Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

1 2 1
1 Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering
2 Southern Federal University Institute of Computer and Information Security
1696 KB

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

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

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

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

для сухого (d) природного газа (пг):

tepl028.wmf, (1)

для сухого (d) воздуха (в):

tepl029.wmf, (2)

где цифры – содержание соответствующего компонента в % по объёму; нижние буквенные индексы – химические формулы компонентов. Отметим, что расчёты обычно производят при нормальных физических условиях [t=0 °C; p=760 мм.рт.ст. (101,3 МПа)], при которых влагосодержание природного газа и воздуха принято хпг=0,005 кг/м3сух. газа, хв=0,01 кг/кг сух.возд.

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

для ПГ:

tepl030.wmf; tepl031.wmf, % (3,4)

для воздуха:

tepl032.wmf; tepl033.wmf, % (5,6)

В итоге получают компонентные составы влажных природного газа и воздуха:

для ПГ:

10-2 tepl034.wmf (7)

для воздуха:

tepl035.wmf (8)

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

tepl036.wmf (9)

Таблица 1

Относительный по кислороду состав влажного атмосферного воздуха

Компонент

Объёмная доля компонента во влажном воздухе, tepl037.wmf

Относительная по кислороду доля компонента во влажном воздухе, tepl038.wmf

CO2

0,0295

0,00143

O2

20,619

1,00000

N2

76,854

3,72734

Ar

0,9153

0,04439

H2O

1,583

0,07677

Σ

100 %

4,84993

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

1) tepl039.wmf или 2) tepl040.wmf, (10)

где n, m, y, z, y – соответственно количество атомов углерода С, водорода Н, кислорода О, азота N и аргона Ar в УУС природного газа или воздуха.

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

для ПГ:

tepl041.wmf, (11)

для воздуха:

tepl042.wmf. (12)

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

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

tepl043.wmf, м3 (13)

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

tepl044.wmf (14)

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

При сжигании во влажном атмосферном воздухе:

tepl045.wmf ,м3 (15)

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

tepl046.wmf (16)

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

tepl047.wmf, tepl048.wmf (17,18)

tepl049.wmf, tepl050.wmf (19,20)

tepl051.wmf, tepl052.wmf (21,22)

tepl053.wmf (23)

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

tepl054.wmf (24)

tepl055.wmf (25)

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

tepl056.wmf (26)

tepl057.wmf (27)

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