Энергия", "Тула" и т.п.). Она состоит из газового коллектора, к к-рому приварены патрубки, имеющие по 3 отверстия. На каждом патрубке вертикально крепится смеситель. В его верхней части установлены кольцевой стабилизатор и крышка со щелевыми отверстиями для выхода газовоздушной смеси. Расстояние между смесителями -- 230, длина смесителя -- не более 240, диаметр -- 50 или 60 мм. Вторичный воздух поступает к корню факела через канал между шамотными кирпичами и смесителем. Длина факела при <х - 0,4 -- около 0,6 м. Диапазон устойчивой работы горелок по давлению 100--2000 Па, номин. давление -- 1000 Па. Для топок продольной формы разработаны горелки эжекц. многофакельные ГИ-Н 8 типоразмеров с номин. тепловой мощностью 17--105 кВт, работающие в диапазоне давлений 350-- 1500 Па, и ГКС с тепловой мощностью 19--60 кВт и рабочим давлением в диапазоне 50--1800 Па (для природного газа). Эти горелки работают с коэфф. первичного воздуха, равным 0,4--0,6.

24. Эксплуатация газоиспользующих установок. Розжиг газоиспользующих установок

Приступая к приему газа в газопровод, проверяют, закрыты ли задвижки газопровода к агрегату (котлу) и задвижки (вентили, краны) газовых горелок, после чего открывают свечу в конце газопровода. Затем открывают задвижку на газопроводе и пускают газ, наблюдая по манометру за его давлением. После того как из свечи пойдет газ, закрывают ее вентиль (кран), в течение 10 ч 15 мин вентилируют топку и газоходы котла, регулируют тягу так, чтобы разрежение вверху топки было равно 20 ч 30 Па (2 ч 3 мм водяного столба).

Розжиг смесительных горелок (с принудительной подачей воздуха) должен производиться следующим образом: проверяют закрытие кранов перед горелками, закрывают воздушную заслонку, открывают кран у переносного запальника и зажигают выходящий из него газ. Затем запальник вводят в топку и его пламя подносят к выходному отверстию горелки; медленно открывают газовый кран перед горелкой и после зажигания газа, выходящего из горелки, запальник вынимают из топки и вешают на место.

Если газ не загорелся или, будучи зажжен, погас, необходимо закрыть кран перед горелкой, прекратив подачу газа, провентилировать топку и газоходы в течение 10 ч 15 мин, открыв воздушную заслонку. Только после этого можно снова приступить к розжигу горелки.

Если же зажигание горелки прошло успешно, несколько приоткрывают воздушную заслонку на воздухопроводе и регулируют пламя так, чтобы оно не было коптящим и чтобы излишний воздух не отрывал факел от горелки. Затем понемногу открывают газовый кран перед горелкой и постепенно воздушной заслонкой прибавляют воздух, добиваясь нормального горения газа: пламя должно быть устойчивым, некоптящим (прозрачным) и не отрывающимся от горелки.

При отрыве пламени следует уменьшить подачу воздуха, при длинном коптящем пламени надо убавить подачу газа. Во избежание отрыва пламени из-за чрезмерного избытка воздуха увеличивать нагрузку следует прибавлением вначале подачи газа, а затем подачи воздуха, а снижать нагрузку надо уменьшением вначале подачи воздуха, а затем подачи газа.