авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

А. П. Бельский, В. Ю. Лакомкин

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

ТЕПЛОМАССООБМЕНА

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

И ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССАХ И УСТАНОВКАХ

электронное

учебное пособие

изучать закрыть

Санкт-Петербург

2011

Титульный лист Содержание

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Александр Петрович Бельский, доктор технических наук, Владимир Юрьевич Лакомкин, кандидат технических профессор кафедры промышленной теплоэнергетики СПб наук, доцент кафедры промышленной теплоэнергетики СПб ГТУ РП. Родился в 1933 г. Окончил в 1956 г. Ленинградский ГТУ РП. Родился в 1956 г. в городе Ленинграде. Окончил в технологический институт целлюлозно-бумажной промыш- 1979 г. теплоэнергетический факультет Ленинградского тех ленности. На кафедре работает с 1960 г. Докторскую диссер- нологического института целлюлозно-бумажной промыш тацию защитил в 1991 г. С 1999 г. заведует кафедрой про- ленности. На кафедре работает с 1981 г. Диссертацию защи мышленной теплоэнергетики. Является автором более 100 тил в 1993 г. Является автором более 50 научных и учебных научных и учебных публикаций. публикаций в области сушильных установок.

Титульный лист Введение СОДЕРЖАНИЕ Введение................................................................................. 1 2.10. Кинетика и теплообмен при горении газообразного 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ топлива................................................................................... ТЕПЛОМАССООБМЕНА.................................................... 2 2.10.1. Гоpение газообpазного топлива........................................... 1.1. Теплопроводность................................................................. 3 2.10.2. Факельный вид горени........................................................... 1.2. Конвективный теплообмен при естественной конвекции.. 4 2.11. Турбулентный массообмен при горении газообразного 1.3. Конвективный теплообмен при вынужденном движении топлива................................................................................... жидкости в каналах................................................................ 6 Контрольные вопросы по главе 2........................................ 1.4. Конвективный теплообмен при обтекании плоских поверхностей........................................................................... 8 3. ТЕПЛОМАССООБМЕН В ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 1.5. Теплообмен при кипении жидкости.................................... 10 ПРОЦЕССАХ И УСТАНОВКАХ............................................. 1.5.1. Теплообмен при кипении жидкости..................................... 1 3.1. Теплообмен на сушильных цилиндрах при контактно 1.6. Контактный (кондуктивный) теплообмен........................... 11 конвективной сушке бумажного полотна........................... 1.7. Теплообмен излучением....

................................................... 12 3.2. Расчет температуры бумажного полотна на сушильном 1.7.1. Коэффициенты облученности и взаимные излучающие цилиндре................................................................................ поверхности в некоторых случаях....................................... 2 3.3. Расчет температуры бумажного полотна на участках 1.8. Тепломассообмен в двухкомпонентных средах..................14 свободного пробега............................................................... Контрольные вопросы по главе 1.........................................16 3.4. Тепломассообмен при перемещении поверхности испарения вглубь материала................................................ 2. ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ ГОРЕНИИ ТОПЛИВА.......17 3.5. Расчет поля влажности в сечении материала..................... 2.1. Кинетика реакций в процессах горения топлива................18 3.5.1. Критерий Кирпичева............................................................ 2.1.1. Oбщие cведения о гоpении.................................................... 3 3.6. Расчет температурного поля в сечении материала............ 2.2. Равновесные составы реагирующих веществ.....................19 3.6.1. Охлаждение (нагрев) одномерных тел............................... 2.2.1. Гомогенное и гетерогенное горение топлива..................... 4 3.6.2. Корни характеристического уравнения сtg = /Bi.......... 2.3. Тепломассообмен в процессах воспламенения и 3.7. Решение уравнения нестационарной теплопроводности горения горючих смесей....................................................... 22 методом конечных разностей............................................... 2.4. Влияние температуры и избытка воздуха на конечный 3.8. Теплообмен и аэродинамика газодисперсных систем....... состав продуктов сгорания в топочном процессе.............. 23 3.9. Тепломассообмен в низкотемпературных рабочих 2.5. Тепломассообмен в процессах воспламенения камерах печных установок................................................... и горения гетерогенных смесей........................................... 25 3.10. Тепломассообмен в рабочем пространстве 2.5.1. Кинетичеcкая и диффузионная облаcти гоpения.............. 5 высокотемпературных рабочих камер................................. 2.6. Кинетика сгорания топливных частиц при 3.11. Тепломассообмен в туннельных печах............................... стехиометрическом расходе воздуха................................... 27 3.12. Теплообмен во вращающихся печах для обжига............... 2.7. Сгорание твердых топливных частиц 3.13. Тепломассообмен в кипящем слое...................................... в неограниченном объеме (соб = с0 = const)........................ 29 3.13.1. Расчет кипящего слоя........................................................... 2.7.1. Горение твердого топлива................................................... 6 3.14. Теплообмен в радиационно-конвективных сушильных 2.8. Тепломассообмен при горении жидкого топлива.............. 30 установках непрерывного действия.................................... 2.8.1. Горение жидкого топлива................................................... 8 3.15. Физические свойства газов, воздуха и пара. Таблицы....... 2.9. Определение коэффициента массоотдачи при горении 3.16. I-d диаграмма........................................................................ топлива................................................................................... 32 Контрольные вопросы по главе 3........................................ Содержание Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Введение или как пользоваться этим учебником Курс лекций “Специальные вопросы тепломассообмена в энергетических и теплотехнологических процессах и установках” является дисциплиной по профилю специальности инженера-теплоэнергетика и является завершающим при обучении студентов.





Данный курс на протяжении более 20 лет читал профессор П. А. Жучков, он разработал программу данного курса, издал несколько учебных пособий и монографий [6, 7, 8 и др.].

Авторы данного учебного пособия переработали и дополнили имеющийся материал по тепломассообмену, упростили некоторые разделы, уделили больше внимания физическому пониманию протекающих процессов, а также их математическому описанию.

Материал данного курса лекций включает в себя инженерные методы расчетов и аналитические исследования процессов, протекающих в энергетических и теплотехнологических аппаратах и установках, выполненные на базе фундаментальных уравнений тепломассообмена, гидродинамики потоков жидкости, с определением длительности нагревания (охлаждения) или горения, поверхности тепломассообмена или температурного режима.

В данном курсе рассмотрены на первый взгляд разрозненные задачи, но их объединяют процессы переноса теплоты и массы вещества между рабочими средами.

Последнее издание подобного учебника [1] относится к 1997 г. За прошедшие 13 лет произошла революция в сфере информационных технологий, а следовательно, и в сфере обучения. Использование фото, видео и звука позволяет сейчас применять новый способ подачи материала. В связи с этим некоторые разделы учебного пособия подверглись существенным изменениям и дополнениям.

Текстовая часть учебника состоит из глав основного и дополнительного разделов. Оба раздела одинаково значимы, но в дополнитель ном размещен материал, изучаемый и по другим дисциплинам, например, молекулярной физике, топливу и теории горения, отопле нию и кондиционированию воздуха и т. п.

Авторы старались, чтобы текстовая информация была размещена в пределах одного экрана (страницы). Если размер главы все же превышает экранную страницу, на новой странице сохраняется старая иллюстрация (если на нее ссылаются в тексте). И наоборот, содержимое рисунка может меняться (при нажатии на кнопку), если на одном экранном листе иллюстрируются различные процес сы. Таким образом, в этом электронном учебнике соблюдается принцип: все время иметь перед глазами то, о чем говорится в тексте.

Синим цветом в тексте выделены наиболее важные места или определения. Красным цветом в тексте выделены заголовки или, если курсор превращается в указующий перст,"кнопки". Кнопки могут служить "ссылками" - переходами на новый участок текста или запускать мультипликацию. Для включения и выключения анимации также служат кнопки play и stop.

Помимо информационного материала учебник содержит примеры и задачи для отдельных тем и вопросы и тесты в конце каждой главы.

Наличие дополнительного материала или примера обозначено "звездочкой".

Вы можете получить доступ к любой главе или разделу со страницы содержание и перемещаться в основном разделе ("листать" страницы) с помощью кнопок назад и вперед. На страницу с дополнительным материалом, примером или тестом Вы можете попасть по ссылке со страницы основного раздела (на нее же осуществляется возврат кнопками назад или основной раздел ). Можно набрать номер нужной страницы. Завершается обучающая программа с помощью сочетания клавиш Ctrl + Q или при последователь ном нажатии кнопок содержание титульный лист закрыть.

Данное пособие предназначено для использования в учебном процессе по трем направлениям: для самостоятельного обучения, иллюстрации лекций и проведения практических занятий.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты глава I ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 1.1. Теплопроводность Теплообмен - самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым телам. В общем случае теплообмен может вызываться также неоднородностью полей и других физических величин, например, разностью концентраций вещества.

Тепловой поток Q (кДж/ч, Вт) - это количество теплоты, переносимое через изотермическую поверхность в единицу времени (мощность теплового потока).

Плотность теплового потока q (Вт/м2) - это тепловой поток dQ, отнесенный к площади dF изотермической поверхности.

dQ q= (1.1) dF Плотность теплового потока - вектор, направление которого совпадает с направлением распространения теплоты в данной точке и противоположно направлению вектора температурного градиента dt/dx.

Различают три вида теплообмена: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность - это свойство твердых материалов и неподвижных газовых и жидких сред проводить через себя теплоту за счет передачи энергии от одной молекулы к другой. Внутренний механизм теплопроводности объясняется на основе молекулярно кинетических представлений - перенос энергии осуществляется вследствие теплового движения и энергетического взаимодействия между микрочастицами - молекулами, атомами, электронами из которых состоит тело.

Явление теплопроводности возникает при наличии градиента температуры и в однородном стационарном случае (t = f (x)) описывается уравнением Фурье.

dQ = · dt · dF, (1.2) dx где dQ - количество теплоты, переносимое через площадку dF в направлении нормали к этой площадке в сторону убывания температуры, кДж/ч, Вт;

dt/dx - градиент температуры, °С/м;

- коэффициент теплопроводности, численно равный количеству теплоты, переносимой через единицу поверхности за единицу времени при градиенте температуры, равном единице, Вт/(м°С).

При нестационарном режиме температура t в различных точках изменяется не только в пространстве, но и с течением времени.

t = f (x, y, z, ), где x, y, z - координаты точки;

- длительность процесса, ч.

Вид функции устанавливается с помощью решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности Фурье без внутренних источников теплоты, которое для однородного изотропного тела имеет следующий вид:

t/ = a · ( 2t/ x2 + 2t/ y2 + 2t/ z2), (1.3) где a = /(сp. ) - коэффициент температуропроводности, м2/с;

- коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);

сp - теплоемкость среды или материала, кДж/(кг K);

- плотность, кг/м3.

Для одномерной задачи уравнение (1.3) приобретает вид:

t/ = a·(2t/x2). (1.4) В промышленных аппаратах и природных явлениях, как правило температурное поле нестационарное.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 1.2. Конвективный теплообмен при естественной конвекции.

Конвективным теплообменом или теплоотдачей называется процесс переноса теплоты между поверхностью твердого тела и жидкой или газообразной средой. При этом перенос теплоты осуществляется одновременным действием теплопроводности через пограничный слой и конвекцией.

Естественная конвекция - перемещение жидких или газообразных сред под действием разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости в гравитационном поле.

Вынужденное движение возникает под действием посторонних побудителей (насоса, компрессора, вентилятора). В природных явлениях ветер возникает под действием разности давлений, действующих в различных районах земного шара.

Тепловой поток Q (Вт) при конвективном теплообмене пропорционален коэффициенту теплоотдачи к, поверхности F и разности температур между нагретой стенкой и жидкостью и описывается уравнением Ньютона-Рихмана.

Q = к · F · (tст tж), (1.5) где к - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2К);

F - поверхность теплообмена, м2;

tст - температура нагретой стенки, °С;

tж - температура потока жидкости, К.

Процесс теплоотдачи является достаточно сложным и w, зависит от формы обтекаемой поверхности, режима тече play ния, температурных условий и других факторов.

т м/с В качестве примера показаны графики изменения скорос stop ти w = f (y), температуры t = f (y) и коэффициента теплооб нагретая стенка мена жидкости у вертикальной нагретой поверхности при естественной конвекции.

При свободном движении жидкости в пограничном слое w = f (y) скорость у нагретой поверхности w = f (y) равна нулю, а на нагретая стенка некотором расстоянии приобретает максимум и вдали от стенки снова становится равной нулю (рис. 1.1, а). Темпера y тура жидкости t = f (y) изменяется от максимальной tст у нагретой поверхности до tж в окружающей среде (рис. 1.1, б).

t,°С tс Рис. 1.1. Изменения: а - скорости w = f (y), б - тем нагретая стенка пературы среды t = f (y) и в - коэффициента теп лообмена при естественной конвекции по высоте нагретой поверхности (стенки), где: т - толщина по t = f (y) граничного слоя;

tст - температура стенки, tж - темпе ратура окружающей среды.

tж x y Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Исследования теплообмена при свободном движении жидкостей и газов вблизи нагретых поверхностей, имеющих различную форму и расположение (вертикальные и горизонтальные трубы, плиты) для расчета коэффициента теплообмена позволили получить обобщенную критериальную зависимость следующего вида:

Nuт = c · (Gr · Pr)n, (1.6) где с - коэффициент пропорциональности, n - показатель степени.

Значения с и n зависят от комплекса величин и определяются по справочным таблицам [1, 2].

Теплообменный критерий Нуссельта равен:

Nuт = · l /, (1.7) где - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2 К);

l - определяющий размер, м;

- коэффициент теплопроводности жидкости, располагающейся у теплообменной поверхности, Вт/(м К).

Критерий Нуссельта Nuт можно рассматривать как отношение плотности действительного потока теплоты, определяемого через коэффициент теплообмена к плотности потока теплоты, который имел бы место в условиях чистой теплопроводности в слое толщиной т.

Критерий Грасгофа Gr, характеризующий относительную эффективность подъемной силы, вызывающей свободно-конвективное движение среды, равен:

· g · l 3 · t, (1.8) Gr = = 1/(t + 273) - температурный коэффициент объемного расширения среды, 1/К;

t м/с2, где g - ускорение свободного падения, температурный напор, К;

l - характерный линейный размер, м;

- коэффициент кинематической вязкости, м2/с.

Теплообменный критерий Прандтля является теплофизической характеристикой теплоносителя и равен:

· cp, (1.9) Pr = a = где а - коэффициент температуропроводности, м2/с;

- коэффициент динамической вязкости жидкости или газов, Па · с;

сp удельная изобарная теплоемкость среды, кДж/(кг К).

В результате обобщения опытных данных получены критериальные зависимости для средних значений коэффициента теплоотдачи. В этих формулах в качестве определяющей температуры принята температура окружающей среды tж. В качестве определяющего размера для горизонтальных труб принят диаметр d, а для вертикальных поверхностей - высота h.

Закономерность средней теплоотдачи для горизонтальных труб диаметром d при 103 GrжPrж 108 имеет вид:

Nuж = 0,50 · (Grж · Prж)0,25 · (Prж / Prс)0, а закономерность стредней теплоотдачи для вертикальных поверхностей (трубы пластины) следующая:

а). при 103 GrжPrж 109 (ламинарный режим) Nuж = 0,76 · (Grж · Prж)0,25 · (Prж / Prс)0, б) при GrжPrж 109 (турбулентный режим) Nuж = 0,15 · (Grж · Prж)0,33 · (Prж / Prс)0, Для газов Pr = const, а Prж/Prc = 1, поэтому приведенные выше формулы упрощаются.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 1.3. Конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости в каналах В промышленных установках широкое распространение получили трубчатые теплообменные аппараты, в которых одна среда движется по трубам (продольное обтекание), а вторая среда - по межтрубному пространству (поперечное обтекание).

На рис. 1.2 приведено распределение скорости потока жидкости по сечению трубы при ламинарном (а) и турбулентном (б) режи мах движения.

Ламинарный (параллельно-струйчатый) режим наблюдается при малых скоростях движения жидкости, при которых движущиеся струи между собой не перемешиваются. При скоростях потока больше значения wкр режим течения переходит в турбулентный, при котором молекулы жидкости или газа перемещаются не только в продольном, но также и в поперечном направлении потока, при этом молекулы переносят с собой теплоту (молярный перенос).

Режим течения жидкости можно определить по величине критерия Рейнольдса w · l ·w·l Re = =, (1.10) где w - скорость потока жидкости или газов, м/с;

l - определяющий размер, м;

- плотность потока вещества, кг/м3.

Критерий Рейнольдса характеризует меру отношения сил инерции к силам трения.

При движении жидкости в трубах в условиях ламинарного режима (при Reкр 2 · 103) перенос теплоты от одного слоя жидкости к другому в направлении нормали к стенке осуществляется теплопроводностью.

Коэффициент теплоотдачи при ламинарном режиме течения жидкости рассчитывается по формуле:

d 0,4 Prж 0,25, (1.11) Nuж = 1,4 · Reж l · Prж0,33 · Prст · d ;

Pr = ж ;

Pr = ст ;

где Nuж = aж aст ж ст Re 1. Re 2.103 W0 W d play stop т W W Рис. 1.2. Распределение скоростей по сечению трубы при а - ламинарном и б - турбулентном режимах течения жидкости.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Индексы "ж" и "с" означают, что физические свойства выбираются при средней температуре жидкости и стенки соответственно.

При турбулентном режиме движения жидкости перенос теплоты в объёме жидкости происходит в основном за счёт перемешива ния (молярный перенос теплоты).

Критериальная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи при турбулентном режиме движения в каналах имеет следующий вид [1]:

Prж 0,25, (1.12) Nuж = 0,021 · Reж0,8 · Prж0,43 · Prст За определяющую температуру здесь принята средняя температура жидкости, а за определяющий размер - эквивалентный диа метр dэк = 4 · F/П, где F - сечение для прохода жидкости, м2;

П - периметр сечения, м.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 1.4. Конвективный теплообмен при обтекании плоских поверхностей В тепломассообменных аппаратах и установках также применяется продольное обтекание плоских поверхностей потоком жид кости или газов, например, в пластинчатых теплообменных аппаратах, в сушильных установках при обтекании листов картона или целлюлозы, когда вдоль плоской поверхности происходит образование динамического пограничного слоя, показанного на рис. 1.3.

По мере движения потока вдоль поверхности толщина пограничного слоя постепенно возрастает. На небольших расстояниях от передней кромки пластины пограничный слой весьма тонкий и течение в нём носит струйный (ламинарный) характер. Далее, на расстоянии xкр в пограничном слое возникают вихри и режим течения принимает турбулентный характер, теплота в нём перено сится за счёт активного перемешивания потока (молярным способом), однако в непосредственной близости от поверхности вихри затухают, здесь сохраняется очень тонкий пограничный слой и теплота в нём распространяется теплопроводностью (молекуляр ным способом).

Критическое число Рейнольдса для обтекания плоских поверхностей составляет Reкр = 4 · 104.

W W W т W л п play stop X Xкр Рис. 1.3. Схема движения жидкости при обтекании пластины, где w0 - скорость невозмущенного потока жидкости;

w - текущее значение скорости в ламинарном пограничном слое;

л, т - соответственно толщины ламинарного и турбулентного слоев;

п толщина пограничного слоя при турбулентном течении жидкости;

х - расстояние от передней кромки пластины.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты При обтекании пластины критериальные уравнения имеют следующий вид при:

а - ламинарном режиме течения жидкости Nuт = 0,57 · Reж0,5, (1.13) б - турбулентном режиме течения Nuт = 0,032 · Reж0,8, (1.14) В качестве определяющего размера при расчетах Nuт и Reж принимается длина обтекаемой поверхности.

В теплообменных аппаратах, где в качестве греющей среды применяется не сухой, а влажный воздух, происходит конденсация водяных паров, тогда коэффициент 1 (Вт/(м2К)) возрастает и формула для расчётов приобретает следующий вид:

d · r '1 = 1 · 1 + 1000 · t · c, (1.15) в где d - снижение влагосодержания воздуха, г/кг;

t - снижение температуры воздуха, °С;

r - теплота парообразования (теплота, выделившаяся в результате конденсации водяных паров), кДж/кг;

cв - теплоёмкость влажного воздуха, кДж/(кг · К).

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 1.5. Теплообмен при кипении жидкости В теплообменных аппаратах энергетических и теплотехнологических установок происходят процессы образования пара за счёт подвода теплоты от высокотемпературных источников (паровые котлы, паропреобразователи и др. установки).

На рис. 1.4 показан сосуд с кипящей водой и паром и график изменения температуры по высоте воды и пара. Как следует из гра фика, жидкость оказывается несколько перегретой в сравнении с температурой пара.

Интенсивность теплообмена между днищем и водой в значительной степени зависит от температурного режима, кипение при этом может быть пузырьковое и плёночное.

Удельный тепловой поток при кипении жидкости определяется по уравнению Ньютона-Рихмана qкип = кип · (tгр tж), (1.16) где кип - коэффициент теплоотдачи при кипении жидкости, Вт/м2К;

tгр, tж - температуры греющей поверхности и жидкости, К.

Более подробно о теплообмене при кипении жидкости см. в [1] и в дополнительном материале.

h пар 2 t = f (h) кипящая вода вкл.

выкл.

A t,°C 100 100,4 105 Рис. 1.4. Изменение температуры по высоте сосуда с кипящей водой: а - сосуд с кипящей водой;

б - график изменения температуры пара и воды по высоте сосуда;

1 - нагреватель;

2 - кипящая вода;

3 - водяной пар.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 1.6. Контактный (кондуктивный) теплообмен В некоторых теплотехнологических и энергетических аппаратах и установках теплообмен осуществляется за счёт непосред ственного контакта (кондукции) нагретой поверхности с влажным материалом.

Например, при сушке бумаги на цилиндрах бумага соприкасается с нагретой поверхностью. В барабанных сушильных установ ках влажный материал соприкасается с нагретой поверхностью барабана.

В этом случае плотность теплового потока может быть вычислена по уравнению Ньютона-Рихмана qкт = кт · (tгр tпм), (1.17) где кт - коэффициент контактного (кондуктивного) теплообмена, Вт/(м.К);

tгр, tпм - температуры греющей поверхности и матери ала, °С.

Коэффициент контактного (кондуктивного) теплообмена зависит от многочисленных факторов и прежде всего от плотности контакта греющей поверхности и материала, силы прижатия материала к греющей поверхности, свойств высушиваемого материала и других факторов.

При сушке бумаги на нагретых цилиндрах коэффициент контактного теплообмена находится в пределах 600-800 Вт/(м2.К) [6].

а). б).

h 3 tп t = f (h) 1 play stop qкт 123 130 t,°C 75 87 Рис. 1.5. Контактный (кондуктивный) теплообмен: а - схема контактного теплообмена (на цилиндре) и б - график изменения температуры в нагретой стенке и влажном материале;

1 - греющая поверхность;

2 - сушимый материал;

3 - прижимная сетка.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Вт/(м2· мкм) 1.7. Теплообмен излучением E0 ·10- В некоторых теплоэнергетических и теплотехнологических установках теплообмен в рабо чих камерах осуществляется лучеиспусканием от высокотемпературных источников теплоты (горящего факела, нагретых поверхностей, электрических нагревателей, трехатомных газов и T = 1400 K других источников). Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания с длиной волны от долей микрона (микрометра) до многих километров.

Примерная классификация излучения по длине волны следующая [6] : Длина волны Вид излучения 0,05 · 10-6 мкм............................... космическое (0,5 - 1,0) · 10-6 мкм...................... -излучение 10-6 - 20 · 10-3 мкм........................ рентгеновское 20 · 10-3 - 0,4 мкм......................... ультрафиолетовое 0,4 - 0,8 мкм.................................. видимое 0,8 мкм - 0,8 мм........................... тепловое (инфракрасное) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 мкм 0,2 мм - Х км................................ радиоволны Рис. 1.6. E0 = f (, T) по закону Суммарное излучение, проходящее через произвольную поверхность F в единицу времени, Планка называется потоком излучения Q (Вт). Лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности по всем направлениям, называется плотностью потока излучения или энергетической освещен ностью E (Вт/м2).

Основной закон теплового излучения - закон Планка, описывающий мощность излучения абсолютно черного тела E0 = dE/d Вт/(м2· мкм) как функцию температуры T (К) и длины волны (мкм): c ·-5, (1.18) E0 = e где е - основание натурального логарифма;

с1, с2 - константы.

На рис.1.1 закон Планка представлен графически. Из рисунка видно, что при повышении температуры мощность излучения возрастает (мощность излучения соответствует площади под кривой), а ее максимум смещается в сторону меньших длин волн.

Связь между максимальной длиной волны max и температурой излучающей поверхности Т определяется законом Вина:

max · T = 2898, мкм · К. (1.19) 2 нагретой поверхности абсолютно черного тела в единицу времени, определяется Полное количество энергии, излучаемое 1 м законом Стефана-Больцмана. Применительно к реальным серым телам этот закон имеет вид:

E = c0 · (T/100)4. (1.20), = 5,7 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2·К4);

Т - абсолютная температура поверхности излучателя, К.

где c Поток излучения Q при попадании на другие тела частью поглощается QA, частью отражается QR, частью проходит сквозь тело QD:

QA + QR + QD = Q или A + R + D = 1. (1.21а) Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Излучательная способность тела тем больше, чем больше его поглощательная способность А. Тело, полностью поглощающее все попадающие на него лучи (А = 1), называется абсолютно черным. Для серых тел величина А 1 и численно равна степени черноты тела.

В замкнутой системе, состоящей из двух серых тел, количество теплоты, передаваемое от излучателя материалу, определяется по формуле: T1 4 T2 4, (1.21) Qиз = c0 · пр · H · 100 где Т1, Т2 - абсолютная температура излучателя и лучевоспринимающего материала;

H = F1· 12 = F2· 21 - взаимная излучающая поверхность;

F1, F2 - поверхности излучателя и материала;

12, 21 - коэффициенты облученности (чисто геометрические параметры, зависящие только от формы и взаимного расположения тел);

пр - приведенная степень черноты.

1, (1.22) пр = 1 1 + 1 1 · 12 + 2 1 · где 1, 2 - степень черноты лучеиспускательной и лучепоглощательной поверхностей. Подробнее о степени черноты и взаимной излучающей поверхности смотри в разделе доп. материал.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 1.8. Тепломассообмен в двухкомпонентных средах Во многих теплоэнергетических и теплотехнологических процессах и установках процессы теплообмена сопровождаются переносом массы одного компонента относительно другого, или диффузией. Так, например, в процессах горения топлива кислород под действием диффузии перемещается из объёма к поверхности реагирования, а продукты сгорания движутся в обратном направ лении. При испарении влаги водяные пары под действием разности концентраций перемещаются от поверхности испарения в окружающую среду.

Диффузией называется самопроизвольный процесс, направленный на установление внутри фаз равномерного распределения концентраций. В однородной по температурам и давлениям смеси процесс диффузии направлен к выравниванию концентраций в системе: происходит перенос вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Аналогично теплообмену диффузия (массообмен) может происходить как молекулярным (микроскопическим), так и молярным (макроскопическим) путём.

Поток массы J (кг/ч) - это количество вещества, проходящее в единицу времени через данную поверхность F в направлении нормали к ней.

Плотность потока массы jm (кг/(м2ч)) - это поток массы, проходящий через единицу поверхности за один час и в дифференциаль ной форме имеет следующий вид:

jm = dJ/dF. (1.23) В однородной по температуре и давлению макроскопической неподвижной двухкомпонентной смеси плотность потока массы одного из компонентов за счёт молекулярной диффузии описывается законом Фика jm = D · (dc/dn), (1.24) где с - местная концентрация данного вещества (компонента), равная отношению массы компонента к объёму смеси, кг/м3;

D коэффициент молекулярной диффузии одного компонента относительно другого, м2/с;

n - нормаль к поверхности одинаковой кон центрации данного вещества;

dc/dn - градиент концентрации (направлен в сторону возрастания концентрации).

Движущей силой, обусловливающей перенос вещества, является градиент концентраций dc/dn.

Знак минус в уравнении (1.24) указывает на то, что согласно закону Фика, перенос вещества происходит в сторону уменьшения его концентрации.

Закон диффузии Фика формулируется следующим образом: поток массы вещества за счет диффузии пропорционален градиенту концентраций и коэффициенту молекулярной диффузии и направлен в сторону снижения концентрации вещества.

Общее уравнение плотность потока массы i-го компонента jmi (кг/(м2ч)) с учётом концентрационной диффузии, термодиффузии и бародиффузии имеет следующий вид:

ci DТ ti Dp pi, (1.25) jmi = D · n T n P n где - плотность, кг/м3;

D - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с;

Dт = kт.D. - коэффициент термодиффузии, м2/с;

Dp = kp.D. - коэффициент бародиффузии, м2/с;

P - давление смеси, кг/м2;

ci/n;

ti/n;

pi/n - соответственно градиенты концентрации, температуры и давления.

Первый член в уравнении (1.25) учитывает концентрационную диффузию.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Физический смысл второго слагаемого в уравнении (1.25) сводится к так называемой термической диффузии. При наличии градиента температуры поток массы вещества перемещается в сторону более низких температур (эффект Соре).

Если в смеси имеет место градиент полного давления, то может возникнуть диффузия за счёт неоднородности давления. Этот вид диффузии называют бародиффузией, он учитывается третьим слагаемым в уравнении (1.25).

Конвективный массообмен - это перенос массы вещества в многокомпонентной среде совместно с процессом молекулярной диффузии и конвекции.

tв tпм t, °C p, Па pпм pв Аналогично теплоотдаче конвективный массообмен между жидкой или твёрдой поверхностью и окружающей средой называют массоотдачей. В рассматриваемых случаях jm тепло-и массообмен протекают одновременно.

tв pпм На рис. 1.7. условно показана схема теплообмена (с левой стороны) и массообмена (с правой стороны) при испарении влаги с поверхности материала и распределение температуры и дав ления водяных паров в пограничном слое.

Плотность теплового потока определяется по уравнению Ньютона-Рихмана pв tпм qкв qкв = кв · (tв - tпм). (1.26) Для расчета массоотдачи используется уравнение следующего вида:

jm = m · (cпм - cв), (1.27) т D где спм, св - концентрации водяного пара у поверхности испарения и в окружающей среде, кг/м3;

m - коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентраций диффундирую щего вещества, кг/(м2. ч. ед.концентр.).

Коэффициент массоотдачи m - это количество массы вещества, которое испаряется с едини- Рис.1.7. Схема тепломассообме на в процессе испарения влаги цы поверхности за единицу времени при единичной разности концентраций.

Так как pV = mRT и p = cRT, тогда уравнение (1.27) представим в следующем виде:

jm = m / (R·T) · (pп - pв) = p · (pп - pв), (1.28) где p - коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений, кг/(м2. ч. Па);

pпм, pв - парциальные давления паров у поверхности испарения и в окружающей среде, Па. Уравнение (1.28) известно, как закон Дальтона.

Коэффициент массообмена m определяется из критериальных формул, аналогичных теплообменным критериальным уравнени ям.

NuD = m · l / D (1.29) Диффузионный критерий Нуссельта равен:

Коэффициент молекулярной диффузии для нормальных условий D0 находится по таблицам и пересчитывается для данной тем пературы по соотношению: T 1,75, (1.30) D = D0 · T где Т - абсолютная температура окружающей среды;

Т0 = 273 °С.

На основании приведенных уравнений выполняются расчеты переноса массы вещества в различных энергетических и физико химических процессах.

Содержание Глава I Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Контрольные вопросы по главе I 19. Как изменяется коэффициент теплоотдачи при охлаждении воздуха до 1. Как называется количество теплоты, переносимое через изотермичес температуры конденсации водяного пара?

кую поверхность в единицу времени?

20. Как температура в объеме кипящей жидкости соотносится с температу 2. Как называется количество теплоты, переносимое через поверхность в рой насыщения?

единицу времени и отнесенное к единице площади поверхности?

21. Что такое процесс кипения?

3. Как называется самопроизвольный необратимый процесс переноса 22. Какие существуют режимы кипения?

теплоты от более нагретых тел к менее нагретым телам?

23. От каких факторов зависит коэффициент контактного теплообмена?

4. Как называется свойство твердых материалов и неподвижных газовых и 24. В каких пределах находится коэффициент контактного теплообмена при жидких сред проводить через себя теплоту за счет передачи энергии от сушке бумаги на цилиндрах [Вт/(м2К)]?

одной молекулы к другой?

25. Как называется суммарное излучение, проходящее через произвольную 5. Как называется коэффициент численно равный количеству теплоты, поверхность F в единицу времени?

проходящему в единицу времени через единицу изотермической поверх 26. В каком диапазоне длин волн находится ИК-излучение?

ности при градиенте температуры, равном единице?

27. Что происходит согласно закона Планка при повышении температуры 6. Как называется коэффициент численно равный количеству теплоты, излучения?

переданной в единицу времени через единицу поверхности при разности 28. У какого вида излучения большая длина волны?

температур между поверхностью и жидкость в один градус?

29. Какие лучи обладают большей проникающей способностью?

7. Как передается теплота в ламинарном пограничном слое при конвектив 30. Как связана излучательная способность тела с поглощательной?

ном теплообмене?

31. Какое тело называется абсолютно черным?

8. Как называется процесс переноса теплоты между поверхностью твердо 32. Каким законом определяется полное количество энергии, излучаемое 1 м го тела и жидкой или газообразной средой?

нагретой поверхности абсолютно черного тела в единицу времени?

9. Под действием чего осуществляется естественная конвекция?

33. Каким законом определяется связь между максимальной длиной волны 10. Что характеризует критерий Прандтля?

max и температурой излучающей поверхности Т?

11. Какой из критериев является определяемым в процессах конвективного 34. От чего зависят коэффициенты облученности 12, 21 ?

теплообмена?

12. Что характеризует критерий Грасгофа? 35. Чему равна поглощательная способность серого тела?

13. Какому режиму движения соответствуют значения 2300 Rе 4000 36. Что такое диффузия?

числа Рейнольдса? 37. Как называется поток массы, проходящий через единицу поверхности в 14. Какой процесс называется конвективным теплообменом (конвекцией)? единицу времени?

15. Как осуществляется перенос теплоты от одного слоя жидкости к друго- 38. В какую сторону направлен поток массы согласно закона Фика?

му в направлении нормали к стенке при движении жидкости в трубах в 39. В какую сторону направлен поток массы при наличии градиента темпера условиях ламинарного режима? туры согласно эффекта Сорэ?

16. Как переносится теплота в объёме жидкости при турбулентном режиме 40. Как называется процесс выравнивания концентрации вещества за счёт течения? неоднородности давления?

17. На каком расстоянии от стенки находится максимум скорости 41. Как называется количество массы вещества, которое испаряется с едини жидкости при естественной конвекции? цы поверхности за единицу времени при единичной разности концентраций?

18. Что принимается в качестве определяющего размера при расчете Nu и 42. Чье имя носит уравнение jm = p · (pп - pв)?

Re при обтекании плоских поверхностей?

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты глава II ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ ГОРЕНИИ ТОПЛИВА Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.1. Кинетика реакций в процессах горения топлива В зависимости от вида топлива при горении химические реакции делятся на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенная система - это система, химические и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела).

Гомогенные реакции протекают в однородной смеси реагирующих веществ, находящихся в реакционном объеме в одинаковых фазовых состояниях, например, смесь воздуха и горючего газа.

Гетерогенная система - это макроскопически неоднородная физико-химическая система, которая состоит из различных по своим свойствам частей, разграниченных поверхностями раздела.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, реагирующего в единице объема за единицу времени, т. е.

изменение концентрации одного из реагирующих веществ за единицу времени [кг/(м3ч)].

Скорость гетерогенной реакции - это количество вещества, реагирующего на единице поверхности за единицу времени [кг/(м2ч)].

В соответствии с кинетической теорией реакций скорость химического взаимодействия реагентов определяется частотой столкновения молекул, которая зависит от концентрации реагирующих веществ с1 и с2 и от температуры в реакционном объеме.

В физической химии химические реакции классифицируют по числу исходных молекул, участвующих в реакции. Реакция взаимодействия, протекающаямежду двумя веществами типа A + B = AB называется бимолекулярной, а реакция взаимодействия трех веществ носит название тримолекулярной A + B + C = ABC.

dc dc Скорость бимолекулярной реакции v1 [кг/(м3.ч)] имеет вид: v1 = 1 = 2 = k1 · c1n1 · c2n2, (2.3) d d где n1, n2 - опытные показатели степени;

c1, c2 - концентрации реагирующих веществ, кг/м3;

k1 - константа скорости прямой химической реакции, - длительность протекания реакции.

Многие химические реакции протекают одновременно в прямом (целевом) и обратном (нежелательном) направлениях. При этом скорость обратной реакции равна v2 = dc3 = dc4 = k2 · c3n3 · c4n4, (2.4) d d где k2 - константа скорости обратной реакции;

n3, n4 - показатели степени которые называют также порядком химической реакции.

Важнейшей характеристикой реакционной способности топлива является константа скорости химической реакции k, отражаю щая вероятность вступления в химическое взаимодействие молекул окислителя и топлива при их соударении и определяется E законом Аррениуса:

RT k = k0 · e, (2.5) или ln k = ln k0 E/RT, (2.6) где k0 - максимальное значение константы скорости химической реакции, зависящей от реакционной способности топлива;

E энергия активации реагирующих веществ, кДж/моль;

R - универсальная газовая постоянная, R = 8,321 кДж/(моль.К);

T - абсолют ная температура, К.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.2. Равновесные составы реагирующих веществ В замкнутом объеме при определенной температуре и соотношении концентраций реагирующих веществ наступает равновесие, когда скорости прямой и обратной реакций равны между собой v1 = v2 или k1 · c1n1 · c2n2 = k2 · c3n3 · c4n4, (2.7) откуда константа равновесия:

k kр = 1 = c3 · c4, (2.8) n3 n k2 c1n1 · c2n Уравнение (2.8) отражает фундаментальный закон химии - закон действующих масс, который говорит о том, что в случае умень шения концентрации одного из реагирующего веществ происходит сдвиг равновесия и изменение концентраций других веществ.

Значение константы равновесия зависит от констант прямой и обратной реакций и определяемых из уравнения Аррениуса.

E1 E RT RT k1 = k01 · e (2.9) и k2 = k02 · e, (2.10) где k01, k02 - максимальные значения констант скорости прямой и обратной химических реакций;

E1, E2 - энергии активации E прямой и обратной реакций, кДж/моль.

k1 k01 · e RT, (2.11) или ln kр = ln (k01/k02) + E2/RT E1/RT, (2.12) Константы равновесия можно выразить: kр = =k2 E k02 · e RT Реакция имеет меcто только в том cлучае, еcли cоудаpение молекул пpоисходит c энеpгией, доcтаточной для pазpушения cтаpыx молекуляpныx cвязей.

Поcле получения такой энеpгии внутpенние cвязи в молекуле pазpушастcя и она cтановмтcя готовой к обpазованию нового вещеcтва. Таким обpазом, энеpгию активации можно pаccматpивать как энеpгетичеcкий баpьеp, котоpый необxодимо пpеодолеть, пpежде чем пpоизойдет pеакция. На pиc. 2.1. уcловно показаны пpоцеcc pеакции и энеpгия активации. В cоcтоянии А молекулы иcxодныx вещеcтв имеют запаc внутpенней энеpгии Q1, недоcтаточный для pазpушения молекул пpи иx cтолкновении.

E B E E A Q Q1 C Рис. 2.1. Энергия активации Q2 прямой и обратной реакции 2H2 + O2 = 2 H2O + Q Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Для оcущеcтвления пpямой pеакции к cиcтеме необxодимо подвеcти количеcтво энеpгии Е1. Она и являетcя энеpгией активации пpямой pеакции. Пpи этом молекулы пеpеxодят в cоcтояние В, где пpи cтолкновении вcтупают в xимичеcкую pеакцию c обpазованием пpодуктов pеакции и выделением теплоты. Поcле оxлаждения пpодуктов pеакции до начальной темпеpатуpы (точка C) внутpенняя энеpгия пpодуктов cгоpания будет pавна Q2, а количеcтво выделяемой энеpгии Е2. Pазноcть между выделенной энеpгией Е2 и энеpгией активации Е1, поглощаемой в пpоцеccе активации молекул, пpедcтавляет cобой тепловой эффект pеакции Q = E2 - E1. Еcли эта pазноcть положительна, т.е. Q 0, то pеакция экзотеpмичеcкая, еcли - отpицательная, т.е. Q 0, то pеакция эндотеpмичеcкая.

Очевидно, что еcли пpямая pеакция являетcя экзотеpмичеcкой, то обpатная будет эндотеpмичеcкой. Чем выше энеpгия активации, тем тpуднее оcущеcтвить pеакцию.

Напpимеp, для pеакции окиcления углеpода киcлоpодом воздуxа: C + О2 = CО2 энеpгия активации по данным pазличныx иccледователей cоcтавляет Е = 25,6 - 40 ккал / г-моль.

Пpи выcокиx темпеpатуpаx возможна pеакция воccтановления двуокиcи углеpода у pаcкаленной повеpxноcти углеpода CО2 + C = 2CО. Энеpгия активации для этой pеакции E = 32 - 51,4 ккал / г-моль.

На величину энеpгии активации cильное влияние оказывает темпеpатуpа. Пpи повышении темпеpатуpы увеличиваетcя кинети чеcкая энеpгия молекул иcxодныx вещеcтв, cоответcтвенно уменьшаетcя количеcтво энеpгии, для доведения молекул до актив ного cоcтояния.

Энергия активации представляет собой главный фактор, определяющий скорость реакции: чем меньше энергия активации, тем быстрее протекает реакция горения.

Для протекания обратной реакции к конечным продуктам необходимо подвести энергию E2, значительно большую в сравнении с E1.

Выделившаяся в результате экзотермической реакции энергия Q = Q1 - Q является ее тепловым эффектом.

E play B E1 stop E A Q Q1 C Рис. 2.1. Энергия активации Q2 прямой и обратной реакции 2H2 + O2 = 2 H2O + Q Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Из уравнения (2.12) следует, что равновесная константа скорости химической реакции в сильной степени зависит от температу ры, влияние которой описывается экспоненциальной зависимостью. Анализ показывает, что экспонента может изменяться от нуля до единицы: при T = T0 = 0 K;

exp(E/RT) = 1/exp(E/RT) = 1/exp( ) = 0;

k = k0 · 0 = 0 (2.13);

при T = ;

exp(E/RT) = 1/exp(E/RT) = 1/exp(0) = 1;

k = k0 (2.14), то есть константа скорости химической реакции приобретает максимальное значение.

Скорость полимолекулярной реакции может быть определена по скорости убывания концентрации одного из реагирующих веществ, поскольку снижение концентрации других реагентов определяется стехиометрическими соотношениями.

с Скорость реакции проходящей по первому Разделим перемен dc dc с = k d, (2.16) порядку (n = 1) определяется уравнением: v= = k · c, (2.15) ные величины:

d с0 где с0 и с - начальная и текущая концентрации одного реагирующего вещества, кг/м3.

Интегрирование уравнения (2.16) приводит к виду ln(c/c0) = k · и c/c0 = exp ( k · );

c = c0 · exp ( k · ), (2.17) т. е. текущая концентрация одного из реагирующих веществ прямо пропорциональна начальной концентрации и обратно пропорциональна экспоненте в степени k ·.

dc dc В уравнении (2.18) разде Если же показатель степени n = 1, сn = k · d, (2.19) v = d = k · cn, (2.18) лим переменные величины:

то тогда скорость реакции равна:

с-n · dc = k · d;

1 ·(c11 n c01 n) = k ·, (2.20) Интегрирование уравнения (2.19) приводит к виду:

(1 n) откуда текущая концентрация одного реагирующего вещества равна C c11 n = c01 n (1 n)·k·, (2.21) 0,75 Изменение концентрации одного из реагирующих веществ во времени при различных значениях n показано графически на рис. 2.2.

Из графика видно, чем больше показатель степени, тем длительнее процесс горения.

0, n= 0, n= n= 0 2 4 6 8 Рис. 2.2. Изменение концентрации реагирующих веществ во времени.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.3. Тепломассообмен в процессах воспламенения и горения горючих смесей Количество теплоты Qр (Вт/м3), выделившееся в единице реакционного объема, заполненного гомогенной горючей смесью, пропорционально скорости химической реакции и определяется уравнением Qp = q · (c0 c) = q · (c0 c0 · ek) = q · c0 · (1 1/ek), (2.22) где q - тепловой эффект реакции по кислороду (Вт/кг);

c0, c - начальное и текущее значения концентрации кислорода в реакцион ном объеме, кг/м3.

Из уравнения (2.22) следует, что если гомогенная смесь находится в теплоизолированном сосуде, то реакция развивается спонтанно с нарастающей скоростью. На развитие реакции в охлаждаемом сосуде накладываются температурные ограничения.

При некоторой температуре смеси скорость реакции становится заметной и количество выделяющейся теплоты далее все увеличивается. Это приводит к дальнейшему более резкому повышению температуры смеси.

С другой стороны, под действием появляющейся разности температур увеличиваются и тепловые потери в окружающую среду.

Дальнейшее протекание процесса зависит от того, отводится ли выделившаяся теплота экранными трубами, затрачивается ли на нагревание газовоздушной смеси или частично поглощается экранными трубами, а частично - продуктами сгорания.

Количество теплоты Qт, отдаваемое факелом окружающим экранным трубам QT = · S· (Tф Tэ), (2.23) где - коэффициент теплообмена, Вт/м 2K;

S - удельная поверхность реакционной камеры, м2/м3;

T, T - температуры факела и э ф поверхности экранных труб, К.

Таким образом, процесс горения топлива, сопровождающийся тепловыделением, самым непосредственным образом, связан с интенсивностью теплопоглощения экранными трубами, которые окружают горящий факел.

Если теплопоглощение соответствует зависимости Qт2= f (T), то Q Qр= f (T) QT2= f (T) горючая смесь нагревается до точки 3, а затем может произойти ее play воспламенение, сопровождающееся бурным выделением теплоты.

stop QT3= f (T) Точка 3 в этих процессах соответствует равновесному состоянию, в ко тором количество выделяющейся теплоты равно количеству отводимой теплоты (Qр3 = Qт3), поэтому факел может погаснуть.

QT1= f (T) Если же зависимость теплопоглощения на графике будет соответ 3 ствовать положению Qт1= f (T), то тогда равновесное состояние насту пит в точке 1 (Qт1 = Qр1), и воспламенения смеси не произойдет, так как теплопоглощение Qт оказывается больше тепловыделения Qр. Если же 1 горящая смесь окажется в точке 2, то тогда процесс горения может T продолжаться, если Qр Qт2 или произойдет погасание факела, если Qт2 Qр.

T1 T3 T2 Устойчивому горению смеси будут соответствовать значения на Рис. 2.3. Зависимости тепловыделения при горе- кривой тепловыделения Qр, распологающиеся выше зависимостей теп нии Qр= f (T) и теплопоглощение экранами Qт= f (T). лопоглощения Qт3 (Qр Qт).

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.4. Влияние температуры и избытка воздуха на состав продуктов сгорания в топочных процессах Оcновными гоpючими cоcтавляющими газообpазного топлива являютcя метан CН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12, окcид углеpода CО, водоpод Н2 и выcокомолекуляpные углеводоpоды СmHn (в очень малом количеcтве).

Экспериментальные исследования показывают, что предельные углеводороды в топочных процессах разлагаются с образованием метана CH4 и сажистого углерода C.

Еcли количеcтва окиcлителя недоcтаточно для полного окиcления газа ( 1) или cмеcеобpазование оpганизовано плоxо, то чаcть молекул газа, не имея контакта c молекулами окиcлителя, в зоне выcокиx темпеpатуp подвеpгаетcя теpмичеcкому pазложе нию c обpазованием более лёгкиx cоединений и атомов углеpода.

Напpимеp, pазложение метана пpоиcxодит по pеакции: CН4 C + 2Н2.

Атомы углеpода, имея четыpе cвободные cвязи, отдельно не cущеcтвуст и cоединяютcя между cобой, обpазуя твёpдые кpиcталлы гpафита - cажиcтые чаcтицы. Гоpение твёpдыx чаcтиц cажи пpотекает медленно, затягиваетcя и в pезультате пpиводит к потеpям теплоты c меxаничеcким недожогом.

При высоких температурах и избытке воздуха ( 0,6) метан подвергается конверсии, реагируя с водяным паром и углекислым газом, образуя в конечном итоге CO и H2. Вероятным является также взаимодействие метана с кислородом воздуха:

CH4 + 0,5O2 CO + 2H2, (2.24) При достижении некоторых предельных температур углекислый газ и водяной пар разлагаются с образованием CO, H2 и O2.

Процесс разложения вещества в результате его нагревания называется термической диссоциацией, которая протекает с поглоще нием теплоты и приводят к снижению температуры горения.

Отношение количества диссоциированного водяного пара или углекислого газа к их исходным количествам называется степенью H2O = gдисH2O/gисхH2O;

CO2 = gдисCO2/gисхCO2. (2.25) диссоциации:

При температуре до 1600°С степень диссоциации может не учитываться, при более высокой температуре степень диссоциации может существенно 5.10-1 снижать температуру в рабочем пространстве.

Наибольшее практическое значение имеет зависимость степени диссоци CO2 ации углекислого газа и водяного пара от температуры приведенная в виде 10- графиков на рис. 2.4.

Приведенные графики показывают, что при действительных температурах в 2.10-2 экранированных котельных топках, не превышающих 2000 K, диссоциации H2O не происходит, а степень диссоциации CO2 CO2 0,02. В верхней части H2O топки, где температура Tг = 1500 K, создаются условия для обратного окисле 5.10-3 ния продуктов диссоциации.

10-3 Рис. 2.4. Зависимость степени диссоциации углекислого газа и водяного пара от температуры.

3500 T,K 1500 Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Большое влияние на полноту окисления горючих элементов оказывают скорости прямых реакций, зависящие от аэродинамики и режимных параметров топки. При стехиометрических соотношениях реагентов полное завершение прямой (целевой) реакции не достигается, так как при снижении концентрации исходных веществ скорость реакции стремится к нулевому значению. Поэтому для достижения полноты окисления горючих веществ в топку подается воздух с определенным избытком.

P/ P N 0, 0, H2O 0, CO t,°C 0, tт CO 0,04 H2 1, 0,4 0,6 0,8 1,0 1, Рис. 2.5. Зависимость состава продуктов реакции горения от избытка воздуха:

tт - теоретическая температура горения;

N2, H2O, CO2, H2, CO - содержание в продуктах сгорания соответственно азота, водяных паров, двуокиси углерода, водорода и оксида углерода. Состав газов выражен в парциальных давлениях P/P0 пропорциональных мольным концентрациям Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.5. Тепломассообмен в процессах воспламенения и горения гетерогенных смесей Организация процесса горения твердого топлива связана с его подогревом, подсушкой, возгонкой летучих горючих веществ и их горением, образованием кокса и его горением. Из перечисленных стадий определяющей является стадия горения кокса, занимающая около 90% времени полного сгорания топливной частицы.

При горении твердого топлива самой химической реакции предшествуют тепломассообменные процессы: нагревание частиц топлива за счет лучистого и конвективного видов теплообмена, подвод об с O п окислителя к поверхности реагирования турбулентной и молекулярной диффузий, и только после c CO этого возможна химическая реакция окисления на гетерогенной поверхности.

Гетерогенные реакции протекают на поверхности раздела фаз, схема которых показана на рис. 2.6.

jO Рис. 2.6. Схема массообмена при горении углеродной поверхности:

jCO соб О2;

сп О2 - концентрации кислорода в объеме и на поверхности;

соб СО2;

сп СО2 - концентрации двуокиси углерода в объеме и на поверхности;

п c O2 При сжигании твердого топлива (углерода) в атмосфере воздуха реакция протекает на поверхности об c CO2 частиц (кусков) с частичным проникновением кислорода внутрь частиц. При горении бурых углей в начальной стадии реакция осуществляется в парообразном пограничном слое, охватывающем поверхность частиц топлива.

Физико-химическая сущность процесса горения твердых частиц в газовоздушном потоке показана на рис. 2.7.

1 Рис. 2.7. Схема диффузии кислорода из газовоздушного потока к поверхности горящей 2 с частицы:

1 - твердая частица топлива;

2 - линии тока газовоздушного потока;

n - нормаль к поверхности частицы;

соб - концентрация кислорода в объеме;

сп - концентрация кислорода у горящей поверхности При обтекании газовоздушным потоком частиц топлива часть кислорода вступает в реакцию с0 сп окисления. Расходуемый на горение кислород подтекает к поверхности частицы под влиянием n соб возникающего градиента концентрации dс/dx.

Вследствие того, что часть кислорода расходуется на реакцию, концентрация кислорода с в потоке после взаимодействия с частицей становится меньше начальной с0. Следовательно, возникает также градиент концентрации вдоль линии тока.

Точное решение данной модели процесса довольно сложное. Приближенная модель процесса горения твердого топлива представляется в следующем виде.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Теория гетерогенного горения рассматривается на примере сферической частицы углерода при условии равномерного распределения концентрации кислорода у поверхности частицы, а также при условии, что скорость реагирования кислорода с углеродом пропорциональна концентрации кислорода у поверхности, т. е. имеет место реакция первого порядка. Реакция протекает на поверхности частицы с образованием конечных продуктов сгорания.

Скорость реакции v определяется интенсивностью химического реагирования кислорода на поверхности частицы v = kх · cп, (2.26) а также плотностью массового потока кислорода из газовоздушной среды к горящей поверхности v = m · (соб - сп), (2.27) где kx - константа химической реакции;

m - коэффициент массообмена, кг/(м2ч.ед.концентрации);

сп - концентрация кислорода у поверхности частицы, кг/м3;

соб - концентрация кислорода в объеме, кг/м3.

Решение системы уравнений (2.26 - 2.27) приводит к общему уравнению для определения скорости гетерогенной реакции:

v = 1 1 1 · соб = kпр · соб;

(2.29) 1 v v соб ;

(2.28) m = соб kх ;

v · m + kх = + m k х Уравнение (2.29) показывает, что скорость реакции (по кислороду) зависит от кинетического 1/kx и диффузионного 1/m сопро тивлений, а также от концентрации кислорода в газовоздушном потоке, обтекающем частицу топлива.

В низкотемпературной области, в которой kx = k0 f (T) кинетическое сопротивление намного больше диффузионного 1/kx 1/m и является определяющим, поэтому данная область называется кинетической (уравнение 2.26).

Кинетическое сопротивление быстро убывает при повышении температуры, т.е. скорость химических реакций значительно возрастает. В области высоких температур преобладающим является диффузионное сопротивление, тогда v 1/m. (2.30) В области умеренных температур, называемой переходной, кинетическое и диффузионное сопротивления примерно одинаковы и скорость реакции горения определяется уравнением (2.29).

Температурные пределы указанных областей зависят от реакционной способности топлива и размеров частиц.

Учитывая, что значение коэффициента массообмена m (m = NuD·D/dч) обратно пропорционально диаметру частиц dч, диффузи онное сопротивление зависит от диаметра частиц. Поэтому переход в диффузионную область горения частиц меньшего размера происходит при более высоких температурах.

По этой причине соотношение между кинетическим и диффузионным сопротивлениями меняется по мере выгорания частиц.

Процесс горения частиц начального диаметра d0, протекающий в начальной стадии в диффузионной области, по мере выгорания может перейти в кинетическую область. Ориентировочно горение пылевидных угольных частиц переходит в диффузионную область при температурах tг 1500°C, в то время как кинетическая область наблюдается при температурах tг 1200°C.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.6. Кинетика сгорания топливных частиц при стехиометрическом расходе воздуха Стехиометрия - учение о количественных соотношениях между массами веществ, вступающих в химическую реакцию, включает в себя правила составления химических формул и уравнений. Уравнение кинетики химических реакций имеет следующий вид:

kпр dG · cоб · к · F, (2.31) d где G - масса топливной частицы, кг;

F - поверхность частицы, м2;

к - плотность кислорода, кг/м3;

cоб - концентрация кислорода в объеме кг/м3;

- стехиометрический коэффициент;

kпр - приведенная константа скорости реакции.

Левая часть уравнения (2.31) выражает изменение массы топливной частицы во времени, а правая - массу кислорода, подведен ная к поверхности реагирования.

Примем, что отношение концентраций кислорода в объеме cоб и у поверхности реагирования c0 пропорционально отношению cоб = c0 (r/r0)3. (2.32) текущего радиуса r к начальному r0 в третьей степени:

G = т · V = 4/3 · к · · r 3. (2.33) Масса топливной частицы равна:

В дифференциальной форме изменение массы топливной частицы имеет вид dG = 4 · · r 2 · к · dr. (2.34) Подставим (2.34) в уравнение (2.31) с учетом, что F = 4 · · r 2, тогда kпр · c0 · к · r · к · dr = · 4 · · r 2 · d. (2.35) 4·· r · r0 В уравнении (2.35) разделим переменные и проинтегрируем в пределах от r0 до r1:

г r kпр · к · c0 kпр · к · c 1· 1 1= dr = · г, (2.37) d, (2.36) тогда: 2 r · т · r0 3 · т · r0 r0 r r0 При этом длительность горения топливной частицы при изменении ее радиуса от r0 до r1 равна · т · r0 · 12 = (2.38) 2 · kх · к · c 0 r 1 r0 Из уравнения (2.37) следует, что длительность горения топливной частицы при стехиометрическом расходе воздуха обратно пропорциональна разности квадратов начального r0 и текущего r1 радиусов.

Если r1 0, что соответствует полному выгоранию частиц, тогда длительность горения стремится к бесконечности (г ).

В диффузионной области приведенная константа скорости химической реакции kпр равна коэффициенту массообмена m. Если принять, что коэффициент массообмена уменьшается пропорционально изменению радиуса частицы при выгорании, тогда его можно выразить соотношением m = m0 · r 2/r 0 2.

Уравнение кинетики выгорания топливной частицы при данных допущениях приобретает вид:

m0 · r dG · r 0 2 · cоб · к · F, (2.39) d Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Разделим переменные и проинтегрируем данное уравнение г r dr = m0 · к · cоб d, (2.40) · т · r0 r r0 Длительность выгорания частицы топлива от радиуса r0 до r1 в диффузионной области равна · т · r0 2 1 г = m0 · к · cоб · r1 (2.41) r При полном выгорании частицы топлива r1 0 длительность выгорания частицы топлива стремится к бесконечности (г ), по этой причине в топках поддерживают избыток воздуха т 1,0.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.7. Сгорание твердых топливных частиц в неограниченном объеме (соб = с0 = const) В кинетической области горения уравнение кинетики горения имеет следующий вид г r kпр · к · c 4 · · · d(r3) = kх · 4 · · r 2 · c · · d (2.42) или d (2.43) dr = 0 к т · т r0 После интегрирования уравнения (2.43) получаем длительность горения топливной частицы · т · (r 0 r 1 ) = (2.44) kпр · к · c Длительность полного выгорания топливной частицы (при r1 0) в кинетической области · т · r = (2.45) kпр · к · c В диффузионной области горения концентрация кислорода у поверхности реагирования прямо пропорциональна начальному ра диусу топливной частицы r0 и обратно пропорциональна текущему радиусу r, то есть cп = c0 (r0/r).

Уравнение кинетики горения приобретает следующий вид 4 · · · d(r3) = m0 · · r 2 · · c · r0 · d (2.46) r к т Разделим переменные и проинтегрируем уравнение (2.46) г r m0 · к · cп · r d (2.47) r dr = · т r0 Уравнение (2.47) после интегрирования приобретает вид m0 · к · cп · r 1 · (r 2 r 2) = · г (2.48) · т 20 Время сгорания частицы при уменьшении радиуса от радиуса r0 до r1 равно · т · (r 02 r 1 2 ) (2.49) г = 2 · m0 · к · r 0 · c Время полного выгорания частицы топлива в неограниченном объеме · т · r (2.50) г = 2 · m0 · к · c Как следует из уравнения (2.50), длительность полного выгорания топливной частицы в неограниченном объеме прямо пропор циональна начальному радиусу, обратно пропорциональна коэффициенту массообмена и зависит также от других параметров.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.8. Тепломассообмен при горении жидкого топлива При сжигании жидких видов топлива его сначала распыляют с помощью различных форсунок с целью получения мелкодиспер гированного факела. В топке между каплей топлива и газовым объемом происходят сложные процессы тепломассообмена, хими ческие реакции окисления и восстановления, молярная и молекулярная диффузия окислителя к поверхности реагирования и обра зовавшихся продуктов сгорания в обратном направлении.

Состав горючих элементов в рабочей массе мазута примерный следующий: Cр = 84 - 87%, Hр = 10 - 11%, Sр = 1,5 - 3%.

При нагревании капли жидкого топлива в топочном объеме происходит интенсивное выделение летучих горючих веществ, при воспламенении которых образуется горящий ореол вокруг капли (см. рис. 2.8).

jCO Рис. 2.8. Схема горения капли жидкого топлива:

q jO 1 - капля жидкого топлива;

2 - паровая прослойка;

q - плотность теплового потока;

jO2, jСО2 - плотности потоков кислорода и улекислого газа 1 За счет теплоты, выделяющейся факелом, испарение жидкого топлива резко увели jO чивается, достигает максимального значения и далее стабилизируется.

Поскольку жидкие горючие вещества сгорают в паровой фазе, то при установив 2 шемся режиме скорость горения определяется скоростью испарения жидкости с ее зеркала, а факел распыляется на некотором удалении от поверхности жидкости.

q jCO Теплота, подводимая к поверхности капли от топочных газов, расходуется на нагревание и испарение жидкого мазута. Образующаяся вокруг капли паровая обо q jO лочка воспламеняется и сгорает, при этом скорость горения определяется интенсив play ностью тепломассообмена на поверхности жидкой капли.

jCO stop 3 · 4 · · r2 · ж · qк · dr = 4 · · r2 · · (tг tисп) · d;

(2.51) Левая часть уравнения (2.51) означает количество теплоты, необходимое для испарения жидкой фазы, правая - количество тепло Vшара = 4 · · r3;

Fшара = 4 · · r2;

ты, подведенное за счет конвективного и лучистого теплообмена.

Разделим переменные в уравнении (2.51) и проинтегрируем г ж · qк ж · qк · r г = dr ;

;

(2.52) d = · (tг tисп) r0 · (tг tисп) Из уравнения (2.52) следует, что время сгорания капли жидкого топлива пропорционально теплоте парообразования qк, плотнос ти жидкой фазы ж, начальному радиусу r0 и обратно пропорционально суммарному коэффициенту теплоотдачи и потенциалу переноса теплоты.

= кв + изл, (2.53) где кв - конвективный коэффициент теплоотдачи;

изл - коэффициент теплоотдачи излучением.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Q, Qр = f (T) Q3, Q Вт Qт = f (T) Q 1 play Q1 stop Рис. 2.9. Зависимости тепловыделения Qр= f (T) и теплопоглощения Qт= f (T) при воспламенении и горении горючей смеси.

T1 T2 T3 T4 T,K Весьма важной стадией процесса горения является достижение топливной смесью температуры воспламенения.

На рис. 2.9 показана схема развития процесса воспламенения и горения капель жидкого топлива.

Процесс 1 - 2 соответствует нагреванию топливных частиц в топочном объеме, а точка 2 - воспламенению горючей смеси. В этой точке тепловыделение Qр равно теплоотводу Qт. Если Qр в точке 2 возрастает, то тогда происходит дальнейшее развитие процесса горения, а если тепловыделение Qр уменьшается, тогда происходит потухание факела.

В точке 3 наблюдается равновесие между тепловыделением Qр и теплопоглощением Qт. После точки 3 тепловыделение замедля ется в связи с переходом из кинетической области горения в диффузионную и в точке 4 факел может погаснуть.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.9. Определение коэффициента массоотдачи при горении топлива В расчетах процессов горения жидкого и твердого видов топлива энергия активации E и максимальное значение константы скорости химической реакции k0 определяется по справочной литературе [8]. В табл. 2.1 для некоторых видов топлива приведены константы скорости реакции и энергия активации. Таблица 2. Константа скорости химической реакции рассчитывается по формуле Кинетические константы для некоторых топлив Аррениуса: E k0.10-4, м/с E, кДж/моль Вид топлива RT k = k0 · e, (2.54) где E - энергия активации, кДж/моль;

R - газовая постоянная, R = 8314,3 Антрацит 4,5 Подмосковный уголь 0,3.K);

T - абсолютная температура, K.

Дж/(кмоль Коэффициент массообмена m, (м/ч) находится из диффузионного критерия Тощий уголь 4,17 Кокс подмосковный 0,35 Нуссельта Кокс торфа 5 m = NuD · D / d, (2.55) Кокс антрацита 11,8 где D - коэффициент молекулярной диффузии, м2/ч;

d - диаметр топливной частицы, м.

При Re 200 для расчета диффузионного критерия Нуссельта применяется формула Сокольского-Тимофеевой NuD = 2/kф + 0,16 Re0,67, (2.56) где kф - фактор формы;

Re = wвит.d/ - критерий Рейнольдса;

wвит - скорость витания, м/с;

- кинематическая вязкость газовой среды, м2/с.

Фактор kф зависит от формы топливной частицы. Для цилиндрической формы kф = 1,17;

для пластины kф = 1,33.

При Re 0, что имеет место при сжигании тонкодисперсных топлив, пользуются приближенным соотношением NuD = m · d / D = 2 / kф, (2.57) и m = 2 · D /(kф · d), (2.58) т. е. коэффициент массообмена пропорционален коэффициенту диффузии и обратно пропорционален диаметру частицы d и фактору формы kф.

Коэффициент молекулярной диффузии в значительной степени зависит от температуры и определяется по соотношению 273 + tcp 1.8 1. T D = D0 · T = D0 · ;

(2.59) где D0 - коэффициент молекулярной диффузии, при нормальных условиях выбирается по справочной литературе.

В процессах сжигания топлива в слое при высокотемпературном режиме NuD становится пропорциональным первой степени числа Re.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.10. Кинетика и тепломассообмен при горении газообразного топлива В качестве газообразного топлива в энергетических котельных агрегатах и промышленных печах в основном используется природный газ, содержащий 95% метана (CH4). Теплота сгорания природного газа Qpн= 35000 кДж/м3.

Реакция горения метана является бимолекулярной CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q. (2.60) Сгорание газообразного топлива в гомогенной смеси с воздухом протекает с высокой скоростью. Вследствие этого интенсив ность сжигания газообразного топлива определяется в основном интенсивностью тепломассообмена и способом смешения с воз духом. Подача горючей смеси в топку может осуществляться горелками двух типов: с внутренним (предварительным) смешением (рис. 2.10) и с внешним смешением газа и воздуха (рис. 2.11).

Инжекционные горелки с предварительным смешением называют беспламенными, так как сжигание газовоздушной смеси в них происходит без видимого факела. Поступление воздуха и образование газовоздушной смеси происходит подсасыванием (инжекти рованием) воздуха за счет энергии струи газа. В качестве примера горелки такого типа можно привести горелку ИГК.

Инжекционная горелка состоит из газового сопла, смесителя, горелочного насадка и регулятора воздуха.

L Соплом называют калиброванное отверстие, через которое горючий газ подается в горелку. Сопло 2 пропускает в горелку определенное количество газа и Газ преобразовывает потенциальную энергию газа в кине Dу тическую энергию газовой струи. Основным размером d сопла является его внутренний диаметр.

aхa Рис. 2.10. Горелка инжекционная прямая ИГК:

4 1 - пластинчатый стабилизатор;

2 - смеситель;

3 play воздушная заслонка с шумопоглощающей проклад stop кой;

4 - газовое сопло Из устья горелки с предварительным смешением в топку поступает хорошо подготовленная перемешанная смесь из топлива и воздуха, сгорающая в топке в коротком факеле с высокой скоростью.

В случае горелки с внешним смешением, перемешивание газа и воздуха происходит непосредствено в топочном объеме. При этом скорость сгорания газа определяется в основном интенсивностью смешения с кислородом воздуха. При больших расходах газовоз-душной смеси на выходе из горелки создаются условия турбулентного перемешивания.

В парогенераторах применяются диффузионные горелочные устройства в которых горючая смесь образуется непосредственно в рабочем пространстве топки (рис. 2.11). В такой схеме в связи с недостаточной однородностью топливно-воздушной смеси образу ются элементарные объемы с недостаточным количеством кислорода, в которых образуются сажистые частицы, являющиеся источником излучения теплоты.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Диффузионные горелки со смешением газа и воздуха в рабочем пространстве топки служат для получения длинного светящегося факела и равномерного распределения горения по длине рабочего пространства.

Для примера в качестве горелки такого типа можно привести трубчатую горелку для сжигания воздух 32 доменного газа (рис. 2.11). Газ поступает через газовый коллектор и присоединенные к нему трубы, а воздух через противоположный коллектор в межтрубное пространство. Смешение происходит в струйных потоках на выходе из труб.

Диффузионные горелки малочувствительны к колебанию давления газа, имеют большой диапазон регулирования, но требуют значительного объема топочной камеры для развития и завершения процесса горения. Диффузионные горелки допускают подогрев газа и воздуха до температуры 600°С.

Горелки со смешением газа и воздуха в рабочем пространстве печи находят применение при play газ сжигании сырого горячего генераторного газа. В этих случаях приходится считаться с засорением stop горелки пылью и смолой, поэтому проходы для газа делаются широкими.

Рис. 2.11. Диффузионная трубчатая горелка с внешним смешением:

1 - амбразура топки;

2 - корпус горелки;

3 - межтрубные каналы для подвода воздуха;

4 - газовые трубки На рис. 2.12 показана схема развития процесса воспламенения и сгорания газовоздушной смеси 4 при подаче в топку посредством горелок внешнего смешения.

Lф Рис. 2.12. Схема развития процесса воспламенения и горения d турбулентного диффузионного пламени: 1 - горелка;

2 - конусное ядро (чистый газ);

3 - струя газа;

4 - интенсивного горения с высоким содер жанием продуктов сгорания;

5 - кольцевая зона горения с преоблада нием воздуха.

Четко выраженных границ между зонами нет, они непрерывно Lв Lд смещаются в зависимости от степени турбулизации потока.

1 2 3 4 Горючий газ вытекает из горелки в форме сплошной струи. При спутном истечении струй возникает взаимное проникновение горючего газа и воздуха. Однако в чистом виде горючий газ находится только в ядре факела, а воздух в корне струи.

При движении воздушной струи в факеле в нее проникают из зоны горения продукты реакции. Таким образом сгорание горючего газа в зоне горения происходит в атмосфере воздуха, разбавленного дымовыми газами. Продукты сгорания проникают также в периферийную зону струи горючего газа.

Диффузионные горелки с внешним смешением газа и воздуха полностью исключают вероятность прорыва в них пламени и связанную с этим возможность возникновения взрыва газовоздушной смеси.

Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты 2.11. Турбулентный массообмен при горении газообразного топлива На рис. 2.13 показана упрощенная схема тепломассообмена при горении газообразного топлива в рабочей камере печных установок и топках котельных агрегатов.

Предположим, что по обе стороны условной границы 3 расположены элементарные объемы окислителя dV и топлива dV', между которыми происходит теплообмен в виду разности температур t и t' и массообмен в виду разности плотностей и '. Пусть t t', тогда плотность теплового потока от элементарного объема 2 (dV) к элементарному объему 1 (dV'), рассчитанная по уравнениям теплообмена и теплового баланса, равна:

qт = ср · · V' · (t t') = т · (t t'). (2.61) Плотность потока массы окислителя от элементарного объема dV к объему dV', рассчитанная по уравнениям материального баланса и массообмена равна jm = V' · ( ') = m · ( ');

(2.62) где cр - теплоемкость газовой среды, кДж/(м3°K);

, ' - плотности (концентрации, кг/м3) и t, t' - температуры (градусы) объемов V и V' (м3);

т - коэффициент теплообмена, Вт/(м2.К);

m - коэффициент массообмена, м/ч.

Разделим уравнения (2.61) и (2.62) ср · · V' · (t t') т · (t t') = ;

(2.63) V' · ( ') m · ( ') в результате чего получим уравнение Льюиса, устанавливающее соотношение коэффициентов для турбулентного теплообмена и массообмена, которое имеет вид т /m = ср ·, (2.64) dV т. е. отношение коэффициента теплообмена т к коэффициенту массо V, t, cp, 1 обмена m равно объемной изобарной теплоемкости, умноженной на концентрацию переносимого компонента.

t t 3 jm qт 2 Рис. 2.13. Схема турбулентного тепломассообмена при горении газо V, t, cp, образного топлива: 1 - элементарный объем газообразного топлива;

2 элементарный объем воздуха;

3 - условная граница тепломассообмена dV Содержание Глава II Основной раздел стр.... Доп. материал Примеры и задачи Вопросы и тесты Контрольные вопросы по главе II 20. При каком соотношении тепловыделения и теплопоглощения возможно 1. Как называется макроскопически неоднородная физико-химическая устойчивое горение топливной смеси?



Pages:   || 2 | 3 |
 



 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.