UNIWERSYTET WARMIŃSKO-MAZURSKI
WYDZIAŁ NAUK TECHNICZNYCH
KIERUNEK: Mechanika i Budowa Maszyn
PRZEDMIOT: Termodynamika
ROK: III
PRACA KONTROLNA NR. II
Wykonał:
Cybulski
Andrzej
1). Spalanie.
Spalanie polega na szybkim utlenianiu substancji, połączonym ze znacznym wzrostem temperatury produktów spalania w stosunku do temperatury substratów.
Jeżeli znany jest skład chemiczny paliwa, to można określić ilość tlenu potrzebną do spalania całkowitego i zupełnego jednostki ilości paliwa, tzw. teoretyczne (minimalne) zapotrzebowanie tlenu do spalania, a następnie teoretyczne zapotrzebowane powietrza.
zużyć tlenu [H2]p kmol
[CO]p kmol tlenku węgla zużyć tlenu 0,5 [CO]p kmol
Σ[CmHn]p kmol węglowodorów zużyć tlenu Σ(m+(n/4))[CmHn]p kmol
W paliwie znajduje się tlen w ilośći [O2]p k mol.
Teoretyczne zapotrzebowanie tlenu do spalenia 1 kmol paliwa gazowego wynosi
Otkmol=0,5([H2]p+[CO]p)+Σ(m+(n/4))[CmHn]p-[O2]p (kmolO2/kmol p.
Przybliżony udział objętościowy tlenu w powietrzu wynosi 0,21, a udział masowy 0,232. Teoretycznej ilości tlenu odpowiada teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania jednostki ilości paliwa
Ltkmol= |
Otkmol kmol pow. |
|
0,21 kg p. |
Ltkg= |
Otkmol kmol pow. |
|
O,232 kg p. |
Wymieszanie paliwa z powietrzem nie jest doskonałe. W celu uzyskania spalania całkowitego i zupełnego należy doprowadzić do spalania więcej tlenu i powietrza, niż to wynika z zależności stechiometrycznych. W ogólnym przypadku ilości powietrza L lub tlenu rzeczywiście doprowadzonego do spalania Orz różni się od ilości teoretycznej wynikającej z zależności stechiometrycznych.
Stosunek ilości powietrza L (tlenu Orz) rzeczywiście doprowadzonej do spalania do teoretycznej ilości powietrza Lt (tlenu Ot) wynikającej z zależności stechiometrycznych jest nazywany współczynnikiem nadmiaru powietrza (tlenu)
λ=(L/Lt)=(Orz/Ot)
Ilość powietrza rzeczywiście doprowadzonego do spalania wynosi
L=λLt
Współczynnik nadmiaru powietrza dobiera się w zależności od rodzaju paliwa i paleniska lub komory spalania, w której przebiega spalanie.
Paliwa gazowe i ciekłe można łatwiej wymieszać z powietrzem niż paliwa stałe, więc są one spalane przy mniejszym współczynniku nadmiaru powietrza.
0,8-0,9-w silnikach spalinowych tłokowych o zapłonie iskrowym,
>1,15-w silnikach spalinowych tłokowych o zapłonie samoczynnym,
3,5-5,0-w silnikach spalinowych turbinowych i odrzutowych,
1,05-1,2-w paleniskach gazowych,
1,2-1,4-w paleniskach pyłowych i na paliwa ciekłe,
1,3-1,6-w paleniskach na paliwa stałe z rusztem mechanicznym,
1,4-1,7-w paleniskach na paliwa stałe obsługiwanych ręcznie.
Współczynnik nadmiaru powietrza
λ=Lrp/Ltp
λ= |
21 |
|
21-79(ro2-0,5rco/rN2) |
Przy spalaniu zupełnym λ≥1, ze spalania 1 kg paliwa stałego lub ciekłego powstają następujące ilości składników spalin:
-dwutlenku węgla
n''CO2= |
C kmol CO2 |
|
12 kg p. |
m''CO2= |
44 |
C= |
11 |
C= |
kg CO2 |
|
12 |
|
3 |
|
Kg p |
-dwutlenku siarki
n”SO2= |
S |
Kmol SO2 |
|
32 |
Kg p |
m''SO2= |
2S |
Kg SO2 |
|
|
Kg p |
-pary wodnej
n''H2O= |
H |
+ |
W |
Kmol H2O |
|
2 |
|
18 |
Kg p |
m''H2O= |
9H+W |
Kg H2O |
|
|
Kg p |
-tlenu
n''O2= |
(λ-1)Otkmol |
Kmol O2 |
|
|
Kg p |
m''O2= |
(λ-1)Otkg |
Kg O2 |
|
|
Kg p |
-azotu
n''N2= |
0,79Lkmol+ |
N |
= |
79 |
λOtymol+ |
N kmol N2 |
|
|
28 |
|
21 |
|
28 kg p |
m''N2= |
0,768Lkg+N= |
768 |
λOtkg+N |
Kg N2 |
|
|
232 |
|
kg p |
W wielu przypadkach paliwa stałe nie mogą być bezpośrednio zużytkowane do spalania, lecz muszą być uprzednio odgazowane lub zgazowane.
Zgazowanie paliwa stałego polega na niezupełnym utlenianiu, na skutek czego powstają lotne produkty palne.
2). Para nasycona sucha.
Po pełnym odparowaniu cieczy powstaje para nasycona sucha o tej samej temperaturze, co wrząca ciecz. Temperatura pary nasyconej suchej (temperatura nasycenia) Ts=f(ps) jest funkcją tylko ciśnienia. Stan pary nasyconej suchej (tzw. punkt rosy, w której znikają ostatnie krople cieczy) określa tylko jeden parametr. Parametry pary nasyconej suchej oznacza się wskaźnikiem górnym " (np.v",u",h",s").
Do otrzymania 1 kg pary nasyconej suchej z cieczy o tym samym ciśnieniu i tej samej temperaturze zużywana jest entalpia parowania
r=h"-h'=u"-u'+PS(v"-v')=Ts(s"-s')
Entalpia parowania maleje w miarę wzrostu temperatury i staje się równa zeru w stanie krytycznym.
Ciepło wytwarzania 1 kg pary nasyconej suchej przy stałym ciśnieniu z cieczy o temperaturze odniesienia wynosi
λ=q1+r=h"-h0
przy ciśnieniu p≤2 MPa jest
λ≈h"
Maksymalna entalpia pary nasyconej suchej występuje przy ciśnieniu ps≈3,06 MPa i temperaturze Ts≈508 K., Ponieważ entalpia właściwa wody w stanie krytycznym jest mniejsza od maksymalnej entalpii właściwej pary nasyconej suchej. Przyrost entropii właściwej
przy wytwarzaniu pary nasyconej suchej z cieczy o temperaturze nasycenia (Ts=idem) wynosi
s"-s'=(r/Ts)
Para przegrzana.
Doprowadzenie ciepła przy stałym ciśnieniu do pary wilgotnej prowadzi do powstania pary nasyconej suchej, a następnie pary przegrzanej. Para przegrzana ma wyższą temperaturę do pary nasyconej T>Ts przy tym samym ciśnieniu. Objętość właściwa pary przegrzanej jest większa od objętości właściwej pary nasyconej suchej v>v" przy tym samym ciśnieniu lub przy tej samej temperaturze. Przy tej samej temperaturze ciśnienie pary przegrzanej jest niższe do ciśnienia nasycenia p<ps. Do przybliżonych obliczeń można stosować parametry pary przegrzanej odczytane z wykresów.
Do wytworzenia 1 kg pary przegrzanej z pary nasyconej suchej o tym samym ciśnieniu potrzebne jest ciepło przegrzania
qp=h-h"
Ciepło wytwarzania pary przegrzanej z cieczy o tym samym ciśnieniu i temperaturze odniesienia składa się z ciepła cieczy, entalpii parowania i ciepła przegrzania
λ=q1+r+qp=h-h0
Przy ciśnieniu p≤2MPa jest λ≈h
Ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu pary wodnej przegrzanej rośnie przy stałej temperaturze wraz ze wzrostem ciśnienia i dąży do nieskończoności, gdy ciśnienie dąży do ciśnienia krytycznego, maleje natomiast ze wzrostem temperatury przy stałym ciśnieniu.
Przemiana izobaryczna.
Ciśnienie jest stałe.
Praca techniczna jest równa zeru Ltp1,2=0
Ciepło przemiany izobarycznej jest zużywane na przyrost entalpii
qp1,2=h2-h1
Praca przemiany izobarycznej, odniesiona do 1 kg, wynosi
Lp1,2=p(v2-v1)
Przyrost energii wewnętrznej właściwej jest równy
u2-u1=h2-h1-p(v2-v1)
Przemiany izobaryczne pary wodnej
Przemiana izochoryczna.
Objętość właściwa jest stała.
Praca zmiany objętości przemiany jest równa zeru Lv1,2=0
Przemiany izochoryczne pary wodnej.
Ciepło przemiany izobarycznej jest zużywane na przyrost energii wewnętrznej
qv1,2=u2-u1=h2-h1-v(p2-p1)
Praca techniczna odniesiona do 1 kg wynosi
Ltv1,2=v(p1-p2)
W obszarze pary wilgotnej objętość właściwa jest równa
V1=v'1=x1(v"1-v'1)=v'2+x2(v"2-v'2)=v2
A przy p≤3MPa ≥0,8 jest
X1v"1≈x2v"2
v'1 i v'2-objętość właściwa wrzącej cieczy przy ciśnieniach p1 i p2
v"1 i v"2-objętość właściwa pary nasyconej suchej przy ciśnieniach p1 i p2
Przemiana izotermiczne.
-ciepło przemiany odniesione do 1 kg
QT1,2=T(s2-s1)
-praca zmiany objętości odniesiona do 1 kg
LT1,2=u1-u2-T(s1-s2)
-praca techniczna odniesiona do 1 kg
LtT1,2=h1-h2-T(s1-s2)
Przemiany izotermiczne pary wodnej
Nieodwracalne przemiany adiabatyczne.
Zewnętrzne ciepło przemiany jest równe zeru qzad1,2=0
Zewnętrzna praca techniczna przemiany wykonywana jest kosztem spadku entalpii, a w odniesieniu do 1 kg wynosi
Lztad1,2=h1-h2
Do określenia stanów pary w technice służ wykresy lub tablice parowe. Stosuje się zwykle wykres T-s, a zwłaszcza wykres i-s, który jest wycinkiem całości wykresu przedstawionego poniżej.
Wykres i-s dla pary wodnej
Są dwa rodzaje tablic parowych:
a). dla par nasyconych, gdzie podano parametry stanów leżących na liniach granicznych stopnia suchości x=0 oraz x=1,
b). dla cieczy i par przegrzanych.
Parametry stanów granicznych nasyconej pary amoniaku
7