Вся електронна бібліотека >>>

Зміст книги >>>

  

Будівництво та ремонт

Побутові печі, каміни і водонагрівачі


Ю. П. Соснін, Е. Н. Бухаркин

 

РОЗДІЛ II

РОБОТА ПОБУТОВИХ ПЕЧЕЙ НА ГАЗОПОДІБНОМУ І РІДКОМУ ПАЛИВІ

РОЗДІЛ 3

ПЕРЕКЛАД НА ГАЗ ОПАЛЮВАЛЬНИХ ПЕЧЕЙ

10. Основи спалювання газу в опалювальних печах

  

 

Горінням називається складний фізико-хімічний процес взаємодії горючих газів з киснем повітря, що відбувається при високих температурах.

Відомо, що молекули горючих газів і повітря складаються з окремих атомів, більш або менш міцно утримують один одного силами взаємного тяжіння. Молекули знаходяться в постійному русі і безперервно стикаються між собою.

При низьких температурах швидкість газоповітряної суміші зіштовхування молекул невелика і при зіткненнях вони відскакують один від одного. Зі збільшенням температури горючої суміші швидкість руху молекул різко зростає їхня сила удару при зіткненні може бути такий, що зв'язки між окремими атомами порушаться і молекули розпадуться на складові їх атоми. Енергія, яка була витрачена на об'єднання атомів в молекулу, при руйнуванні її вивільняється і додається до тієї кінетичної енергії, яку наслідували атоми після руйнування молекули. В результаті осколки розпад молекули стають активними центрами. Їх енергія настільки значна, що при зіткненнях з іншими цілими молекулами вони їх розбивають, що в свою чергу приводить до створення нових активних центрів. Разом з тим, стикаючись один з одним, активні центри можуть припинити своє існування, об'єднавшись в нові цілі молекули, так як для цього вони мають достатнім запасом енергії.

При низьких температурах суміші існує певний рівновага між процесами виникнення і розпаду активних центрів, внаслідок чого концентрація їх у суміші залишається приблизно постійною. У цьому випадку деякі (але не всі) активні центри, можуть утворити так звані ланцюги, які, щоправда, дуже швидко розпадаються з-за загибелі всіх породжених в них активних центрів.

Інакше розвивається процес взаємодії між пальним газом та киснем у газоповітряної суміші при високій температурі (вище температури займання), коли швидкість утворення активних центрів починає перевищувати швидкість їх загибелі. Більшість з новоутворених активних центрів викликає серію перетворень, в якій виникає одна або декілька молекул інертного кінцевого продукту і кілька нових активних центрів. Кожен з цих останніх в свою чергу породжує молекули кінцевого продукту і нові активні центри і т. д.

Наприклад, активний атом водню, зіткнувшись з молекулою кисню, може вибити з неї один атом, а з рештою утворити нестійке з'єднання - гідроксильну групу ОН; точно так само активний атом кисню, зіткнувшись з молекулою водню, може вибити з неї один атом, а з іншим утворити гідроксильну групу.

Особливої уваги заслуговують випадки, в результаті яких утворюється молекула водяної пари. Якщо гидроксильная група зіткнеться з молекулою водню, то, вибивши з неї один атом водню, з іншим вона може утворити сталу (стійку) молекули водяної пари. Завдяки цим соударениям поступово змінюється склад суміші за рахунок зменшення вмісту в ній водню і кисню і утворення водяної пари.

При перетворенні горючого газу і кисню в кінцеві продукти виділяється велика кількість енергії, яка тут же сприймається молекулами реагуючих газів. Їх швидкість руху у зв'язку з цим збільшується, а це викликає додаткове збільшення швидкості утворення активних центрів. Реакція набуває самоускорение, і в результаті взаємодія між горючим газом і киснем розвивається майже миттєво, в тисячні частки секунди.

Отже, при підігріві холодної газоповітряної суміші скачала в нею не відбувається яких-небудь помітних змін, а потім, коли досягається температура займання, відбувається практично миттєва реакція горіння, супроводжується виділенням великої кількості теплоти.

Горіння газоповітряних сумішей в побутових печах або інших теплових апаратах може відбуватися тільки в тому випадку, якщо зміст газу в повітрі знаходиться в певних межах, що відповідають межам займистості. Поза цих меж газоповітряні суміші не горять і не вибухають. При надмірно малому вмісті газу в газоповітряної суміші виявляється недостатньо теплоти, що виділяється при горінні, для доведення сусідніх шарів суміші до температури займання. Те ж явище відбувається при надмірно великому вмісті газу в суміші. У цьому випадку спостерігається недолік кисню повітря, що надходить для горіння, для отримання того кількості теплоти, яка потрібна для нагрівання сусідніх шарів суміші до температури займання. Межі займистості простих газів наведені в табл. 7.

Для спалювання в побутових печах використовуються в основному природний і змішаний гази. Склад цих газів складається з горючих і баластних компонентів. В горючу частина газоподібного палива входять метан СН4, водень Нг, оксид вуглецю СО і важкі вуглеводні.

До граничних вуглеводнів, які містяться в природних газах, відносяться етан СгН6, пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12. Відмінною особливістю останніх трьох газів є те, що вони при нормальному атмосферному тиску і мінусових температурах перетворюються в рідина: пропан при мінус 44 °С, бутан при мінус 10 °С. З неграничних вуглеводнів у газоподібному паливі зустрічаються етилен С2Н4, пропілен і С3Н6 бутилен С4Н8. Найбільший відсоток серед усіх компонентів горючої частини газоподібного палива падає на метан, який представляє собою вуглеводень з найбільшим вмістом водню. Наприклад, саратовський природний газ містить 94% метану, а ставропольський - 98%. Важких вуглеводнів у так званих природних газах дуже мало (від часток відсотка до 3-4%), а водень і оксид вуглецю відсутні зовсім.

До складу баласту газового палива входять азот N2 і вуглекислота СОг. На частку цих газів припадає до 14%.

Питомою теплотою згоряння пального газу називається то кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні 1 м3 тазу. Розрізняють вищу питому теплоту згоряння палива. Ці поняття відносяться тільки тим пальним газів, які містять водень. При згоранні водень утворює водяні пари, які при конденсації виділяють додаткове кількість теплоти. Вища питома теплота згоряння палива (Q) більше нижчої (Qp) саме на цю додаткову величину теплоти, яка утворюється за рахунок конденсації водяної пари в продуктах згоряння при охолодженні останніх до 20 °С.

Склад визначається газоаналізаторами типу ОТІ-2. При допомогою цього приладу можна визначити тільки загальний відсоток граничних і неграничних вуглеводнів, які в даному випадку прийнято називати важкими вуглеводнями (ТУ). При розрахунках важкі вуглеводні по тепловому еквіваленту умовно прирівнюються до етилену.

Приклад. Потрібно визначити питому теплоту згоряння змішаного московського газу: СН4 = 82,75%; Н2=9,7%; З=0,7%; ТУ=0,4%; СО2= = 0,85%; Oj = 0,a%; ЛГ2 = 5,3%.

Користуючись формулою (1), отримуємо:

QP^- Ю8Н2 + 26,ЗСО + 358СН4+591 ТУ = 108-9,7 + 26,3-0,7 + 358-82,75+ + 591-0,4 = 31000 кДж/м3.

При всіх розрахунках обсяг горючих газів, продуктів згоряння і повітря завжди приймається в кубічних метрах (м3).

Для спалювання газу з певною питомою теплотою згоряння потрібна певна кількість повітря, яке може бути теоретично необхідним і дійсним. Теоретично необхідним називається таке кількість повітря, яке потрібне для повного згоряння газу при використання всього міститься в повітрі кисню.

Якщо склад газу невідомий, але відомі його питома теплота згоряння, то визначити V0 можна з достатнім ступенем точності, прийнявши, що на кожну 1000 кДж питомої теплоти згоряння палива теоретично необхідно 0,27 м3 повітря.

При подачі у топливник печі теоретично необхідного об'єму повітря згоряння пального газу буде неповним, так як практично неможливо добитися ідеального змішування, при якому кожна молекула кисню даної кількості повітря була б поліостью використана. Завжди певна частина молекул кисню опиниться поза контакту з молекулами горючих компонентів газу, а тому не зможе брати участь в процесі горіння. Щоб забезпечити повне згоряння газу, у топливник має надходити повітря більше, ніж це необхідно, виходячи з теоретичного розрахунку. При цьому частина повітря залишиться невикористаною внаслідок недостатньо вчиненого контакту між киснем і горючими складниками палива.

Для кожного газу існує гранична температура, яку можуть мати продукти згоряння. Вона називається теоретичної температурою горіння (£Теор)- Така температура практично недосяжна, так як для її створення потрібно дотримання ідеальних умов, тобто горіння має бути повним при теоретично необхідній кількості повітря і повній відсутності теплообміну між зоною горіння та навколишнім соедой.

Теоретична температура горіння при ат=1 називається також калориметричної. Значення її для різних вуглеводневих газів, застосовуються в пальниках печей (метану, етану, бутану, пропану), складають 2065-2155°С (у середньому 2100°С).

Зі збільшенням коефіцієнта надлишку повітря ор значення різко знижується, особливо в інтервалі від ат = 1 до ат=2.

Теоретичну температуру згоряння газу при заданому коефіцієнті надлишку повітря можна підрахувати за формулою

де Q н - нижча питома теплота згоряння, кДж/м3; сг і з - теплоємність відповідно газу і повітря, кДж/(м3°С); U і ts - температура відповідно газу і повітря, "З; ^ - теоретично необхідну кількість повітря, м3/м3; Кт - коефіцієнт надлишку повітря; VT - обсяг вологих продуктів згоряння, м'/м3.

У паливниках газових побутових печей, як і в будь-яких інших топкових пристроях, фактична температура горіння завжди менше теоретичної, тому що в реальних умовах одночасно з виділенням теплоти при згорянні газу відбувається віддача теплової енергії до стінок, огороджуючих камеру згоряння, і продукти згоряння не отримують всю розрахункову теплоту, виділяється в процесі горіння, а тільки її частину.

Фактична температура в топливнике визначається розрахунковим шляхом в залежності від умов спалювання газу, теплового напруги топкового Простору, величини тепловоснрини-мающей поверхні топки і т. д.

При повному згорянні пального газу продукти згоряння можуть складатися тільки з інертних, нездатних до подальшого оксидированию газів. Водень при повному згорянні перетворюється у водяну пару (Ндо), оксид вуглецю - вуглекислий газ (СО2), метан, а також інші граничні і неграничні вуглеводні - в СОг і Н2.

Максимальна кількість вуглекислого газу (GO"a"°) міститься в продуктах згоряння при теоретичному витраті повітря і повному згорянні. З"акс має для кожного пального газу певне значення, залежне від його складу. Дійсний зміст СОд2ейст в продуктах згоряння завжди менше

максимального значення і притому тим менше, чим більше надлишок повітря.

До складу продуктів повного згоряння входять також баластні складові - азот (N2) і кисень (О2).

Азот завжди потрапляє в топку з повітрям, а кисень залишається від не використаних у процесі згоряння повітряних потоків. Таким чином, димові гази, які утворюються при повному згорянні газоподібного палива, складаються з чотирьох компонентів: СОг, Н2О, Ог і N2

При неповному згорянні газоподібного палива в димових газах з'являються горючі компоненти, оксид вуглецю, водень, а іноді і метан. При великому хімічному недожоге в продуктах згоряння з'являються частинки вуглецю, з яких утворюється сажа. Неповне спалювання газу може виникнути при нестачі повітря в зоні горіння (сст<1), незадовільному змішуванні повітря з газом, зіткненні факела з холодними стінками, яке спричиняє обрив реакції горіння.

Приклад. Припустимо, що від спалюванні 1 м3 дашавського газу утворюється сухих продуктів згоряння Kci-35 м3/м3, при цьому в продуктах згоряння містяться горючі складові у розмірі: З=0,2%; Н2=0,10/о; СН4= = 0,05%.

Визначити втрати теплоти від хімічної неповноти згоряння. Ця втрата дорівнює Q3=VC, р ('26, ЗСО+Ю8Н3 + 358СН4) = 35 (126,3-0,2+ 108-0,1+358-0,05) =

= 1890 кДж/м3.

Точка роси продуктів згоряння визначається наступним чином. Спочатку знаходять повний обсяг продуктів згоряння

і, знаючи кількість водяних парів Vhn, яке в них міститься, визначають парціальний тиск водяних парів Рнго (тиск насиченої водяної пари при певній температурі) за формулою

P»to=vmlVr, бар.

Кожному значенням парціального тиску водяних парів відповідає певна точка роси.

Приклад. Від спалювання 1 м3 дашавського природного газу при ат = 2,5 утворюється продуктів згоряння Vr = 25 м3/м3, в тому числі водяних парів Vsn = 2,4 м3/м3. Потрібно визначити температуру точки роси.

Парціальний тиск водяної пари в продуктах згоряння одно

^0=^/^ = 2,4/25 = 0,096 бару.

Знайденому парціальному тиску відповідає температура 46 °С. Це і є точка роси. Якщо димові гази даного складу будуть мати температуру нижче 46", то почнеться процес конденсації водяних парів.

Економічність роботи побутових печей, переведених на газове паливо, характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД)ККД будь-якого теплового апарата визначається з теплового балансу, тобто рівності між теплотою, що утворилася при спалюванні палива, і витратою цієї теплоти на корисний обігрів.

При експлуатації газових побутових печей мають місце випадки, коли в димових трубах йдуть гази охолоджуються до точки роси. Точкою роси називається температура, до якої потрібно охолодити повітря або інший газ, щоб міститься в ньому водяна пара досяг стану насичення.

    

 «Побутові печі, каміни та водонагрівачі» Наступна сторінка >>>

 

Інші книги розділу: Кладіть печі самі Будівництво будинку Червона цегла Будівельні розчини