Теоретическая температура горения /теор отличается от жаропроиз­водительности /max тем, что при подсчете /Теор учитывается теплота дис­социации продуктов горения. При высокой температуре СОг диссоции­рует с образованием СО и Ог, а НгО — с образованием Нг и Ог.

Степень диссоциации возрастает с повышением температуры и сни­жением парциального давления СОг и НгО. Так, при парциальном дав­лении СОг, равном 0,2 кгс/см2, при сжигании углерода при атмосфер­ном давлении в стехиометрическом объеме воздуха и содержании в про­дуктах сгорания 20% С02 при 1800 °С диссоциирует около 3,7% С02, при 1900°С— около 6%, при 2000°С —около 10%, при 2100°С — около 15%, при 2200°С — около 23%.

Таким образоїм, с повышением температуры диссоциация СОг быст­ро возрастает, и при 3000 °С диссоциирует около 90% СОг.

При понижении парциального давления СОг степень диссоциации возрастает. Так, например, при 2000°С и давлении С02, равном 1 кгс/см2, диссоциирует 6% С02 и при давлении 0,1 кгс/см2—око­ло 12,5%.

Водяной пар диссоциирует при равных температурах и давлениях в значительно меньшей степени, чем двуокись углерода. Так, при 2000 °С и парциальном давлении 1 кгс/см2 диссоциирует около 2%, при давле­нии 0,2 кгс/см2 — около 3,5% и при давлении 0,1 кгс/см2—около 4% Н20.

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

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

Методика подсчета температуры горения с учетом диссоциации про­дуктов сгорания была разработана акад. Н. С. Курнаковым [50] и по­лучила широкое применение в расчетах металлургических процессов 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 сгорания с образованием гидроксилов и атомарного водорода и кислорода, а также с появлением в составе продуктов сгорания окиси азота NO в результате эндотермического процесса окисления азота. Так, подсчеты состава продуктов сгорания при атмосферном давлении окта­на (CgHie) в стехиометрическом объеме воздуха, произведенные Я. Б. Зельдовичем и А. И. Полярным, показали, что при 2127°С в составе продуктов горения содержится, %: 72,1 N2; 12,61 Н20; 9,88 С02; 2,31 СО; 1,14 ОН; 0,41 NO; 0,92 02; 0,12 Н и 0,09 О [51].

Таким образом, трудоемкий подсчет теоретической температуры го­рения, производимый по указанной выше методике [50], не вполне то­чен, поскольку учитывается только диссоциация СОг и НгО с образова­нием СО, Н2 и Ог 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 на 1 м3 исходных продуктов сгорания октана равна 101 ккал с учетом образования СО, Н2 и 02 и около 108 ккал с учетом образования также закиси азота, гидроксилов и атомарных газов.

4 М. Б. Равич 97

Следовательно, расхождение составляет около 7 ккал на 1 м3 про­дуктов сгорания, или около 450 ккал на 1 м3 октана.

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

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 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 применения обогащенного кислородом воздуха и при поддержании температуры ниже 2100 °С обычно считаются с образованием в продук­тах сгорания в результате диссоциации только СО, Н2 и 02. 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 теплоємкостями образующихся двухатомных газов. Так, объемная теп-

Лоемкость СОг от 0 до 2000 °С равна 0,6785 ккал/’м8, теплоемкость СО 0,3592 ккал/м3 и теплоемкость кислорода 0,3748 ккал/м3 (см. табл. 36). Следовательно, теплосодержание 1 м3 СО и 0,5 м3 Ог, образующихся в результате диссоциации 1 м3 СОг, мало отличается от теплосодержания исходной С02:

Ссо + 0,5С0б=0,3592 + 0,5-0,3748==0,5466 ккал/(мэС02• °С).

По отношению к теплосодержанию исходной СОг разность состав­ляет

Гг. ____ (0,5466 — 0,5785)-100 к0/

————— 075785————— ~&/0-

Теплосодержание продуктов диссоциации 1 м3 НгО в большей сте­пени отличается от теплосодержания исходного водяного пара:

Сн^о000=0,4688 ккал/(м8.°С);

Сн^2000 + 0,5-СЙ72000=0,3362 + 0,5-0,3748=0,5236 ккал/(м3Н20-°С);

Нп (0,5236 — 0,4688).100 . ,, 0/

TlaU=—————- 0~4688———- = +И /о-

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

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

Поскольку при температурах до 2100 °С диссоциирует лишь малая часть СОг и Н20 и, следовательно, еще меньшая часть суммарного •объема продуктов сгорания топлива, содержащих высокий процент азо-

4* 99

Та, можно для упрощенного подсчета теоретической и расчетной тем­ператур горения принять, что произведение объемов продуктов сгорания на их средневзвешенную теплоемкость в температурном интервале от О до £теор не меняется в результате диссоциации СОг и Н20 [37].

При таком допущении теоретическую температуру горения можно подсчитать по формуле

(VII.20)

Где Qя — низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг или ккал/м3; <3дис — теплота диссоциации продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг или 1 м3 топлива, ккал/кг или ккал/м3; V—объем про­дуктов сгорания, м3/кг или м3/м3; С—средневзвешенная теплоемкость продуктов сгорания от 0 до £Теор ккал/м3-°С.

Значения средневзвешенной теплоемкости продуктов сгорания от 0 до t приведены в табл. 36.

Следовательно, упрощенный подсчет теоретической температуры го­рения £теоР отличается от подсчета жаропроизводительности £тах лишь необходимостью учета теплоты диссоциации <ЗДИс.

Данные о степени диссоциации СОг и НгО при различных темпера­турах и парциальных давлениях приведены в табл. 45 и 46.

Приведем пример подсчета теоретической температуры горения пропана.

Низшая теплота сгорания пропана 21 800 ккал/м3. Уравнение горения пропана в стехиометрическом объеме воздуха

С8Н„ + 502 + 5-3,76N2 = ЗС02 + 4Н20 + 18,8N2.

Объем продуктов сгорания 25,8 м3.

Состав продуктов сгорания, %: 11,5 С02; 15,’5 Н20; 73,0 N2.

Задаемся температурой горения 2000 °С и подсчитываем значение теплоты диссо­циации С02 и Н20 при парциальных давлениях 0,115 и 0,155 кгс/см2 и температуре 2000 °С. Степень диссоциации С02 а=0,12 (таїбл. 45).

Теплота диссоциации СОг:

<2дисУсо2• aQco = 3• 0,12■ 3030 = 1090 ккал.

Степень диссоциации НгО 6=0,036 (табл. 46).

Теплота диссоциации НгО:

= УЩО бН2 = 4-0,36-2580 = 370 ккал.

Суммарная теплота диссоциации

<5дис = Се2 + = ‘090 + 370 = 1460 ккал.

Теоретическая температура горения

QH — Ол„о 21 800 — 1460

‘теор = Чн усМС = 25.8.о,4 = 1970°С = 2240

На рис. 10 приведены для сопоставления значения теоретической температуры горения при атмосферном давлении некоторых углеводо­родов. Теоретическая температура горения пропана при а=1 равна 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 этому графику равно 2220°К. Теоретическая температура горения бензола, подсчитанная по формуле (VII.20), 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 2100°С), можно пользоваться достаточной для технических расчетов степенью точности простой методикой подсчета [37].

При *тах порядка 2200°С ^е0р== ‘max-0,93, а при /max порядка 2100°С

‘теор =’max — 0,94.

При сжигании топлива в кислороде или обогащенном кислородом воздухе при значительно более высоких температурах необходимо под^

101

Считывать 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 (рис. 11).

Теоретическую температуру горения, подсчитанную при сжигании в абсолютно сухом воздухе, обозначают £геор, а при учете содержания в воздухе 1% (по массе) Н20 .

Различие между и /Теор — около 30°С, ^еор =/теор — 30°С.