Подогрев дутья: сколько тепла можно вернуть и что придётся переделать

Расчёты и пояснения

Оглавление · Предметный указатель

GWEB_C0020

У газогенератора есть горячий выходящий поток, а в слой подаётся холодный воздух. Возникает вполне понятная мысль: отнять тепло у первого и передать второму. Сначала кажется, что осталось поставить между ними теплообменник. Потом выясняется, что горячего газа на нужном режиме меньше, поверхность постепенно зарастает, а подогретый воздух в прежнем канале идёт с другой скоростью. Сначала я разберу теплообменник, затем на отдельном примере посчитаю, как нагрев воздуха и пара меняет расход воздуха, азотное разбавление и химическую энергию газа.

Дутьём называют газифицирующий агент, подаваемый в аппарат. В расчёте ниже это сухой воздух. Если в дутьё добавляют пар, меняются масса, теплоёмкость и количество реагента, а на получение пара тратится энергия. Такой вариант ниже посчитаем отдельно, вместе с реактором.

Практический итог

В приведённом ниже учебном примере для чистого углерода подогрев воздуха до 500 °C и пара до 800 °C уменьшает расход воздуха на 15% относительно холодного варианта. В сухом кубометре газа становится на 40,7% больше энергии, а во всём полученном газе на килограмм углерода — на 26,6%; это разные показатели. Если же оплачивать подогрев сжиганием собственного газа в отдельной топке с КПД 80%, чистая прибавка отпускаемой химической энергии сокращается примерно до 2,2%, ещё до прочих затрат. Главный смысл рекуперации — вернуть тепло, которое иначе пропало бы при охлаждении; выигрыш нужно сопоставить со стоимостью теплообменника, очистки и тяги.

Откуда берётся выигрыш

Часть топлива окисляется, обеспечивая теплотой нагрев поступающих веществ и эндотермические реакции, в частности взаимодействие углерода с водяным паром и диоксидом углерода. Подогретый воздух приносит в слой больше физического тепла. При прежних расходах это может повысить температуру; при согласованном изменении режима — изменить распределение топлива между окислением и получением горючего газа [1].

Положение границы важно. Если источник — собственный генераторный газ, рекуператор возвращает часть уходящей энергии. Для отдельного реактора подогретое дутьё является входом, для всей установки с рекуператором это внутренний перенос. Если источник — соседняя печь, тепло приходит извне. Если горячий газ прежде отдавали потребителю без охлаждения, часть его полезного тепла теперь отняли у потребителя. Во всех трёх случаях теплообменник может работать одинаково, а хозяйственный результат будет разным.

В опытах Сунцова исследовали подогрев паровоздушного дутья сначала на коксике, затем на конкретном каменном угле; промышленную установку связали с отходящими продуктами горения мартеновской печи [2]. Существенна здесь сама последовательность: исследования топлива и процесса, расчёт, опытная промышленная реализация. Полученные там режимы не служат назначением температуры для щепы.

Сколько тепла нужно воздуху

Для потока без фазового перехода и заметного изменения состава используем:

Q̇ = ṁ × c̄p × ΔT

Q̇ — передаваемая тепловая мощность, кВт, то есть кДж/с; ṁ — массовый расход, кг/с; c̄p — средняя удельная теплоёмкость при постоянном давлении, кДж/(кг·К); ΔT — изменение температуры, К. Черта над c обозначает среднее значение по температурному интервалу. Точка над Q и m обозначает величину за единицу времени. Разность температур имеет одинаковое численное значение в кельвинах и градусах Цельсия.

В точном расчёте вместо c̄p × ΔT берут разность удельных энтальпий Δh, кДж/кг. Это особенно важно при большом изменении теплоёмкости, конденсации или испарении. Ниже постоянные средние теплоёмкости позволяют повторить весь пример на обычном калькуляторе. Основные соотношения теплового баланса и теплообмена приведены в справочнике по теплопередаче [3].

Один рекуператор, два потока

Все расходы, температуры, ограничения и геометрические числа примера условные. Считаем установившийся идеальный противоток: горячий и холодный потоки движутся навстречу друг другу, не смешиваются, тепло в окружающую среду пока не теряется, реакций и конденсации внутри нет. Это проверка тепловой возможности, а не рабочий проект аппарата для горючего газа.

Обозначения схемы: 1 — газогенератор; 2 — рекуператор; 3 — горячий газ; 4 — газ после охлаждения; 5 — холодный воздух; 6 — нагретое дутьё возвращается в реактор; 7 — тепло через разделяющую стенку. Потоки не смешиваются; показан противоток. Потери, загрязнение и герметичность проверяют отдельно.

Задаём исходные данные:

• воздух: ṁ_в = 0,10 кг/с, или 360 кг/ч; температура на входе t_в,вх = 20 °C; желаемая температура на выходе t_в,вых = 200 °C;
• средняя теплоёмкость воздуха c̄p,в = 1,01 кДж/(кг·К);
• горячий газ: ṁ_г = 0,15 кг/с, или 540 кг/ч; входная температура t_г,вх = 500 °C; средняя теплоёмкость c̄p,г = 1,32 кДж/(кг·К);
• по условию примера охлаждать горячий поток ниже 350 °C не хотим; это заданное технологическое ограничение, не универсальная граница конденсации смол;
• для дальнейшего сравнения объёмов абсолютное давление воздуха принимаем одинаковым до и после нагрева: p = 101,325 кПа. Малой разницей давлений в этом сравнении пренебрегаем.

Теплоёмкость воздуха округлена по справочным данным для приближённого сухого состава: 78% N₂, 21% O₂ и 1% Ar по молям. Проверка среднего значения на участке 25–200 °C даёт около 1,012 кДж/(кг·К); число 1,01 применяем как постоянное приближение на всём участке 20–200 °C. Для горячей стороны специально задана сухая модельная смесь: 50% N₂, 20% CO, 15% H₂, 12% CO₂ и 3% CH₄ по молям. По тем же справочным данным её средняя теплоёмкость между 400 и 500 °C около 1,321 кДж/(кг·К), округлённо 1,32 [4]. Это свойства заданных модельных смесей. У реального сырого газа есть водяной пар, примеси и другой состав, поэтому его энтальпию определяют по своим данным.

1. Нагрузка холодной стороны

Изменение температуры воздуха:

ΔT_в = 200 − 20 = 180 К.

Теплоёмкостный расход воздуха:

C_в = ṁ_в × c̄p,в = 0,10 × 1,01 = 0,101 кВт/К.

Буква C здесь обозначает тепловую мощность, необходимую для изменения температуры всего потока на один градус. Тогда:

Q̇_в = 0,101 × 180 = 18,18 кВт

За один час воздух получит 18,18 × 3,6 = 65,448 МДж. Так я получаю конкретную тепловую нагрузку, которую должна обеспечить горячая сторона.

2. Хватит ли горячего потока

Для горячего газа:

C_г = ṁ_г × c̄p,г = 0,15 × 1,32 = 0,198 кВт/К.

В принятой модели охлаждение от 500 до условно разрешённых 350 °C позволяет отдать:

Q̇_дост = 0,198 × (500 − 350) = 29,70 кВт

29,70 больше требуемых 18,18 кВт. По количеству тепла предварительная проверка проходит. Для этой прикидки доступного тепла также использовано постоянное c̄p,г = 1,32; уточнение по энтальпиям потребуется, если результат окажется близок к ограничению.

При отсутствии потерь горячий поток отдаёт ровно то, что получил воздух. На сколько градусов он охладится?

ΔT_г = Q̇_в / C_г = 18,18 / 0,198 = 91,818… К.

t_г,вых = 500 − 91,818… = 408,182… °C ≈ 408,2 °C

Полученная температура выше заданных 350 °C. Обратная проверка: 0,198 × (500 − 408,1818…) = 18,18 кВт. Уравнены обе стороны одного теплообменника; лишние 11,52 кВт из оценки доступности сами собой никуда не передались.

3. Хватит ли температурного уровня

Даже большое количество низкотемпературного тепла не нагреет воздух до 200 °C в обычном пассивном рекуператоре, если источник имеет всего 80 °C. Площадью можно приблизить температуры, но не переставить горячую и холодную стороны местами.

В нашем противотоке проверяем разности температур у двух концов аппарата:

ΔT₁ = t_г,вх − t_в,вых = 500 − 200 = 300 К

ΔT₂ = t_г,вых − t_в,вх = 408,182… − 20 = 388,182… К

Обе положительны. Для принятой однофазной модели с постоянными теплоёмкостями это согласованный температурный профиль. Индексы 1 и 2 обозначают два конца рекуператора, а не две последовательные ступени нагрева.

Средний логарифмический температурный напор:

ΔTlm = (ΔT₂ − ΔT₁) / ln(ΔT₂ / ΔT₁)

Здесь ln — натуральный логарифм безразмерного отношения, а ΔTlm имеет единицу К; индекс lm обозначает логарифмическое усреднение. Подставляем:

ΔTlm = (388,1818… − 300) / ln(388,1818… / 300) = 342,199… К.

ΔTlm ≈ 342,2 К

Если разности у концов равны, средний напор равен этой общей разности; деление 0/0 на калькуляторе не требуется.

4. Что должен обеспечить теплообменник

Для идеального противотока используем:

Q̇ = U × A × ΔTlm

U — общий коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); A — площадь теплопередающей поверхности, м², отнесённая к той же стороне стенки, что и U. Произведение UA имеет единицу Вт/К. Поэтому в этой формуле наши 18,18 кВт подставляем как 18 180 Вт. Для иной схемы движения нужна соответствующая модель или поправка к среднему напору; здесь её нет именно потому, что задан чистый противоток.

UA = 18 180 / 342,199… = 53,127… Вт/К ≈ 53,13 Вт/К

Мы определили требование к произведению UA. Назначить теперь площадь из одного этого числа нельзя: коэффициент U ещё предстоит обосновать через скорости, свойства сред, стенку и состояние поверхности. Число 53,13 также не содержит запаса на загрязнение, наружные потери и неравномерное распределение потоков. Длинные узкие каналы могут дать хорошую теплопередачу, одновременно потребовав неприемлемого напора. Размеры приходится выбирать совместно по теплу, сопротивлению, прочности и обслуживанию.

Что происходит по мере загрязнения

Пыль оседает на поверхности, а конденсирующиеся органические вещества могут связать её в липкий слой. Возникает дополнительное тепловое сопротивление; сужаются проходы, меняется распределение газа. Отложения могут продолжать изменяться со временем. Поэтому температуру самого газа на выходе нельзя считать доказательством чистой стенки: местная поверхность бывает холоднее потока, а состав смол неоднороден [5].

Я отдельно рассмотрю тепловое последствие. Условно приму, что произведение UA стало на 30% меньше: 0,70 × 53,1269… = 37,1888… Вт/К. Число 0,70 здесь — заданный сценарий, не опытный коэффициент загрязнения. Расходы, входные температуры и средние теплоёмкости оставим прежними.

Новые выходные температуры можно подобрать по двум балансам и формуле теплопередачи. Задаём пробную температуру воздуха, по его нагреву находим Q̇, из баланса горячей стороны получаем температуру газа и сравниваем найденное Q̇ с UA × ΔTlm. Меняем пробную температуру до совпадения. Проверим результат такого подбора: воздух около 158,0 °C, горячий газ около 429,6 °C.

• Воздух получает 0,101 × (158,0 − 20) = 13,938 кВт.
• Горячий газ отдаёт 0,198 × (500 − 429,606…) = 13,938 кВт.
• Концевые напоры: 500 − 158,0 ≈ 342,0 К и 429,606… − 20 ≈ 409,606 К.
• По той же логарифмической формуле средний напор около 374,788 К.
• Через поверхность передаётся 37,1888… × 374,788 / 1000 ≈ 13,938 кВт.

Все три проверки сошлись. Падение UA на 30% не означает падения выходной температуры на 30%: вместе с температурой изменился напор. Но вместо требуемых двухсот градусов получили около ста пятидесяти восьми. Если регулирование попытается вернуть температуру повышением нагрузки реактора, оно может усугубить загрязнение или упереться в другой предел. Сначала нужно выяснить причину изменения теплопередачи.

Узел должен позволять предусмотренную очистку и осмотр. Имеют значение доступ к поверхности, место для извлечения элементов, удаление отложений и безопасное отделение аппарата от газового тракта. Очистка, возможная только после демонтажа соседнего оборудования, очень быстро перестаёт выглядеть мелкой эксплуатационной подробностью.

Воздух тот же по массе, но уже другой по объёму

Для идеального газа при умеренном давлении:

V̇ = ṁ × R × T / p

V̇ — рабочий объёмный расход, м³/с; ṁ — массовый расход, кг/с; R — удельная газовая постоянная, для воздуха принимаем 287 Дж/(кг·К) [6]; T — абсолютная температура, К; p — абсолютное давление, Па. Для этого расчёта температуру переводим как T = t + 273,15, а давление 101,325 кПа записываем как 101 325 Па.

При 20 °C:

V̇₁ = 0,10 × 287 × 293,15 / 101 325 = 0,08303 м³/с ≈ 298,9 м³/ч.

При 200 °C:

V̇₂ = 0,10 × 287 × 473,15 / 101 325 = 0,13402 м³/с ≈ 482,5 м³/ч.

V̇₂ / V̇₁ = 473,15 / 293,15 = 1,614…

Прибавилось около 61% рабочего объёма. Кислорода по массе больше не стало. Если свободное сечение канала S условно равно 0,010 м², скорость u = V̇ / S вырастет с 8,30 до 13,40 м/с. S здесь именно проходное сечение канала; с площадью теплопередачи A его путать не следует.

Для наглядности оценим одно местное сопротивление:

Δp = ζ × ρ × u² / 2

Δp — потеря давления, Па; ζ — безразмерный коэффициент этого местного сопротивления; ρ — плотность, кг/м³; u — скорость в выбранном сечении, м/с. Примем ζ = 4 лишь как условие сравнения, одинаковое для обеих температур. Это не коэффициент конкретного отвода или всего тракта. Плотность из ρ = ṁ / V̇ составит 1,2043 и 0,7462 кг/м³ соответственно.

При холодном воздухе: Δp₁ = 4 × 1,2043 × 8,3034² / 2 ≈ 166,1 Па.

При горячем: Δp₂ = 4 × 0,7462 × 13,4018² / 2 ≈ 268,0 Па.

Потеря выросла примерно в 1,61 раза, а не в квадрате этого числа: скорость увеличилась, но плотность уменьшилась. Для реального тракта дополнительно учитывают трение, изменение вязкости, распределение температуры, фактические коэффициенты и характеристику вентилятора. Вентилятор перед рекуператором получает холодный воздух, а горячие каналы после него всё равно приходится проверять на увеличенный рабочий объём.

Пуск, малая нагрузка и путь до реактора

При холодном пуске собственного горячего газа ещё нет. Рекуператор не может отдать тепло, которое пока не пришло на его вход; сначала нагревается и его собственный металл. Поэтому пусковую последовательность исследуют отдельно: допускает ли процесс временную работу на холодном дутье или нужен предусмотренный внешний источник. Обходные линии, переключения и защиты выбирают в проекте после анализа безопасного разделения потоков. Работа на установившемся режиме ничего не доказывает о возможности запуска этой же схемы.

На малой нагрузке могут одновременно уменьшиться расход и температура горячего газа. Наружные потери и нагрев металла занимают другую долю баланса; скорости и коэффициенты теплоотдачи тоже меняются. Если источник остыл, прежняя площадь не вернёт исчезнувший температурный напор. При форсировании, напротив, возрастает нагрузка на горячую поверхность, дутьевые устройства, футеровку и золу в слое. Более высокая температура может ускорять нужные превращения, но также вызвать спекание и нарушить движение топлива. Конкретный предел задают свойства топлива и испытания.

Температура у реактора ниже температуры сразу после рекуператора на потери в воздухопроводе. Для масштаба: если из наших 18,18 кВт по дороге условно потерялись 2,00 кВт, падение температуры составит 2,00 / 0,101 = 19,80 К. Вместо 200 °C к реактору придёт около 180,2 °C. Значит, точки измерения у теплообменника и у дутьевого ввода нужны обе; одним датчиком можно аккуратно контролировать не ту температуру.

Нагрев не удаляет водяной пар из воздуха, а добавление пара не сводится к подогреву. В паровоздушном варианте отдельно учитывают расход и энтальпию пара, его превращение в слое и влагу выходящего газа. Сунцов сопоставлял сухую и влажную основы именно потому, что при изменении присадки пара они давали разные оценки прироста теплотворности [2].

Сколько топлива это сэкономит

Наши 18,18 кВт — тепло, принятое воздухом на выходе из рекуператора. При условной низшей теплоте сгорания рабочего топлива 12 МДж/кг энергетический эквивалент равен 18,18 × 3,6 / 12 = 5,454 кг/ч. Это только перевод одного количества энергии в другое. Записать «экономия 5,45 кг/ч» по этому действию ещё нельзя.

На части режимов дополнительное тепло повысит температуру и изменит состав газа, на других позволит уменьшить окисление топлива при сохранении полезного результата. Часть уйдёт в потери; могут вырасти затраты на тягу и дутьё. Если источник имел другого полезного потребителя, нужно учесть и его. Экономию устанавливают сравнением одинаковой полезной нагрузки всей системы при согласованных свойствах топлива, расходах и границах баланса. Так же учитывают электроэнергию внешнего подогревателя и энергию производства добавочного пара.

Что подогрев меняет в самом газогенераторе

До сих пор горячий поток в примере входил в рекуператор при 500 °C. Дальше начинается другая, отдельно заданная модель: выход реактора имеет 1000 °C. Прежние расходы и температуры теплообменника в неё не переносятся. Теперь поставим другой вопрос: что станет с расходом воздуха и качеством газа, если поступающее тепло действительно использовать для уменьшения окисления топлива? Для этого одного теплообменника в расчёте мало. Нужны атомные балансы, тепловой баланс реактора и правило, по которому между собой распределяются CO, CO₂, H₂ и водяной пар.

Я сравню два состояния одного условного газогенератора при неизменной подаче топлива. В первом состоянии воздух приходит при 20 °C, пар — при 100 °C. Во втором воздух нагрет до 500 °C, пар — до 800 °C. В обоих случаях подаём 0,10 кг пара на 1 кг сухого модельного топлива. Числа 500–600 °C для воздуха и 800–900 °C для пара встречались в авторском опыте; здесь они не назначаются для какой-либо установки. Расчёт нужен, чтобы понять механизм и масштаб возможного эффекта.

Что именно моделируем

Для прозрачного примера я заменяю топливо чистым углеродом в стандартном состоянии графита. Это не состав древесины, не древесный уголь с его остаточными летучими и золой и не реконструкция действующего аппарата.

Заранее задаём:

• расчётная порция — 1 кмоль C, то есть 12,0107 кг углерода; его температура на входе 25 °C;
• расход воды в виде пара — 0,10 × 12,0107 = 1,20107 кг, или s = 1,20107 / 18,01528 = 0,0666695 кмоль H₂O;
• сухой модельный воздух — 21% O₂ и 79% N₂ по молям; аргон для простоты не выделяем;
• абсолютное давление около атмосферного, 101,325 кПа; газ считаем идеальным;
• общая температура газообразных продуктов на выходе из реактора — 1000 °C;
• наружные тепловые потери — 20% энергии полного сгорания поданного C, одинаковые в обоих состояниях;
• весь поданный C переходит в газ; на выходе разрешены только CO, CO₂, H₂, H₂O и N₂. Метана, смол, уноса углерода, золы и остаточного кислорода в этой модели нет;
• между четырьмя реагирующими газами устанавливается равновесие CO + H₂O ⇄ CO₂ + H₂ при принятой температуре выхода. Это дополнительное условие замыкает расчёт. Полного равновесия с твёрдым углеродом мы не требуем;
• работа приводов, кинетическая и потенциальная энергия потоков здесь не учитываются.

В этом примере получается сравнительно бедный газ: высокий выход 1000 °C и заданные потери требуют заметного окисления C, а собственных водорода и летучих у топлива нет. Поэтому приведённые ниже 2,62–3,68 МДж/нм³ не следует читать как типовые значения древесного газа.

В чистом углероде собственного водорода нет, а пара задано мало. Поэтому и водорода в рассчитанном газе будет мало; состав древесного газа этим примером не изображается.

1000 °C и 20% — явно заданная учебная точка, а не найденные по опыту параметры. Фиксированная температура позволяет сравнить подогрев именно при сохранении теплового состояния выхода; фиксированные потери отделяют этот эффект от изменения изоляции. Доля потерь довольно велика и заметно влияет на ответ. Поэтому ниже я отдельно изменю долю потерь и температуру. Полную конверсию углерода также нельзя получить одной записью в балансе: в реальном аппарате её обеспечивают время, реакционная способность топлива и контакт газов со слоем.

Единая основа энергии и объёма

Термохимическая температура отсчёта — 25 °C, или 298,15 K. Физическая энтальпия hᵢ(T) означает изменение энтальпии одного киломоля вещества i при переходе от температуры отсчёта к T. Индекс i обозначает компонент; T — абсолютная температура, К. Значения в кДж/моль и МДж/кмоль численно одинаковы.

По справочным термохимическим данным стандартные энтальпии образования принимаем равными: CO −110,5271; CO₂ −393,5224; H₂O(газ) −241,8264 МДж/кмоль. Для O₂, N₂, H₂ и графита в стандартных состояниях энтальпия образования равна нулю. Тогда:

• полное сгорание C → CO₂ даёт 393,5224 МДж/кмоль C;
• дожигание CO → CO₂ даёт 393,5224 − 110,5271 = 282,9953 МДж/кмоль CO;
• сгорание H₂ с образованием водяного пара даёт 241,8264 МДж/кмоль H₂.

Используем именно низшую теплоту сгорания газа: вода после сгорания остаётся паром. Химическая энергия порции газа E_г и его объёмная низшая теплота сгорания q_н — разные величины.

Для всех объёмов задаём одну нормальную основу: сухой газ, 0 °C и 101,325 кПа. Из уравнения идеального газа нормальный молярный объём равен:

V_м,н = R × T_н / p_н = 8,314462618 × 273,15 / 101,325 = 22,413970 м³/кмоль.

Здесь R = 8,314462618 кПа·м³/(кмоль·K), T_н = 273,15 K, p_н = 101,325 кПа. Обозначение «нм³» далее относится именно к этой основе. Водяной пар исключаем из сухого объёма, но сохраняем в материальном и тепловом балансах реактора.

Справочные энтальпии для повторения расчёта

Ниже h — МДж на 1 кмоль соответствующего вещества относительно 25 °C. Теплоёмкость не считаем постоянной на всём интервале: значения получены по справочным температурным функциям теплоёмкости, указанным в источниках.

Температура воздуха, °C	hO2	hN2	B = hO2 + (79/21)hN2, МДж на 1 кмоль O2 в воздухе
20	−0,147122	−0,145585	−0,694799
300	8,384965	8,087802	38,810508
500	14,932129	14,204909	68,369644
800	25,265701	23,869204	115,059374

При температуре продуктов 1000 °C:

Компонент	h, МДж/кмоль
CO	30,941844
CO2	48,613761
H2	29,075552
H2O	37,738338
N2	30,586709

Для входящего идеального пара hH₂O(100 °C) ≈ 2,541785, hH₂O(800 °C) = 29,054711 МДж/кмоль. Первая величина получена линейной интерполяцией справочной таблицы между 300 и 400 K: 0,062 + (373,15 − 300) / 100 × (3,452 − 0,062) = 2,541785. Использованная полиномиальная формула для воды начинается с 500 K, поэтому её не продолжали произвольно до 100 °C. Это небольшое явно указанное приближение. Для данного примера я округляю итоговые результаты; дополнительные цифры нужны только для проверки арифметики. Промежуточные значения округлены; при их подстановке последние приведённые разряды могут отличаться.

Небольшие отрицательные h воздуха при 20 °C нормальны: он на 5 K холоднее принятой температуры отсчёта. Это не отрицательная энергия подогревателя.

Атомные балансы: сначала найдём, что с чем связано

Обозначим x — количество CO, y — количество H₂, a — количество O₂ в поступившем воздухе; все три величины выражаем в кмоль на 1 кмоль C. Отношение азота к кислороду в воздухе r = 79 / 21 = 3,7619048. Обозначение n с химической формулой в индексе далее означает количество соответствующего компонента в расчётной порции, кмоль.

Баланс углерода даёт:

nCO = x;nCO₂ = 1 − x.

Баланс водорода:

nH₂ = y;nH₂O = s − y = 0,0666695 − y.

Баланс кислорода:

2a + s = x + 2(1 − x) + (s − y).

Сокращаем s и получаем:

a = 1 − (x + y) / 2.

Азот не превращается:

nN₂ = r a;n_возд = a / 0,21.

Значит, нельзя сначала назначить меньший воздух, а затем независимо назначить CO и H₂. Все количества уже связаны атомными балансами.

Дополнительное условие: водогазовое равновесие

Для реакции CO + H₂O ⇄ CO₂ + H₂:

K(T) = (pCO₂ / p°)(pH₂ / p°) / [(pCO / p°)(pH₂O / p°)].

pᵢ — парциальные давления, p° = 1 бар — стандартное давление. В идеальном газе здесь одинаковое число молей по обе стороны реакции, поэтому общее давление и общий объём сокращаются. В принятом обозначении:

K = (1 − x)y / [x(s − y)].

Здесь K — безразмерная константа равновесия; ΔrH°, ΔrS° и ΔrG° — стандартные изменения энтальпии, энтропии и энергии Гиббса данной реакции. По тем же термохимическим функциям при T = 1273,15 K получаем ΔrH° = −32,15977 МДж/кмоль и ΔrS° = −29,43788 кДж/(кмоль·K). Тогда:

ΔrG° = ΔrH° − TΔrS° / 1000 = −32,15977 − 1273,15 × (−29,43788) / 1000 = +5,31907 МДж/кмоль.

K = exp[−5319,07 / (8,314462618 × 1273,15)] = 0,605026.

В последней формуле 5319,07 — Дж/моль, R — Дж/(моль·K). exp(z) означает экспоненту e в степени z; её аргумент здесь безразмерный. K также безразмерна. Направление реакции имеет значение: для обратной записи константа была бы 1/K.

Выразим y через x, чтобы осталась одна неизвестная:

y = Ksx / [1 − x + Kx] = 0,605026 × 0,0666695 × x / (1 − 0,394974x).

Доля превращения пара получилась из этого условия; она не была заранее назначена 100%.

Энергетический баланс реактора

Потери на нашу порцию топлива:

Q_пот = 0,20 × 393,5224 = 78,70448 МДж.

Химическая энергия полученного газа:

E_г = 282,9953x + 241,8264y.

Физическая энтальпия воздуха:

H_в = aB.

Физическая энтальпия входящего пара; T_п обозначает его температуру:

H_п = s hH₂O(T_п).

Физическое тепло выходящих продуктов; все их h берём при общей температуре выхода T_вых:

H_вых = xhCO + (1 − x)hCO₂ + yhH₂ + (s − y)hH₂O + rahN₂.

Все величины H, E и Q в этих формулах — МДж на расчётную порцию 1 кмоль C. В стационарном состоянии:

393,5224 + H_в + H_п = E_г + H_вых + Q_пот.

Химическое превращение уже учтено через энтальпии образования и E_г. Отдельно прибавлять к этому балансу ещё раз «тепло реакции газификации» нельзя.

Для проверки удобно собрать члены:

Dx + Ey = P,

где

P = 393,5224 + B + s hH₂O(T_п) − Q_пот − hCO₂ − s hH₂O(T_вых) − rhN₂;

D = 282,9953 + B/2 + hCO − hCO₂ − rhN₂/2;

E = 241,8264 + B/2 + hH₂ − hH₂O(T_вых) − rhN₂/2.

P — доступная энергетическая часть, МДж на расчётную порцию. D и E — коэффициенты при количествах x и y, соответственно МДж на кмоль CO и H₂. В формулах уже подставлено исходное количество углерода 1 кмоль, поэтому множители, численно равные единице, не записаны. Это сочетания выписанных выше величин, а не эмпирические поправки.

Холодный вариант: воздух 20 °C, пар 100 °C

Берём B = −0,694799, s hH₂O = 0,0666695 × 2,541785 = 0,169460 МДж. После подстановки энтальпий продуктов:

P = 148,098538;D = 207,443840;E = 175,284072.

Следовательно:

207,443840x + 175,284072 × [0,605026 × 0,0666695x / (1 − 0,394974x)] = 148,098538.

Это уравнение можно решить подбором x в диапазоне от 0 до 1. Для повторения без подбора после умножения на знаменатель получается квадратное уравнение:

−81,934878x² + 273,009279x − 148,098538 = 0.

Корень, находящийся в физическом диапазоне 0 ≤ x ≤ 1:

x = 2 × 148,098538 / [273,009279 + √(273,009279² − 4 × 81,934878 × 148,098538)] = 296,197076 / (273,009279 + 161,233756) = 0,682100.

Теперь последовательно:

y = 0,605026 × 0,0666695 × 0,682100 / (1 − 0,394974 × 0,682100) = 0,037660;

a = 1 − (0,682100 + 0,037660) / 2 = 0,640120;

nN₂ = 3,7619048 × 0,640120 = 2,408072;

nCO₂ = 1 − 0,682100 = 0,317900;

nH₂O = 0,0666695 − 0,037660 = 0,029010 кмоль.

Сухого газа получается:

n_г,сух = x + (1 − x) + y + nN₂ = 1 + y + nN₂ = 3,445731 кмоль.

Обозначим n_г,сух количество сухого газа в расчётной порции, кмоль. Его объём на 1 кг C, V_г,сух, измеряем в нм³/кг C; mC = 12,0107 кг — масса этой порции углерода:

V_г,сух = 3,445731 × 22,413970 / 12,0107 = 6,430309 нм³/кг C.

m_в — масса поданного воздуха, кг на расчётную порцию. Модельная молярная масса воздуха равна 0,21 × 31,9988 + 0,79 × 28,0134 = 28,850334 кг/кмоль. Поэтому:

m_в / mC = (0,640120 / 0,21) × 28,850334 / 12,0107 = 7,321917 кг/кг C.

E_г = 282,9953 × 0,682100 + 241,8264 × 0,037660 = 202,138134 МДж на порцию;

E_г / mC = 202,138134 / 12,0107 = 16,829838 МДж/кг C;

q_н = 202,138134 / (3,445731 × 22,413970) = 2,617267 МДж/нм³ сухого газа.

Проверим тепло. Воздух вносит −0,444755 МДж, пар — 0,169460. Продукты уносят 112,404491 МДж физического тепла:

393,522400 − 0,444755 + 0,169460 = 202,138134 + 112,404491 + 78,704480 = 393,247105 МДж.

Баланс сошёлся. Чистое выделение теплоты химическими превращениями равно 393,522400 − 202,138134 = 191,384266 МДж; вместе с входящим физическим теплом оно покрывает нагрев выходящих продуктов и потери.

Горячий вариант: воздух 500 °C, пар 800 °C

Сохраняем углерод, подачу пара, температуру выхода и потери. Пересчитываем только входящие энтальпии и связанный с ними состав:

B = 68,369644;

s hH₂O = 0,0666695 × 29,054711 = 1,937064 МДж;

P = 218,930585;D = 241,976062;E = 209,816293.

Новое уравнение:

−95,574200x² + 336,911222x − 218,930585 = 0.

x = 2 × 218,930585 / (336,911222 + 172,663573) = 0,859268;

y = 0,052467;a = 0,544133;nN₂ = 2,046976;

nCO₂ = 0,140732;nH₂O = 0,014203;n_г,сух = 3,099442 кмоль.

Отсюда:

m_в / mC = (0,544133 / 0,21) × 28,850334 / 12,0107 = 6,223979 кг/кг C;

V_г,сух = 3,099442 × 22,413970 / 12,0107 = 5,784077 нм³/кг C;

E_г = 282,9953 × 0,859268 + 241,8264 × 0,052467 = 255,856556 МДж;

E_г / mC = 21,302385 МДж/кг C;

q_н = 255,856556 / (3,099442 × 22,413970) = 3,682936 МДж/нм³.

Проверка энергии:

393,522400 + 37,202166 + 1,937064 = 255,856556 + 98,100593 + 78,704480 = 432,661629 МДж.

Чистое химическое выделение теплоты теперь меньше: 393,522400 − 255,856556 = 137,665844 МДж. Недостающее физическое тепло приходит с горячими реагентами; одновременно меньше тепла приходится выносить азотом и другими продуктами.

Что изменилось

Показатель	Воздух 20 °C, пар 100 °C	Воздух 500 °C, пар 800 °C
Воздух, кг/кг C	7,322	6,224
Воздух, нм3/кг C	5,688	4,835
Азот в газе, нм3/кг C	4,494	3,820
Сухой газ, нм3/кг C	6,430	5,784
CO, % сухого объёма	19,796	27,723
H2, % сухого объёма	1,093	1,693
CO2, % сухого объёма	9,226	4,541
N2, % сухого объёма	69,886	66,043
Превращение поданного пара в рамках модели, %	56,487	78,697
Химическая энергия всего газа, МДж/кг C	16,830	21,302
Низшая теплота сгорания, МДж/нм3 сухого газа	2,617	3,683

Воздуха и азота на килограмм C стало на 15,0% меньше. Сухого газа по объёму стало меньше на 10,0%, зато его химическая энергия выросла на 26,6%, а теплота сгорания одного нормального кубометра — на 40,7%. Последний процент больше: прибавилась энергия горючих компонентов и одновременно уменьшился разбавляющий объём. Складывать эти проценты между собой не надо.

Отдельно заметим, как мало здесь водорода по сравнению с обычными ожиданиями от древесного газа. Это закономерность заданного примера: углерод собственного водорода не содержит, а воды мы подали только 0,10 кг/кг C. Переносить этот состав на древесину было бы ошибкой.

Меньший нормальный расход воздуха ещё не означает меньший горячий канал. При одинаковом абсолютном давлении рабочий объём изменится как количество молей, умноженное на абсолютную температуру:

V_в,гор / V_в,хол = (6,223979 / 7,321917) × (773,15 / 293,15) = 2,242.

То есть горячего рабочего объёма в дутьевом канале примерно в 2,24 раза больше, хотя кислорода и воздуха по массе требуется меньше. Сечение, потери давления и подачу вентилятора проверяют по своим рабочим условиям.

Воздух 20, 300, 500 и 800 °C: выделим только его влияние

Чтобы не смешивать два изменения, в этой таблице температура входящего пара всегда 100 °C. Его расход остаётся 0,10 кг/кг C; выход газа 1000 °C, потери 20% — как выше. Столбец 500 °C поэтому немного отличается от основного сравнения с паром 800 °C.

Воздух, °C	Воздух, кг/кг C	N2, нм3/кг C	Сухой газ, нм3/кг C	CO / H2 / CO2 / N2, % сухого газа	Eг, МДж/кг C	qн, МДж/нм3
20	7,322	4,494	6,430	19,796 / 1,093 / 9,226 / 69,886	16,830	2,617
300	6,679	4,099	6,051	24,248 / 1,419 / 6,592 / 67,741	19,452	3,215
500	6,266	3,846	5,809	27,388 / 1,666 / 4,739 / 66,208	21,130	3,638
800	5,709	3,504	5,483	32,040 / 2,057 / 1,996 / 63,906	23,397	4,267

Во всех строках заново решены те же уравнения. Для арифметической проверки:

Воздух, °C	x	y	a	Тепло химического превращения, МДж/кмоль C	Hвозд, МДж/кмоль C	Hвых, МДж/кмоль C
20	0,682100	0,037660	0,640120	191,384	−0,445	112,404
300	0,786246	0,046000	0,583877	159,895	22,661	104,020
500	0,852503	0,051844	0,547827	139,731	37,455	98,651
800	0,941348	0,060445	0,499104	112,508	57,427	91,400

Для каждой строки: тепло химического превращения + H_возд + 0,169460 = H_вых + 78,704480 МДж. Никакого постоянного числа «процентов экономии на каждые сто градусов» здесь нет.

Равно ли возвращённое тепло прибавке химической энергии

При неизменной подаче топлива разность двух полных балансов даёт:

ΔE_г = ΔH_вход − ΔH_вых − ΔQ_пот.

Если выходящее физическое тепло и потери действительно не меняются, прирост химической энергии газа равен приросту входящей энтальпии. Если потери выросли, они вычитаются. Но при изменении количества и состава газа неизменная температура выхода ещё не означает неизменную выходящую энтальпию.

В нашем главном сравнении:

ΔH_вход = [(37,202166 + 1,937064) − (−0,444755 + 0,169460)] / 12,0107 = 3,281618 МДж/кг C;

ΔH_вых = (98,100593 − 112,404491) / 12,0107 = −1,190930 МДж/кг C;

ΔQ_пот = 0.

Поэтому:

ΔE_г = 3,281618 − (−1,190930) = 4,472547 МДж/кг C.

Из уменьшения выходящего физического тепла около 0,920 МДж/кг C приходится на меньший поток N₂; остальное связано с изменением остальных компонентов. Азот здесь не исчезает от нагревания. Его меньше потому, что в расчёте я получил режим с меньшей подачей воздуха.

Тепло, переданное подогревателями новым потокам, также можно проверить отдельно. Q_под,в и Q_под,п — теплота нагрева соответственно воздуха и пара, МДж/кг C; a_гор — количество кислорода в воздухе горячего варианта, кмоль на расчётную порцию:

Q_под,в = a_гор × [B(500) − B(20)] / 12,0107 = 0,544133 × [68,369644 − (−0,694799)] / 12,0107 = 3,128896 МДж/кг C;

Q_под,п = s × [hH₂O(800) − hH₂O(100)] / 12,0107 = 0,147169 МДж/кг C;

Q_под,в + Q_под,п = 3,276065 МДж/кг C.

Разность между 3,281618 и 3,276065 составляет 0,005553 МДж/кг C. Она возникает потому, что во втором режиме поступает меньше исходного воздуха при 20 °C, а энтальпии отсчитываются от 25 °C. Это малая поправка системы отсчёта, но без неё строгое равенство не сойдётся.

В практическом языке исходная мысль верна: возвращённое тепло может сохранять химическую энергию топлива в газе. При расчёте нужно ещё посмотреть, куда переместились остальные статьи баланса, и не подменить энергию всей порции её МДж/нм³.

Хватит ли для этого собственного горячего газа

Условный выход 1000 °C выбран для реакторного расчёта. Это другой пример, чем ранее рассмотренный рекуператор с горячим входом 500 °C. Из потока 500 °C пассивным теплообменом нельзя получить воздух 800 °C.

Для нашей горячей строки проверим идеальную последовательность двух раздельных теплообменников: сначала газ отдаёт тепло перегреву пара 100 → 800 °C, затем — воздуху 20 → 500 °C. Примем, что состав газа после реактора «заморожен», нет наружных потерь и утечек между потоками.

На 1 кмоль C перегрев пара требует 1,767604 МДж, воздух — 37,580229 МДж. Газ до теплообменников несёт 98,100593 МДж физического тепла. Вычитание нагрузок с пересчётом температурных энтальпий даёт приблизительно 983,9 °C после пароперегревателя и 631,3 °C после воздушного подогревателя. На горячем конце пароперегревателя остаётся напор 1000 − 800 = 200 K; на горячем конце воздушного — около 983,9 − 500 = 483,9 K. Тепла и направления температурного напора в таком идеальном сравнении достаточно.

Это проверка первого и второго закона для выбранной компоновки, а не её проект. Она не доказывает достижимость площади, стойкость металла, отсутствие загрязнения и реальное замораживание состава. На получение исходного пара 100 °C тепло здесь ещё не отбирали. Для варианта воздуха 800 °C при паре 100 °C отдельная воздушная рекуперация потребовала бы 57,773 МДж/кмоль C и оставила бы газ примерно при 405,7 °C; минимальный расчётный напор — 200 K.

Если нагрев идёт от собственного газа, переданное тепло внутри границы «реактор + рекуператоры» не является новым внешним притоком. Выйдет больше химической энергии и меньше физической теплоты отходящего газа. Если это тепло раньше использовал другой потребитель, его потерю также надо включить в сравнение.

Что дают 10%, 20% и 80% возврата тепла

Здесь доля возврата — часть физического тепла, которое газ данной расчётной строки отдал бы при охлаждении с 1000 до условных 100 °C, переданная воздуху. Это отдельный вариант той же модели чистого углерода: пар 0,10 кг/кг C остаётся при 100 °C, потери реактора — 20% энергии C, воздух нагревается от 20 °C в идеальном противоточном рекуператоре. Расход и состав газа пересчитаны для каждой строки; процент возврата не означает такой же процент экономии топлива.

Доля возврата тепла	Воздух после нагрева, °C	Теплота сгорания сухого газа, МДж/нм3	Прирост химической энергии всего газа на кг C
0%	20	2,617	0%
10%	138	2,870	+6,8%
20%	255	3,120	+13,2%
40%	486	3,607	+24,9%
60%	711	4,081	+35,2%
80%	933	4,541	+44,4%

При 80% нужен воздух около 933 °C; при ограничении 500–600 °C эта модель даёт примерно 41–50% возврата. Баланс тепла и положительный температурный напор проверены, но это условные результаты, а не гарантия для оборудования: жаростойкость, утечки, загрязнение и затраты на тягу требуют отдельной оценки. Принятые 100 °C — база отсчёта, а не допустимый предел охлаждения сырого газа: смолы, их конденсацию и отложения модель чистого углерода не описывает.

Если подогрев обеспечивает отдельная топка

Предположим условно, что отдельное топливо имеет низшую теплоту сгорания q_т = 50 МДж/кг, а доля его энергии, действительно дошедшая до воздуха и пара, η = 0,80. Это заданный пример, не КПД выбранной горелки.

Обозначим Q_под = Q_под,в + Q_под,п — теплоту добавочного нагрева, МДж/кг C, а m_доп — расход дополнительного топлива, кг на 1 кг C. Для новых потоков:

m_доп = Q_под / (η q_т) = 3,276065 / (0,80 × 50) = 0,081902 кг дополнительного топлива на 1 кг C.

Химический вход дополнительного топлива равен 0,081902 × 50 = 4,095081 МДж/кг C. До потоков дошло 3,276065; остальные 0,819016 МДж/кг C в условной границе нагревателя не использованы.

Следовательно, прирост выхода 4,472547 МДж/кг C нельзя объявить чистой экономией, забыв дополнительное топливо. Если вместо рекуперации для подогрева сжигать часть того же произведённого газа, его химическую энергию нужно вычесть из отпускаемого газа. В этом альтернативном примере η определено по низшей теплоте сгорания отбираемого газа; его физическую теплоту отдельно не зачитываем. При принятом η это 4,095081 / 3,682936 = 1,111907 нм³/кг C. После такого отбора из горячего варианта останется 21,302385 − 4,095081 = 17,207304 МДж/кг C химической энергии против исходных 16,829838. Разница около 0,377 МДж/кг C, до учёта приводов и прочих изменений. Общие затраты на исходное парообразование сравниваются отдельно.

Так одна и та же температура дутья даёт разный хозяйственный результат в зависимости от источника тепла. При внешнем дешёвом отходящем тепле, при покупном топливе и при отборе собственного генераторного газа считаются разные энергетические границы.

Пар 100 °C тоже не возникает бесплатно

До входа в оба сравниваемых реактора вода уже стала паром. Это общая для двух вариантов затрата, которую разностный расчёт не показывает.

Для отдельного реального потока чистой воды при p = 101,325 кПа воспользуемся международной системой свойств воды и пара, указанной в источниках. Энтальпии здесь удельные, в кДж/кг, с собственной принятой в паровых таблицах точкой отсчёта: вода 20 °C — 84,013; пар 100 °C — 2675,585; пар 800 °C — 4160,206; пар 900 °C — 4398,052. В этой системе берём только разности:

Вода 20 °C → пар 100 °C:

0,10 × (2675,585 − 84,013) / 1000 = 0,259157 МДж/кг C.

Пар 100 °C → пар 800 °C:

0,10 × (4160,206 − 2675,585) / 1000 = 0,148462 МДж/кг C.

Полная подготовка воды 20 °C → пар 800 °C:

0,259157 + 0,148462 = 0,407619 МДж/кг C.

При 900 °C только перегрев от 100 °C потребовал бы около 0,172247 МДж/кг C, а полный путь от воды 20 °C —0,431404. Давление важно: при другом давлении свойства и температура насыщения будут другими.

В реакторной таблице весь газ идеальный, поэтому её паровой перегрев равен 0,147169 МДж/кг C. Реальный отдельный поток даёт 0,148462; отличие около 0,9% паровой статьи связано преимущественно с неидеальностью пара около насыщения, а также с указанной интерполяцией. Эти два приближения обозначены явно. Абсолютные энтальпии из паровых таблиц нельзя без согласования нулей вставить вместо термохимических энтальпий образования.

При том же условном η = 0,80 и q_т = 50 МДж/кг получение исходного пара соответствует 0,259157 /40 = 0,006479 кг внешнего топлива на килограмм C; одна только его последующая перегревка до 800 °C — ещё 0,003712 кг. Когда одинаковый исходный пар получают от собственного газа, этот отбор надо вычесть из обеих ветвей; когда от внешнего источника — включить в обе суммы входящей энергии.

Пар также является реагентом. Стандартная реакция C + H₂O(газ) → CO + H₂ требует:

ΔrH°₂₉₈ = [−110,5271 +0] − [0 −241,8264] = +131,2993 МДж/кмоль реакции.

Если все наши 0,10 кг H₂O прореагировали бы только так, стандартный тепловой эффект был бы 0,10 ×131,2993 /18,01528 = 0,72882 МДж/кг C. Поданный пар при этом вовлекает лишь около 0,06667 кг C из расчётного килограмма. Это полезная оценка масштаба, но она не заменяет общий баланс и не добавляется к нему второй раз. В нашей модели часть воды остаётся в газе, а химическое распределение связано с водогазовым равновесием.

Насколько ответ зависит от заданных потерь и температуры

Сначала оставим выход 1000 °C и изменим потери как долю энергии полного сгорания C. В каждой строке сравниваем воздух 20/пар 100 с воздух 500/пар 800 при одинаковых для этой строки потерях.

Потери	Воздух холодный → горячий, кг/кг C	qн холодный → горячий, МДж/нм3	Eг холодный → горячий, МДж/кг C
10%	6,224 → нет решения при заданном выходе	3,683 → нет решения	21,303 → нет решения
20%	7,322 → 6,224	2,617 → 3,683	16,830 → 21,302
30%	8,418 → 7,164	1,745 → 2,758	12,357 → 17,474

«Нет решения» здесь не означает, что газификация прекратится. При 10% потерь в горячем варианте даже предельный состав x = 1, y =s, где весь углерод стал CO и вся вода — H₂, оставляет избыток 2,318 МДж на 1 кмоль C. Модель уже не может уменьшить окисление, сохраняя одновременно полную конверсию, выбранные продукты и выход 1000 °C. Должны измениться температура, теплоотвод, конверсия или химическая модель. Продолжать таблицу отрицательным CO₂ было бы неверно. Для этого горячего сравнения нижняя граница допустимого теплоотвода при 1000 °C составляет примерно 10,589% энергии C; это математическая граница модели, а не рекомендуемые потери установки.

Теперь оставим потери 20%, но зададим разные температуры выхода:

Выход газа, °C	Воздух холодный → горячий, кг/кг C	qн холодный → горячий, МДж/нм3	Eг холодный → горячий, МДж/кг C
900	6,983 → 5,971	2,917 → 3,959	18,197 → 22,325
1000	7,322 → 6,224	2,617 → 3,683	16,830 → 21,302
1100	7,694 → 6,499	2,306 → 3,399	15,324 → 20,191

Во всех шести состояниях второй таблицы составы неотрицательны и балансы замыкаются. Между 900 и 1100 °C снижение воздуха в этом сравнении меняется примерно от 14,5 до 15,5%, прирост химического выхода — от 4,13 до 4,87 МДж/кг C. Это диапазон данной системы допущений. Он не является ожидаемым коридором для любых газогенераторов.

Более горячий выход уносит больше физического тепла. При неизменных потерях и входах на его обеспечение приходится сильнее окислять углерод, поэтому химическая энергия газа уменьшается. Более холодный выход уменьшает вынос физического тепла, но также уменьшает его доступное количество и температурную возможность высокотемпературного подогрева. Температура источника и количество доступного тепла проверяются отдельно.

Как читать результат реакторной модели

Механизм переносится: нагретые реагенты могут уменьшить потребность во внутреннем окислении; меньший воздух уменьшает азот; изменение состава и сухого объёма меняет МДж/нм³. Числа переносятся только после замены учебных исходных данных измеренными.

У древесины есть собственные H и O, влага, летучие и зола. Появляются метан, смолы, неполное превращение углерода и затраты на нагрев и испарение влаги. Пар влияет на реакции и скорость превращения, а горячее дутьё — на распределение температуры, спекание и допустимые температуры материалов. При прежнем расходе воздуха подогрев прежде всего изменил бы температуру; показанное уменьшение воздуха относится к отдельно согласованному состоянию.

Для НИР здесь нужны представительные данные топлива, расходы обоих реагентов, сухой и влажный состав газа, выход газа и остаток углерода. Для ОКР на небольшом объекте — проверка, можно ли получить предсказанное снижение воздуха при достаточном превращении топлива, что происходит с температурным полем, потерями, шлакованием и работой теплообменников. Состав и расход нужно измерять совместно: более высокая лабораторная теплота сгорания без достоверного выхода газа ещё не показывает большего энергетического выхода. После этого проверяют перенос на другую нагрузку и масштаб.

Такой стенд не устраняет все вопросы большой установки, но отделяет реальный выигрыш от красивого процента заранее. Искать недостающий член баланса на уже построенном объекте у заказчика обычно дороже, чем найти его в расчёте и на небольшом опытном узле.

Что должен дать небольшой опытный узел

До изготовления рекуператора нужно исследовать горячий поток: не только его среднюю температуру, но и расход по нагрузкам, влагу, пыль, конденсирующиеся примеси и изменения на пуске. Получение этих данных может потребовать специального отбора. Смолы, сконденсировавшиеся в холодной пробоотборной линии, уже не попадут в анализ её газовой фазы; осевшая пыль также изменит результат. Для разных компонентов пригодны разные методы, и задача измерений состоит в сохранении нужной информации о потоке, а не просто в доставке ёмкости с газом в лабораторию [7].

После предварительного баланса на небольшом испытательном объекте выясняют, как меняются переданное тепло и сопротивление во времени, где возникают отложения, как очищается поверхность и восстанавливается ли результат. Снимают расходы и четыре температуры потоков, температуру у входа в реактор, перепады давления, затраты приводов и состояние слоя. Тепловую невязку сопоставляют с точностью приборов и наружными потерями. Пуск, рабочая, малая и допустимая повышенная нагрузка входят в программу ОКР, а не остаются пожеланием после первого удачного прогрева.

Горючий газ и воздух разделены стенкой. Направление перетока через повреждение зависит от перепадов давления, включая переходные режимы; последствиями могут стать горючая смесь или выход токсичного газа. Поэтому герметичность, контроль состояния, допустимые температуры металла и тепловые перемещения проверяют вместе с тепловой работой. Одного совпадения двух тепловых мощностей для приёмки узла недостаточно.

При масштабировании меняются длины каналов, распределение по параллельным ходам, температурные перемещения и возможность очистки. Малый узел позволяет установить механизм загрязнения и проверить конструктивное решение, но не освобождает от проверки большой компоновки. Переносить весь этот поиск на уже построенную установку у заказчика особенно дорого: для переделки надо останавливать производство, добывать доступ к аппарату и обходиться без своей полной мастерской. НИР, расчёт и ОКР на небольшом объекте нужны, чтобы большая машина стала следующим этапом разработки, а не первым дорогостоящим стендом.

Продолжить чтение

• «Расход топлива газогенератора: расчёт по выходу и теплоте сгорания газа» — GWEB_C0194: границы КПД и химический энергетический вход.
• «Сухой и влажный состав газа» — GWEB_C0089: согласовать состав и расход.
• «Сырой и очищенный газ» — GWEB_C0095: выбрать точку и состав потока для теплообменника.
• «Зольность и плавкость» — GWEB_C0018; «Каналы в топливном слое» — GWEB_C0069: проверить, как изменение температуры отзывается в реакторе.

К оглавлениюALVERJOB

Источники и материалы

Источники

1. FAO. Wood gas as engine fuel, 1986, §2.2 и §2.4.5. Тепловой характер реакций и связь шлакования с топливом и температурным полем. Исторические предельные температуры не назначены в качестве допусков.
2. Г. Н. Сунцов. «Повышение теплотворности генераторного газа путём подогрева дутья», автореферат, 1956, печатные с. 5–6, 11–13 и заключительное ненумерованное продолжение выводов. Последовательность лабораторных и промышленных исследований, внешняя интеграция и различие сухого/влажного газа. Численные режимы опытов и повреждённые формулы в пример не переносились.
3. DOE-HDBK-1012/2-92. Thermodynamics, Heat Transfer, and Fluid Flow, Vol. 2, HT-02, с. 19–22 и 36–37. Баланс потока по энтальпии, средний логарифмический напор, общий коэффициент теплопередачи. Численный пример рекуператора разработан для этой карточки.
4. NIST Chemistry WebBook, SRD 69, таблицы теплоёмкости и коэффициенты Shomate: N₂, O₂, Ar, CO, H₂, CO₂, CH₄. Средние свойства рассчитаны для явно заданных модельных смесей; состав действующего аппарата не заявляется.
5. B. J. Vreugdenhil, R. W. R. Zwart. Tar formation in pyrolysis and gasification, ECN-E—08-087, 2009, с. 10–11. Конденсация и последующее изменение смолистых отложений. Коэффициенты скорости загрязнения из этого источника не назначались.
6. T. Rivell. Notes on Earth Atmospheric Entry for Mars Sample Return Missions, NASA/TP–2006-213486, 2006, печатная с. 4: уравнение состояния p = ρRT и округлённое R = 287 Дж/(кг·К) для воздуха. В карточке оно применяется только к умеренным давлениям и температурам примера.
7. W. L. van de Kamp и др. Tar measurement in biomass gasification, standardisation and supporting R&D, ECN-C—06-046, 2006. Раздельные задачи отбора и анализа смол/частиц, специализированная пробоотборная цепочка. Источник подтверждает подход к измерению, не задаёт программу конкретного опасного испытания.
8. NIST Chemistry WebBook, SRD69, данные NIST-JANAF и уравнения Shomate: CO, CO₂, H₂, H₂O, N₂, O₂. Из них взяты энтальпии образования, теплоёмкости и энтропии; численная модель разработана для этого примера.
9. NIST-JANAF, таблица H-064, H₂O(газ): низкотемпературная интерполяция энтальпии пара без экстраполяции Shomate.
10. IAPWS-IF97, официальный релиз: самостоятельный расчёт получения и перегрева реального водяного пара. Состав генераторного газа этим источником не задаётся.
11. FAO. Wood gas as engine fuel, §2.2: построение модели по элементным и энергетическому балансам с водогазовым равновесием, различие химической и тепловой эффективности. Числа тепловых эффектов из исторического текста в расчёт не переносились; использованы NIST-JANAF.