Теоретическая температура горения £теор отличается от жаропроизводи­тельности £тах гем, что при подсчете ор учитывается теплота диссоциации про­дуктов горения. При высокой температуре С02 диссоциирует с образовани­ем СО и 02, а Н20 — с образованием Н2 и 02.

Степень диссоциации возрастает с повышением температуры и снижением парциального давления С02 и II20.

Так, при парциальном давлении С02 0,2 ата, при сжигании углерода при атмосферном давлении в стехиометрическом объеме воздуха и содержании в продуктах сгорания 20% С0.2, при 1800° диссоциирует около 3,7% С02, при 1900° — около 6%, при 2000° — около 10%, при 2100° — около 15%, при 2200° — около 23%.

Таким образом, с повышением температуры диссоциация С02 быстро воз­растает, и при 3000° диссоциирует около 90% С02.

При понижении парциального давления С02 степень диссоциации возра­стает. Так, например, при 2000° и давлении С02 1 ата диссоциирует около 6% двуокиси углерода, при давлении С0.2 0,2 ата диссоциирует около 10% и при давлении 0,1 ата — около 12,5%.

Водяной пар диссоциирует при равных температурах и давлениях в зна­чительно меньшей степени, чем двуокись углерода. Так, при 2000° и парци­альном давлении 1 ата диссоциирует около 2% Н20, при давлении

0, 2 ата — около 3,5% и при давлении 0,1 ата — около 4%.

Таким образом, степень диссоциации водяного пара при температуре 2000° примерно втрое меньше степени диссоциации двуокиси углерода.

При подсчете температуры в топках при сжигании топлива с высокой жа — ропроизводительностыо, и в особенности при подогреве воздуха, необходимо считаться с понижением температуры вследствие диссоциации продуктов сгорания.

Методика подсчета температуры горепия с учетом диссоциации продуктов сгорания была разработана акад. П. С. Курнаковым и получила широкое применение в расчетах металлургических процессов [47] и процессов горе­ния. Метод подсчета в большой степени осложняется необходимостью учета изменения вследствие диссоциации двух величин — температуры и объема продуктов горения.

Следует отметить, что при высокой температуре необходимо считаться не только с диссоциацией двуокиси углерода с образованием окиси углерода и кислорода и диссоциацией водяного пара с образованием водорода и кисло­рода, но и с более далеко идущей диссоциацией продуктов горения с образо­ванием гидроксилов и атомарного водорода и кислорода, а также с появле­нием в составе продуктов горения окиси азота N0 в результате эндотерми­ческого процесса окисления азота. Так, подсчеты состава цродуктоп сгора­ния при атмосферном давлении октана (С8Н18) в стехиометрическом объеме воздуха, произведенные Я. Б. Зельдовичем и Л. И. Полярним, показали, что при 2127° (2400°К) в составе продуктов горения содержится 72,1 % N2; 12,61%НаО; 9,88% С02; 2,31 % СО; 1,14% ОН:0,41% N0:0,92?« 02, 0,12% Н и 0,09% О 148].

Таким образом, трудоемкий подсчет теоретической температуры горения, производимый по указанной выше методике [47], не вполне точен, поскольку учитывается только диссоциация С02 и Н20 с образованием СО, Н2 и 02 и не принимается во внимание содержание в продуктах горения гидроксилов и атомарных газов. Допускаемая при этом погрешность может быть оценена следующим образом. Теплота диссоциации в пересчете па 1 нм3 исходных про­дуктов сгорания октана равна 101 ккал с учетом образования СО, Н, и 02 и около 108 ккал с учетом образования также закиси азота, гидроксилов и ато­марных газов.

Следовательно, расхождение составляет около 7 ккал на 1 нм3 продуктов горения, или около 450 ккал на 1 нмя октана.

Указанная величина составляет около 0,8% по отношению к теплоте сгорания октана. Температура горения, подсчитанная без учета более глу­бокой диссоциации продуктов горепия при указанной температуре, также будет примерно на 0,8%, или на 15°, отличаться от температуры горения, под­считанной с более полным учетом продуктов ;|,иссоциации.

Теоретическая и расчетная температуры горения в большой степени зави­сят от точности заданного соотношения топлива и воздуха. Так, при увели­чении избытка подаваемого воздуха на 1 % расчетная температура горения снижается примерно на 0,5%. Между тем контроль процесса горения, осу­ществляемый по газовому анализу, в большинстве случаев не позволяет под­держивать избыток воздуха с точностью, превышающей 1 %, что соответству­ет изменению содержания кислорода в продуктах горепия около 0,2%.

В связи с этим следует считаться с определенными погрешностями в под­счете теоретической и расчетной температур горения, производимом по при­нятой в настоящее время сложной и трудоемкой методике.

Как уже отмечалось, в технических расчетах при сжигании топлива без ирименения обогащенного кислородом воздуха и при поддержании темпера­туры ниже 2100° обычно считаются с образованием в продуктах сгорания в результате диссоциации только СО, Н2 и О.,. В этих случаях с учетом ука­занных выше погрешностей можно приближенно подсчитать теоретическую и расчетную температуры горения по простой методике, основанной на сле­дующих положениях.

Объем продуктов сгорания в результате диссоциации С02 и Н20 возра­стает, однако теплосодержание продуктов сгорания, не диссоциированных и частично диссоциированных, при той же температуре практически почти не меняется вследствие того, что объемная теплоемкость исходных трехатомных газов С02 и Н20 более высока по сравнению с теплоемкостями образующихся двухатомных газов. Так, объемная теплоемкость С02 от 0 до 2000° равна 0,5785 ккал/нм3, теплоемкость СО — 0,3592 ккал/нм3 и теплоемкость кисло­рода 0,3748 ккал/нм3 (см. табл. 24). Следовательно, теплосодержание 1 нм3 СО И 0,5 НМ302, образующихся в результат© диссоциации ^ имя СО-2, мало от-

Личастся от теплосодержания исходной С0.2

Г-со + 0,5С’о. = 0,3592 + 0,5-0,3748 = 0.546(5 ккал/нм3 С02°С.

По отношению к теплосодержанию исходной С02 разность составляет

Теплосодержание продуктов диссоциации 1 нмг Н20 в большей степени отличается от теплосодержания исходного водяного пара

^д“00 = 0,4688 ккал-пм* СС;

0,3362 +0,5-0,3748 = 0,5236 ккал’нм* Н20°С;

„ (0.5**36—0,4688)-100

Н, и ————— 11%.

Итак, теплосодержание продуктов диссоциации С02 несколько ниже теп­лосодержания исходной двуокиси углерода, а теплосодержание продуктов диссоциации Н20 выше, чем у исходного водяного пара.

С учетом того обстоятельства, что С0.2 диссоциирует в сопоставимых усло­виях в большей степени, чем водяной пар, суммарные отклонения в тепло­содержании продуктов диссоциации и исходных газов у большинства видов топлива в значительной степени нивелируются.

Поскольку при температурах до 2100° диссоциирует лишь малая часть С02 п Н20 и, следовательно, еще меньшая часть суммарного объема продуктов сгорания топлива, содержащих высокий процент азота, можно для упрощен­ного подсчета теоретической и расчетной температур горения принять, что произведение объемов продуктов сгорания на их средневзвешенную тепло­емкость в температурном интервале от 0° до £теор не меняется в результате дис­социации С02 и ИХ) [6].

При таком допущении теоретическая температура горения может быть подсчитана по формуле

1 __ — ^дигг. /Т-„. оч

‘теор — у.(] "

Где (3„ — низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг или ккал/нм3’,

С. ш.-г — теплота диссоциации продуктов сгорания, образующихся при сго­рании 1 кг или 1 нм3 топлива, ккал/кг или ккал/нм3;

V — объем продуктов сгорания, нм3/кг или нмя/нм3;

С средневзвешенная теплоемкость продуктов сгорания от 0° до <теор икал/нм3, °С.

1 Значения средневзвешенной теплоемкости продуктов сгорания от 0° до t приведены в табл. 24.

Следовательно, упрощенный подсчет теоретической температуры горения /;г()[, отличается от подсчета жаропроизводительности <тах лишь необходи­мостью учета теплоты диссоциации <Здиес.

Данные о степени диссоциации С02 и Н30 при различных температурах и парциальных давлениях приведены в табл. 32, 33.

В качестве примера приводим подсчет теоретической температуры горения пропана.

Низшая теплота сгорлппя пропана 21 800 ккал/нмя. Уравнение горения пропана в стехиометрическом объеме воздуха

СзП3 + 502 + 5-3,Тем? — ЗС02 + 4ЧгО + 18,81’2.

Объем продуктов сгорания 25,8 им3.

Состав продуктов сгорания СО, — 11,5%; Н20 — 15,5%; 1Ч2 — 73,0%.

Задаемся температурой горения 2000° и подсчитываем значение теплоты диссоциации СО., и Н40 при парциальпых давлениях 0,115 и 0,155 ата и температуре 2000° Степень диссоциации СО, а — 0,12 (табл. 32).

Теплота диссоциации С02:

С. = ГСО/а<?СО =3.0,12-3030 = 1090 «««.

Степень диссоциации Н20 6 = 0,036 (табл. 33).

Таблица ЯЗ

Стенонь диссоциации водяного пара, б %

Рис. 13. Соотношение теоретиче­ских и расчетных температур горе­ния углеводородом

Теплота диссоциации Н20:

С = Кнг0’б<?нг = 4-0,36-580 = 370 ккал.

Суммарная теплота диссоциации:

?дисс = ?дисс + = 1090 + 370 = 1450 “ЙЛ-

Теоретическая температура горения:

— Сдисс 21800—14^0 ^ Г7- = 1970° С ^ 2240° К.

Теор УС 25,8-0,4 —

Для сопоставления на рис. 13 приведены значения теоретической темпе­ратуры горения при атмосферном давлении различных углеводородов. Зна­чение теоретической температуры горения (при а = 1) пропана равно около

2250° К.

Подсчитанная аналогичным образом по упрощенной методике теорети­ческая температура горения метана равна 1930° С, или — 2200° К.

Значение теоретической температуры горения метана по графику, при­веденному на рис. 13, равно 2220° К. Теоретическая температура горения бензола, подсчитанная по формуле (IX. 8), равна 2060°С, или около 2330°К и мало отличается от температуры, приведенной на указанном графике (2340 К).

Таким образом, для определения теоретической температуры горения, развиваемой в условиях сжигания топлива в воздухе (до 2Ш0°С), можно пользоваться с достаточной для технических расчетов степенью точности простой методикой подсчета 16].

При £Шах порядка 2200еС /т(.ор £1П.1Т-0,93, а при <Г111к порядка 2100~С <гсо„ = /тах-0,94 [49].

Необходимо отмстить, что при сжигании топлива в кислороде или обога­щенном кислородом воздухе при температурах значительно более высоких необходимо подсчитывать температуру горения с учетом образования слож­ной гаммы продуктов диссоциации. В этих случаях различие между теорети­ческой температурой горения и жаропроизводительностью, подсчитываемой без учета диссоциации, очень велико, как это видно из графика (рис. 14).

Теоретическую температуру горения, подсчитанную при сжигании в аб­солютно сухом воздухе, обозначают а при учете содержания в воздухе

1 "о влаги по массе /теч,.

Различие между Гт-. и 1се0р — около 30° trcol■, = t^:!^Q]i —30е