Состав продуктов сгорания топливных композиций (горючих) определяется применяемыми видами топлива и окислителя.
Для большинства практических задач представляют интерес топливные композиции, использующие в качестве окислителя атмосферный воздух, а в качестве топлива – природный газ, керосин, этиловый спирт и жидкий водород.
Как известно, атмосферный воздух, выступающий окислителем при горении, состоит из сложной смеси индивидуальных газов. Его составные части подразделяются на две основные группы – постоянные и переменные. К первой группе относятся кислород, азот, инертные газы (аргон, неон, криптон, гелий) и некоторые другие вещества в небольших количествах.
Содержание первой группы газов в объемных и массовых долях в сухом воздухе у поверхности земли приведены в таблице 2 по данным [22].
Таблица 2 - Объемные и массовые доли газов в сухом атмосферном воздухе
Наименование газа | Объемная доля % | Массовая доля % | Принятая при расчетах массовая доля % |
Азот | 78,084 | 75,521 | 76,81 |
Кислород | 20,946 | 23,139 | 23,15 |
Аргон | 0,934 | 1,288 | 0,00 |
Диоксид углерода | 0,033 | 0,050 | 0,04 |
Неон, криптон, гелий и другие газы | 0,033 | 0,002 | 0,00 |
Ко второй группе газов относятся диоксид углерода и водяной пар, содержание которых в атмосферном воздухе колеблется от 0,02 % до 0,4 % и от 0,02 % до (4±1) % по объему соответственно.
|
|
При выполнении расчетов достаточно учитывать наличие в атмосферном воздухе четырех основных компонентов – азота , кислорода , водяного пара и диоксида углерода . Инертные газы (аргон, неон, криптон, гелий и др.) можно отнести к азоту вследствие близости к нему их физических характеристик и малого содержания в атмосферном воздухе.
Таким образом, для проведения расчетов состав сухого воздуха (т. е. лишенного водяного пара) может быть принят в массовых долях следующий:
0,7681; 0,2315; 0,0004. (8)
Основной примесью к сухому воздуху является переменный компонент – водяной пар, находящийся в перегретом состоянии.
Смесь сухого воздуха с перегретым водяным паром называется влажным воздухом, характеризующимся, в частности, следующими взаимосвязанными показателями степени влажности воздуха - это абсолютная и относительная влажность и паросодержание.
Полагая, что перегретый водяной пар приближается по своим свойствам к газам, можно рассматривать влажный воздух как газовую смесь [23, с 113].
По закону Дальтона давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений:
,
где - давление влажного воздуха;
- парциальное давление сухого воздуха;
- парциальное давление водяного пара.
Равным образом можно записать
.
Основными характеристиками влажного воздуха являются абсолютная и относительная влажности.
|
|
Абсолютной влажностью , измеряемой в , называется масса перегретого водяного пара, содержащаяся в 1 влажного воздуха, т. е.
.
Отношение абсолютной влажности влажного воздуха к максимально возможной при данной температуре воздуха, называется относительной влажностью :
,
где - плотность насыщенного водяного пара при данной температуре
влажного воздуха, .
Паросодержанием влажного воздуха называется отношение массы водяного пара , содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха :
,
где - газовая постоянная сухого воздуха;
- газовая постоянная водяного пара.
Следовательно, величина характеризует, в частности, массу водяного пара, приходящуюся на 1 сухого или на влажного воздуха.
Тепловые процессы влажного воздуха имеют ряд особенностей и их можно разделить на:
- процессы, идущие без фазовых превращений, при этом относительная влажность и водяной пар в смеси находится в перегретом состоянии;
- процессы, идущие с фазовыми превращениями, насыщенный пар в этом случае конденсируется и .
Процессы, идущие при наличии фазового перехода, требуют специальной методики расчета и здесь не рассматриваются.
Относительная влажность и паросодержание влажного воздуха связаны следующим соотношением [21, с. 121]:
, (9)
где - абсолютное давление влажного воздуха, ;
- давление насыщенного водяного пара при температуре
влажного воздуха, .
Если влажный воздух находится при атмосферном давлении, то для определения паросодержания по (9) необходимо знать относительную влажность атмосферного воздуха, атмосферное давление, температуру влажного воздуха и давление насыщенного пара, определяемого из таблиц свойств водяного пара (см. таблицу А.3) по величине температуры влажного воздуха.
Парциальное давление сухого воздуха можно определить из уравнения состояния
.
Парциальное давление водяного пара во влажном воздухе
.
Объемные доли сухого воздуха и водяного пара во влажном воздухе можно определить через их парциальные давления, т. е.
Массовые доли сухого воздуха и водяного пара во влажном воздухе можно определить через паросодержание:
Для каждой топливной композиции состав продуктов сгорания зависит от соотношения между окислителем и топливом, которое принято характеризовать коэффициентом избытка окислителя :
где - количество окислителя, необходимого теоретически для полного
сгорания 1 кг топлива;
- количество окислителя, действительно подводимого к 1 кг топлива.
При топливная смесь называется стехиометрической и весь углерод, содержащийся в топливе, превращается при горении в диоксид углерода, а весь водород – в водяной пар.
Другим важным параметром для расчета теплофизических характеристик продуктов сгорания является коэффициент , характеризующий соотношение масс окислителя и топлива при :
где и - массы соответственно окислителя и топлива в
стехиометрической топливной композиции, .
Параметр часто называют массовым (весовым) стехиометрическим коэффициентом соотношения компонентов горючего.
В таблице 3 приведены значения коэффициента соотношения различных топливных композиций, соответствующие составы в объемных и массовых долях продуктов сгорания топлив в сухом воздухе при по данным [22, с. 391 - 574].
Таблица 3 - Состав продуктов сгорания некоторых топлив
в сухом воздухе при
Топливо | Содержание индивидуального газа в продуктах сгорания | ||||||
Азот | Диоксид углерода | Водяной пар | |||||
Природный газ | 17,200 | 71,55 | 72,55 | 9,53 | 15,17 | 18,92 | 12,33 |
Керосин | 17,460 | 73,88 | 71,77 | 13,22 | 20,17 | 12,30 | 8,06 |
Этиловый спирт | 8,555 | 68,77 | 68,66 | 12,18 | 19,11 | 19,05 | 12,23 |
Водород | 34,300 | 65,33 | 74,54 | 0,03 | 0,05 | 34,64 | 25,41 |
|
|