Определение коэффициента избытка воздуха по наличию в продуктах сгорания углекислого газа, сажи и составу топлива Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Черняк Ю. В., Гущин А. М., Гущин А. М.

Исследована и установлена аналитическая зависимость для определения коэффициента избытка воздуха, которая учитывает состав топлива, содержание в продуктах сгорания углекислого газа, продуктов химического недожега топлива в том числе сажи gc, без использования данных о содержании в продуктах сгорания кислорода.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Черняк Ю. В., Гущин А. М., Гущин А. М.

Визначення коефіцієнта надлишку повітря по наявності в продуктах згоряння вуглекислого газу, сажі й сполуці палива

Досліджена й установлена аналітична залежність для визначення коефіцієнта надлишку повітря, що враховує сполуку палива, зміст у продуктах згоряння вуглекислого газу, продуктів хімічного недопа палива в тому числі сажі gc, без використання даних про зміст у продуктах згоряння кисню.

Текст научной работы на тему «Определение коэффициента избытка воздуха по наличию в продуктах сгорания углекислого газа, сажи и составу топлива»

ЧернякЮ.В., к.т.н., доцент, зав.каф. (ДонИЖТ) Гущин А.М., к.т.н., доцент (ДонИЖТ) Трубихин О.В., аспирант (УкрГАЖТ)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗБЫТКА ВОЗДУХА ПО НАЛИЧИЮ В ПРОДУКТАХ СГОРАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА,

САЖИ И СОСТАВУ ТОПЛИВА

Одним из способов определения коэффициента избытка воздуха является решение уравнений баланса газовых компонентов на основе которого получают расчетные зависимости, основными исходными данными в которых являются углекислый газ и состав топлива.

На основе анализа последних публикаций можно сделать вывод, что при расчете коэффициента избытка воздуха а не учитывается наличие в продуктах сгорания сажи. Это может привести к увеличению погрешности в расчетах на 2.. .3% .

Поэтому целью настоящей работы является получение расчетной зависимости для определения а с учетом наличия в продуктах сгорания сажи.

В общем случае коэффициент избытка воздуха определяется как отношение фактически поданного количеству воздуха к теоретически необходимому для сжигании топлива, или как отношение указанных количеств воздуха в молях, или как отношение фактически подаваемого в место горения кислорода МО2в°з к теоретически необходимому МО2теор ,то

Задача дальнейших исследований заключается в том, чтобы выразить величины Мо2вш и МО2теор через состав продуктов сгорания и

состав топлива без использования данных о содержании кислорода в этих газах.

Фактически подаваемое количество кислорода в зону сжигания можно выразить через количества кислородосодержащих соединений в продуктах сгорания и паров воды. При образовании разных окислов используется также кислород топлива.

В связи с изложенным можно составить следующее уравнение баланса кислорода:

Мо= МС°2 + МС° + Мт2анз + Ms0O2 2 + M%f + MN0° + MN° - 32, (2)

где Мо2°3 - количество кислорода в молях, внесенное с воздухом;

Мо 2 - количество свободного кислорода в молях, содержащегося

в продуктах сгорания;

— - количество молей кислорода, содержащегося в 1кг топлива;

Мо™2, М°С0, MoS02 , MoN0 , MoN02, MoH20 - количества кислорода в молях, израсходованное на образование соответственно СО2, СО, SO2, H2O, NO, NO2.

Количество кислорода для образования этих окислов можно выразить через количества этих окислов в продуктах сгорания в соответствии с формулами окислов:

МСО2 = Мсо2, < = 2Мсо, к = 2Ммо, МN02 = Мж, . (3)

Количество кислорода на образование окисла серы SO2 выразим через содержание ее в одном килограмме топлива:

Количество кислорода на образование паров воды выразим с помощью уравнение баланса водорода. При этом принимаем во внимание,

что водород топлива расходуется на образование паров воды, углеводородов типа СтНп, и свободного водорода.

— = МНО +1У пМс н + мн

2 — 2О СтНп Н 2 5

МН2о = Н -1У Мстип - Мн2 . (5)

Количество молей кислорода необходимое для образования паров воды будет в два раза меньше количества молей паров воды, тогда

<f = 1мнО = Т-I -Мстип - -М н2 = Т -1 -fmHn • Мсух - -Н2Мсух. (6)

где Мсух - количество молей сухих газов, которые образуются при сжигании 1кг топлива.

Количество молей сухих газов можно выразить с помощью уравнения баланса углерода. Считаем, что углерод топлива расходуется на образование окислов СО2 и СО, углеводородов типа СтНп и сажи. Уравнение баланса углерода будет иметь вид:

12 = мсо2 + мсо + У т • Мстнп + Мс. (7)

Количество окислов СО2 и СО, углеводородов СтНп выразим через их концентрации в продуктах сгорания и количество продуктов сгорания:

Мсо2 = СО • Мсух, МСО = СО • Мсух, МСтИп = СтНп • Мсух . (8)

Количество молей углерода в саже выразим через ее массу в продуктах сгорания. Тогда количество молей углерода в саже составит:

Массу сажи выразим через ее содержание в продуктах сгорания: Збiрник наукових праць Дон1ЗТ. 2005 №3

Мс = gc • Усух • 10-3 , (10)

где gc - содержание сажи в продуктах сгорания, г/м3;

Усух - объем сухих газов, выделяющихся при сгорании 1кг топлива,

Принимаем, что при проведении анализа отработавших газов температура окружающего (наружного) воздуха. Т равна 293К, а давление Р = 100,3КПа.

Тогда объем сухих газов Усух выразим через число молей сухих газов Мсух по следующему соотношению:

Усух = Мсух • 22,4 — -Р,

где ТН и РН - температура и давление воздуха при нормальных физических условиях (Тн =273К; Рн = 101, 3кПа), тогда

Усух = мс • 22,4-- = 24,36 • Мсух (11)

сух с ; 273 • 100 3 ' /

Решаем совместно соотношения (9), (10), (11):

т Ос • Усух • 10 о Мс = = -= 12 • Мсух • 24,36 = 2,03 • ос • МсУх . (12)

Далее соотношения (8), (12) подставляем в уравнение баланса углерода (7):

— = со2 • Мсух + СО • Мсух + Xт • СтИп ■ Мсух + 2,03 • 10-3 • ос • Мух = = Мсух (со2 + СО + X т • СтИп + 2,03 • 10-3 • ос).

со2 + со + Х т • СтИп + 2,03-10-3 • Ос ^ >

В уравнении (13) принимаем обозначение :

СО2 + СО + У т • СтНп+2,03 • 10-3 • ^ = «1, (14)

тогда уравнение (13) перепишется в форме:

Поскольку согласно поставленной цели коэффициент избытка воздуха а должен определяться без использования данных о содержании

кислорода в продуктах сгорания, то величина МО2 в уравнении (2)

должна быть исключена. Для этой цели используем уравнения баланса сухих продуктов сгорания. Это уравнение имеет вид :

Мсух = МСО2 + МСО + Мтранз + М

+ М N0 + М Ы02 + М Н 2 + У МСпН„ + 'М- N2.(16)

Количество молей азота в продуктах сгорания выразим через уравнение баланса азота, принимая, что азот, поступивший с воздухом, частично расходуется на образование окислов азота N0 и N02 :

м n03 = м n 2 + м% + мn0=, (17)

где MN2 - количество азота, поступившее с воздухом; МN2- количество азота в продуктах сгорания;

ш N2 и MN2 - количество азота, израсходованное на образование

окислов N0 и N02.

Из уравнения (17) следует:

М„ = М- - м N0 - МТ2. (18)

^^^ ш^^х! чо^хч, ы2 , поступившие с воздухом, выразим

через количество кислорода 1 У1о2 по соотношению:

Мвоз _ л 4воз 2

где О2 - концентрация кислорода в атмосферном воздухе (в долях).

Для упрощения дальнейших записей примем обозначение:

Количество азота, затраченное на образование окислов N0 и К02 будет составлять:

мN0 = -мко = - • но • Мсух, м = - мКОг = - • мв2 • м сух. (21)

Соотношения (9), (10), (21) подставляем в уравнение (18):

М„2 = Г • МОО - 2 • N0 • Мсух - 2 • но2 • Мсух . (22)

Соотношение (22) подставляем в уравнение (16), заменяя в последнем МСо, Мш, М^2, МН2, МСтНп через их концентрации в продуктах сгорания, а величину М§02 выражаем через содержание серы в топливе. Тогда уравнение (16) запишется в виде:

Мсух = СО2 • Мсух + СО • Мсух + МГ + 32 + Н0 • Мсух + н02 •Мсух + Н2 •Мсух +

+ Х СтИп • Мсух + / • МО: -1 • N0 • Мсух - 2 • N02 • Мсух =

= Мсх (СО2 + СО +1 N0 + 2 N02 + И 2 +Х СтИп) + Мтранз + — + / • М00з .(23)

В уравнении (23) введем обозначение:

(1 - СО2 - СО - 2 N0 - 2 N02 - Н2 - У СтНп) = а2 . (24) Тогда из этого уравнения (23) можно получить:

мтг = Мсух • а2 - - - / • М0': . (25)

Далее соотношения (3), (6), (8), (25) подставляем в уравнение (1):

мО0з = со2 • мсуХ + 2 • со • мсуХ + а2 • мсух - - - / • М0°; + -+--

-У -СтНп • Мсуу - - Н2 • Мсух + 2 N0 • Мсух + N0, • Мсух - — После преобразования получим:

моз • (1 +1) = М^(С02 +1С0 + «2 - У пСтНп - 2Н2 +2N0 + N0,) + Н - 30-. (27) Введем обозначение:

С02 + 2 С0 - У —СтНп - 2 Н2 + 2 N0 + Ы02 + а2 = а3,

в результате получим:

1 + /к 3 сух 4 32'

М0°; =Т— («3 • Мсух . (29)

Количество сухих газов в уравнении (29) заменим соотношением

02 1 + / а1 12 4 32 7' ( )

Введем еще одно обозначение:

тогда уравнение (29) запишется в виде:

Теоретически необходимое количество воздуха выразим через состав топлива.

По известному соотношению [4] теоретически необходимое число

молей кислородаш о2 для сжигания 1кг топлива выразим соотношением:

°2 _ 12 4 32 32' (32)

Тогда выражение для коэффициента избытка воздуха а будет иметь

а МО°23 1 4_32 + 1 12 а3 ^

Мте°р 1 + ^ мт<е°р 1 + / М ;е°р а1 v 7

а3 _1 СО - У ПСтНп -1Н2 +1 N0 + NО2 +1 - СО -1 N0 -1NО2 - Н2 - У СтНп _

3 2 4 2 2 2 2 2 2 2 2 ^ (34)

_ 1 --СО -у (1 + -)СтНп - 1,5Н2 + -МО2 ,

а1 _ СО2 + СО + у тСтНп + 2,03 • 10-3 • gC . (35)

Для дизельного топлива содержания отдельных химических элементов составляет [3]:

СР = 0,86; НР = 0,13; БР = 0,005; 0Р = 0,005,

нр/_ ор/ нv _ ор / 0,13 0,005

4 /32- /4 /32 - 4 32 = 0,3105:

М ™ор Ср/ + Нр/ + Б у _ Ор/ 0,86 0,13 0,005 _ 0,005

/12 /4 /32 /32 12 + 4 + 32 32

/i2 _ /i2 _ i2 _ 0,688

МтеоР ср/ + Нр / + Бр / _ Ор / 0,86 0,13 0,005 0,005

_ _ 1 _ 0,209 _ 3,785

Окончательно, выражение для определения коэффициента избытка воздуха а примет вид:

1 _1 СО _ £ (1 + П)СтНп _ 1,5Н2 +1ИО2

а _ 0,065 + 0,1438 • 2 ^ 4 2 2 2

СО2 + СО + £ тСтНп + 2,03 • 10_3 • g (36)

Выводы. Таким образом получена расчетная зависимость для определения коэффициента избытка воздуха, учитывающая состав топлива, содержание в продуктах сгорания углекислого газа, продуктов химического недожег топлива в том числе сажи §с, без использования данных о содержании в продуктах сгорания кислорода.

1.ДСТУ 32.001-94. Галузевий стандарт Украши. Викиди забруднюючих речовин з вщпрацьованими газами тепловозних дизелiв. Норми та методи визначення.

2.А.В. Станиславский. Техническое диагностирование дизелей. Донецк: Высшая школа, 1983.-136с.

3.Ю.В. Черняк, А.М. Гущин, Ю.В. Кривошея. Определение коэффициента избытка воздуха.- Вюник ДДАБА, 2003 - 4 (41), с.102 - 110.

4. Теплотехника: Учебник для студентов втузов /А.М. Арзаров, С.И. Исаев и др.: Под общ. ред. В.И. Крутова . -М. 6 Машиностроение, 1986. - 432с.

Мосияш Т.А., к.ф.-м.н., доцент (ДонИЖТ) Коваль В.И., к.ф.-м.н., доцент (ДонНАСА)

ПОЛОЖЕНИЕ ОСИ РАВНОМЕРНОГО ВРАЩЕНИЯ НЕСИММЕТРИЧНОГО ТЯЖЕЛОГО ГИРОСКОПА С НЕПОДВИЖНОЙ ТОЧКОЙ

Исходные соотношения. Дифференциальные уравнения движения тяжелого твердого тела, опирающегося на неподвижную точку О, в векторном виде запишем в обозначениях работы [1]:

_ Б Х0+ (п х г0)0 , (1)

где п _ (%,ц,д)- неподвижный в пространстве единичный вектор, направленный из точки опоры вертикально вверх;