ОБОБЩЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ВОДОРОДА КАК ТОПЛИВА

ЭКОЛОГИЯ
УДК 620.9:621.311
А. К. Ильин, Е. А. Курганова, Р. А. Ильин
Астраханский государственный технический университет
ОБОБЩЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ВОДОРОДА КАК ТОПЛИВА
Определению и использованию в расчетах обобщенных характеристик топлива, и в частности максимальной температуры горения органических топлив, посвящено достаточно много работ [1–7]. В данной работе
приводятся основные обобщенные характеристики природных горючих
газов и водорода как топлива.
Теплофизические особенности водорода как топлива:
– удельная низшая теплота сгорания Qнр 10 786 кДж/нм3 (119 830 кДж/кг)
значительно выше, чем у органических топлив;
– продукты сгорания экологически чистые, с повышенным содержанием водяного пара;
– удельная теплоемкость продуктов сгорания несущественно отличается от таковой других топлив.
Перспективность водорода в качестве «универсального» топлива
связана:
– с высокой теплотой сгорания и повышенной температурой горения;
– высоким качеством сгорания при простых конструкциях горелочных устройств;
– возможностью эффективного использования практически во всех
теплоэнергетических объектах – от трактора и автомобиля до котлов, самолетов и др.
Важной теплофизической характеристикой органических топлив является «жаропроизводительность» tмакс, т. е. максимальная температура
горения при начальной температуре газа и воздуха 0 С, при стехиометрическом сжигании, при условии затрат теплоты сгорания топлива только на
нагревание образующихся продуктов сгорания и без учета затрат энергии
на диссоциацию продуктов сгорания. На основе обобщения данных по 60
природным газам величина tмакс уточнена: tмакс = 2 040 С (рис. 1). Уточнена эта величина также для водорода: tмакс = 2 237 С.
2 050
Водород – 2 237 С
tмакс, С
Природные газы
2 000
Qнр, кДж/нм3
1 950
35 000
40 000
45 000
Рис. 1. Жаропроизводительность топлива tмакс
для 60 природных газов различных месторождений
с различной теплотой сгорания (учтены совпадения точек) и водорода
257
ISSN 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2006. № 3 (32)
Расчеты максимальной температуры горения с учетом потерь энергии на диссоциацию продуктов сгорания tмакс. д по обычным методикам показали существенное влияние диссоциации на эту характеристику (рис. 2).
Однако необходимо учесть, что методики дают максимальную величину
снижения температуры продуктов сгорания.
1
t, C
2 000
2
3
1 800
tмакс, C
2 050
2 000
2 100
Рис. 2. Максимальная температура горения
с учетом потерь энергии на диссоциацию продуктов сгорания
при различной жаропроизводительности топлива: 1 – tмакс; 2 – tмакс. д;
3 – область для природных газов; для водорода tмакс = 2 237 C, tмакс. д = 2 077 C
Важные для практики расчетные результаты представлены на рис. 3–6..
Для природных газов имеют значение (для упрощения расчетов процесса
горения, например, в топках котлов) величины V0 (теоретический объем
воздуха для горения) и Vп.с (теоретический объем продуктов сгорания). На
рис. 4 эти величины приведены по результатам расчетов для большого количества газов и хорошо обобщают имеющиеся литературные данные. Для
водорода V0 = 2,38 нм3/нм3, Vп.с = 2,88 нм3/нм3.
tмакс, С
300
1
2
200
100
tв, С
0
0
100
200
300
400
500
Рис. 3. Увеличение максимальной теоретической температуры горения газов
при увеличении температуры подаваемого воздуха (tв) от 0 до 500 С:
1 – природные газы; 2 – водород
258
ЭКОЛОГИЯ
V0, Vп.с, нм3/нм3
12
Vп.с
V0
8
Природные
газы
Vп.с  Н2
4
V0  Н2
Qнр, кДж/нм3
0
10 000 20 000 30 000 40 000
Рис. 4. Теоретические объемы воздуха
и продуктов сгорания природных газов и водорода
VН2О / Vп.с
Водород
0,3
0,2
Метан

0,1
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Рис. 5. Доля объема водяного пара в объеме продуктов сгорания водорода
и метана (35 830 кДж/нм3) при различных избытках воздуха при горении
Водород  0,347
0,3 VН2О / Vп.с
Природные газы
0,2
Qнр, кДж/нм3
0,1
35 000
40 000
45 000
Рис. 6. Доля объема водяных паров в объеме продуктов сгорания
36 природных газов (учтено совпадение точек)
и водорода (при стехиометрическом сжигании)
259
ISSN 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2006. № 3 (32)
Таким образом, рис. 1–6 показывают, что температура горения водорода существенно выше, чем природных газов как при теоретических
расчетах, так и в реальных условиях. Удельный объем продуктов сгорания
водорода ниже, чем у природных газов, а содержание водяного пара
в продуктах сгорания значительно выше. Эти особенности оказывают
вполне определенное влияние на технические характеристики камер сгорания.
В качестве исходных расчетных данных могут быть приняты следующие обобщенные характеристики для водорода: отношение удельной
низшей теплоты сгорания ко всему объему продуктов полного сгорания
при  = 1 составляет 894 кДж/нм3 газа; отношение той же теплоты сгорания к объему сухих продуктов полного сгорания при  = 1 составляет
1 370 кДж/нм3, отношение объема сухих продуктов полного сгорания
к общему объему продуктов полного сгорания – 0,653; отношение объема
водяного пара в продуктах сгорания к общему объему продуктов полного
сгорания – 0,347.
Приведенные выше характеристики природных газов и водорода как
энергетических топлив в основном показывают предельные возможности
использования топлив в теплоэнергетических установках. Наиболее важна
в этом случае характеристика «жаропроизводительность», которая непосредственно используется при оценке термодинамической эффективности
установок различных видов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аминов Р. З. Современные аспекты совершенствования топливно-энергетического
комплекса // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. Вып. 1. Общенаучные вопросы. – Саратов: СГУ, 2001. – С. 3–7.
2. Ильин А. К. К расчету процесса горения топлива по обобщенным характеристикам
// Энергетика России в 21 веке: развитие, функционирование, управление: Материалы Всерос. конф. – Иркутск: Ин-т систем энергетики, 2005. – С. D. 1.4.1 – D. 1.4.4.
3. Иссерлин А. С. Основы сжигания газового топлива: Справ. пособие. Изд-е 2-е. –
Л.: Недра, 1987. – 336 с.
4. Пеккер Я. Л. Теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам
топлива. – М.: Энергия, 1977. – 256 с.
5. Равич М. Б. Топливо и эффективность его использования. – М.: Наука, 1971. – 358 с.
6. Тарараева Е. М. Состояние работ по водородной энергетике в России // Альтернативная энергетика и экология. – 2005. – № 1 (21). – С. 66–68.
7. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод. – СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ,
1998. – 256 с.
Статья поступила в редакцию 24.03.06
THE GENERALIZED CHARACTERISTICS
OF NATURAL GASES AND HYDROGEN AS FUEL
A. K. Ilyin, E. A. Kurganova, R. A. Ilyin
The basic generalized and dimensionless characteristics of
a great quantity of natural burning gases are given. The comparison
with hydrogen is executed.
260