V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Эффективность применения природного газа в топливосжигающих установках реализуется при комплексном использовании его продуктов сгорания. Это обеспечивается тем, что одновременно используется не только теплота продуктов сгорания, но и их составляющие компоненты. В связи с этим составление материального баланса является необходимым этапом расчёта процесса полного сгорания природного газа, так как именно в результате его определяется количество и состав продуктов сгорания.

Составление и расчёт материального баланса при соответствующих коэффициентах расхода (избытка) воздуха α_iявляется одним из трудоёмких этапов в теплотехнических расчётах газоиспользующих установок. Для снижения трудоёмкости расчётов с сохранением их требуемой точности предложена методика [1, 2], базирующаяся на использовании понятия условного углеводородного соединения (УУС). При этом учитываются реальные составы реагирующих влажных природного газа и атмосферного воздуха.

Расчёт материального баланса в этом случае предлагается выполнить в следующей последовательности:

1. Записываются числовые значения компонентов в составе сухих природного газа и атмосферного воздуха (в % или в долях по объёму) в строку с указанием в нижнем индексе химической формулы компонента. Например:

• для сухого (d) природного газа (пг):

, (1)

• для сухого (d) воздуха (в):

, (2)

где цифры – содержание соответствующего компонента в % по объёму;

нижние буквенные индексы – химические формулы компонентов. Отметим, что расчёты обычно производят при нормальных физических условиях [t=0ºC; p=760мм.рт.ст.(101,3МПа)], при которых влагосодержание природного газа и воздуха принято х_пг=0,005 кг/м³сух. газа, х_в=0,01 кг/кг сух.возд.

1. Определяют компонентный состав влажных природного газа и воздуха путём пересчёта с их объемного сухого состава на рабочий (r) с использованием коэффициента пересчёта:

• для ПГ: ;, % (3,4)

• для воздуха: ;, % (5,6)

В итоге получают компонентные составы влажных природного газа и воздуха:

• для ПГ:

(7)

• для воздуха:

(8)

В дальнейшем расчёты можно значительно упростить, используя относительный компонентный по кислороду состав воздуха (см. табл.1), определяемый по формуле:

(9)

Таблица.1. Относительный по кислороду состав влажного атмосферного воздуха
Компонент	Объёмная доля компонента во влажном воздухе,	Относительная по кислороду доля компонента во влажном воздухе,
CO2	0,0295	0,00143
O2	20,619	1,00000
N2	76,854	3,72734
Ar	0,9153	0,04439
H2O	1,583	0,07677
Σ	100%	4,84993

1. Записываем химические формулы УСС для влажных атмосферного природного газа и воздуха в общем виде в любом из двух указанных ниже видов (предпочтительнее 2-ой вид):

1)или 2), (10)

где - соответственно количество атомов углерода С, водорода Н, кислорода О, азота N и аргона Ar в УУС природного газа или воздуха.

Числовые значения количества атомов химических элементов в УУС природного газа или воздуха находим по методике, приведённой в [1, с.25…28]. В итоге получаем:

• для ПГ:

, (11)

• для воздуха:

. (12)

1. Записываем уравнение материального баланса процесса полного сгорания природного газа при коэффициенте расхода воздуха α_i≥1 на базе УУС в общем виде в двух вариантах:

1. С использованием УУС влажного атмосферного воздуха, выраженного через его объемный компонентный состав:

,м³ (13)

1. При сжигании природного газа в чистом кислороде, при использовании относительного компонентного по кислороду состава влажного атмосферного воздуха:

(14)

1. Числовые значения буквенных коэффициентов V_i, м³/м³пг рассчитываем на базе закона сохранения массы, путём уравнивания количества одноимённых атомов в левой и правой частях уравнений. В итоге получаем, например, при α_i=1,1:

1. При сжигании во влажном атмосферном воздухе:

,м³ (15)

При уравнивании приходится решать систему 3-х уравнений, что несколько усложняет расчёт в м³/м³пг:

(16)

1. При сжигании природного газа в чистом кислороде уравнение имеет вид: (14). В данном варианте трудоёмкость определения V_i, м³/м³пг значительно уменьшается, так как систему уравнений решать не требуется. Объём продуктов полного сгорания определяют с использованием относительного компонентного по кислороду состава воздуха (см. табл.1) по формулам в м³/м³пг:

, (17,18)

, (19,20)

, (21,22)

(23)

1. Компонентный состав сухих и влажных продуктов сгорания на базе уравнений из п.5.1. и п.5.2. определяют тем же методом уравнивания с предварительной записью уравнений горения в общем виде в м³:

(24)

(25)

1. В итоге выполненных расчетов получаем следующие конкретные уравнения с числовыми значениями объемных составляющих компонентов сухих дымовых газов (26) и влажных дымовых газов (27):

(26)

(27)

Предложенный метод расчёта позволяет с небольшой трудоёмкостью и с достаточной точностью без знания специальных формул определять объёмы воздуха, продуктов полного сгорания и их компонентный состав при сжигании любого газового топлива в любой окислительной среде.

Библиографический список

1. Климов, Г. М. Органическое топливо для котельных установок / Г. М. Климов : метод. разработка для студентов специальностей ТГВ и БЖД / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород : ННГАСУ, 2004. – 44с. : ил.

2.Климов, Г. М. Методика расчёта материального баланса процесса полного сгорания органического топлива / Г. М. Климов, И. Н. Новожилов, Е. Н. Хохлова // Энергоэффективность. Опыт, проблемы, решения. – Н. Новгород, 2007.–Вып.1-2.–С.60-62.

Код для цитирования: Скопировать