Б. П. Поршаков, А. А. Апостолов, В. И. Никишин газотурбинные установки на газопроводах


Материальный и тепловой балансы камер сгорания



страница25/43
Дата19.03.2018
Размер0.67 Mb.
ТипКнига
1   ...   21   22   23   24   25   26   27   28   ...   43

4.2 Материальный и тепловой балансы камер сгорания




  1. Основными физико-химическими характеристиками топлива являются его элементарный состав и теплота сгорания (теплотворная способность).

  2. Стабильную часть любого топлива составляет его горючая масса – массовые процентные содержания углерода (Сг) водорода (Нг), горючей серы (Sг.л.), кислорода (Ог) и азота (Nг) [ 3] :

  3. Сг + Нг + Sгл + Ог + Nг = 100% (4.5)

  4. В состав рабочего топлива входит, кроме элементов горючей массы, так называемый, балласт топлива (А, W – процентные массовые содержания механических примесей и влаги):

  5. Ср + Нр + Sрл + Ор + Nр + Ар + Wр = 100% (4.6)

  6. Взаимосвязь массового состава рабочего топлива и его горючей массы осуществляется соотношениями:

  7. ; (4.7)

  8. Горючая масса газообразного топлива обычно характеризуется мольным (объемным ) содержанием индивидуальных газов – водорода (Н2) различных углеводородов (СmHn), окиси углерода (СО), углекислого газа (СО2) азота (N2) и т.п.

  9. Средняя мольная масса горючей массы газообразного топлива определяется следующим известным термодинамическим соотношением:

  10. m =  ri i (4.8)

Элементарный массовый состав горючей массы газообразного топлива определяется соотношениями:









  1. Нг =

  2. Sгл =

  3. Ог =

  4. Nг =

  5. где mi , ni, pi, qi, i - общие символы компонентов газовой смеси; i -мольная масса компонента.

  6. Теоретически необходимый расход кислорода для полного окисления горючих элементов единицы количества (1 кг) рабочего топлива:

  7. Оmin =

  8. = моль(О2)/кг (4.9)

  9. где Е – характеристика элементарного состава горючей массы топлива, определяемая как отношение расхода кислорода на окисление свободного водорода (Нг – 0,126Ог) к расходу кислорода на окисление углерода и серы (Сг + 0,375Sгл):

  10. Е = (4.10)

  11. Отсюда теоретически необходимый расход сухого воздуха (массовое содержание кислорода в воздухе равно 0,2315, что соответствует мольной концентрации 0,2095), кг/кг :



  12. (4.11)

  13. Расчетной теплотворной способностью топлива называется количества тепла, которое выделяется при полном сгорании топлива в условиях, исключающих возможность конденсации водяных паров (низшая теплотворная способность, Qнр).

  14. С учетом изложенных соотношений, общее уравнение материального баланса процесса сгорания топлива (масса образующихся продуктов сгорания 1 кг топлива) записывается в виде [3]:

  15. (4.12)

  16. где  - относительная влажность наружного воздуха; х s – массовое содержание влаги при полном насыщении воздуха в пересчете на 1 кг сухого воздуха; х1,2 - дополнительно введенное при сжигании топлива количество воды или водяного пара в пересчете на 1 кг сухого воздуха, в кг/кг;  - коэффициент избытка воздуха, определяемое как отношение общего количества воздуха к теоретически необходимому ( = L/L0); L0 – теоретически необходимый расход воздуха в кг на кг топлива.

  17. В инженерных расчетах, при отсутствии подачи воды или пара в камеру сгорания (х s + x1,2 =0), уравнение (4.12) принимает вид (G = 1+  L0).

  18. Исходным уравнением для составления теплового баланса камеры сгорания служит первое начало термодинамики для потока по внешнему балансу тепла:

  19. Q1,2 = H2 - H1 + W1,2 (4.13)

  20. где Q1,2 - количество тепла, подведенного извне и определяемого как произведение коэффициента полезного действия камеры сгорания на тепло сгорания всего израсходованного топлива BQнр:

  21. Q1,2 = ксBQнр. ; кс = 1 - (4.14)

  22. где qхим. – потери от химической неполноты сгорания топлива, %. Потери от механической неполноты сгорания; при сжигании газообразного топлива их можно считать равными нулю (qмех. = 0); qохл. – потери тепла от наружного охлаждения камер сгорания, %.

  23. При составлении теплового баланса камеры сгорания ГТУ принимается, что внешняя работа W1,2 в уравнении (4.13) равна нулю, в силу того, что сгорание топлива идет при постоянном давлении (W = -VdP = 0).

  24. Определение расчетных значений энтальпии в начальном Н1 и конечном состоянии, уравнение (4.13), для камеры сгорания в общем виде связано с выбором начала отсчета энтальпии.

  25. В исследованиях процессов сгорания топлива тепло сгорания определяется уравнением стандартной температуры калориметрирования (tQ = 20 0C). Отсюда следует, что все значения энтальпий и само уравнение теплового баланса камеры сгорания, строго говоря, должны строиться над уровнем колориметрирования топлива, при котором Н (tQ) = 0.

  26. Это значит, что выражение теплового баланса камер сгорания с учетом всех потоков теплоносителей, отнесенных к одному кг топлива будет иметь вид [3]:

  27. ксQнр =L0C0pm (t3 – tQ)- L0Cpm (t1 – tQ) – Cpm,B (tB – tQ) (4.15)

  28. где L0 – расход сухого воздуха по камере сгорания, отнесенный к единице количества топлива, кг/кг; С0pm – средняя теплоемкость воздуха в интервале температур (t1 – tQ); t3 - средняя температура продуктов сгорания при входе в газовую турбину (на выходе из камеры сгорания); Сpm - средняя температура воздуха в интервале температур (t1 – tQ); t1 – температура воздуха, поступившего в камеру сгорания из компрессора (или регенератора); Сpm - средняя температура топлива в интервале температур (tB – tQ); tB - температура топлива на входе в камеру сгорания.

  29. Разрешая последнее уравнение относительно коэффициента , получим:

  30. (4.16 )

  31. Нетрудно видеть, что увеличением газов перед турбиной (t3) при прочих равных условиях величина () убывает.

  32. Для получения количественной оценки этой связи, полученное уравнение можно без большой погрешности несколько упростить, положив tв = tQ = t1 ; сpm =idem. Величину L0 можно найти по эмпирическому уравнению Вельтера-Бертье-Коновалова, Qнр - в ккал/кг:

  33. L0 = ; (р = 1,42  1,45)

  34. В технических расчетах обычно принимается, что тепло сгорания топлива не зависит от температуры калориметрирования, что позволяет температуру начала отсчета энтальпии принять любой, а уравнение теплового баланса камеры сгорания записать в виде по отношению к одному кг топлива:

  35. ксQнр = L0Cpm (t3 - t1) (4.17)

  36. Из уравнения теплового баланса камеры сгорания (4.17) может быть определена температура продуктов сгорания на входе в турбину t3 или коэффициент избытка воздуха . Если коэффициент избытка воздуха определен из уравнения материального баланса (4.12) на основе прямых измерений расхода топлива и воздуха, то из уравнения теплового баланса может быть установлен КПД камеры сгорания. Таким образом коэффициент избытка воздуха  является связующей характеристикой материального и теплового баланса камер сгорания газотурбинных установок.

  37. Анализ приведенных соотношений показывает, что коэффициент избытка воздуха при неизменных значениях граничных температур цикла, растет с увеличением к и снижается с его уменьшением. Введение в схему ГТУ регенерации тепла отходящих газов увеличивает коэффициент избытка воздуха сравнительно с установкой без регенерации тепла отходящих газов.

  38. Коэффициент избытка воздуха весьма существенно изменяется по длине камеры сгорания, т. е. по мере возникновения, развития и завершения процесса сгорания топлива он возрастает по длине камеры сгорания.

  39. Величина необходимого коэффициента первичного воздуха (п), проходящего через регистр –завихритель, зависит от физических свойств топлива, параметров (температуры и давления) поступающего в камеру сжатого воздуха и общей объемной теплонапряженности самой камеры.

  40. Так как воздух, поступающий в камеру сгорания разделяется на два потока, которые движутся между одинаковыми начальным (на входе в камеру) и конечным (на выходе из камеры) давлениями, то можно записать условие равенства потерь напора в виде [2]:

  41. (4.18)

  42. где Fp , p - проходное сечение и коэффициент сопротивления завихрителя; Fвт , вт - расчетное сечение и приведенный коэффициент сопротивления тракта движения вторичного воздуха.

  43. Поскольку

  44. , (4.19)

  45. то можно получить уравнение связи между п и :

  46. (4.20)

Рассмотрение организации рабочего процесса в камере сгорания показывает, что весьма важную роль в его организации играет завихритель первичного воздуха. Он дозирует первичный воздух и стабилизирует пламя, его конструкция в значительной степени определяет всю аэродинамику потока. Первичный воздух, будучи закрученным завихрителем, прижимается к стенкам жаровой трубы, создавая тем самым в центре факела область пониженного давления, куда и устремляются горячие продукты сгорания, обеспечивая поджигание новой порции поступающего в камеру сгорания топлива. Наряду со струями вторичного воздуха, проникающими в зону горения создаются условия хорошего перемешивания топлива с воздухом, что решающим образом сказывается на образовании равномерного температурного поля на выходе из камеры сгорания.

  1. Пример 4.1. Определить мольную массу, элементарный состав газа, а также массовый расход воздуха для окисления 1 кг (1 м3) сжигаемого топлива следующего состава: метан – СН4 = 94,2% ; этан – С2Н6 = 2,3% ; пропилен – С3Н6 = 0,5% ; пропан – С3Н8 = 1,1 % ; азот – N2 = 1,2% ; углекислый газ - СО2 =0,7%.

  2. Решение. Средняя мольная масса сухого газообразного топлива (m) определяетcя из соотношения:

  3. где ri – мольная (объемная) концентрация отдельных компонентов газообразного топлива в %; i – мольная масса различных компонентов топлива.



  4. Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   21   22   23   24   25   26   27   28   ...   43


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница