Расчеты горения

Расчеты горения ведут по химическим уравнениям реакций, используя законы газового состояния: Бойля – Мариотта , Гей-Люссака , Шарля и Клапейрона – Менделеева . Используется также закон Авогадро, согласно которому один грамм-моль любого газа при нормальных условиях (Т = 273 К, Р = 760 мм рт. ст.) занимает одинаковый объём – 22,4 дм³. Соответственно один кг-моль – 22,4 м³.

Рассмотрим реакцию горения водорода в кислороде: . Из уравнения следует, что при нормальных условиях для полного сгорания 2 × 22,4 = 44,8 м³ водорода требуется 22,4 м³ кислорода. Обычно для простоты и удобства расчеты ведут на один кубометр сжигаемого газа, т.е. для сгорания 1 м³ водорода требуется 0,5 м³ кислорода.

Рассмотрим реакцию горения метана в кислороде: . Из уравнения следует, что для полного сгорания 22,4 м³ метана требуется 2 × 22,4 = 44,8 м³ кислорода. Следовательно, для сгорания 1 м³ метана необходимо 2 м³ кислорода.

В практических условиях сжигание газа осуществляется в воздухе. Примем состав сухого воздуха: О₂ – 21 %, N₂ – 79%. Следовательно, 1 м³ кислорода содержится в 100/21 = 4,76 м³ воздуха. Или на 1 м³ кислорода приходится 3,76 м³ азота. Отсюда условная формула воздуха: (О₂ + 3,76N₂).

Запишем реакцию горения водорода в воздухе:

.

Из уравнения следует, что при нормальных условиях для полного сгорания 1 м³ водорода требуется 0,5 × 4,76 = 2,38 м³ воздуха. Таким образом, для сгорания 1 м³ водорода требуется 2,38 м³ воздуха. В результате образуются продукты сгорания: 1 м³ воды в виде пара и 1,88 м³ азота.

Запишем реакцию горения метана в воздухе:

.

Из уравнения следует, что для полного сгорания 1 м³ метана необходимо 2 × 4,76 = 9,52 м³ воздуха. Таким образом, при нормальных условиях для сгорания 1 м³ метана требуется 9,52 м³ сухого воздуха. Продукты сгорания содержат 1 м³ диоксида углерода, 2 м³ паров воды и 7,52 м³ азота.

Запишем реакцию горения пропана в воздухе:

.

Из уравнения видно, что для полного сгорания 1 м³ пропана необходимо 5 × 4,76 = 23,8 м³ воздуха. Таким образом, при нормальных условиях для сгорания 1 м³ пропана требуется 23,8 м³ сухого воздуха.

Приведенные расчеты выполнены для стехиометрических уравнений и полученные соотношения воздуха и газа называются стехиометрическими. Например, для горения метана в воздухе стехиометрическое соотношение – 9,52. В реальных условиях воздуха может не хватать для полного сгорания газа или, напротив, воздух подается в избыточном количестве. Для характеристики реальных соотношений воздуха и газа в процессе горения введена безразмерная величина: коэффициент избытка воздуха (окислителя) – коэффициент α. Для стехиометрического соотношения α = 1. Если имеет место недостаток воздуха, то α < 1, а при избытке воздуха α > 1. Например, в процессе горения израсходовано 23 м³ воздуха и 2 м³ метана. Подсчитываем коэффициент α. Реальное соотношение воздуха и газа 23/2 = 11,5. Отсюда α = 11,5/9,52 = 1,2.

Выше показано, как можно подсчитывать необходимое количество воздуха для сгорания и определять объем продуктов сгорания для индивидуальных газов. Но обычно используемый газ – смесь различных газов. В этом случае расчет теоретически необходимого объема воздуха (воздуха сухого) ведется по формуле:

нм³/нм³, (10.4)

где – соответственно объемное процентное содержание данных газов в исходной смеси.

Используемый для сжигания атмосферный воздух содержит влагу, поэтому расчет объема влажного воздуха производят по формуле:

нм³/нм³, (10.5)

где – влагосодержание воздуха, г/нм³;

0,00124 – объем 1 г водяного пара.

И, наконец, определяется объем воздуха действительный с учетом величины коэффициента α по формуле:

. (10.6)

Пример. Имеется газ состава СН₄ – 95%, С₃Н₈ – 5%. Определить объем воздуха действительного для сжигания данного газа при α = 1,1 и = 10 г/м³.

Производим расчеты:

, нм³/нм³,

, нм³/нм³,

, нм³/нм³.

Объем продуктов сгорания газовой смеси определяется по следующим формулам.

Объем диоксида углерода

, нм³/нм³. (10.7)

Объем водяных паров

, нм³/нм³. (10.8)

Объем азота

, нм³/нм³. (10.9)

где N ₂ – процентное содержание азота в газовой смеси.

Объем кислорода

, нм³/нм³. (10.10)

Суммарный объем продуктов сгорания

, нм³/нм³. (10.11)