ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ S e r i a t ENERGETYKA z . 38
________ 1971 Kr k o l . 30?
JAK SKŁADZIE^
K a t e d r a P o d s ta w T e c h n i k i C i e p l n e j
ANALIZA TERMODYNAMICZNA KOMORY SPALANIA
W GENERATORZE MPD NA PALIWO GAZOWE
S t r e s z c z e n i e . R o z p a t r z o n o m o ż l i w o ś c i u z y s k a n i a w y s o k i e j t e m p e r a t u r y s p a l i n w komorze g e n e r a t o r a MPD r z ę d u 25 0 0 r 3 0 0 0 K p r z y s p a l a n i u p a l i w a g a z o w e g o w p o dgrzanym p o w i e t r z u wzbogaconym t l e n e m . Pod an o z a l e ż n o ś c i p o m ię d z y i l o ś c i ą t l e n u , k t ó r ą n a l e ż y d o s t a r c z y ć w s t a n i e c z y s t y m , a t e m p e r a t . u r ą p o d g r z a n e g o w s t ę p n i e p o w i e t r z a p r z y z a ł o ż o n e j t e m p e r a t u r z e s p a l i n . S z c z e g ó l n ą uwagę zw ró co n o n a wpływ d y 3 0 c j a c j i c h e m i c z n e j .
1 . W stęp
W z w ią z k u z c o r a z l i c z n i e j s z y m i p r a c a m i n a t e m a t g e n e r a t o r ó w m e g n e th - p l a z m o - d y n a m i c z n y c h (MPD) z a s i l a n y c h s p a l i n a m i , p o j a w i a s i ę p o t r z e b a d o b o r u komory s p a l a n i a , k t ó r a g w a r a n t o w a ł a b y u z y s k a n i e od
p o w i e d n i e j t e m p e r a t u r y s p a l i n . Wysoka t e m p e r a t u r a s p a l i n na w y p ły w ie z komory j e s t n i e z b ę d n e ze w z g lę d u na p r z e w o d n i c t w o e l e k t r y c z n e s p a l i n p r z e p ł y w a j ą c y c h p r z e z k a n a ł r o b o c z y g e n e r a t o r a MPD.
Wysoką t e m p e r a t u r ę można o s i ą g n ą ć w komorze s p a l a n i a a l b o s p a l a j ą c p a l i w o w p o w i e t r z u p o d g rzan y m do w y s o k i e j t e m p e r a t u r y , a l b o p r z a z d o s t a r c z e n i e do komory s p a l a n i a p o w i e t r z a w z b o g a c o n e g o t l e nem . W tym d r u g i m p r z y p a d k u ważna j9S t z a l e ż n o ś ć p o m ię d z y e n t a l p i ą
( a w ię c t e m p e r a t u r ą ) p o d g r z a n e g o p o w i e t r z a i m asą t l e n u , k tó ry m na
l e ż y w z b o g a c i ć p o w i e t r z e , j s ż e l i t e m p e r a t u r a s p a l i n na w y p ły w ie z kom ory ma b y ć n i e z m i e n n a . Z najom ość t a k i e j z a l e ż n o ś c i j e s t n i e z b ę d na p r z y p r z e p r o w a d z a n i u o b l i c z e ń o p t y m a l i z a c j i p r o c e s u p o d g r z a n i a p o w i e t r z a . Z a g a d n i e n i e t o w y s t ę p u j e p r z y p r o j e k t o w a n i u e l e k t r o w n i z g e n e r a t o r e m MED, K o s z t j e d n o s t k o w y p r o d u k c j i e n e r g i i e l e k t r y c z
60 J . S k ł a d z i e ń
n e j z a l e ż y bowiem m. i n . od k o s z tó w i n w e s t y c y j n y c h , w tym od k o s z tów t l e n o w n i i p o d g rz e w a c z a p o w i e t r z a . Im z a ś w yższa j e s t t e m p e r a t u r a p o d g rz e w a n e g o p o w i e t r z a p r z e d komorą s p a l a n i a , tym w i ę k s z y j e s t k o s z t p r z e k a z y w a c z a c i e p ł a z powodu k o r i c c z n o ś c i s t o s o w a n i a w i ę k s z e j p o w i e r z c h n i o g r z e w a l n e j o r a z u ż y w a n ia c o r a z d r o ż s z y c h ma
t e r i a ł ó w . Z k o l e i p o d w y ż s z e n ie t e m p e r a t u r y p o w i e t r z a n a d o p ł y w i e d o komory p ow oduje z m n i e j s z e n i e u d z i a ł u t l e n u d o s t a r c z a n e g o do ko
m ory, a tym samym u m o ż l i w i a s t o s o w a n i e m n i e j s z e j i t a ń s z e j t l e n o w n i o m n i e j s z e j w y d a j n o ś c i .
A n a l i z ę t e r m o d y n a m i c z n ą p r o c e s u s p a l a n i a p r z e p r o w a d z o n o d l a p a l i w a g a z o w e g o . Z a ł o ż o n o , że s p a l a n y j e s t g a z z z a g ł ę b i a r y b n i c k i e go o n a s t ę p u j ą c y m s k ł a d z i e ;
CH4 = 0 ,4 9 1 1 C02 = 0 ,0 0 2; • Oj, = 0,105» Ng = 0,d02.
W a r t o ś ć opałow a t e g o r o z t w o r u w y n o s i;
Wd = 17 520 k J/u m3 ( p = 1 b a r , t u = 0cc ;
S to su n k o w o m ała z a w a r t o ś ć m e ta n u w p a l i w i e spowodowana j e s t r o z c i e ń c z e n i e m g a z u zie m n e g o p o w ie tr z e m -
W s z y s t k i e z a ł ą c z o n e do t e j p r a c y r y s u n k i d o t y c z ą s p a l a n i a t y l k o t e g o p a l i w a .
2. B i l a a s e n e r g i j n y komory sp a ł a n i ą
E i l a n s e n e r g i j n y komory s p a l a n i a p r z e p r o w a d z o n o w o p a r c i u o e n t a l p i e t w o r z e n i a [ 5 ] . W b i l a n s i e w s z a l k i e w i e l k o ś c i k a l o r y c z n e od
n i e s i o n o do t e m p e r a t u r y umownej t =» 0°C . Za t e m p e r a t u r ę o t o c z e n i a p r z y j ę t o t Qt * 1 5 °C . Taką t e m p e r a t u r ę ma p a l i w o i c z y s t y t l e n d o p ro w a d z a n y do kom ory.
B i l a n s e n e r g i j n y w o d n i e s i e n i u do kom ory, w k t ó r e j z a c h o d z i u - s t a l e n y p r o c e s i z o b a r y c z n y s p a l a n i a ma n a s t ę p u j ą c ą p o s t a ć :
i i
A n a l i z a t e r m o d y n a m ic z n a komory s p a l a n i a . . . 61
g d z i e :
I ' - e n t a l p i a ( f i z y c z n a ) w ł a ś c i w a p a l i w a , P
Hp - e n t a l p i a t w o r z e n i a j e d n o s t k i m a t e r i i p a l i w a , V'Q - i l o ś ć t l e n u d o p ro w a d z a n e g o do komory,
1^ - e n t a l p i a w ł a ś c i w a t l e n u ,
V' - i l o ś ć p o w i e t r z a d o p ro w a d z a n e g o do kom ory, a
i ' - e n t a l p i a w ł a ś c i w a p o w i e t r z a ,
Q^. - c i e p ł o w y p ły w a ją c e z komory do o t o c z e n i a , - i l o ś ć i - t e g o s k ł a d n i k a s p a l i n ,
1^ - e n t a l p i a w ł a ś c i w a i - t e g o s k ł a d n i k a s p a l i n na w y p ły w ie z komory s p a l a n i a ,
H*^ - e n t a l p i a t w o r z e n i a i - t e g o s k ł a d n i k a s p a l i n [5] .
W r ó w n a n i u ( 1 ) v » i e l k o ś c i w ł a ś c i w e , j a k I , Hp m a ją j e d n o s t k ę k J/u m ^ m a t e r i i ( p r z y t = 0°G i p = 1 b a r ) , n a t o m i a s t V i Q - o d -
3 u ^ 3 3
n c s z ą s i ę do 1 u r p a l i w a i m a ją j e d n o s t k ę urn"/urn p . o r a z k j / u m p . E n t a l p i e t w o r z e n i a s ą b r a n e d l a 0 ° J i od t e j t e m p e r a t u r y l i c z o n e s ą e n t a l p i e f i z y c z n e .
J e ś l i z a ł o ż y s i e , że w s p a l i n a c h n i e w y s t ę p u j e z j a w i s k o d y s o c j a - c j i , wówczas p r z y s p a l a n i u c a ł k o w i t y m i zupełnym w i e l k o ś ć (Hp-2UV*.
Hpj,) j e s t w a r t o ś c i ą o p a ło w ą p a l i w a w w a ru n k a c h umownych.
D la u p r o s z c z e n i a w prow adzcno s t o s u n e k s t r a t y c i e p ł a , k t ó r y witra
ża s i ę z a l e ż n o ś c i ą ;
( l = * ( ? )
J ń + P KP + o o " Ks . i ' - P v * . h 'a , i px 4
M ianow nik p r z e d s t a w i a i l o ś ć e n e r g i i d o p r o w a d z o n e j do komory s p a l a n i a w o d n i e s i e n i u do 1 urn' p a l i w a .
Pom iędzy i V'o i s t n i e j e ś c i s ł a z a l e ż n o ś ć w y n i k a j ą c a s t ą d , ż e p r'-y o k r e ś l o n y m s t o s u n k u {n a d m i a r u ) t l e n u A i l o ś ć t l e n u z a w a r t a w p o w i e t r z u i w s i & r i e c zy sty m ' j n c t s t a ł e . S t o s u n e k A d e f i -
62 J . S k ł a d z i e ń
n i u j o s i ę j a k o i l o r a z r z e c z y w i ś c i e d o s t a r c z o n e j i l o ś c i t l e n u ( z a rów no w p o w i e t r z u , j a k i w s t a n i e c z y s t y m ) p r z e z m in im a ln e z a p o t r z e b o w a n i e t l e n u d o z u p e ł n e g o i c a ł k o w i t e g o s p a l e n i a p a l i w a . Za
k ł a d a s i ę d l a u p r o s z c z e n i a w d a l s z y c h r o z w a ż a n i a c h , że t l e n o t r z y many z t l e n o w n i n i e z a w i e r a i n n y c h s u b s t a n c j i , a w ię c j e s t " c z y s t y " .
Na r y s . 1 p r z e d s t a w i o n o w y n i k i o b l i c z e ń d l a w y żej o p i s a n e g o p rz y p a d k u , g d y f i * O i X=1» a w ię c d l a p r o c e s u i d e a l n e g o . S p a l i n y po
t r a k t o w a n o j a k o r o z t w ó r gazów p ó ł d o s k o n a ł y c h , k t ó r y c h e n t a l p i ę b ę - d ą o ą wówczas j e d y n i e f u n k c j ą t e m p e r a t u r y w y zn aczo n o na p o d s t a w i e ^
*
Po p r z y j ę c i u t e m p e r a t u r y Tg s p a l i n na w y p ły w ie z komory ( p r ę d k o ś ć s p a l i n z a n i e d b a n o ) w y k o r z y s t a n o z a l e ż n o ś ć (1 ) , z k t ó r e j w y n ik a zwią
z e k p o m ię d z y w i e l k o ś c i ą o r a z V^. Z w iązek t e n i l u s t r u j ą k r z y we na r y s . 1, p r z y czym d l a ł a t w i e j s z e j i c h i n t e r p r e t a c j i z a s t o s o wano j a k c w s p ó ł r z ę d n e I* i s t o s u n e k v ^ / v óc* TemPa r a t u r ę p o d g r z a n e g o p o w i e t r z a o k r e ś l a j e d n o z n a c z n i e j e g o e n t a l p i e 1^. P o n ie w a ż , j a k j u ż w sp o m n ian o , d o komory d o p r o w a d z a n y j e s t c z y 3 t y t l e n o r a z t l e n w p o w i e t r z u , w ię c d o g o d n ą w i e l k o ś c i ą j e s t s t o s u n e k i l o ś c i c z y s t e g o t l e n u V' do c a ł k o w i t e j i l o ś c i t l e n u V' d o s t a r c z a -
• O oc
n e g o d o komory z aró w n o w p o s t a c i c z y s t e j , j a k i w podgrzanym p o w ie t r z u . W i e l k o ś ć V' p r z y o k r e ś lo n y m s k ł a d z i e p a l i w a z a l e ż y j e d y -
O C
n i e od s t o s u n k u ( n a d m i a r u ) X t l e n u .
O k a z u je s i ę , że t e m p e r a t u r a T' p o d g r z a n i a p o w i e t r z a z a l e ż y z n a c z n i e od s t o s u n k u V ' / v ' , z w ł a s z c z a w g ó r n e j c z ę ś c i k rzy w y ch
O 00
T ' = id em t z n . d l a m a ły c h w a r t o ś c i T ' . W tedy bowiem ra n ie j d o p ro w a-
S 8
d z s s i ę p o w i e t r z a , g d y ż i l o ś ć t l e n u d o s t a r c z a n e g o w p o s t a c i c z y s t e j r o ś n i e . P o je m n o ś ć c i e p l n a p o w i e t r z a j e s t m n i e j s z a , zatem wy
magane s ą w i ę k s z e p r z y r o s t y t e m p e r a t u r y T^ p r z y o k r e ś l o n y c h s p a d k a c h s t o s u n k u V ' / V ' .
o oc
3 = D y s o c j a c j a s p a l i n
R y s u n e k ' d o t y c z ą c y warunków n i e r e a l n y c h n i e ma p r a k t y c z n e g o z n a c z e n i a . D l a t e g o t e ż s t e p n i e w o u w z g l ę d n i a n o w a r u n k i r z e c z y w i s t e , b a d a j ą c wpływ p o s z c z e g ó l n y c h c z y n n ik ó w n a p r z e b i e g kryzw ych T ' ■
*• id e m . Na r y s . 2 p o k a z a n o z a l e ż n o ś ć u d z i a ł u V‘0/V ’QC ■ f ( f g ) p r z y
A n a l i z ę t e r m o d y n a m ic z n a komory s p a l a n i a . « 63
Ry3. 1. U d z i a ł d o p ro w a d z a n e g o t l e n u c z y s t e g o w f u n k j i te m p e r a t u r y T* p o d g r z a n e g o p o w i e t r z a . T e m p e r a t u r a T”° s p a l i n - p a r a
m etrem
64 J . S k ł a d z i e r i
R y s. 2 . U d z i a ł d o p ro w a d z o n e g o t l e n u c z y s t e g o v ’ / v ’ w f u n k c j i t9m~
° ©o p e r a t u r y T’ p o d g r z a n e g o p o w i e t r z a
A - n i e u w z g l ę d n i o n o d y s o c j a c . j i , B - u w z g l ę d n i o n e dwa r ó w n a n i a d y - s o e j a e j i ( a ) i ( b ) , C - u w z g l ę d n i o n o p i ę ć ró w n a ń d y s o c j a c j i ( 3 ) »
T e m p e r a t u r a s p a l i n T ” * idem = 3000°K
A n a l i z a t e r m o d y n a r . i c zna komory s p a l a n i a . . . 65
t e m p e r a t u r z e Tg - 30C0 °K s p a l i n na w y p ły w ie z kom ory. Na krzywych A p r z e d s t a w i o n o k o l e j n o p r z y p a d k i d l a = 0 i A=1j 0 ,0 1 i 1 , ¿li = 0 ,0 1 i \ = 1 , 1 . Krzywe B i C u w z g l ę d n i a j ą d y s o c j a c j ę ( p r z y c i ś n i e n i a c h p = 7 , 5 b a r i p = 15 b a r ) .
Vf p r z y p a d k u s p a l a n i a n a f t y można k o r z y s t a ć z wykresów w . po
d a j ą c y c h z a l e ż n o ś ć e n t a l p i i s p a l i n od t e m p e r a t u r y w w a ru n k a c h d y - s o c j a c j i s p a l i n . tV r o z p a t r y w a n y m p r z y p a d k u n i e z b ę d n e s t a j e s i ę d o k o n a n i e d o d a tk o w y c h o b l i c z e ń w c e l u z n a l e z i e n i a c i e p ł a p o c h ł o n i ę t e go w c z a s i e d y s o c j a c j i .
Aby o k r . e ś l i ć wpływ d y s o c j a c j i , n a l e ż y w z i ą ć pod uwagę r e a k c j e d y s o c j a c j i s k ł a d n i k ó w s p a l i n :
COg 3» CO + | o 2 ( a ) H2 0 * = H 2 + | o 2 ( b )
H g O s r OH + Ifig ( o ) H2 ' * * 2H ( d ) ( 3 )
02 a * 20 ( e )
S t a ł e ró w n o w ag i c h e m i c z n e j [ 4 - J r e a k c j i d y s o c j a c j i s k ł a d n i k ó w wy
r a ż a j ą z a l e ż n o ś c i :
PC0 * 'fclly. ?K2 * ^ P0II*^pH2
Kpa = P T “ 5 Kpb = Ph 0 » Kpc “ - 7 —
C C C
2 2
^
. - ! h_ , k =
" % ' pe p0 2
g d z i e ;
PC02 ' pc c ’ p0 2 * p h2 0 ’ ph2 ' p ok* ph 1 po " c i ś r i e n i a ( w 2 g l ę d n e ) s k ł a d n i k o w e d w u t l e n k u w ę g l a , t l e n k u w ę g l a , t l e n u , p a r y w o d n e j , w o d o ru , w o d o r o t l e n k u , wodoru atomowego i t l e n u atomowego w z d y - s o c j c w a n y c h s p a l i n a c h .
W a r t o ś c i s t a ł y c h ró w n o w a g i w z a l e ż n o ś c i od t e m p e r a t u r y podane s ą w [ 2 ] . P r z y b a r d z i e j s z c z e g ó ł o w y c h o b l i c z e n i a c h n a l e ż y w z i ą ć pod
66 J . S k ł a d z i e ń
uwagę i n n e r e a k c j e d y s o c j a c j i . Nie w y d a je s i ę j e d n a k [ i j , a b y i n n e r e a k c j e , p c z a r e a k c j ą t w o r z e n i a s i ę t l e n k u a z o t u , m i a ł y g o dny uwa
g i wpływ na p r o c e s y w komorze ze w z g lę d u na m ałe w a r t o ś c i s t a ł y c h ró w n o w ag i c h e m i c z n e j .
3 ^
B i o r ą c pod uwagę 1 s p a l i n p r z e d d y s o c j a c j ą o r a z z a k ł a d a j ą c , że x o z n a c z a c z ę ś ć d w u t l e n k u w ę g l a , k t ó r a p r z e r e a g o w a ł a zgod
n i e z r e a k c j ą ( a ) , a k o l e j n o y , z , u i w a n a l o g i c z n i e c z ę ś c i ma-
3 3
t e r i i HgO, Hg i 02 (w um /um s p a l i n ) , k t ó r e p r z e r e a g o w a ł y zgod
n i e z r e a k c j a m i ( b ) ( e ) o trz y m a s i ę u k ł ą d ró w n a ń : i
Kpa x ‘ fr ° 2 > + h * h " w] *
= 1
(1 + | x + ~ y + j z + u + w)7 [(C02 ) - x j
j sKŁ . Vp
( y + j z - u ) . ^ 0 2 ) + + ~ y - w] 2
T
(1 + + l y + j z u + w)7 . [(h20) - y - z j
( 5 )
/ • 1 i*
. ( y + -srz - u )
fp / , 1 1 1 \
(1 + j x + j y + -r z + u + w) .• [(H2 0 ) - y - z ]
2* + 2y 1 r
i m :
+ U H ■) ( y + ~z - u)
1 £?.
P
(2» ) ‘
( 1 + ł x + -W + 9 Z
A n aliza termodynamiczna komory s p a l a n i a .. 67
W r ó w n a n i a c h ( 5 ) o z n a c z a j ą : p - c i ś n i e n i e s p a l i n , (COg)* (HgO), (Og) - u d z i a ł y o b j ę t o ś c i o w e d w u t l e n k u w § g l a , p a r y w odnej i t l e n u w s p a l i n a c h p r z e d d y s o c j a c j ą . U k ła d ró w n a ń ( 5 ) o t r z y m u j e s i ę b a r d z o p r o s t o z u k ł a d u (4) p o d s t a w i a j ą c za c i ś n i e n i a s k ł a d n i k o w e i l o c z y n y c i ś n i e n i a s p a l i n i u d z i a ł ó w s k ł a d n i k ó w w z w i ę k s z o n e j na s k u t e k d y s o c j a c j i i l o ś c i m a t e r i i s p a l i n ( o t r z y m a n e j z 1 um^ s p a l i n przeid d y s o c j a c j ą ) .
U k ła d ró w n a ń d y s o c j a c j i ( 5 ) j e s t d o ś ć s k o m p l i k o w a n y , d l a t e g o t e ż w r o z w a ż a n i a c h m n i e j d o k ł a d n y c h p o m i n i ę t o r e a k c j e ( c ) , ( d ) i ( e ) , a tym samym u k ł a d ró w n a ń (5) r e d u k u j e s i ę do dwu równań*
h l * ' [(°z) + ^ + ^
1 2
Y F ! ■, 7 f .
(1 + + g y ) .[(C O g)- x j
5 * i r
( 6 )
2
(1 + + jg-y)2 . |(HgO) - y j
z dwiema n ie w ia d o m y m i. Po r o z w i ą z a n i u t e g o u k ł a d u m e to d ą k o l e j n y c h p r z y b l i ż e ń ł a t w o j u ż można o b l i c z y ć s t o p n i e d y s o c j a c j i ^ :
a (COg) 5 ^ l H g O " T h ^ o J
E n e r g i a c h e m i c z n a w y d z i e l o n a w komorze s p a l a n i a p r z y p a d a j ą c a n a 1 um 3 p a l i w a :
( s )
i i
g d z i e : j e s t w a r t o ś c i ą o p a ł o w ą , z a ś c i e p ł a n d y s o c j a c j x i - t e g o s k ł a d n i k a |3] wyrażonym w k j / u a ^ .
68 J . SkNadzień
VI o b l i c z e n i a c h b a r d z i e j d o k ł a d n y c h n a l e ż y u w z g l ę d n i ć j e s z c z e do
d a tk o w e s t o p n i e d y s o c j a c j i :
_ z u w , ,
2h30 (H5 0 ) ł = 1 5 = 7r> \ i 1 1 '
2 v 2 2 y + 2 ( °2 ' 2 * + r y
Po u w z g l ę d n i e n i u rów nań ( 2 ) i (8 ) możne z z a l e ż n o ś c i ( 1 ) w yzna
c z y ć e n t a l p i ę p o d g r z a n e g o p o w i e t r z a i ' w f u n k c j i ’/ * :
3 O
^ ■ V , [ i ^ i ę " i • - ' o 1'» - ” i * E <«; v l ; o h p l ] (9 )
g d z i e w i e l k o ś c i oC^ s ą w y z n a c z an e za pomocą ró w n ań ( 7 ) lu b ( 7 a ) . S u ma i l o c z y n ó w ¿ 7 ^ * p r z e d s t a w i a e n t a l p i ę f i z y c z n ą s p a l i n po dy -
1 o
s o c j a c j i , l i c z o n ą od 0 C , g d y ż VI^ i 3c h p i b i e r z e s i ę d l a t e j w ł a ś n i e t e m p e r a t u r y .
Z a k ł a d a j ą c s t o s u n k i y, i X , t e m p e r a t u r ę T* s p a l i n o r a z i l o ś ć V'0 t l e n u d o p ro w a d z a n e g o w p o s t a c i c z y s t e j można w yznaczyć w s z y s t k i e w i e l k o ś c i w y s t ę p u j ą c e po p r a w e j s t r o n i e r ó w n a n ia ( 9 ) . Na pod
s t a w i e bowiem r ó w n a n i a s t e c h i c m e t r y c z n e g o s p a l a n i a m etan u w y z n a c z y ć można ' d l a z a ł o ż o n e g o V^) w i e l k o ś c i i VT, z a ś w i e l k o ś c i k a l o r y c z n e ( I , 3c h p) da s i ę w y z n a c z y ć n p . za pomocą [3J lub [5].
Zatem można w y z n a c z y ć e n t a l p i ę p o d g r z a n e g o p o w i e t r z a i ' , a tym s a - 3
mym j e g o t e m p e r a t u r ę , w z a l e ż n o ś c i od w i e l k o ś c i ( a w i ę c s t o s u n k u V* / V ' ) .
o ' o c '
4 . y y n i k l o b l i c z e ń d o t y c z ą c e d y s o c j a c j i s p a l i n g a z u ziem nego POVI S t o p n i e d y s o c j a c j i o b l i c z o n e za pomocą ró w n a ń ( 7 ) i ( ? 3 ) dla p a l i w a o k r e ś l o n e g o w r o z d z i a l e 1 p r z e d s t a w i o n o na r y s . 3» W y n ik i o - b l i c z e ń w ykonanych na p o d 3 t a w i e r ó w n a n i a ( 9 ) p o k a z a n e s ą na r y s . 2 i 4 .
J a k w i d a ć z r y s , 2 , p r z y T" = idem = 3000°K zmiana s t o s u n k u ( r ó w n a n i e ( 2 ) ) ma n i e w i e l k i wpływ na p r z e b i e g z a l e ż n o ś c i V* /V* =
= N a t o m i a s t o w i e l e w i ę k s z y wpływ ma s t o s u n e k ( n c d r . i a r u ) a.
A n a l i z a te r m o d y n a m ic z n a komory s p a l a n i a « . 69
R y s . 3 . S t o p n j e d y a o o . i a o j i cC w f a n k c j i t e m p e r a t u r y Tjj i c i ś n i e n i a p
70 J . S k ł a d z i e ń
t l e n u d l a t e g o , że w z r o s t ^ pow oduje d o ś ć i s t o t n e z w i ę k s z e n i e masy s p a l i n , a tym samym z n a c z n y w j r o s t ^ 'c ^ o a n - e z ‘ni e n n e Ó Ta «Rów- n i e ż d u ż e z n a c z e n i e tra d y s o c j a c j a , k t ó r e j wpływ m a l e j e ze w z ro s te m c i ś n i e n i a ( r y s . 3 ) . J e s t t o zg o d n e z z a s a d ą p r z e k o r y I.e C h a t e l i e r a - B r a u n a , g d y ż w z r o s t c i ś n i e n i a ( p r z y n i e z m i e n n e j t e m p e r a t u r z e ) po
w o d u je z m n i e j s z e n i e i l o ś c i s p a l i n w s k u t e k ł ą c z e n i a s i ę c z ę ś c i d r o b i n . To z k o l e i o b n i ż a i l o ś ć c i e p ł a p o c h ł o n i ę t e g o w w y n ik u p r o c e s u d y s o c j a c j i .
R y s . 4 . U d z i a ł d o p ro w a d z a n e g o t l e n u c z y s t e g o ^ 0/ v 0c w f u n k c j i t e m p e r a t u r y T' p o d g r z a n e g o p o w i e t r z a . U w z g lę d n io n o p i ę ć ró w n a ń d y s o c . j a c j i (3)® Krzywe c i ą g ł e d l 3 f i = 0 , 0 1 , p r z e r y w a n e d l a ^ = . 0 , 0 5 .
Podobne o b l i c z e n i a p rze p ro w n d zono d l o i n n y c h w a r t o ś c i t e m p e r a - t u r t j 1 s p a l i n . 7- o b l i c z e ń t a k i c h w y n i k a , że wpływ d y so c j a c j i ( r y
A n a liz a termodynamiczna komory s p a l a n i a .. 71
s u n e k 3 ) s t o s u n k o w o n i e w i e l k i p r z y T* = 2 500 °K r o ś n i e b a r d z o szyb
ko z t e m p e r a t u r ą . Można w ykazać za pomocą r ó w n a n i a ( 9 ) » że t e m p e r a t u r y s p a l i n T* pow yżej 3000°K p r a k t y c z n i e n i ą można o s i ą g n ą ć , g d y ż t e m p e r a t u r ę p o d g r z a n e g o p o w i e t r z a m u s i a ł a b y b y ć r z ę d u w i e l u t y s i ę c y °K.
B a r d z i e j s z c z e g ó ł o w e o b l i c z e n i a s ą m o ż liw e do p r z e p r o w a d z e n i a je d y n i e po z a s t o s o w a n i u c y f r o w e j m aszyny m a t e m a t y c z n e j . W y n ik i o b l i c z e ń p r z e p r o w a d z o n y c h na m a s z y n ie GIER u w z g l ę d n i a j ą c y c h p i ę ć r e a k c j i d y s o c j a c j i d l a T * ' ^ 3000°K p o k a z a n e s ą na r y s u n k u 4 . Po porów
n a n i u wyników o b l i c z e ń u p r o s z c z o n y c h i d o k ł a d n i e j s z y c h ( r y s .2) o - k a z u j e s i ę , że n i e m o ż n a pom inąć d y s o c j a c j i p r z e b i e g a j ą c e j wg ró w n a ń ( c ) , ( d ) i ( e ) . Wpływ t y c h r e a k c j i j e s t d o ś ć z n a c z n y . I t a k n p . d l a t e m p e r a t u r y p o w i e t r z a ró w n e j t e m p e r a t u r z e o t o c z e n i a , p o u w z g lę d n i e n i u p i ę c i u r e a k c j i d y s o c j a c j i , s t o s u n e k V'0/V'oc w z r a s t a o o k o ł o 0 , 0 6 5 w p o r ó w n a n iu do p r z y p a d k u , g d y u w z g l ę d n i a s i ę j e d y n i e r e a k c j e ( a ) i ( b ) .
Godny u w a g i j e s t f a k t , ż e o i l e d y s o c j a c j a u t r u d n i a j ą c o s i ą g n i ę c i e w y s o k i e j t e m p e r a t u r y s p a l n i n na w y p ły w ie z komory j e s t z j a w i s k i e m n ie p o ż ą d a n y m , o t y l e d l a g e n e r a t o r a MPD j e s t ona k o r z y s t n a , g d y ż p o d n o s i moc g e n e r a t o r a , p r z y je d n o c z e s n y m o b n i ż e n i u r o z m ia r ó w spowodowanym w iększym p rz e w o d n ic tw e m e l e k t r y c z n y m s p a l i n . D z i e j e s i ę t a k na s k u t e k w o l n i e j s z e g o o b n i ż a n i a s i ę t e m p e r a t u r y s p a l i n n i ż w p r z y p a d k u n i e w y s t ę p o w a n i a d y s o c j a c j i .
5 . W n i o s k i
Na p o d s t a w i e p o w y ż sz y c h r o z w a ż a ń można s t w i e r d z i e ć , że o s i ą g n i ę c i e w y s o k i c h t e m p e r a t u r s p a l i n j e s t r z e c z ą b a r d z o k o s z t o w n ą p r z y z a s t o s o w a n i u g a z u zie m n e g o j a k o p a l i w a . T e m p e r a t u r y wymagane d l a z a c h o w a n ia o d p o w i e d n i e g o p r z e w o d n i c t w a s p a l i n w k a n a l e g e n e r a t o r a ( a w i ę c o k o ł o 10 (o m .m )- 1 ) s ą r z ę d u (2 8 0 0 7 3 0 0 0 )° K ( n a w y p ły w ie z k o m o r y ) . Pow oduje t o k o n i e c z n o ś ć d o s t a r c z a n i a d u ż y c h i l o ś c i c z y s t e g o t l e n u i tym samym i n s t a l o w a n i a k o s z to w n y c h t l e n o w n i . Z b i l a n s u e n e r g i j n e g o komory s p a l a n i a w y n i k a , że w kom orze o mocy c i e p l n e j 100 MW z a p e w n i e n i e t e m p e r a t u r y s p a l i n r z ę d u 3000°K w y m a g a (p rz y
72
1 j . o k ł g d z i e ń
p o d g r z a n i u p o w i e t r z a n a w e t do ponad 1500 °K) d o s t a r c z a n i a powyżej 10 000 um^ Og/h» T l e n o w n ia t e j w i e l k o ś c i p o c h ł o n i e z nadw yżką c a ł y z y s k mocy b r u t t o w y n i k ł y z z a s t o s o w a n i a g e n e r a t o r a MED w e l e k t r o w n i k o n w e n c j o n a l n e j . O b n i ż e n i e t e m p e r a t u r y s p a l i n do 2S00°K w n i e w i e l k i m s t o p n i u p o p r a w ia s y t u a c j ę .
N a l e ż y j e s z c z e z a z n a c z y ć , że d y s k u s j a o d n o s i ł a s i ę do p r z y p a d ku g d y 0 , 0 1 , c o o dpow iada z d u ż ą d o k ł a d n o ś c i ą s t r a c i e c i e p ł a do o t o c z e n i a w w y s o k o ś c i 1$ mocy c i e p l n e j kom ory. Tak m ałe s t r a t y można o s i ą g n ą ć j e d y n i e w ó w c z a s ,g d y n i e s t o s u j e s i ę c h ł o d z e n i a ś c i a - n s k . P r z y ś c i a n k a c h c h ł o d z o n y c h n a s t ę p u j e z w i ę k s z e n i e s t r a t , a tym samym w z r o s t s t o s u n k u fiL, c o d o d a tk o w o p o g a r s z a s y t u a c j ę . N i e u w z g lę d n i o n o r ó w n i e ż s t r a t na p o d g r z a n i e i o d p a r o w a n i e p o s i e w u .
W idać s t ą d , że w p r z y p a d k u u ż y c i a g a z u z iem n eg o n a w e t z a s t o s o w a n i e b a r d z o , w y s o k i e g o p o d g r z a n i a p o w i e t r z a (p o w y ż e j 1500 °K) n i e za p e w n ia d o s t a t e c z n i e w y s o k i e j t e m p e r a t u r y s p a l i n . Aby o s i ą g n ą ć t e m p e r a t u r ę pow yżej T" = 2500°K k o n i e c z n e s t a j e s i ę w z b o g a c a n i e po
w i e t r z a w t l e n , K t ó r e g o masa p r z y T* - ( 2 8 0 0~ 3 0 0 0 ) °K ( r y s . 4) z a l e ż e ć b ę d z i e j u ż t y l k o w s to s u n k o w o n i e w i e l k i m s t o p n i u od w ysoko
ś c i p o d g r z a n i a p o w i e t r z a .
OZNAC ZENIA
Hp -
e n t a l p i a t w o r z e n i a w k J / u n r•2 I - e n t a l p i a w ł a ś c i w a w k j/u m Kp - s t a ł a rów now agi c h e m i c z n e j
p - c i ś n i e n i e w b a r
Q - c i e p ł o w k j
mX - t e m p e r a t u r a b e z w z g l ę d n a w °K
V - i l o ś ć m a t e r i i w urn/
wd - w a r t o ś ć opałowa w k j / u n ^
X, y , z , u , w - niew iad o m e w r ó w n a n i a c h ( 5 ) , ( 6 ) , ( 7 / i ( 7 a ) Cl - s t o p i e ń d y s o c j a c j i
- s t o s u n e k ( n a d m i a r u ) t l e n u
) '
- s t o s u n e k s t r a t y c i e p ł a
- d o t y c z y s u b s t r a t ó w r e a k c j i c h e m ic z n e j
)" - d o t y c z y p ro d u k tó w r e a k c j i c h e m i c z n e j
A n a l i z a t e r m o dyn a m ic z n a kom ory s p a l a n i a 73
) . - d o t y c z y p o w i e t r z a ,
^ r -
' c d o t y c z y w i e l k o ś c i c a ł k o w i t y c h
^ohp" e n t a l p i i r e a k c j i c h e m i c z n e j ) Ł * —tł— i - t e g o s k ł a d n i k a s p a l i n
' 0 .11 __ t l e n u
J o t -
_ o t o c z e n i a
>P - .U. p a l i w a
>s - .1 1 . s p a l i n )« -
.11 «_ warunków umownych
(A) - u d z i a ł o b j ę t o ś c i o w y S K ła d n ik a A w n i l i n a c h .
LITERATURA
["ij BIAŁOSTOCKI S . , ZIELIŃSKI A. - " T e o r e t y c z n a t e m p e r a t u r a i skład p ro d u k tó w s p a l a n i a k i l k u p o s p o r i t y c h p a l i w z p o w i e t r z e m pod
g rz a n y m do w y ż s z y c h t e m p e r a t u r " , P r a c e I n s t . M a s z . P r z e p ł . , Z e s z y t 2 8 , G dańsk 1 9 6 6 . r .
[2J BONDARTUK U . K . , ULI4SZENKC 3.M . - " P r i a m o t o c z n y j e w o z d u s z n o - r e a k t i w n y j e d w i g a t i e l i " , C - o s u d a r s t w i e n n o j e I z d a t i e l c t w o Obo- r o n n o j " r o m y s z l e n n o s t i . Moskwa 1 3 5 8 .
[3] " I n t e r n a t i o n a l C r i t i c a l T s b l e s " , McGraw - H i l l Book com pany, New Y o rk 1926 - 1933.
|4-1 JASICKI Z . , ZAPOROWSKI B. "Komora s p a l a n i a d o ś w i a d c z a l n e g o g e n e r a t o r a MHD" > E n e r g e t y k a , 1 9 6 4 , Nr 1 1 .
[5] OCHĘDUSZKO S . - "Termodynamika s t o s o w a n a " , WNT, Warszawa 1967.
7 4 J . S k la d z ie r i
AHAJft.3 ThFMOJlKHAiMHKJKOil KA,.iEPiJ (jrO P A H i.il M ffl F i H L i ’ATOPA HA T A 30U 0E TOUJHaBO
F e s c u e
B cTaTte npexcTaBxemi bobmokhoctm noxyueHHii aucoxofl TeunepaTypu npoxya- to b cropaHHB b xaaepe MTU reaepaTopa 2500- 3000° K tip irop eaaa raaoaoro t o u i « s a b noxorpetoM Boaxyxe odoraueaHoit xacxopoxoM. lip excT aaxesa aaaacxiiocTfc itexxy Koxa<tecTBOH xacjiopoxa, kotcpuA aaxo noxaecTa a ib ctom coctobhbb a TeanepaTypoU aarpeToro aoaxyxa npa npaaaToa TemiepaType npoxyXTOB c r o p a - u a a . Eoaee xeTaaaHo aH&xxaapyeTca axaaaae xauitviecKoA xaccou aau aa.
THE COMBUSTION CHAMBER CP A MED - GENERATOR AS AN OBJECT OP THERMODYNAMIC ANALYSIS
S u m m a r y
T here h a s b e e n c o n s id e r e d p o s s i b i l i t y o f o b t a in in g th e combu
s t i o n g a s tem peratiure a s h ig h a s 2500 - 30 0 0 °K in th e co m b u stio n chamber o f a MED g e n e r a t o r . Gas f u e l b u r n in g i n t h e p r e h e a te d a i r e n r ic h e d w it h pure oxy g en was assu m ed .
Assum ing t h e c o m b u stio n p r o d u c ts te m p e r a tu r e the&fte h a s b e e n shown a r e l a t i o n s h i p b etw een t h e amount o f pure oxygen t o b e p u p - p l i e d and th e te m p e r a tu r e o f t h e p r e h e a te d a i r . A s p e o l a l a t t e n t i o n h a s b e e n p a id t o tjbe i n f l u e n c e o f o h e m ic a l d i s s o c i a t i o n .
