Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ПО ОБОБЩЕННЫМ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ К ВОДОМАЗУТНЫМ ЭМУЛЬСИЯМ

Федорова У.Д. 1 Лебедева Е.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Проанализирована проблема энергосбережения в России. Рассмотрены проблемы использования мазута в качестве топлива, например неполнота сгорания, загрязнение атмосферы и обводнение мазута. В качестве способа повышения эффективности использования ресурсов, рассмотрено применения водомазутных эмульсий. Описаны механизм сгорания и преимущества использования водомазутной эмульсии. Рассмотрена возможность применения методики расчетов процессов горения по обобщенным теплотехническим характеристикам к водомазутным эмульсиям. Для исследования приведены эмульсии с разным содержанием воды в составе. Для каждой взятой эмульсии определено количество продуктов сгорания и теплота сгорания по нормативному методу расчета. Далее установлены новые обобщенные теплотехнические характеристики для водомазутных эмульсий с различным содержанием воды. Для удобства обработки результатов теплотехнических испытаний котлов составлены новые расчетные таблицы.
мазут
водомазутная эмульсия
методика
горение
теплотехнические характеристики
1. Константинов, А.Г. Берестенко, А.В. Проблемы современной энергетики // Электронный ресурс http://alternativenergy.ru
2. Геллер, C.В. Приготовление водомазутных эмульсий посредством волновой диспергации // Журнал "Новости теплоснабжения" (Москва): № 4 апрель2010г.
3. Геллер, C.В. Сверхстойкие водотопливные эмульсии // Газета "Тепловая энергетика": № 01 (01) май 2012г.
4. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) 3-е изд..- СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. - 256с.
5. Равич, М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. - М., изд-во АН СССР, 1966. - 407 с.

Важнейшую роль в экономике страны играет топливно-энергетический комплекс. Все больше возрастает потребность в ресурсах. Так, например, согласно источнику [1], уже через 20 лет потребность в топливных ресурсах увеличится в 2 раза, а потребление нефти, как энергоносителя составит всего 16 %. В свете сказанного, энергосбережение и повышение эффективности использования имеющихся ресурсов является на данный момент одной из самых серьезных задач.

Мазут и другие отходы нефтеперерабатывающего производства используются во многих котельных установках как недорогое жидкое топливо. При этом, в процессе сжигания мазута на котельных и ТЭЦ возникает ряд проблем. Например, неполное сгорание топлива в топках приводит к образованию большого количества вредных веществ и, как следствие, к значительному загрязнению атмосферы. Так же неизбежное обводнение мазута, происходящее в процессе его хранения, транспортировки и т.д, резко снижает эффективность его сжигания. В результате актуальной становиться проблема использования так называемых водомазутных эмульсий.

Водомазутная эмульсия (ВМЭ) – это мазут с водой соединённые на молекулярном уровне. Получается принципиально новый вид жидкого топлива. Вода становится своеобразным катализатором, улучшающим процесс горения топлива. Высокодисперсная структура ВМЭ обеспечивает эффект вторичного распыления эмульсии. Это происходит в зоне горения, когда мельчайшие капли воды, равномерно распределенные по всему объему мазута, взрываются при резком вскипании. При этом во много раз увеличивается площадь соприкосновения топлива с кислородом воздуха [2]. Экономия происходит за счет более полного сгорания исходного мазута. Получить качественную сверхстойкую эмульсию можно при помощи волнового диспергатора [3].

Для исследования теплотехнических характеристик, рассмотрены ВМЭ с разным количеством воды в составе топлива. Проведен пересчет состава и теплоты сгорания для каждой получившейся эмульсии. На рисунке 1 построен график зависимости теплоты сгорания ВМЭ от содержания воды в % :

Рисунок 1 График зависимости теплоты сгорания топлива от количества воды в составе эмульсии

По представленному графику можно сделать вывод об изменении низшей теплоты сгорания при увеличении количества воды в в составе эмульсии до 30 %. В данном случае теплота сгорания уменьшилась от 40,76 до 28,71 МДж/м3, т.е. примерно в полтора раза.

Количество продуктов сгорания определяется по известному составу топлива с использованием нормативного метода расчета[4].

Теоретический объем воздуха, необходимого для полного сгорания единицы топлива рассчитывается по формуле (1):

, (1)

Теоретический объем азота в продуктах сгорания по формуле (2):

, (2)

Теоретический объем водяных паров при сжигании жидкого топлива рассчитывается по формуле (3):

, (3)

Объем трехатомных газов рассчитывается по формуле (4)

, (4)

Результаты расчета объемного состава продуктов сгорания для водомазутных эмульсий с разным количеством воды в составе сведены в таблицу (1) для удобства дальнейшего анализа.

ТАБЛИЦА 1 Объемный состав продуктов сгорания композиционного топлива

Количество воды в эмульсии, %

Объемный состав продуктов сгорания

VRO2

V°N2

V°H2O

VСO2

VSO2

Vс.г.

Vг.

Мазут

10,626

1,582

8,394

1,507

1,58

0,00209925

9,976

11,483

5

10,409

1,549

8,223

1,503

1,55

0,00202928

9,772

11,275

10

9,858

1,467

7,788

1,488

1,46

0,00198729

9,255

10,743

15

9,311

1,386

7,356

1,474

1,38

0,00184034

8,742

10,215

20

8,763

1,304

6,923

1,460

1,30

0,00172838

8,227

9,688

25

8,217

1,223

6,491

1,447

1,22

0,00162342

7,714

9,161

30

7,668

1,141

6,057

1,432

1,14

0,001511

7,199

8,631

Для повышения точности расчета анализов теплотехнических испытаний котлов, работающих на данном виде топлива, необходимо произвести расчет по обобщенным теплотехническим характеристикам. Наиболее удобно в этом случае использовать методику, разработанную профессором М.Б. Равичем. Она основана на использовании некоторых характеристик топлива, подвергающихся незначительным колебаниям при изменении его состава и теплоты сгорания.

Определив состав продуктов сгорания по нормативному методу, для каждой эмульсии, можно получить обобщенные характеристики продуктов сгорания (tmax P, R, В) в соответствии с методикой М.Б. Равича. Они будут определяться по следующим формулам (5-10) [5]:

- соотношение объёмов сухих и влажных продуктов полного сгорания, м3/м3:

(5)

где VRO2, VO.N2, VO.H2O– теоретические объёмы продуктов сгорания, м3/м3

- жаропроизводительность или жаропроизводительную способность топлива иногда называют также калориметрической температурой горе­ния, °С:

(6)

где сСO2, сSO2, сH2O, сN2– средние объёмные удельные теплоёмкости диоксида углерода, сернистого газа, водяного пара и азота соответственно в температурном диапазоне от 0°С до tmax, кДж/(м3·град.);

- удельная энтальпия сухих (hс.г) и влажных продуктов сгорания (hг), кДж/м3:

; (7)

где Qi– низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м3;

- максимальная объёмная доля углекислого газа в сухих продуктах сгорания, водяных паров в сухих и влажных продуктах сгорания, %:

(8)

(9)

(10)

Результаты расчета обобщенных теплотехнических характеристик продуктов сгорания смеси воды и мазута в различных соотношениях сведены в таблицу (таблица 2)

ТАБЛИЦА 2 Теплотехнические характеристики водомазутных эмульсий

Количество воды в эмульсии, %

Теплотехнические характеристики

Жаропроизводитель-ность tmax, °С

Максимальное теплосодержание 1нм3сухих
продуктов горения,
Р, кДж/нм3

Максиальное теплосодержание 1нм3 влажных продуктов горения,
R, кДж/нм3

Отношение объемов сухих и влажных
продуктов горения, В

Мазут

1603,847826

4085,3934

3549,25

0,868766

5

1600,3543

4080,2995

3536,47

0,866719

10

1590,8754

4065,7421

3502,73

0,861523

15

1580,3694

4049,6727

3465,47

0,85574

20

1568,6252

4031,7382

3424,03

0,849268

25

1555,4024

4011,3875

3377,85

0,842065

30

1540,3618

3987,8685

3326,1

0,834055

Полученная таблица обобщенных теплотехнических характеристик для водомазутных эмульсий отображена в виде графических зависимостей на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 графические зависимости теплотехнических характеристик (tmax, P,R) от количества воды в эмульсии.

Рисунок 3 графические зависимости отношения объемов сухих и влажных продуктов горения от количества воды в эмульсии.

Представленные рисунки наглядно показывают, что изменение обобщенных теплотехнических характеристик водомазутной эмульсии незначительно, в то время как её теплота сгорания и объемы продуктов сгорания сильно менялись в зависимости от количества введенной в состав воды.

Далее с помощью упрощенных расчетов результатов теплотехнических испытаний котлов и печей можно определить потери теплоты с уходящими газами (q2), теплоты вследствие химической неполноты сгорания (q3) а так де коэффициент использования мазута (к.и.т.).

Использование водомазутных эмульсий является перспективным направлением в энергосбережении. Уменьшается расход исходного топлива и в то же время происходит улучшение его качества. Применение к такому топливу упрощенной методики расчета М.Б. Равича, основанной на использовании некоторых обобщенных характеристик, позволяет легче и быстрее произвести обработку результатов теплотехнических испытаний котлов с высокой степенью точности, не выполняя многих трудоемких расчетов.


Библиографическая ссылка

Федорова У.Д., Лебедева Е.А. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ПО ОБОБЩЕННЫМ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ К ВОДОМАЗУТНЫМ ЭМУЛЬСИЯМ // Международный студенческий научный вестник. – 2014. – № 4. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=11916 (дата обращения: 29.11.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074