5.2.        ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ

Температура горения любого вещества не является постоянной величиной. Она зависит от условий горения (в замкнутом объеме или на открытом воздухе), от условий теплоотдачи, полноты сгорания топлива, коэффициента избытка воздуха и других факторов.

Для сравнения температуры горения Т_г разных веществ расчет ведется при строго одинаковых следующих условиях.

·     Горючее и воздух вступают в реакцию горения при температуре Т = 0°С.

·     Количество воздуха равно теоретически необходимому, то есть коэффициент избытка воздуха α=1.

·     Горение происходит мгновенно до полного окисления (СО₂, Н₂О, SO₂) без образования промежуточных продуктов неполного горения (например, угарного газа СО).

·     Вся выделенная теплота сообщается продуктам горения и расходуется исключительно на их нагревание.

Рассчитанная при этих условиях температура называется теоретической. Практически реализуемая температура горения T (при пожарах, при горении в печах, каминах, камерах сгорания и других технических устройствах) всегда ниже теоретической T_г. Это связано с тем, что реальный процесс горения происходит с избытком воздуха, в условиях неполного сгорания. Кроме того, теплота горения частично расходуется на нагрев окружающей среды, а при температурах выше 1700°С – на диссоциацию продуктов горения.

Например, при горении древесины, отличие Т_г от практически реализуемой температуры горения может достигать более 500°С (табл. 5.6).

Таблица 5.6

Температура горения древесины

Расчет теоретической температуры горения

При определении теоретической температуры горения Т_г предполагается, что вся выделившаяся теплота сообщается продуктам сгорания. Температура, до которой нагреются продукты сгорания, зависит от количества сообщаемой им теплоты, состава и количества продуктов сгорания и их удельной теплоемкости. Для расчета теоретической температуры горения Т_г запишем уравнение теплового баланса.

,                                          (5.3)

где Q – теплотворная способность топлива, Дж/кг;

V – объем продуктов сгорания, образующихся при горении 1 кг топлива, м³/кг;

с_p –объемная удельная теплоемкость продуктов сгорания, Дж/(м³∙град);

Т_г – теоретическая температура горения, °С;

Т_н – начальная температура воздуха, °С.

При горении в нормальных условиях (Т_н=0°С) уравнение (5.3) примет вид:

.                                                (5.4)

Из (5.4) следует формула для расчета теоретической температуры горения:

.                                                  (5.5)

Поскольку продукты сгорания реальных топлив, как правило, состоят из разных газов, теплоемкость и плотность которых различны, то эта формула (5.4) записывается в следующем виде:

.                   (5.6)

Соответственно, формула для расчета с учетом (5.6) примет вид

.                                                (5.7)

Для повышения точности расчетов необходимо учитывать зависимость теплоемкости газов от температуры. Однако, для оценочных расчетов можно принять средние значения теплоемкости (табл. 5.7).

Таблица 5.7

Средняя теплоемкость (с_p) газов в диапазоне температур (1000÷3000)°С

Расчет теоретической температуры горения Т_г проводится в следующем порядке.

·        Рассчитывается количество и состав продуктов горения, образующихся при сгорании 1 кг заданного топлива в соответствии с методикой, изложенной выше (раздел 4.4).

·        Рассчитывается по формулам (5.1) или (5.2), или определяется из таблиц теплотворная способность топлива Q.

·        Рассчитывается теоретическая температура горения Т_г по формуле (5.7).

В качестве примера определим теоретическую температуру горения каменного угля, элементный состав которого приведен в табл. 5.8., при коэффициенте избытка воздуха a=1.5.

Таблица 5.8

Элементный состав угля

·       Определим состав и количество газообразных продуктов сгорания 1 кг рассматриваемого топлива в данных условиях по методике, приведенной в разделе 4.

Объем СО₂ и SO₂:          ;    с_p=2.13∙10^-3 МДж/(м³∙град).

Объем H₂O:                   ;   с_p=2.09∙10^-3 МДж/(м³∙град).

Объем N₂ и О₂:               ; с_p=1.42∙10^-3 МДж/(м³∙град).

·        Проведем расчет теплотворной способности рассматриваемого топлива по формуле Менделеева (5.1):

Q_н=0.339∙76+1.025∙4.5+0.1085∙4.7–0.1085∙3.5–0.025∙3.0=29.92 МДж/кг.

·        Проведем расчет теоретической температуры горения по формуле (5.7):

.

Таким образом, теоретическая температура горения каменного угля при коэффициенте избытка воздуха a=1.5 в условиях постоянного давления (на открытом воздухе) составляет около 1600°С.