Тепловой баланс процесса горения со­ставляется для определения температуры продуктов сгорания.

Тепловой баланс, как и баланс материаль­ный, обычно составляют в расчете на 1 кг то­плива (для твердого и жидкого) или на 1 м3 топлива (для газообразного).

Уравнение теплового баланса горения

По сути является формой записи закона со­хранения энергии применительно к данному процессу. Согласно этому закону, сумма при­ходных статей теплоты в зону горения равна сумме расходных статей.

В общем случае к приходным статьям те­плового баланса горения относят: физическую теплоту топлива Q. m и окислителя Q0K; теп­лоту, дополнительно внесенную в зону горе­ния внешними источниками, Qm; экзотерми­ческий тепловой эффект реакций горения Q3Ki. Расходными статьями уравнения тепло­вого баланса являются: суммарное теплосо­держание продуктов сгорания Qn c; теплота, отведенная из зоны горения, QOTK; эндотер­мический тепловой эффект сопутствующих реакций.

Таким образом, уравнение теплового ба­ланса горения можно записать в виде

Бгл + бок + бвн + бэкз =

= бп. с+ботв+бэнд — (8.28)

При определении теплоты составляющих уравнения (8.28) условно принимают, что при температуре 0 °С энтальпии этих составляю­щих равны нулю.

Физическая теплота топлива QTn пред­ставляет собой энтальпию топлива hTn, кДж/кг (кДж/м3), и подсчитывается по фор­муле

Бтп ~Кп~ ся/тл > (8-29)

Где стл— теплоемкость рабочего топлива, кДж/(кг-°С) или кДж/(м3-°С), определяется по формуле (4.3) для твердого топлива, (5.4), (5.5) — для жидкого и (6.10) — для газообразного; tm— температура рабочего топлива, °С.

Величину QTn учитывают в тех случаях, когда топливо предварительно подогревают сторонними источниками (например, паровой подогрев мазута и т. п.). При отсутствии по­догрева величину £?тл можно учитывать только для бурых углей и торфа. При этом температуру топлива принимают 20 °С

Физическая теплота окислителя Q0K в случае атмосферного воздуха (Q0K = QB) представляет собой его энтальпию Нв, кДж/кг (кДж/м3), которую определяют по формулам (8.24) или (8.25). Таким образом, для воздуха можно записать

(8-30)

Величина QBH учитывает теплоту, допол­нительно внесенную в зону горения внешни­ми источниками (например, при паровом рас­пыле мазута, наличии рециркуляции охлаж­денных продуктов сгорания в зону горения и т. п.). Конкретные зависимости для подсчета Qm приведены в [6].

Экзотермический тепловой эффект реак­ций горения Q3K3 совпадает с рассмотренной ранее (см. раздел 3) удельной низшей тепло­той сгорания на рабочую массу Qf, кДж/кг, для твердого (жидкого) топлива или на сухую массу Qf, кДж/м3, для газообразного топли­ва. Соответственно:

Бэкз = е;; (8-31)

Акз-ef. (8-32)

В практике инженерных расчетов вводят понятие располагаемой теплоты Qp, кДж/кг (кДж/м3), которая объединяет энтальпию топ­лива /гтл, кДж/кг (кДж/м3), и его удельную

Теплоту сгорания Qf, кДж/кг (Qf, кДж/м3). Соответственно для твердого (жидкого) и га­зообразного топлива можно записать:

(8-33)

Бр — Q? + Кп ■ (8.34)

Суммарное теплосодержание продуктов сгорания Qn c представляет собой их энталь­пию Н, кДж/кг (кДж/м3):

ЄПХ = Я. (8.35)

Значение величины Н можно подсчитать по формуле (8.26).

Теплота, отведенная из зоны горения, Q0TB складывается из тепловых потерь, со­путствующих процессу сжигания топлива (например, химический и механический не­дожог топлива и т. п.) и тепловосприятия ог­раничивающих зону горения поверхностей (например, стены и экраны топки или камеры сгорания). Методика расчета теплообмена в топках энергетических котлов приведена

В [6].

Эндотермический тепловой эффект сопут­ствующих реакций еэнд в уравнении тепло­вого баланса (8.28) обычно относится к реак­циям диссоциации продуктов сгорания (на­пример, для углекислого газа С02, воды Н20 и т. п.). Степень диссоциации оксидов сущест­венно зависит от их температуры, увеличива­ясь с ее ростом. Практически учитывать по­глощение теплоты в реакциях диссоциации необходимо только при температуре выше 2000 °С. При более низкой температуре про­дуктов сгорания (что имеет место в энергети­ческих котлах) можно считать Q3Ha = 0.

Теоретическая температура горения.

Если при полном сгорании топлива вся тепло­та, выделившаяся при сжигании и внесенная в зону горения, пошла на нагрев самих продук­тов сгорания (т. е. при отсутствии теплоотво — да — в адиабатических условиях), то достиг­нутая таким образом температура продуктов сгорания называется теоретической темпе­ратурой горения &те0р-

Для определения теоретической темпера­туры горения составляют тепловой баланс полного сгорания топлива в адиабатических условиях (т. е. еотв = 0). Тогда, например, для твердого топлива уравнение теплового балан­са горения (8.28) с учетом (8.29)…(8.31), (8.35) и Q3W(~ 0 из расчета на 1 кг топлива можно записать в виде

H^op^ef+Kn+Q*, (8.36)

Где і7теор— энтальпия продуктов сгорания,

КДж/кг, при температуре 9теор, °С; Qf— удельная низшая теплота сгорания, кДж/кг; h. m— физическая теплота топлива, кДж/кг, при температуре /тл, °С; QB — теплота, вне­сенная с воздухом, кДж/кг, при температуре

9В, °С.

Из формулы (8.36), с учетом (8.23), (8.24), (8.26) и пренебрегая энтальпией золы, можно получить аналитическое выражение для опре­деления теоретической температуры горения &геор, °С, В виде

»теор = (Qf + Кя + вв) /Fro2 CR02 + + Г°2%2 +F°2oCh2o +(a-l)F°cB], (8.37)

Уравнение (8.37) по сути трансцендент­ное, так как теплоемкости дымовых газов cro2 ‘ cn2 ‘ сн2о и воздуха св есть функции от

Температуры 9Теор, которая является искомой величиной. Поэтому решать уравнение (8.37) необходимо методом последовательных при­ближений. В практике теплового расчета для определения Этеор используют предварительно составленную Н — S-таблицу, пример которой приведен в табл. 8.2.

Следует отличать теоретическую темпера­туру горения Этеор от адиабатической По­следняя определяется также при отсутствии теплоотвода, однако при этом учитываются сопутствующие горению потери теплоты (на­пример, неполнота сгорания топлива). Рас­четные значения &тоор и &а близки и отличают­ся лишь на несколько градусов, поэтому мож­но считать, что 9теор ~ &а-

Таблица 8.2

Энтальпия продуктов сгорания (Н — 3-таблица)

Примечания: 1. При составлении Я — ^-таблицы для каждого а определяются значения Я в об­ласти, перекрывающей ожидаемый диапазон температур в газоходе.

2. Значение АЯ находится как разность двух соседних по вертикали значений Я при разных темпера­турах, но при одном коэффициенте избытка воздуха а.