Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование
Предложена методология и процедуры ее реализации, а также программные продукты для расчета энергетической эффективности использования топливо-окислительных смесей произвольного состава. "Идеальная печь" принята как модельный объект, где в качестве теплоносителя рассматривается смесь равнов...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Энерготехнологии и ресурсосбережение |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут газу НАН України
2010
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103964 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование / Б.С. Сорока, В.С. Кудрявцев, Р.С. Карабчиевская // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2010. — № 1. — С. 11-20. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103964 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Сорока, Б.С. Кудрявцев, В.С. Карабчиевская, Р.С. 2016-06-27T17:20:21Z 2016-06-27T17:20:21Z 2010 Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование / Б.С. Сорока, В.С. Кудрявцев, Р.С. Карабчиевская // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2010. — № 1. — С. 11-20. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0235-3482 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103964 662.61+523.036.7 Предложена методология и процедуры ее реализации, а также программные продукты для расчета энергетической эффективности использования топливо-окислительных смесей произвольного состава. "Идеальная печь" принята как модельный объект, где в качестве теплоносителя рассматривается смесь равновесных продуктов сгорания, уровень рабочих температур оценивается температурой уходящих газов Tfl, а критериями совершенства являются энтальпийные кпд использования топлива ηf и теплоты ηH. Учтено образование конденсированной фазы (воды и сажистых частиц) при стандартной температуре Т0 = 298,15 К, а также по мере приближения температуры Tfl к Т0. Запропоновано методологію та процедури її реалізації, а також програмні продукти для розрахунку енергетичної ефективності використання паливо-окислювальних сумішей довільного складу. «Ідеальна піч» прийнята як модельний об’єкт, де як теплоносій розлядається суміш рівноважних продуктів згоряння, рівень робочих температур оцінюється температурою викидних газів Tfl, а критеріями досконалості є ентальпійні ККД використання палива ηf та теплоти ηH. Враховано утворення конденсованої фази (води та сажистих часток) при стандартній температурі Т0 = 298,15 К, а також по мірі наближення температури Tfl до Т0. The methodology and the technique of implementation the procedures as well as appropriate computer codes for calculations of the energy efficiency of fuel – oxidant mixtures of arbitrary composition have been proposed. The model of «ideal furnace» has been assumed by evaluation the thermal process under fuel combustion. The mixture of equilibrium combustion products is considered as heat — transfer medium, level of process temperatures is represented by flue gases temperature Tfl, evaluation of perfection the thermal process is performed with enthalpy efficiencies of fuel ηf and heat ηH utilization. Formation of the components in condensed phase (of water and of soot particles) has been taken into account both at standard temperature T0 = 298,15 K and by process condition approaching from Tfl to T0. ru Інститут газу НАН України Энерготехнологии и ресурсосбережение Топливо и энергетика Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование Energy and Environmental Analisis of Fuel and Energy Utilization Efficiency by Means of Mathematical and Computer Modelling. 1. Caculation Procedure of Energy Efficiency Account and Thermal Physics Studying of the Technique Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование |
| spellingShingle |
Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование Сорока, Б.С. Кудрявцев, В.С. Карабчиевская, Р.С. Топливо и энергетика |
| title_short |
Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование |
| title_full |
Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование |
| title_fullStr |
Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование |
| title_full_unstemmed |
Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование |
| title_sort |
энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование |
| author |
Сорока, Б.С. Кудрявцев, В.С. Карабчиевская, Р.С. |
| author_facet |
Сорока, Б.С. Кудрявцев, В.С. Карабчиевская, Р.С. |
| topic |
Топливо и энергетика |
| topic_facet |
Топливо и энергетика |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Энерготехнологии и ресурсосбережение |
| publisher |
Інститут газу НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Energy and Environmental Analisis of Fuel and Energy Utilization Efficiency by Means of Mathematical and Computer Modelling. 1. Caculation Procedure of Energy Efficiency Account and Thermal Physics Studying of the Technique |
| description |
Предложена методология и процедуры ее реализации, а также программные продукты для расчета энергетической эффективности использования топливо-окислительных смесей произвольного состава. "Идеальная печь" принята как модельный объект, где в качестве теплоносителя рассматривается смесь равновесных продуктов сгорания, уровень рабочих температур оценивается температурой уходящих газов Tfl, а критериями совершенства являются энтальпийные кпд использования топлива ηf и теплоты ηH. Учтено образование конденсированной фазы (воды и сажистых частиц) при стандартной температуре Т0 = 298,15 К, а также по мере приближения температуры Tfl к Т0.
Запропоновано методологію та процедури її реалізації, а також програмні продукти для розрахунку енергетичної ефективності використання паливо-окислювальних сумішей довільного складу. «Ідеальна піч» прийнята як модельний об’єкт, де як теплоносій розлядається суміш рівноважних продуктів згоряння, рівень робочих температур оцінюється температурою викидних газів Tfl, а критеріями досконалості є ентальпійні ККД використання палива ηf та теплоти ηH. Враховано утворення конденсованої фази (води та сажистих часток) при стандартній температурі Т0 = 298,15 К, а також по мірі наближення температури Tfl до Т0.
The methodology and the technique of implementation the procedures as well as appropriate computer codes for calculations of the energy efficiency of fuel – oxidant mixtures of arbitrary composition have been proposed. The model of «ideal furnace» has been assumed by evaluation the thermal process under fuel combustion. The mixture of equilibrium combustion products is considered as heat — transfer medium, level of process temperatures is represented by flue gases temperature Tfl, evaluation of perfection the thermal process is performed with enthalpy efficiencies of fuel ηf and heat ηH utilization. Formation of the components in condensed phase (of water and of soot particles) has been taken into account both at standard temperature T0 = 298,15 K and by process condition approaching from Tfl to T0.
|
| issn |
0235-3482 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103964 |
| citation_txt |
Энергоэкологический анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методика расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование / Б.С. Сорока, В.С. Кудрявцев, Р.С. Карабчиевская // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2010. — № 1. — С. 11-20. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT sorokabs énergoékologičeskiianalizéffektivnostiispolʹzovaniâtoplivaiénergiisprimeneniemmatematičeskogoikompʹûternogomodelirovaniâ1metodikarasčetaénergetičeskoiéffektivnostiieeteplofizičeskoeobosnovanie AT kudrâvcevvs énergoékologičeskiianalizéffektivnostiispolʹzovaniâtoplivaiénergiisprimeneniemmatematičeskogoikompʹûternogomodelirovaniâ1metodikarasčetaénergetičeskoiéffektivnostiieeteplofizičeskoeobosnovanie AT karabčievskaârs énergoékologičeskiianalizéffektivnostiispolʹzovaniâtoplivaiénergiisprimeneniemmatematičeskogoikompʹûternogomodelirovaniâ1metodikarasčetaénergetičeskoiéffektivnostiieeteplofizičeskoeobosnovanie AT sorokabs energyandenvironmentalanalisisoffuelandenergyutilizationefficiencybymeansofmathematicalandcomputermodelling1caculationprocedureofenergyefficiencyaccountandthermalphysicsstudyingofthetechnique AT kudrâvcevvs energyandenvironmentalanalisisoffuelandenergyutilizationefficiencybymeansofmathematicalandcomputermodelling1caculationprocedureofenergyefficiencyaccountandthermalphysicsstudyingofthetechnique AT karabčievskaârs energyandenvironmentalanalisisoffuelandenergyutilizationefficiencybymeansofmathematicalandcomputermodelling1caculationprocedureofenergyefficiencyaccountandthermalphysicsstudyingofthetechnique |
| first_indexed |
2025-11-25T23:07:31Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:07:31Z |
| _version_ |
1850578391997087744 |
| fulltext |
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 1 11
The Problems and Prospects
of Russian Fuel and Energy Complex
Makarov A.A.
The Energy Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow
The postsoviet experience of program documents development and realization of fuel and
energy complex of Russia development and the methods and models are considered. The
basic problems and their decision probable trends are characterized in Russia Power
Strategy for the period till 2030. The basic aim of the Strategy is to consider the eco-
nomic growth and environment protection correct combination with the Strategy realiza-
tion mechanisms creation.
Key words: fuel and energy complex of Russia, the Power Strategy of Russia.
Received August 22, 2008
ÓÄÊ 662.61+523.036.7
Ýíåðãîýêîëîãè÷åñêèé àíàëèç ýôôåêòèâíîñòè
èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà è ýíåðãèè ñ ïðèìåíåíèåì
ìàòåìàòè÷åñêîãî è êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ.
1. Ìåòîäèêà ðàñ÷åòà ýíåðãåòè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè
è åå òåïëîôèçè÷åñêîå îáîñíîâàíèå
Ñîðîêà Á.Ñ., Êóäðÿâöåâ Â.Ñ., Êàðàá÷èåâñêàÿ Ð.Ñ.
Èíñòèòóò ãàçà ÍÀÍ Óêðàèíû, Êèåâ
Ïðåäëîæåíà ìåòîäîëîãèÿ è ïðîöåäóðû åå ðåàëèçàöèè, à òàêæå ïðîãðàììíûå ïðîäóê-
òû äëÿ ðàñ÷åòà ýíåðãåòè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâî-îêèñëèòåëü-
íûõ ñìåñåé ïðîèçâîëüíîãî ñîñòàâà. «Èäåàëüíàÿ ïå÷ü» ïðèíÿòà êàê ìîäåëüíûé îáú-
åêò, ãäå â êà÷åñòâå òåïëîíîñèòåëÿ ðàññìàòðèâàåòñÿ ñìåñü ðàâíîâåñíûõ ïðîäóêòîâ ñãî-
ðàíèÿ, óðîâåíü ðàáî÷èõ òåìïåðàòóð îöåíèâàåòñÿ òåìïåðàòóðîé óõîäÿùèõ ãàçîâ Tfl, à
êðèòåðèÿìè ñîâåðøåíñòâà ÿâëÿþòñÿ ýíòàëüïèéíûå ÊÏÄ èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà �f è
òåïëîòû �H. Ó÷òåíî îáðàçîâàíèå êîíäåíñèðîâàííîé ôàçû (âîäû è ñàæèñòûõ ÷àñòèö)
ïðè ñòàíäàðòíîé òåìïåðàòóðå Ò0 = 298,15 Ê, à òàêæå ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ òåìïåðà-
òóðû Tfl ê Ò0.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: àíàëèç è ðàñ÷åò òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ, èäåàëüíàÿ ïå÷ü,
òåîðåòè÷åñêàÿ òåìïåðàòóðà ãîðåíèÿ, óäåëüíàÿ ïîëíàÿ ýíòàëüïèÿ, ýôôåêòèâíîñòü èñ-
ïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà.
Çàïðîïîíîâàíî ìåòîäîëîã³þ òà ïðîöåäóðè ¿¿ ðåàë³çàö³¿, à òàêîæ ïðîãðàìí³ ïðîäóêòè
äëÿ ðîçðàõóíêó åíåðãåòè÷íî¿ åôåêòèâíîñò³ âèêîðèñòàííÿ ïàëèâî-îêèñëþâàëüíèõ ñóì³-
øåé äîâ³ëüíîãî ñêëàäó. «²äåàëüíà ï³÷» ïðèéíÿòà ÿê ìîäåëüíèé îá’ºêò, äå ÿê òåï-
ëîíîñ³é ðîçëÿäàºòüñÿ ñóì³ø ð³âíîâàæíèõ ïðîäóêò³â çãîðÿííÿ, ð³âåíü ðîáî÷èõ òåì-
ïåðàòóð îö³íþºòüñÿ òåìïåðàòóðîþ âèêèäíèõ ãàç³â Tfl, à êðèòåð³ÿìè äîñêîíàëîñò³ º
åíòàëüï³éí³ ÊÊÄ âèêîðèñòàííÿ ïàëèâà �f òà òåïëîòè �H. Âðàõîâàíî óòâîðåííÿ
êîíäåíñîâàíî¿ ôàçè (âîäè òà ñàæèñòèõ ÷àñòîê) ïðè ñòàíäàðòí³é òåìïåðàòóð³ Ò0 =
298,15 Ê, à òàêîæ ïî ì³ð³ íàáëèæåííÿ òåìïåðàòóðè Tfl äî Ò0.
Êëþ÷îâ³ ñëîâà: àíàë³ç òà ðîçðàõóíîê òåðìîäèíàì³÷íî¿ ð³âíîâàãè, ³äåàëüíà ï³÷, òåîðå-
òè÷íà òåìïåðàòóðà ãîð³ííÿ, ïèòîìà ïîâíà åíòàëüï³ÿ, åôåêòèâí³ñòü âèêîðèñòàííÿ ïàëèâà.
� Ñîðîêà Á.Ñ., Êóäðÿâöåâ Â.Ñ., Êàðàá÷èåâñêàÿ Ð.Ñ., 2010
Ìàòåìàòè÷åñêîå è êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðî-
âàíèå ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì íàó÷íûì èíñòðóìåí-
òîì ïðîãíîçèðîâàíèÿ ýôôåêòèâíîñòè èñïîëüçî-
âàíèÿ òåïëîâîé ýíåðãèè è òîïëèâà. Ýòî îñîáåí-
íî âàæíî äëÿ ñëó÷àåâ îöåíêè âîçìîæíîñòåé
ýêîíîìèè ýíåðãîðåñóðñîâ ïðè óòèëèçàöèè òåï-
ëîòû è çàìåùåíèè äåôèöèòíûõ âèäîâ òîïëèâà
(óãëåâîäîðîäîâ: ïðèðîäíîãî ãàçà, íåôòåïðîäóê-
òîâ) òåõíîëîãè÷åñêèìè ãàçàìè, áèîòîïëèâîì è
ïðîäóêòàìè èõ ïåðåðàáîòêè, à òàêæå ïðè èñ-
ïîëüçîâàíèè òîïëèâíûõ ñìåñåé â óñëîâèÿõ îáî-
ãàùåíèÿ îêèñëèòåëÿ êèñëîðîäîì.
 [1] ïðåäëàãàåòñÿ îïðåäåëåíèå ôèçè÷åñêî-
ãî ìîäåëèðîâàíèÿ êàê «çàìåíû èçó÷åíèÿ íåêî-
òîðîãî îáúåêòà èëè ÿâëåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëü-
íûì èññëåäîâàíèåì åãî ìîäåëè, êîòîðàÿ èìååò
òó æå ôèçè÷åñêóþ ïðèðîäó». Ðàçâèâàÿ ñîîòâåò-
ñòâóþùèé ïîäõîä, ñëåäóåò ïîíèìàòü ïîä ìàòå-
ìàòè÷åñêèì ìîäåëèðîâàíèåì ïðîöåññà àíàëèç
ìàòåìàòè÷åñêèõ âûðàæåíèé, êîòîðûå îïèñûâà-
þò ñâîéñòâà ôèçè÷åñêîãî ÿâëåíèÿ èëè îáúåêòà.
Çíà÷èìîñòü ìîäåëèðîâíàèÿ âîçðàñòàåò â ñîâðå-
ìåííûõ óñëîâèÿõ, êîãäà çàòðàòû íà ñîçäàíèå
ôèçè÷åñêîãî îáúåêòà íå ñîèçìåðèìû ñ ìîäåëè-
ðîâàíèåì âèðòóàëüíûì, êîòîðîå îáåñïå÷èâàåòñÿ
ïðèìåíåíèåì êîìïüþòåðíûõ òåõíîëîãèé.
Îñíîâó àíàëèçà ýôôåêòèâíîñòè èñïîëüçîâà-
íèÿ ýíåðãèè òîïëèâà ïðåäñòàâëÿåò ðàñ÷åò ðàâíî-
âåñíîãî ñîñòîÿíèÿ ïðîäóêòîâ ãîðåíèÿ òîïëè-
âî-îêèñëèòåëüíûõ ñìåñåé ðàçíîãî ñîñòàâà ñ îïðå-
äåëåíèåì ïîêîìïîíåíòíîãî ñîñòàâà ïðîäóêòîâ
ñãîðàíèÿ è èõ ñâîéñòâ: òåðìîäèíàìè÷åñêèõ è òåï-
ëîôèçè÷åñêèõ òðàíñïîðòíûõ, ïåðåíîñíûõ [2–4].
Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ, ïðåäñòàâëåííûå â
ýòîé ðàáîòå, âûïîëíåíû ñ ïðèìåíåíèåì îðèãè-
íàëüíîãî ïðîãðàììíîãî ïðîäóêòà «FUEL», ðàç-
ðàáîòàííîãî â Èíñòèòóòå ãàçà ïîä ðóêîâîäñòâîì
ïðîô. Á.Ñ.Ñîðîêè, è ÷àñòè÷íî ïðîõîäèëè òåñ-
òèðîâàíèå ïî ðàçíûì ëèòåðàòóðíûì èñòî÷íè-
êàì, à òàêæå ïî ðåçóëüòàòàì àíàëîãè÷íûõ ðàñ-
÷åòîâ, âûïîëíåííûõ ñ ïðèâëå÷åíèåì êîìïüþ-
òåðíîé ïðîãðàììû «TERRA» (Ðîññèÿ), ðàçðà-
áîòàííîé â ÌÂÒÓ èì. Áàóìàíà ïðîô. Á.Ã.Òðó-
ñîâûì [5].
1. Ýíåðãåòè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü èñïîëü-
çîâàíèÿ òîïëèâà â ïå÷àõ ñ ó÷åòîì óòèëèçàöèè
òåïëîòû
1.1. Òåïëîâîé áàëàíñ «èäåàëüíîé ïå÷è»
Ïðè âûïîëíåíèè ðàñ÷åòîâ ýíåðãîýôôåêòèâ-
íîñòè òîïëèâîèñïîëüçóþùèõ àãðåãàòîâ ïðèíè-
ìàåòñÿ èõ ñõåìàòèçàöèÿ ìîäåëüþ «èäåàëüíîé
ïå÷è» [6]. Ïîä «èäåàëüíîé ïå÷üþ» ïîíèìàåòñÿ
òîïî÷íàÿ èëè ïå÷íàÿ êàìåðà, â êîòîðîé îòñóòñò-
âóþò îáû÷íûå ñòàòüè òåïëîâûõ ïîòåðü i (i = 1,
2, …, N). Åäèíñòâåííûìè ïîòåðÿìè òåïëîòû,
ñâÿçàííûìè ñ «èäåàëüíîé ïå÷üþ», ÿâëÿþòñÿ ïî-
òåðè ñ îòõîäÿùèìè ãàçàìè (i = N + 1).
Äëÿ ïðîâåäåíèÿ ðàñ÷åòîâ, êàê ïðàâèëî,
ââîäÿòñÿ ñëåäóþùèå óïðîùàþùèå äîïóùåíèÿ
îòíîñèòåëüíî «èäåàëüíîé» ïå÷è: à) â ïå÷è ïðî-
èñõîäèò ñêà÷êîîáðàçíîå èçìåíåíèå òåìïåðàòóð
îò ÒÒ ê Òg; á) âåëè÷èíà êîýôôèöèåíòà òåïëîîò-
äà÷è îò ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ ê òåïëîïðèåìíèêó
áåñêîíå÷íî áîëüøàÿ, âñëåäñòâèå ÷åãî ÒÌ � Òg,
òî åñòü ðàçíîñòü òåìïåðàòóð òåïëîïðèåìíèêà
ÒÌ è òåïëîíîñèòåëÿ Òg ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâó-
åò: Òg – ÒÌ � 0; â) ïå÷ü (èëè çîíà ïå÷è) ÿâëÿ-
åòñÿ ðåàêòîðîì ïåðåìåøèâàíèÿ, òî åñòü ãðàäè-
åíòû òåìïåðàòóð â íåé îòñóòñòâóþò è Òg � Òfl,
ïðè÷åì â ýòèõ óñëîâèÿõ Òfl ÿâëÿåòñÿ îöåíêîé
«òåìïåðàòóðû ïå÷è» è ïðèíèìàåò çíà÷åíèå, ñî-
îòâåòñòâóþùåå (ðàâíîå) òåõíîëîãè÷åñêîé òåìïå-
ðàòóðå.
Òàêàÿ óïðîùåííàÿ ìîäåëü ïîäõîäèò è äëÿ
ïðîãíîçà îáðàçîâàíèÿ NOx ïî òåðìè÷åñêîìó ìå-
õàíèçìó Çåëüäîâè÷à—Áîóìåíà, òàê êàê îêñèäû
àçîòà îáðàçóþòñÿ íà ïèêå òåìïåðàòóð, à ïîòîì
èõ ïîñëåäóþùåå îáðàçîâàíèå ýêñïîíåíöèàëüíî
óáûâàåò ñ ïîíèæåíèåì ëîêàëüíûõ òåìïåðàòóð â
ôàêåëå èëè òîïî÷íîé êàìåðå [7].
Ïðîáëåìû ñîêðàùåíèÿ çàòðàò òîïëèâà
äîëæíû ðåøàòüñÿ îäíîâðåìåííî çà ñ÷åò óñîâåð-
øåíñòâîâàíèÿ òåõíîëîãèè òåïëîâîé îáðàáîòêè
ìàòåðèàëîâ è ñîçäàíèÿ íîâûõ òåõíîëîãèé, ñ îä-
íîé ñòîðîíû, èíòåíñèôèêàöèè òåïëîìàññîîá-
ìåííûõ ïðîöåññîâ ïðè ñæèãàíèè ñ ìèíèìèçàöè-
åé ðàçíûõ ñòàòåé òåïëîâûõ ïîòåðü âíóòðè òî-
ïî÷íîãî ïðîñòðàíñòâà è óòèëèçàöèåé (ðåêóïåðà-
öèåé, ðåãåíåðàöèåé) òåïëîòû âûáðîñíûõ ãàçîâ
êàê âíóòðè, òàê è âíå ðàáî÷åãî ïðîñòðàíñòâà ïå-
÷è, ñ äðóãîé ñòîðîíû. Íàêîíåö, ñîâðåìåííûå
òåíäåíöèè ðåñóðñîñáåðåæåíèÿ â çíà÷èòåëüíîé
ìåðå îïðåäåëÿþòñÿ ñîêðàùåíèåì çàòðàò öåííîãî
îðãàíè÷åñêîãî òîïëèâà (ïðèðîäíîãî ãàçà ïðåæ-
äå âñåãî) òåõíîëîãè÷åñêèìè ãàçàìè (â çàâèñèìî-
ñòè îò ïðîèçâîäñòâà, íàïðèìåð, â ìåòàëëóð-
ãèè — êîêñîâûì, äîìåííûì, êîíâåðòîðíûì è
äð.), à òàêæå òîïëèâîì ìåñòíîãî èëè áèîëîãè-
÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ.
Áëàãîäàðÿ òàêîìó ïîäõîäó óäàåòñÿ ñâåñòè
âñå ðàñ÷åòû ê îïåðàöèÿì ñ õàðàêòåðèñòèêàìè òå-
ïëîíîñèòåëÿ — ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ ïðè õàðàê-
òåðíûõ òåìïåðàòóðàõ: òåîðåòè÷åñêîé (àäèàáàò-
íîé) TT è íà âûõîäå èç òîïêè (ïå÷è) Tfl, — íå
ïðèáåãàÿ ê îöåíêàì ñîñòîÿíèÿ òåïëîïðèåìíèêîâ
(êîòåëüíûõ ñåêöèé, ýêðàíîâ, íàãðåâàåìûõ èçäå-
ëèé â ïå÷àõ è ò.ï.) è àíàëèçà òåïëîâûõ ïîòåðü.
Åñëè äëÿ ðåàëüíîé ïå÷è ñ ïðåäâàðèòåëüíûì ïî-
äîãðåâîì îêèñëèòåëÿ, â ÷àñòíîñòè, âîçäóõà ãîðå-
íèÿ òåïëîâîé áàëàíñ â òåðìèíàõ ïîëíûõ ýíòàëü-
12 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 1
ïèé, êîòîðûå ó÷èòûâàþò ñòàíäàðòíûå ýíòàëü-
ïèè îáðàçîâàíèÿ âåùåñòâ èç ýëåìåíòîâ [8], èìå-
åò âèä:
� � [ ( ]
�
Q Q B H L
M
M
I
m I
use loss,i
i
N
f f
*
st
ox
f
ox
g g,
� � � � �
�
�1
fl g g,T g,flm (I I� �� ),
(1)
òî äëÿ «èäåàëüíîé ïå÷è»:
�
� ) (
)
Q m (I I B
L
M
M
)(I I
use g g,T g,fl f
st
ox
f
g,T g,fl
� � � �
� �
1
,
(2)
� ( ); � .Q i N Qloss,i loss,i
i
N
� � � � �
�
0 1 0
1
(3)
1.2. ÊÏÄ èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà �f è òåï-
ëîòû �H äëÿ ñëó÷àåâ «èäåàëüíîé ïå÷è»
ÊÏÄ ïðîöåññà òåïëîâîé îáðàáîòêè îïðåäå-
ëÿåòñÿ ÷åðåç ðàçíîñòü ïîëíûõ ýíòàëüïèé òåïëî-
íîñèòåëÿ (èëè èõ èçáûòî÷íûõ çíà÷åíèé): ïðè
òåîðåòè÷åñêîé òåìïåðàòóðå ãîðåíèÿ ÒÒ è òåìïå-
ðàòóðå íà âûõîäå èç àãðåãàòà Òfl:
�f = (If,T – If,fl)/(I*f,T* – I*f,0); (4)
�H = (Ig,T – Ig,fl)/(Ig,T – Ig,0). (5)
Ïðè ýòîì äëÿ óïðîùåíèÿ ðàññìîòðåíèÿ ïðî-
öåññîâ â «èäåàëüíîé ïå÷è» ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî
ïå÷ü ïðåäñòàâëÿåò ðåàêòîð ïåðåìåøèâàíèÿ ñ åäè-
íîé õàðàêòåðíîé òåìïåðàòóðîé ïðîäóêòîâ ñãîðà-
íèÿ, êîòîðàÿ íå îòëè÷àåòñÿ îò òåìïåðàòóðû âû-
áðîñíûõ ãàçîâ â âûõîäíîì ñå÷åíèè ïå÷è Òfl.
 óñëîâèÿõ âàðüèðîâàíèÿ èçáûòêà îêèñëè-
òåëÿ
ïî îòíîøåíèþ ê ñæèãàíèþ ñòåõèîìåòðè-
÷åñêîé ñìåñè ãîðþ÷åãî ñ îêèñëèòåëåì ÊÏÄ
óìåíüøàåòñÿ:
�f � �f
id,
= �Quse/Bf Hf
*=
= [(1 +
Lst Mox/Mf)(Ig,T – Ig,fl)]/
/[(1 + Lst Mà/Mf) Hf
*]. (6)
Òîãäà èçìåíåíèå çàòðàò òîïëèâà, âûçâàííîå
ïðè ôèêñèðîâàííîì ãîðþ÷åì èçìåíåíèåì ñîñòà-
âà òîïëèâî-îêèñëèòåëüíîé ñìåñè (êîýôôèöèåí-
òà èçáûòêà îêèñëèòåëÿ
è îáîãàùåíèÿ åãî
êèñëîðîäîì), à òàêæå ïàðàìåòðîâ (òåìïåðàòóðû
òîïëèâà è ïðåæäå âñåãî îêèñëèòåëÿ, â ÷àñòíî-
ñòè, âîçäóõà), ìîæåò áûòü íàéäåíî ÷åðåç èçìå-
íåíèå ÊÏÄ �f â óñëîâèÿõ, êîòîðûå ðàññìàòðè-
âàþòñÿ è â áàçîâîì �*f ñëó÷àå:
Bf = [(�f/�*f) – 1] . 100 %. (7)
Èç ïðèâåäåííûõ ôîðìóë ñëåäóåò, ÷òî îñ-
íîâíûì ïàðàìåòðîì, êîòîðûé îïðåäåëÿåò ïî-
òðåáíûå çàòðàòû òîïëèâà è åãî èçìåíåíèå,
ÿâëÿåòñÿ ñîñòàâ è ïîëíàÿ ýíòàëüïèÿ ðàâíîâåñ-
íûõ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ.
 ðàáîòå [9] èçëîæåíà ìåòîäîëîãèÿ îïðåäå-
ëåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà,
ðåàëèçîâàííàÿ íà áàçå êîìïüþòåðíîé ïðîãðàì-
ìû «FUEL», ðàçðàáîòàííîé â Èíñòèòóòå ãàçà
ïîä ðóêîâîäñòâîì ïðîô. Á.Ñ.Ñîðîêè. Âñå ðàñ-
÷åòû âûïîëíÿþòñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ïîëíîé ýí-
òàëüïèè òåïëîíîñèòåëÿ — ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ
îöåíèâàåìîé òîïëèâî-îêèñëèòåëüíîé ñìåñè.
1.3. Ñîâìåñòíîå ðàññìîòðåíèå ñèñòåìû
«ïå÷ü — ðåêóïåðàòîð»
 îòëè÷èå îò ïðåäëîæåííîé ìåòîäîëîãèè
[9, 10] òðàäèöèîííûé ïîäõîä îöåíêè ÊÏÄ ñî-
ñòîèò â èñïîëüçîâàíèè ðàñïîëàãàåìîé ýíåðãèè â
íåêîòîðûõ êîíòðîëüíûõ ñå÷åíèÿõ.
Äàííûå èç ðàáîòû [11] ïîëó÷åíû ïî çàâè-
ñèìîñòè:
�f = Q0/PA = (PB – PE)/PA =
= (PA + QV – PE)/PA = 1 – (PS/PA). (8)
Âûðàæåíèå (8) ïîêàçûâàåò, ÷òî àíàëèç
ÊÏÄ èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà ìîæåò áûòü ïðîâå-
äåí äâîÿêî:
1) ïðè ðàññìîòðåíèè â êà÷åñòâå ñèñòåìû
èìåííî òîïëèâîèñïîëüçóþùåãî àãðåãàòà — ïå÷è.
 ýòîì ñëó÷àå ïîäâåäåííàÿ ýíåðãèÿ îïðåäåëÿåòñÿ
êàê òåïëîòîé ñãîðàíèÿ òîïëèâà ÐÀ, òàê è òåïëî-
òîé QV, àêêóìóëèðîâàííîé ãîðÿ÷èì âîçäóõîì
(óòèëèçèðîâàííàÿ èç ïå÷è òåïëîòà). Ýíåðãèÿ íà
âûõîäå èç ñèñòåìû (ïå÷è) ÐÅ; ïîëåçíî ïîòðåá-
ëåííàÿ ýíåðãèÿ äëÿ èäåàëüíîé ïå÷è ïðè ýòîì
Q0 = PA + QV – PE; (9)
2) ïðè ðàññìîòðåíèÿ ñèñòåìû «ïå÷ü — óòè-
ëèçàòîð òåïëîòû (ðåêóïåðàòîð)» â öåëîì. Â
ýòîì ñëó÷àå âíåøíåé îòíîñèòåëüíî ñèñòåìû
(ýíåðãèè, ïîäâåäåííîé ê ñèñòåìå) âûñòóïàåò
òåïëîòà ñãîðàíèÿ òîïëèâà, à íà âûõîäå ñèñòåìà
õàðàêòåðèçóåòñÿ ýíåðãèåé çà ðåêóïåðàòîðîì PS.
Ïîëåçíî ïîòðåáëåííàÿ ýíåðãèÿ â ðàññìîòðåííîé
ïîñòàíîâêå PÀ – PS;
Íàø àíàëèç ïîçâîëèë îïðåäåëèòü ñîñòàâëÿþ-
ùèå ýòîãî âûðàæåíèÿ ïðè ðàññìîòðåíèè ýíåðãå-
òè÷åñêîãî áàëàíñà èäåàëüíîé ñèñòåìû: ïå÷ü —
óòèëèçàòîð òåïëîòû (ðåêóïåðàòèâíûé ïîäîãðå-
âàòåëü âîçäóõà ãîðåíèÿ), ïðåäñòàâëåííûå íà
ðèñ.1. Çäåñü Q0 — ïîëåçíàÿ òåïëîòà, ïåðåäàííàÿ
â ïå÷è òåïëîïðèåìíèêó; PÀ — ïîäâåäåííàÿ â
ïå÷ü òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ ñæèãàíèÿ òîïëèâà; P —
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 1 13
ïîëíàÿ òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ, êîòîðàÿ îòâîäèòñÿ èç
ïå÷è, P = PÅ + Q0. Ïîòîê òåïëîòû P ìîæåò
áûòü ïðåäñòàâëåí ÷åðåç ýíåðãèþ, ââåäåííóþ â
ïå÷ü ñ òîïëèâîì PÀ è âîçäóõîì QV, ïîäîãðåòûì
â ðåêóïåðàòîðå, PÂ = PÀ + QV; PÅ — ýíåðãèÿ
òåïëîíîñèòåëÿ (ïîëíàÿ ýíòàëüïèÿ òîïëèâî-âîç-
äóøíîé ñìåñè) íà âûõîäå èç ïå÷è è âõîäå â ðå-
êóïåðàòîð (ïðåäïîëàãàåòñÿ îòñóòñòâèå òåïëîâûõ
ïîòåðü — àäèàáàòíîñòü âîçäóøíîãî òðàêòà); PS
— ýíåðãèÿ òåïëîíîñèòåëÿ (ýíòàëüïèÿ ïðîäóêòîâ
ñãîðàíèÿ) íà âûõîäå èç ðåêóïåðàòîðà, PS = PÅ –
QV; PV — èñõîäíàÿ ýíåðãèÿ ïîòîêà âîçäóõà.
2. Òåðìîäèíàìè÷åñêèå ðàñ÷åòû ñîñòàâà è
ñâîéñòâ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ
2.1. Óíèâåðñàëüíûé ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ
«FUEL»
Ïðîãðàììà ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ðàñ÷åòà ñîñòà-
âà è òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ñâîéñòâ ðàâíîâåñíûõ
ïðîäóêòîâ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, â òîì ÷èñëå ïðî-
äóêòîâ ñãîðàíèÿ ðàçíûõ îðãàíè÷åñêèõ èëè òåõíî-
ëîãè÷åñêèõ òîïëèâ, òîïëèâíûõ ñìåñåé è îêèñëè-
òåëåé, îáðàçîâàííûõ ïÿòüþ ýëåìåíòàìè: Ñ, Í, N,
O, S. ×èñëî âîçìîæíûõ êîìïîíåíòîâ â ðàâíîâåñ-
íîé ñìåñè ïðîäóêòîâ — ñâûøå 100.
Ñîñòàâ èñõîäíîé ñìåñè ìîæåò áûòü çàäàí
ìàññîâûìè èëè îáúåìíûìè äîëÿìè îòäåëüíûõ
êîìïîíåíòîâ èëè ýëåìåíòîâ, à òàêæå îòíîñè-
òåëüíûìè òåïëîâûìè ÷àñòÿìè îòäåëüíûõ ãðóïï
ãîðþ÷èõ. Ðàññìîòðåííûå èñõîäíûå êîìïîíåíòû
(òîïëèâî, îêèñëèòåëü) ìîãóò áûòü ãàçîîáðàç-
íûå, òâåðäîôàçíûå, æèäêîôàçíûå èëè èõ ñìå-
ñè. Ðàâíîâåñíûå ñìåñè, êîòîðûå ðàññ÷èòûâàþò-
ñÿ, ìîãóò áûòü ãîìî- è ãåòåðîôàçíûìè â çàâèñè-
ìîñòè îò ñîñòàâà èñõîäíîé ñìåñè è çàäàííîé
òåìïåðàòóðû. Äèàïàçîí ðàñ÷åòíûõ òåìïåðàòóð
298–6000 K.
Ðåøàåìûå çàäà÷è.  ðàìêàõ çàäà÷è
îïðåäåëåíèÿ ñîñòàâà ïðîäóêòîâ õèìè÷åñêîé ðå-
àêöèè ìîãóò ðàññ÷èòûâàòüñÿ óñëîâèÿ âûïàäåíèÿ
êîíäåíñèðîâàííîé (òâåðäîé, æèäêîé) ôàçû èç
ãàçîâîé ñìåñè, ìàññîâàÿ ÷àñòü êîíäåíñèðîâàííîé
ôàçû, òåìïåðàòóðû òî÷êè ðîñû, ïàðî- è âëàãîñî-
äåðæàíèå ãàçîâûõ ñìåñåé.
Ïî çàäàííîìó ñîñòàâó ãîðþ÷åé ñìåñè, îäíî-
èëè ìíîãîôàçíîé, îïðåäåëÿåòñÿ òåîðåòè÷åñêàÿ
(àäèàáàòíàÿ) òåìïåðàòóðà ãîðåíèÿ ÒT ñ ó÷åòîì
äèññîöèàöèè ïðîäóêòîâ.
Ïðè ïðîèçâîëüíûõ (çàäàâàåìûõ) òåìïåðà-
òóðàõ, äàâëåíèÿõ, à òàêæå äëÿ òåîðåòè÷åñêèõ
òåìïåðàòóð ãîðåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ ñëåäóþùèå
ñâîéñòâà ðàâíîâåñíûõ ñìåñåé ïðîäóêòîâ:
Òåðìîäèíàìè÷åñêèå
� — óäåëüíûé îáúåì, ì3/êã
� — ýíòàëüïèÿ, êÄæ/êã
S — ýíòðîïèÿ, êÄæ/(êã.Ê)
M — ìîëåêóëÿðíàÿ ìàññà âåùåñòâà, êã/ìîëü
Cp — òåïëîåìêîñòü ïðè ïîñòîÿííîì äàâëåíèè, êÄæ/(êã.Ê)
A — ñêîðîñòü çâóêà, ì/ñ
k — ïîêàçàòåëü àäèàáàòû
R — ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿ, êÄæ/(êã.Ê)
Òåïëîôèçè÷åñêèå
� — êèíåìàòè÷åñêàÿ âÿçêîñòü, ì2/ñ
� — äèíàìè÷åñêàÿ âÿçêîñòü, Ïà.ñ
� — êîýôôèöèåíò òåïëîïðîâîäíîñòè, Âò/(ì.Ê)
à — êîýôôèöèåíò òåìïåðàòóðîïðîâîäíîñòè, ì2/ñ
� — èçëó÷àòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü (ñòåïåíü ÷åðíîòû) ñëîÿ
ïðîäóêòîâ
dp — òî÷êà ðîñû, Ê
2.2. Ïðîãðàììà òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàñ-
÷åòà ñîñòàâà ôàç ïðîèçâîëüíûõ ãåòåðîãåííûõ
ñèñòåì, èõ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ è òðàíñïîðò-
íûõ ñâîéñòâ — «TERRA»
Ïðîãðàììà ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ìîäåëèðîâà-
íèÿ ïðåäåëüíî ðàâíîâåñíûõ ñîñòîÿíèé ñëîæíûõ
ñèñòåì. Èñïîëüçóåìûé ìåòîä ðàñ÷åòà íå ïîçâî-
ëÿåò íàõîäèòü «òðàåêòîðèþ» (êèíåòèêó) ïåðå-
õîäà ê ðàâíîâåñíîìó ñîñòîÿíèþ. Ïîýòîìó â êà-
÷åñòâå èñõîäíûõ äàííûõ, îäíîçíà÷íî îïðåäå-
ëÿþùèõ õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ñèñòåìû ïîñëå ðå-
àêöèè, äîñòàòî÷íî çàäàòü òîëüêî ìàññîâîå ñî-
äåðæàíèå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ.
Ïðîãðàììà ñîïðÿæåíà ñ áîëüøîé áàçîé
äàííûõ ñâîéñòâ èíäèâèäóàëüíûõ âåùåñòâ, ÷òî
äåëàåò åå ïðèãîäíîé äëÿ èññëåäîâàíèÿ ïðîèç-
âîëüíûõ ïî õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó êîìïîçèöèé.
Ïðåäåëüíîå ÷èñëî õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ,
èç êîòîðûõ ìîæåò ñîñòàâëÿòüñÿ èññëåäóåìàÿ
ñèñòåìà, ðàâíÿåòñÿ äâàäöàòè ïÿòè, à ÷èñëî êîì-
ïîíåíòîâ ôàç, êîòîðûå îáðàçóþòñÿ â ðàâíîâå-
ñèè (÷èñëî èíäèâèäóàëüíûõ âåùåñòâ) ìîæåò
äîñòèãàòü ïÿòèñîò.
14 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 1
Ðèñ.1. Ñõåìà èäåàëüíîé ñèñòåìû «ïå÷ü — ðåêóïåðàòîð» äëÿ
îöåíêè ýíåðãåòè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ òîï-
ëèâà.
3. Èñïîëüçîâàíèå ðàçëè÷íûõ òîïëèâî-
îêèñëèòåëüíûõ ñìåñåé
Îïðåäåëåíèå ýíåðãåòè÷åñêîé ýôôåêòèâíî-
ñòè èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà â ñëó÷àå åãî íåñòå-
õèîìåòðè÷åñêîãî ñæèãàíèÿ, â ÷àñòíîñòè, êîãäà
â êà÷åñòâå òåïëîíîñèòåëÿ âûñòóïàþò ïðîäóêòû
íåïîëíîãî ñãîðàíèÿ â òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåñ-
ñàõ, ìîæíî ïðîâîäèòü íà áàçå ïîëîæåíèé ðàâ-
íîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè [5, 12].
Îïðåäåëÿþùèì ïàðàìåòðîì ïðè ïðîâåäå-
íèè ðàñ÷åòîâ ýíåðãåòè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè
òîïëèâîèñïîëüçóþùèõ ïðîöåññîâ è àãðåãàòîâ
ÿâëÿåòñÿ ïîëíàÿ ýíòàëüïèÿ òåïëîíîñèòåëÿ —
ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ. Êàê ïðåäñòàâèòåëüíûå âå-
ëè÷èíû ðàññìàòðèâàþòñÿ ïîëíûå ýíòàëüïèè
1 êã ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ Ig (T) òîïëèâíîé ñìåñè
çàäàííîãî ñîñòàâà èëè ïîëíûå ýíòàëüïèè ïðî-
äóêòîâ ñãîðàíèÿ 1 êã òîïëèâà If (T) äëÿ àíàëè-
çèðóåìûõ ñìåñåé (ðèñ.2).
3.1. Ìåòîäîëîãèÿ îöåíêè ýíåðãåòè÷åñêîé
ýôôåêòèâíîñòè
 ñëó÷àå ïðîöåññîâ, êîòîðûå ïðîòåêàþò
ïðè ïîñòîÿííîì äàâëåíèè ð = const, ìåðîé
óðîâíÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû ÿâ-
ëÿåòñÿ åå ýíòàëüïèÿ (ïîëíàÿ ýíòàëüïèÿ I, ó÷è-
òûâàþùàÿ ýíåðãèþ îáðàçîâàíèÿ âåùåñòâ èç õè-
ìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ [2, 6]).
 çàêðûòîé àäèàáàòè÷åñêîé ñèñòåìå (
Q = 0)
ïðè p = const ïåðâûé çàêîí òåðìîäèíàìèêè (ñî-
õðàíåíèÿ ýíåðãèè) äàåò dI = 0 [8]. Ïðè ýòîì
îöåíêó ýôôåêòèâíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ ïîòåíöèà-
ëà òåïëîíîñèòåëÿ ìîæíî ïðîâîäèòü ïî àíàëîãèè
ñ ðàñ÷åòîì ÊÏÄ èäåàëüíîãî öèêëà Êàðíî:
�id,
= �H = 1 – ( I
g,fl / I
g,T). (10)
 íàøåì ñëó÷àå I
g = Ig (T) – Ig (T0) —
ðàñïîëàãàåìàÿ ýíåðãèÿ — èçáûòî÷íàÿ ýíòàëü-
ïèÿ 1 êã òåïëîíîñèòåëÿ (ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ òî-
ïëèâà ïðè çàäàííîì êîýôôèöèåíòå åãî èçáûòêà
è òåìïåðàòóðå Tfl � Ò � ��� ïî îòíîøåíèþ ê
òàêîâîé ïðè áàçîâîé òåìïåðàòóðå Ò0. Ïðè ýòîì
= 1,0 îòâå÷àåò ñòåõèîìåòðè÷åñêîìó ñîîòíîøå-
íèþ ãîðþ÷åå : îêèñëèòåëü;
> 1,0 îòâå÷àåò
îáåäíåííîé ñìåñè;
< 1,0 — áîãàòîé ñìåñè.
 ñëó÷àå ïðèíÿòèÿ äîïóùåíèÿ îá «èäåàëü-
íîé ïå÷è» êàê îáúåêòå ïðîâåäåíèÿ èññëåäóåìî-
ãî ïðîöåññà ïðåäïîëàãàåòñÿ îòñóòñòâèå èíûõ ïî-
òåðü ýíåðãèè, êðîìå ïîòåðü ñ óõîäÿùèìè ïðî-
äóêòàìè ñãîðàíèÿ Ig,fl.
Åñëè ïå÷ü ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê ðåàêòîð
èäåàëüíîãî ïåðåìåøèâàíèÿ, òî ïðîöåññ õàðàêòå-
ðèçóåòñÿ åäèíîé òåìïåðàòóðîé Tfl = idem ïî
âñåìó îáúåìó ðàáî÷åãî ïðîñòðàíñòâà è íà âûõî-
äå èç ïå÷è. Âåëè÷èíà â çíàìåíàòåëå ïðàâîé ÷àñ-
òè óðàâíåíèÿ (10) — ìàêñèìàëüíàÿ ðàñïîëàãàå-
ìàÿ ýíåðãèÿ. Â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåäñòàâëåíèåì
Êàðíî î ÊÏÄ îáðàòèìîãî òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ
óïîìÿíóòàÿ âåëè÷èíà ñîñòàâëÿåò ìåðó êîëè÷åñò-
âà òåïëîòû, ïîãëîùåííîé èç ãîðÿ÷åãî èñòî÷íèêà
(îòäàííîãî ãîðÿ÷èì èñòî÷íèêîì) [13].
 ýòîé ðàáîòå çíàìåíàòåëü ïðåäñòàâëåí òåï-
ëîâûì ýôôåêòîì ðåàêöèè, èçáûòî÷íîé ýíòàëü-
ïèåé ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ ïðè òåîðåòè÷åñêîé
òåìïåðàòóðå ãîðåíèÿ.
Ñ äðóãîé ñòîðîíû, äëÿ îáîáùåíèÿ äàííûõ
ïî ýôôåêòèâíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà ïðè
âàðüèðîâàíèè èçáûòêà îêèñëèòåëÿ (
= var) öå-
ëåñîîáðàçíî ýíåðãèþ, èñïîëüçîâàííóþ â òîï-
ëèâíîì àãðåãàòå (êîòëå, ïå÷è è äðóãèõ òåïëî-
âûõ ñèñòåìàõ), îòíîñèòü ê ìàêñèìàëüíîé ðàñïî-
ëàãàåìîé ýíåðãèè — òåïëîòå ñãîðàíèÿ Qñã ñòå-
õèîìåòðè÷åñêîé (
= 1,0) ñìåñè, âçÿòîé ïðè áà-
çîâîé òåìïåðàòóðå Ò0:
Qñã
max = I*f,T* = I
=1,0
f,T*. (11)
 äàëüíåéøåì íóæíî ðàçäåëèòü ðàññìîòðå-
íèå Qcã êàê âåëè÷èí, êîòîðûå ñîîòâåòñòâóþò
âûñøåé Qð
â èëè íèçøåé Qð
í òåïëîòå ñãîðàíèÿ
(â çàâèñèìîñòè îò èçáðàííîãî ñîñòîÿíèÿ H2O â
ïðîäóêòàõ ñãîðàíèÿ) ñîîòâåòñòâåííî ñ ó÷åòîì
ðåàëüíîãî (êîíäåíñèðîâàííîãî) ñîñòîÿíèÿ âîäû
ïðè Ò0 èëè ïðè ïðèíÿòèè H2O â âèäå ïàðà.
Äëÿ ñëó÷àåâ «èäåàëüíîé ïå÷è» â óñëîâèÿõ
âàðüèðîâàíèÿ
ÊÏÄ èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà �f
ñ ó÷åòîì âûðàæåíèÿ (10):
�f = �*
id,
= ( I
g,T – I
g,fl)/ I*g,T*. (12)
�*
id,
= �id,
( I
g,T/ I*g,T*). (13)
Ðàçóìååòñÿ, Ig,Ò < I*g,T* â ñëó÷àå
< 1,0
âñëåäñòâèå õèìè÷åñêîãî íåäîæîãà òîïëèâà, ñëå-
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 1 15
Ðèñ.2. Çàâèñèìîñòü îò òåìïåðàòóðû ïîëíîé èçáûòî÷íîé ýí-
òàëüïèè ñòåõèîìåòðè÷åñêîé ñìåñè ðàâíîâåñíûõ ïðîäóêòîâ
ñãîðàíèÿ 1 êã òîïëèâà èëè èñõîäíîé òîïëèâî-âîçäóøíîé
ñìåñè äëÿ 1 êã òîïëèâà: 1 — ïðèðîäíûé ãàç L; 2 — êîêñî-
âûé ãàç; 3 — äîìåííûé ãàç.
äîâàòåëüíî, ïðîèñõîäèò íåäîèñïîëüçîâàíèå åãî
ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè. Ïî ýòîé ïðè÷èíå
�*
id,
� �id,
. (14)
 ñëó÷àå
> 1,0 áóäåò Ig,Ò � I*g,T* âñëåä-
ñòâèå ðàçáàâëåíèÿ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ èçáûòî÷-
íûì îêèñëèòåëåì, ÷òî ïðèâîäèò òàêæå ê �*
id,
� �id,
.
Ïðè
= 1,0 áóäåò �id,
=1,0 � �*
id,
=1,0, à
�*
id,
=1,0 ÿâëÿåòñÿ ìàêñèìàëüíûì èç âîçìîæíûõ
çíà÷åíèé ÊÏÄ �* ïðè âàðüèðîâàíèè
� 1,0.
 ýòîì ñëó÷àå èçáûòî÷íàÿ ýíòàëüïèÿ
I*g,T* ïðèíèìàåòñÿ ïî àíàëîãèè ñ ïîíÿòèåì
Qð
í — íèçøåé òåïëîòîé ñãîðàíèÿ. Ðàçëè÷èå ìå-
æäó Qð
í è I*g,T* çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ïåð-
âàÿ âåëè÷èíà êàñàåòñÿ 1 êã òîïëèâà (ãîðþ÷åãî),
âòîðàÿ — 1 êã ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ. Âåëè÷èíà
I*g,T* îöåíèâàåòñÿ ïî ðàçíîñòè ýíòàëüïèé åäè-
íèöû ìàññû (1 êã) ðåàãèðóþùåé ñìåñè (ñîîò-
âåòñòâåííî èñõîäíûõ êîìïîíåíòîâ è ðàâíîâåñ-
íûõ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ â ãàçîâîé ôàçå áåç
êîíäåíñàöèè, âçÿòûõ ïðè
= 1,0) ïðè Ò0.
Ñâÿçü ìåæäó ðàññìîòðåííûìè âåëè÷èíàìè, ñî-
ãëàñíî îïðåäåëåíèþ, ñëåäóþùàÿ:
Qð
í � [1 + (Lst Mox/Mf)] I*g,T*, (15)
ãäå Ìîõ, Ìf — ñîîòâåòñòâåííî ìîëåêóëÿðíûå
ìàññû îêèñëèòåëÿ è òîïëèâà (ãîðþ÷åãî).
Ïîñêîëüêó Qð
í ïðåäïîëàãàåò ðàññìîòðåíèå
òåïëîâîãî ýôôåêòà ñãîðàíèÿ òîïëèâî-îêèñëè-
òåëüíîé ñìåñè ïðè ó÷åòå ýíåðãèè H2O (ïàð), à
ïðè áàçîâîé (ñòàíäàðòíîé) òåìïåðàòóðå Ò0 =
= 298,15 Ê â ðàâíîâåñíûõ ïðîäóêòàõ ñãîðàíèÿ
H2O ïðåèìóùåñòâåííî íàõîäèòñÿ â æèäêîé ôà-
çå, äëÿ îöåíêè I*g,T* ïðè
= 1,0 è Ig,T ïðè
� 1,0 èñïîëüçóåòñÿ ñëåäóþùèé ïðèåì. Ðàññ÷è-
òûâàþòñÿ ðàâíîâåñíûå ïðîöåññû è ýíòàëüïèè Ig
ïðè òåìïåðàòóðàõ Òmin, ñëåãêà ïðåâîñõîäÿùèõ
òåìïåðàòóðó òî÷êè ðîñû è êèïåíèÿ âîäû; äëÿ
óïðîùåíèÿ ïðèíèìàåì òåìïåðàòóðó âûøå 100 �Ñ
ðàâíîé 373 Ê. Ïî ýíòàëüïèÿì ïðè ýòèõ òåìïå-
ðàòóðàõ Ig (Òmin) ïðîâîäèòñÿ èíòåðïîëÿöèÿ
çíà÷åíèé Ig íà òåìïåðàòóðó Ò0:
Ig (Ò0) = Ig,0 = Ig (Òmin) – Ig
gas (Òmin). (16)
Ïðàêòè÷åñêè ïðîöåäóðà âûïîëíÿåòñÿ òàêèì
îáðàçîì:
I
dI
dT
T Tg
gas g
gas
g
gas min
gas� �( ).0 (17)
Äëÿ îòûñêàíèÿ ïðîèçâîäíîé äëÿ ðàâíîâåñ-
íûõ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ èñïîëüçóåì ïðèáëè-
æåííûé ïåðåõîä ê êîíå÷íûì ïðèðàùåíèÿì:
dI
dT
I
T
I (T I (T
g
gas
gas
g
gas
gas
g
gas gas
g
gas
� �
�
min, mi
)
1 n,
min, min,
)
.
2
1 2
gas
gas gasdT dT�
(18)
Èçëîæåííàÿ âûøå ìåòîäèêà áûëà ðåàëèçî-
âàíà ïðè ðàñ÷åòå ýôôåêòèâíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ
ïðèðîäíîãî è äðóãèõ ãàçîâ â óñëîâèÿõ âàðüèðî-
âàíèÿ êîýôôèöèåíòà èçáûòêà âîçäóõà
, òåìïå-
ðàòóðû åãî ïîäîãðåâà Òà äëÿ ïðîöåññîâ ñ ðàçíûì
óðîâíåì òåõíîëîãè÷åñêèõ òåìïåðàòóð Tfl [14].
3.2. Îáðàçîâàíèå äèñïåðñíîé ôàçû
Èç ìåòîäèêè, èçëîæåííîé âûøå, ñëåäóåò,
÷òî îïðåäåëåíèå ëþáûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ õàðàê-
òåðèñòèê ãîðåíèÿ òîïëèâà (òåïëîòû ñãîðàíèÿ,
ÊÏÄ) ñâÿçàíî ñ îöåíêîé ñîñòîÿíèÿ ïðîäóêòîâ
ñãîðàíèÿ ïðè õàðàêòåðíûõ òåìïåðàòóðàõ (ÒÒ,
Tfl) ïî îòíîøåíèþ ê áàçîâîìó ñîñòîÿíèþ ïðè
ñòàíäàðòíûõ óñëîâèÿõ (Ò0 = 298,15 Ê). Ýíòàëü-
ïèÿ ïðîäóêòîâ ïðè Ò0 çàâèñèò îò èõ ðàâíîâåñ-
íîãî ñîñòàâà. Ïðè óêàçàííîé òåìïåðàòóðå ïðî-
èñõîäèò ñóùåñòâåííàÿ êîíäåíñàöèÿ ïàðîâ âîäû
(íàïðèìåð, ïðè ñæèãàíèè ïðèðîäíîãî ãàçà Ò0
âî âñåì äèàïàçîíå âàðüèðîâàíèÿ
íèæå òî÷êè
ðîñû ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ [15]. Ó÷åò êîíäåíñà-
öèè ïàðîâ ïðîèçâîäèòñÿ ââåäåíèåì ïîíÿòèé î
âûñøåé Qð
â è íèçøåé Qð
í òåïëîòå ñãîðàíèÿ
(ñì. âûðàæåíèÿ (11) è (15)).
Ïîìèìî ýòîãî, â ñëó÷àå ñæèãàíèÿ óãëåâîäî-
ðîäíîãî òîïëèâà ïðè ïîíèæåíèè òåìïåðàòóðû
ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ âåðîÿòíîñòü
ïîÿâëåíèÿ äèñïåðñíîãî óãëåðîäà (÷àñòè÷åê ñà-
æè) â ñîñòàâå ðàâíîâåñíûõ ïðîäóêòîâ.
Îáðàçîâàíèå òâåðäîé ôàçû (îáû÷íî ñàæèñòî-
ãî óãëåðîäà Ñ) ïðè ñæèãàíèè ãàçîîáðàçíîãî òîï-
ëèâà ìîæåò èìåòü ìåñòî â ñëó÷àå ïðåäâàðèòåëüíî
ïåðåìåøàííûõ ñìåñåé è â äèôôóçèîííîì ïëàìå-
íè.  ïåðâîì ñëó÷àå, êàê ïðàâèëî, ýòî èìååò ìå-
ñòî ïðè ñóùåñòâåííîì íåäîñòàòêå îêèñëèòåëÿ (êî-
ýôôèöèåíò èçáûòêà îêèñëèòåëÿ
<< 1,0), à âî
âòîðîì ìîæåò ïðîèñõîäèòü â îòäåëüíûõ ëîêàëè-
çàöèÿõ ñ íèçêèì ñîäåðæàíèåì Î2 ïðè îáùåì ñòå-
õèîìåòðè÷åñêîì èëè äàæå èçáûòî÷íîì (
� 1,0)
ââîäå îêèñëèòåëÿ ÷åðåç ãîðåëêó.
Îáðàçîâàíèå ñàæè ïðè ãîðåíèè ãàçîîáðàç-
íûõ óãëåâîäîðîäîâ, â òîì ÷èñëå â óñëîâèÿõ ðå-
öèðêóëÿöèè ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ [10], è èõ êîí-
âåðñèè (âîçäóøíîé, êèñëîðîäíîé, ïàðîâîé, óã-
ëåêèñëîòíîé èëè ñìåøàííîé) ÿâëÿåòñÿ ñóãóáî
êèíåòè÷åñêèì ïðîöåññîì è ðàçâèâàåòñÿ âî âðå-
ìåíè. Òàêîé ïðîöåññ çàâèñèò îò ëîêàëüíîãî ñî-
ñòàâà ðåàãèðóþùåé ñìåñè è òåìïåðàòóðû. Åñëè
ê ýòîìó äîáàâèòü óêàçàíèÿ íà òî, ÷òî îáðàçîâà-
íèå ñàæè òðåáóåò çíà÷èòåëüíîãî âðåìåíè (� >
10–4 ñ äëÿ ïðåäâåñòíèêîâ è çàðîäûøåé ñàæè
16 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 1
[16]), òî òåðìîäèíàìè÷åñêîå îïèñàíèå (� � �)
ÿâëÿåòñÿ ïåðâûì, îäíàêî íåîáõîäèìûì ïðèáëè-
æåíèåì ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè ïðîöåññà.
Òåðìîäèíàìè÷åñêèé àíàëèç ïîçâîëÿåò îöå-
íèòü âëèÿíèå ñîñòàâà ñìåñè è ðåæèìíûõ ïàðà-
ìåòðîâ (òåìïåðàòóðà, äàâëåíèå) íà ðàâíîâåñíîå
ñîäåðæàíèå Ñ â ïðîäóêòàõ ðåàêöèè.
Ïåðâè÷íàÿ îöåíêà ïîÿâëåíèÿ óãëåðîäà â
ïðîäóêòàõ ãîðåíèÿ óãëåâîäîðîäîâ â óñëîâèÿõ
íåäîñòàòêà îêèñëèòåëÿ ìîæåò áûòü ïðîâåäåíà ñ
èñïîëüçîâàíèåì áðóòòî-ðåàêöèè:
Cx Hy + � O2 � 2 � CO +
+ 0,5 y H2 + (x – 2 �) C. (19)
 ìîíîãðàôèè [8], èñõîäÿ èç ðàññìîòðåíèÿ
ýòîé ðåàêöèè, óêàçûâàåòñÿ íà òî, ÷òî ñîîòíîøå-
íèå x > 2 � èëè îòíîøåíèå ÷èñëà ãðàìì-àòîìîâ
Ñ/Î > 1 ÿâëÿåòñÿ óñëîâèåì ïîÿâëåíèÿ ñàæè â
ïðîäóêòàõ ðåàêöèè. Ïðèçíàâàÿ îöåíî÷íûé õà-
ðàêòåð ýòîãî óñëîâèÿ, íåëüçÿ ñîãëàñèòüñÿ ñ âû-
ñêàçàííûì â [8] ñîîáðàæåíèåì î òîì, ÷òî ïîä-
òâåðæäåíèå èëè íåïîäòâåðæäåíèå ýòîãî ñîîòíî-
øåíèÿ â ýêñïåðèìåíòå ÿâëÿåòñÿ ñâèäåòåëüñòâîì
ñîîòâåòñòâåííî òåðìîäèíàìè÷åñêîé èëè êèíåòè-
÷åñêîé ïðèðîäû îáðàçîâàíèÿ ñàæèñòûõ ÷àñòèö
ïðè ãîðåíèè.
 ðàáîòå [8] ïðèâåäåíà ñâîäêà èçìåðåí-
íûõ ïðåäåëîâ ñàæåîáðàçîâàíèÿ äëÿ íåêîòî-
ðûõ ñëó÷àåâ: áóíçåíîâñêîé ãîðåëêè, ðåàêòîðà
èäåàëüíîãî ïåðåìåøèâàíèÿ è ïëîñêîãî ïëàìå-
íè — äëÿ äàâëåíèé 1 è 26 ìáàð ïðè
òåìïåðàòóðå 1800 Ê. Â ýòîì îáîáùåíèè ïîêà-
çàíî, ÷òî â îïûòàõ îòìå÷àëîñü ñîîòíîøåíèå
Ñ/Î = 0,42–0,95 â êà÷åñòâå ïðåäåëüíîãî äëÿ
îáðàçîâàíèÿ ñàæè, òî åñòü ôèêñèðîâàëàñü âå-
ëè÷èíà ìåíüøå 1. Ýòî äàåò îñíîâàíèå óòâåð-
æäàòü, ÷òî ïðîöåññ ñàæåîáðàçîâàíèÿ îïðåäå-
ëÿåòñÿ êèíåòè÷åñêèìè ôàêòîðàìè [8].
Íà íàø âçãëÿä, ýòîò âûâîä ïðåäñòàâëÿåòñÿ
íåîáîñíîâàííî àáñîëþòèçèðîâàííûì. Óðàâíå-
íèå íåïîëíîãî ãîðåíèÿ óãëåâîäîðîäîâ (19) ÿâ-
ëÿåòñÿ ÷ðåçâû÷àéíî îãðàíè÷åííûì (ñàìè àâòî-
ðû [8] óêàçûâàþò íà åãî ôîðìàëüíûé õàðàê-
òåð), íå ó÷èòûâàþùèé ïîïóòíîãî îáðàçîâàíèÿ
ìíîæåñòâà äðóãèõ êîìïîíåíò: ïðîìåæóòî÷íûõ
(âàæíåéøèå èç íèõ â ñîîòâåòñòâèè ñ òåðìîäèíà-
ìè÷åñêèìè ðàñ÷åòàìè — NH3, C2H2, C2H6), à
òàêæå ïðîäóêòîâ çàâåðøåííîãî ãîðåíèÿ (ÑÎ2,
Í2Î) [1, 4].
Ïðè ýòîì äàæå òåðìîäèíàìè÷åñêèé ñîñòàâ
ðàâíîâåñíûõ ïðîäóêòîâ, âêëþ÷àÿ ñàæèñòûå ÷àñ-
òèöû, ìîæåò áûòü ðàçëè÷íûì, èáî çàâèñèò îò
òåìïåðàòóðû è äàâëåíèÿ ïðîöåññà, à òàêæå îò
âûáîðà àäåêâàòíîãî íàáîðà êîìïîíåíò â ñìåñè
ïðîäóêòîâ ðåàêöèè è ìåòîäà ÷èñëåííîãî ðåøå-
íèÿ ñèñòåìû óðàâíåíèé ðàâíîâåñèÿ.
Ðàñ÷åòíàÿ îáëàñòü ñàæåîáðàçîâàíèÿ è åe
ãðàíèöà â êîîðäèíàòàõ «òåìïåðàòóðà ïðîöåññà
Ò — êîýôôèöèåíò èçáûòêà îêèñëèòåëÿ �» ïðè
ñæèãàíèè ñìåñåé ÑÍ4 – Î2 – N2 ïðåäñòàâëåíà
íà ðèñ.3 ïî ðåçóëüòàòàì íàøèõ ðàñ÷åòîâ ñ èñ-
ïîëüçîâàíèåì ïðîãðàììû «FUEL» íà ñîòíè
êîìïîíåíò, ðàçðàáîòàííîé ïîä ðóêîâîäñòâîì
àâòîðà è íàøåé óïðîùåííîé ìåòîäèêè. Óñòà-
íîâëåíî, ÷òî � � 0,25 ñîîòâåòñòâóåò ìàêñèìàëü-
íîìó çíà÷åíèþ �, âûçûâàþùåìó ñàæåîáðàçîâà-
íèå ïðè òåìïåðàòóðàõ âûøå 800 �Ñ. ×åì íèæå
òåìïåðàòóðà, òåì âûøå çíà÷åíèå � äëÿ îáëàñòè
ñàæåîáðàçîâàíèÿ â óñëîâèÿõ òåðìîäèíàìè÷åñêî-
ãî ðàâíîâåñèÿ.
Ñ òî÷êè çðåíèÿ òåðìîäèíàìèêè ïðè ïîâû-
øåíèè òåìïåðàòóðû îòìå÷àþòñÿ äâå ïðîòèâîïî-
ëîæíûå òåíäåíöèè: óâåëè÷åíèå âûõîäà Ñ ñ ðîñ-
òîì òåìïåðàòóðû â ïðîöåññå òåðìè÷åñêîãî êðå-
êèíãà è ñíèæåíèå ñàæåîáðàçîâàíèÿ ïðè ýòîì
äëÿ ðåàêöèé îêèñëåíèÿ áîãàòûõ ñìåñåé ïðèðîä-
íîãî ãàçà ñ ìàëûìè �.
Ðåàêöèÿ ðàçëîæåíèÿ ÑÍ4 ñ îáðàçîâàíèåì Ñ íà-
ðàñòàåò ñ òåìïåðàòóðîé, àñèìïòîòè÷åñêè ñòðåìÿñü ê
ïðåäåëüíîé êîíöåíòðàöèè [C] � 75 % (ìàñ.). Ïî ìå-
ðå óâåëè÷åíèÿ äîëè îêèñëèòåëÿ ïðè ñìåøèâàíèè
ñ âîçäóõîì ÑÍ4 è ïîñëåäóþùåì ñæèãàíèè ïðî-
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 1 17
Ðèñ.3. Îáëàñòü ñàæåîáðàçîâàíèÿ (çàøòðèõîâàíà) â êîîðäè-
íàòàõ Ò — � ïðè ñæèãàíèè ñìåñåé ïðèðîäíîãî ãàçà ñ àçîòî-
âîäîðîäíûìè îêèñëèòåëÿìè. Ðàñ÷åò: à — ñ èñïîëüçîâàíèåì
ïðîãðàììû «FUEL»; á — ïî óïðîùåííîé ìîäåëè íà 7 êîì-
ïîíåíò â ïðîäóêòàõ ñãîðàíèÿ.
èñõîäèò ïåðåõîä îò íàðàñòàíèÿ äîëè Ñ (ñàæè) ñ
ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû ê ñóùåñòâåííîìó ïà-
äåíèþ, âïëîòü äî ïðàêòè÷åñêîãî èñ÷åçíîâåíèÿ
òâåðäîé ôàçû. Óðîâåíü âûáðàííûõ òåìïåðàòóð
Ò = 573–1773 Ê â äèàïàçîíå
= 0,1– 0,2 ïðåäïî-
ëàãàåò èñïîëüçîâàíèå âíåøíåãî èñòî÷íèêà ýíåð-
ãèè. Â îáëàñòè
� 0,12 ñîäåðæàíèå ñàæè âîçðàñ-
òàåò ñ òåìïåðàòóðîé, ïðè
� 0,14 ñ ïîâûøåíèåì
Ò äîëÿ [Ñ] ñíèæàåòñÿ äî îïðåäåëåííîãî óðîâíÿ,
ãäå ñëàáî çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû (êîíå÷íàÿ ñà-
æà). Ïðè ýòîì äîëÿ óïîìÿíóòîé òåðìîäèíàìè÷å-
ñêè ðàâíîâåñíîé ñàæè ñ ïîâûøåíèåì
� 0,14
ïîíèæàåòñÿ [17].
3.3. Îöåíêà íàäåæíîñòè ðåçóëüòàòîâ ðàñ-
÷åòîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì ïðîãðàììíîãî ïðîäóê-
òà «FUEL»
Äëÿ îöåíêè ïðîãðàììíîãî ïðîäóêòà
«FUEL» ïîëó÷åííûå ñ åãî ïîìîùüþ ðåçóëüòàòû
ñîïîñòàâèì ñ òàêîâûìè, íàéäåííûìè äðóãèìè
ñðåäñòâàìè. Ðàñ÷åòû ïðîâîäèëèñü îòíîñèòåëüíî
èñïîëüçîâàíèÿ åâðîïåéñêîãî ïðèðîäíîãî ãàçà
Holland L. Ïðèðîäíûé ãàç Holland-Erdgas L
èìååò ñëåäóþùèé ñîñòàâ [18], % (îá.): CO2 —
1,71; N2 — 10,11; O2 < 0,01; CH4 — 83,08;
C2H6 — 3,97; C3H8 — 0,81; C4H10 — 0,22;
C5H12 — 0,06; (C6 +) — 0,04.
 òàáë.1 ïðèâåäåíû ñîñòàâû ðàâíîâåñíûõ
ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ ïðèðîäíîãî ãàçà Holland L
[18] ïðè ðàçíûõ òåìïåðàòóðàõ è êîýôôèöèåí-
òàõ èçáûòêà âîçäóõà
, êîòîðûå ïîëó÷åíû ñ èñ-
ïîëüçîâàíèåì ïðîãðàììíûõ ïðîäóêòîâ «FUEL»
è «TERRA». Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ, ïðèâåäåííûõ
â òàáë.1, ñâèäåòåëüñòâóåò î õîðîøåì ñîâïàäå-
íèè ñîñòàâà ðàâíîâåñíûõ ïðîäóêòîâ ïðè èõ ðàñ-
÷åòå ñ èñïîëüçîâàíèåì ïðîãðàìì «FUEL» è
«TERRA». Äëÿ êîìïîíåíòîâ ñ êîíöåíòðàöèåé
ìåíüøå 1 % àáñîëþòíîå ðàñõîæäåíèå ñîñòàâëÿ-
åò 0,05–0,10 %, ñ êîíöåíòðàöèåé ìåíüøå 20 %
— 0,05–0,70 %, äëÿ N2 — íå ïðåâûøàåò 1 %.
 òàáë.2 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà
òåîðåòè÷åñêèõ òåìïåðàòóð ãîðåíèÿ ÒÒ ðàçíûõ
òîïëèâíûõ ñìåñåé ñ îêèñëèòåëÿìè ïðè òåìïåðà-
òóðå èñõîäíîé ñìåñè 298,15 K è
= 1,0, ïîëó-
÷åííûå ñ ïîìîùüþ ïðîãðàìì «FUEL» è
«TERRA». Ýòè ðåçóëüòàòû ñîïîñòàâëåíû ñ ëè-
òåðàòóðíûìè äàííûìè èç ðàáîòû [8]. Ðàñõîæ-
äåíèÿ íå ïðåâûøàþò 0,8 % (îòí.), ÷òî óêàçûâà-
18 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 1
Òàáëèöà 1. Ñîñòàâ ðàâíîâåñíûõ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ â çàâèñèìîñòè îò òåìïåðàòóðû
Êîìïîíåíò, % (îá.) 378 Ê (105 �C) 573 Ê (300 �C) 773 Ê (500 �C) 2198 Ê (1925 �C)
Ïðè
= 1,05
H –/– –/– –/– 0,023/0,023
H2 –/– –/– –/– 0,181/0,16
H2O 17,46/17,66 17,46/17,65 17,46/17,66 17,03/17,24
N2 72,22/71,74 72,22/71,74 72,22/71,74 71,76/71,28
O2 0,98/1,28 0,98/1,2 0,98/1,28 1,08/1,34
CO –/– –/– –/– 0,50/0,45
CO2 9,34/9,32 9,34/9,32 9,34/9,31 8,80/8,83
Ïðè
= 0,70
H –/– –/– –/– 0,14/0,13
H2 0,012/0,012 1,27/1,27 9,17/9,06 6,01/0,16
H2O 21,40/21,92 16,61/17, 24 12,57/13,20 17,06/17,74
NO –/– –/– –/– 0,0083/0,0085
N2 69,28/68,69 69,22/68,25 65,61/65,10 64,33/63,98
O –/– –/– –/– 0,00083/0,0009
CO –/– 0,18/0,18 1,46/1,39 4,33/4,59
CO2 7,52/7,69 9,80/9,94 10,25/10,41 8,80/8,83
Ïðè
= 1,30
H –/– –/– –/– 0,015/0,056
H2 –/– –/– –/– 0,075/0,074
H2O 14,37/14,54 14,37/14,54 14,37/14,54 14,05/14,22
NO –/– –/– –/– 0,0083/0,0085
N2 73,43/73,00 73,43/73,00 73,42/73,00 72,95/72,50
O2 4,50/4,80 4,50/4,79 4,50/4,78 4,24/4,51
CO –/– –/– –/– 0,21/0,21
CO2 7,69/7,67 7,69/7,67 7,69/7,67 7,45/7,44
Ïðèìå÷àíèå.  ÷èñëèòåëå — «FUEL», â çíàìåíàòåëå — «TERRA». Ïðè
= 0,70 è 378 K ïðèñóòñòâóåò óãëåðîä â ôîðìå
ñàæè â êîëè÷åñòâå 0,0178 êã/êã ñìåñè.
åò íà çàìå÷àòåëüíîå ñîîòâåòñòâèå ìàòåìàòè÷å-
ñêèõ ìîäåëåé, ðåàëèçîâàííûõ â àëãîðèòìå îáå-
èõ ïðîãðàìì.
Âûâîäû
Ïðåäëàãàåòñÿ èñïîëüçîâàòü òåîðåìó Êàðíî
äëÿ õèìè÷åñêè ðåàãèðóþùåé ñèñòåìû ïðè îïðå-
äåëåíèè ÊÏÄ èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà �f è òåï-
ëîòû �H â ïå÷íîé èëè òîïî÷íîé êàìåðå, â òîì
÷èñëå ïðè èñïîëüçîâàíèè ñèñòåìû óòèëèçàöèè
òåïëîòû ïðîäóêòîâ.
Óñòàíîâëåíî, ÷òî õàðàêòåðíîé âåëè÷èíîé
ïðè âûïîëíåíèè ðàñ÷åòîâ ÿâëÿåòñÿ óäåëüíàÿ èç-
áûòî÷íàÿ ïîëíàÿ ýíòàëüïèÿ 1 êã ðàâíîâåñíûõ
ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ Ig èëè ïðîäóêòîâ ñãîðà-
íèÿ 1 êã òîïëèâà If ïðè òåîðåòè÷åñêîé òåìïå-
ðàòóðå ãîðåíèÿ ÒÒ (âåðõíèé ïîòåíöèàë) è ïðè
òåìïåðàòóðå óõîäÿùèõ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ Tfl
(íèæíèé ïîòåíöèàë).
Îïèñàíà êîìïüþòåðíàÿ ïðîãðàììà «FUEL»
äëÿ ðàñ÷åòà ñîñòàâîâ è ñâîéñòâ òåðìîäèíàìè÷å-
ñêè ðàâíîöåííûõ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ â ñèñòåìå
ýëåìåíòîâ C–H–O–N–S, ðàçðàáîòàííàÿ â Èí-
ñòèòóòå ãàçà ïîä ðóêîâîäñòâîì Á.Ñ.Ñîðîêè.
Ïðîâåäåíà âåðèôèêàöèÿ ïðîãðàììû ïî äðóãèì
ïðîãðàììíûì ïðîäóêòàì («TERRA») è ëèòåðà-
òóðíûì äàííûì, äîêàçûâàþùàÿ àäåêâàòíîñòü
ðàñ÷åòîâ ïî ïðîãðàììå «FUEL».
 ñâÿçè ñ îáðàçîâàíèåì âåùåñòâ â êîíäåí-
ñèðîâàííîé ôàçå (âîäà, ÷àñòèöû ñàæè) ïî ìåðå
ïîíèæåíèÿ Tfl èçó÷åíû ïðåäåëû ñàæåîáðàçîâà-
íèÿ â êîîðäèíàòàõ «êîýôôèöèåíò èçáûòêà âîç-
äóõà
— òåìïåðàòóðà», à òàêæå ïðåäëîæåíà
ìåòîäèêà ðàñ÷åòà âûñøåé Qð
â è íèçøåé Qð
í
òåïëîòû ñãîðàíèÿ òîïëèâ ñ èñïîëüçîâàíèåì
ïðîãðàììû «FUEL».
Óñëîâíûå îáîçíà÷åíèÿ
Bf – ìàññîâûå çàòðàòû òîïëèâà, êã/÷
Hf* – òåïëîâîé ýôôåêò ãîðåíèÿ, êÄæ/êã
Iox, Ig – óäåëüíàÿ ïîëíàÿ ýíòàëüïèÿ 1 êã îêèñëèòåëÿ è
ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ
Lst – îáúåìíûé ñòåõèîìåòðè÷åñêèé êîýôôèöèåíò îêèñ-
ëèòåëü/ãîðþ÷åå, ì3/ì3
�m g – ìàññîâûé ïîòîê (çàòðàòû) ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ,
êã/÷
M – ìîëåêóëÿðíàÿ ìàññà âåùåñòâà
�Qloss,i – ïîòîê òåïëîâûõ ïîòåðü i-ãî âèäà
�Quse – ïîòîê ïîëåçíîé òåïëîòû, êÄæ/÷ (èëè êÄæ/ñ � êÂò)
– êîýôôèöèåíò èçáûòêà îêèñëèòåëÿ
Èíäåêñû: à — âîçäóõ-îêèñëèòåëü, f — ãîðþ÷åå (òîïëè-
âî), g — ïðîäóêòû ñãîðàíèÿ, H — ïðè îöåíêå ýíåðãèè (òåï-
ëîòû), Ì — ïðèåìíàÿ ïîâåðõíîñòü â ïå÷è, ox — îêèñëè-
òåëü, fl— ïðè òåìïåðàòóðå íà âûõîäå èç òîïêè, Ò — ïðè
òåîðåòè÷åñêîé òåìïåðàòóðå ãîðåíèÿ, çíà÷îê * â âåðõíåì èëè
íèæíåì èíäåêñå ñîîòâåòñòâóåò ðàâíîâåñíûì ïðîäóêòàì ñãî-
ðàíèÿ ñòåõèîìåòðè÷åñêîé òîïëèâî-âîçäóøíîé ñìåñè (
=
1,0), âçÿòîé ïðè ñòàíäàðòíûõ óñëîâèÿõ (Ò0 = 298,15 Ê), ëè-
áî ïî îòíîøåíèþ ê õàðàêòåðèñòèêàì òàêîé ñìåñè, 0 — áàçà
îòñ÷åòà, ñòàíäàðòíûå óñëîâèÿ (T0, P = 0,1 ÌÏà).
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
1. Òàðã Ñ.Ì, Âèøíåâåöêèé Ñ.Ë., Àðóòþíîâ Â.À. Ìîäå-
ëèðîâàíèå // Ôèçè÷åñêèé ýíöèêëîïåäè÷åñêèé ñëî-
âàðü. — Ì. : Ñîâ. ýíöèêë., 1984. — Ñ. 426–427.
2. Êàðï È.Í., Ñîðîêà Á.Ñ., Äàøåâñêèé Ë.Í., Ñåìåð-
íèíà Ñ.Ä. Ïðîäóêòû ñãîðàíèÿ ïðèðîäíîãî ãàçà
ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ (ñîñòàâ è òåðìîäèíà-
ìè÷åñêèå ñâîéñòâà). — Êèåâ : Òýõíèêà, 1967.—
382 ñ.
3. Pioro L.S., Pioro I.L., Kostyuk T.O., Soroka B.S.
Industrial Application of Submerged Combustion
Melters. — Kyiv : Fact Publ., 2006. — 240 p.
4. Soroka B., Sandor P. Simplified design method of effi-
ciency’s and NOx yield’s evaluation at the industrial
furnaces under replacement of type of combustible
Gas // Proc. VII Intern. Sci. Conf. on Combustions
and Heat Technics, Miscolc, May 27, 1998. — Mis-
colc : University of Miscolc, 1998. — Ð. 103–113.
5. Òðóñîâ Á.Ã. «TERRA» : Ïðîãðàììà òåðìîäèíàìè-
÷åñêîãî ðàñ÷åòà ñîñòàâà ôàç ïðîèçâîëüíûõ ãåòåðî-
ãåííûõ ñèñòåì, à òàêæå èõ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ è
òðàíñïîðòíûõ ñâîéñòâ. — M., 2002.
6. Ñîðîêà Á.Ñ. Èíòåíñèôèêàöèÿ òåïëîâûõ ïðîöåññîâ
â òîïëèâíûõ ïå÷àõ. — Êèåâ : Íàóê. äóìêà, 1993.
— 416 ñ.
7. All-Halbouni A. Kontinuierliche Luftstufung: Ein
neuer Weg zur Beherrschung des Verbrennungs –
und Schadstoffverhaltens von Gasflammen // Gas
Warme. — 2000. — H. 4/5 (49). — S. 207–212.
8. Âàðíàòö Þ., Ìààñ Ó., Äèááë Ð. Ãîðåíèå (ôèçè÷å-
ñêèå è õèìè÷åñêèå àñïåêòû, ìîäåëèðîâàíèå, ýêñ-
ïåðèìåíòû, îáðàçîâàíèå çàãðÿçíÿþùèõ âåùåñòâ).
— Ì. : Ôèçìàò, 2003. — 347 ñ.
9. Ñîðîêà Á.Ñ., Êóäðÿâöåâ Â.Ñ. Ìåòîäîëîãèÿ òåðìîäè-
íàìè÷åñêîãî àíàëèçà èñïîëüçîâàíèÿ òîïëèâà ñ ïðè-
ìåíåíèåì ìàòåìàòè÷åñêîãî è êîìïüþòåðíîãî ìîäåëè-
ðîâàíèÿ // Ñá. òð. êîíô. «SIMULATION–2008»,
Êèåâ, 14–16 ìaÿ 2008 ã. — Êèåâ : Èí-ò ïðîáëåì ìî-
äåëèðîâàíèÿ â ýíåðãåòèêå ÍÀÍ Óêðàèíû, 2008. —
Ò. 1. — Ñ. 337 – 343.
10. Ñîðîêà Á.Ñ. Ñæèãàíèå ïðèðîäíîãî ãàçà ñ íåäîñ-
òàòêîì îêèñëèòåëÿ. 3. Ñàæåîáðàçîâàíèå ïðè ñæè-
ãàíèè ãàçà â óñëîâèÿõ, îáåñïå÷èâàþùèõ ïîíèæåí-
íûé âûõîä NOx // Ýêîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáå-
ðåæåíèå. — 2005. — ¹ 3. — Ñ. 8–15.
11. Warmetechnische Begriffe und Erlauterungen (Teil
4) // GASWARME Intern. — 2007. — H. 6 (56).
— S. 445– 446.
12. Òåðìîäèíàìè÷åñêèå ñâîéñòâà èíäèâèäóàëüíûõ âå-
ùåñòâ : Ñïðàâ. / Ïîä ðåä. àêàä. Â.Ï.Ãëóøêî. —
Ì. : Íàóêà, 1978–1982.
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 1 19
Òàáëèöà 2. Òåîðåòè÷åñêèå òåìïåðàòóðû ÒÒ ãî-
ðåíèÿ òîïëèâî-îêèñëèòåëüíûõ ñìåñåé
Èñòî÷íèê Í2/ âîç-
äóõ
Í2/O2
ÑÍ4/ âîç-
äóõ
Ñ2Í2/ âîç-
äóõ
«FUEL» 2375 3079 2221 2537
«TERRA» 2385 3079 2225 2543
[8] 2380 3083 2222 2523
13. Ïðèãîæèí È., Êîíäåïóäè Ä. Ñîâðåìåííàÿ òåðìî-
äèíàìèêà. Îò òåïëîâûõ äâèãàòåëåé äî äèññèïà-
òèâíûõ ñòðóêòóð. — Ì. : Ìèð, 2002. — 461 ñ.
14. Ñîðîêà Á.Ñ., Êóäðÿâöåâ Â.Ñ. Ìåòîäîëîãèÿ
òåðìîäèíàìè÷åñêîãî àíàëèçà ñ ïðèìåíåíèåì ìàòå-
ìàòè÷åñêîãî è êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ //
Çá. íàóê. ïð. — Êè¿â : ²í-ò ïðîáëåì ìîäåëþâàííÿ â
ýíåðãåòèö³ ÍÀÍ Óêðà¿íè, 2008. — Âèï. 48. —
Ñ. 26–34.
15. Ñîðîêà Á.Ñ. Ìåòîäèêà ðàñ÷åòà âûïàðèâàíèÿ
æèäêîñòè ïðè ðàáîòå àïïàðàòîâ ïîãðóæíîãî ãîðå-
íèÿ // Õèì. òåõíîëîãèÿ. — 1992. — ¹ 2. —
Ñ. 32–39.
16. Wishnick D., Smirnov V., Hobson B. et al. Develop-
ment and commercialization of the next generation oxy-
gen / fuel burner. — Chicago : Eclipse / Combustion
Tec / Gas Technology Institute. — 2002. — 9 p.
17. Ñîðîêà Á.Ñ. Ñæèãàíèå ïðèðîäíîãî ãàçà ñ íåäîñ-
òàòêîì îêèñëèòåëÿ è ñàæåîáðàçîâàíèå. 2. Ñàæå-
îáðàçîâàíèå ïðè áàçîâûõ ñõåìàõ ñæèãàíèÿ ãà-
çîâîãî òîïëèâà // Ýêîòåõíîëîãèè è ðåñóðñî-
ñáåðåæåíèå. — 2005. — ¹ 1. — Ñ. 9–19.
18. Warmetechnische Daten und Begriffe. Erdgas —
Datenblatt // GASWARME Intern. — 2007. —
H. 6 (56). — S. 444.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 06.05.09
20 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 1
Energy and Environmental Analisis of Fuel and Energy Utilization
Efficiency by Means of Mathematical and Computer Modelling.
1. Caculation Procedure of Energy Efficiency Account and Thermal
Physics Studying of the Technique
Soroka B.S., Kudryavtsev V.S., Karabchievskaya R.S.
The Gas Institute of NASU, Kiev
The methodology and the technique of implementation the procedures as well as appro-
priate computer codes for calculations of the energy efficiency of fuel – oxidant mixtures
of arbitrary composition have been proposed. The model of «ideal furnace» has been as-
sumed by evaluation the thermal process under fuel combustion. The mixture of equilib-
rium combustion products is considered as heat — transfer medium, level of process tem-
peratures is represented by flue gases temperature Tfl, evaluation of perfection the ther-
mal process is performed with enthalpy efficiencies of fuel �f and heat �H utilization.
Formation of the components in condensed phase (of water and of soot particles) has
been taken into account both at standard temperature Ò0 = 298,15 K and by process con-
dition approaching from Tfl to Ò0.
Key words: thermodynamic equilibrium analysis and computation, ideal furnace, theo-
retical combustion temperature, specific total enthalpy, fuel utilization efficiency.
Received May 6, 2009
Ïîäïèñûâàéòåñü íà æóðíàë
«Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå» (èíäåêñ 74546)
íà 2010 ã. ïî Êàòàëîãó èçäàíèé Óêðàèíû,
Êàòàëîãó Àãåíòñòâà «Ðîñïå÷àòü»,
Ñâîäíîìó Êàòàëîãó àãåíòñòâà «ÓÊвÍÔÎÐÌÍÀÓÊÀ» äëÿ
èçäàíèé, âûïóñêàåìûõ àêàäåìèÿìè íàóê — ÷ëåíàìè ÌÀÀÍ
Èíôîðìàöèþ î æóðíàëå
è ïðàâèëàõ îôîðìëåíèÿ ñòàòåé ìîæíî íàéòè íà ñàéòàõ:
http://www.ingas.org.ua/index.files/Page765.htm
http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/ETRS/index.html
|