Взаимозаменяемость газов – это возможность устойчивого сжигания их в тепловых установках и приборах без изменения конструкции газогорелочных устройств при сохранении номинальной тепловой мощности. Устойчивая работа газогорелочных устройств характеризуется работой горелок без отрыва и проскока пламени при полноте сгорания газа, близкой к 100%. Такая работа горелок допускается при поддержании постоянства теплоты сгорания, скорости распространения пламени и других характеристик сжигаемого газа. Первые два показателя характеризуют тепловой поток в газогорелочном устройстве. Зависимость между теплотой сгорания газа и его плотностью характеризуется числом Воббе Wo.
Число Воббе низшее ( Wo н ) или высшее ( Wo в ) характеризует тепловую мощность и аэродинамические параметры горелки при постоянном давлении и определяется путем деления теплоты сгорания на корень квадратный из относительной (по воздуху) плотности газа по формуле
Для газов БГ низшее значение числа Воббе, МДж/м3, определится из соотношения
;
высшее число Воббе, МДж/м3,
.
Концентрационные пределы воспламеняемости (взрываемости) газов характеризуют способность смесей горючего газа с окислителем в определенных пропорциях воспламеняться или взрываться. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний – максимальному процентному содержанию газа в газовоздушной смеси, при котором Существование пределов воспламеняемости вызвано тепловыми потерями в окружающую среду при горении газа. Если содержание горючего газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости (бедная газовоздушная смесь), подожженная смесь воспламеняться, гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты недостаточно для подогрева смеси до температуры воспламенения. Если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости (богатая газовоздушная смесь), то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа и, следовательно, выделяющееся количество теплоты ниже теплового эффекта реакции полного сгорания, так что горение может продолжаться при наличии постоянного источника поджигания, а при удалении его прекращается.
Значения пределов воспламеняемости смеси газов БГ – воздух, % по объему, можно определить из соотношения:
,
где 
– верхний или нижний предел воспламеняемости газов БГ, %; 
– верхний или нижний предел воспламеняемости метана в смеси с воздухом, %; х – доля балластных примесей в газах БГ; а – эмпирический коэффициент; для нижнего предела воспламеняемости а = 1,12; для верхнего воспламеняемости а = 0,70.
Воспламенение смеси газов БГ – воздух возможно при содержании метана в БГ не менее 23,5 % по объему.
Изменения в составе газа влияют и на устойчивость горения, которая тесно связана со скоростью распространения пламени. Нормальная скорость распространения пламени – это скорость, отнесенная к холодной, еще не воспламенившейся смеси, с которой пламя перемещается по нормали к ее поверхности. Для БГ скорость распространения пламени, см/с, может быть определена из зависимости
,
где СН4 – содержание метана в БГ, % об.
Нормальная скорость распространения пламени газов БГ изменяется в диапазоне 19–28 см/с, это влечет за собой уменьшение скорости, при которой происходит отрыв пламени, почти вдвое по сравнению с природным газом. Следовательно, при сжигании биогазов требуется применение надежных методов стабилизации пламени.
Теоретический расход сухого воздуха необходимого для полного сгорания кубометра БГ, м3/м3:
.
Объем влажных продуктов сгорания БГ м3/м3:
.
Каждый студент выполняют расчетную работу по определению основных характеристик и времени образования в кухне взрывоопасной смеси при не закрытом кране на одну из горелок плиты при использовании ПГ и СУГ, БГ Состав газов принимать по табл. 1 и 2 приведенным в Приложении. Номер задания выдает преподаватель.
Примеры расчета основных физико-химических свойств
Природный газ
CH4 – 93%
C2H6 – 3,1%
C3H8 – 0,7%
C4H10 – 0,6%
CO2 – 0,1%
N2 + редкие газы – 2,5%
Определение низшей теплоты сгорания
Qн = 0,01(∑Qнi × CmHn),
где Qнi – низшая теплота сгорания отдельного компонента; CmHn – процентное содержание газа.
Qн = 0,01(35880×CH4 + 64360×C2H6 + 93180×C3H8 +
+ 123600×C4H10), кДж/м³
Qн = 0,01(35880×93 + 64360×3,1 + 93180×0,7 + 123500×0,6) =
= 36756,82 кДж/м³
Воздух состоит из:
О2 » 21%
N2 » 79%
Для 1м3 О2 требуется 
4,76 м³ воздуха.
На 1м3 О2 приходится 
3,76 м³ N2
CmHn + (m + 
) (O2 +3,76N2) = mCO2+ 
H2O + (m + ) × 3,76 N2
Определение теоретического расхода сухого воздуха необходимого для полного сгорания 1м3 газа.
м3/м3
(2CH4 + 3,5C2H6 + 5C3H8 + 6,5C4H10) м3/м3
(2×93 + 3,5×3,1 + 5×0,7 + 6,5×0,6) = 9,7 м3/м3
Определение теоретического расхода влажного воздуха необходимого для полного сгорания.
м3/м3
= 10гр – количество водяных паров в воздухе.
= 9,7 + 0,00124×10×9,7 = 9,8 м3/м3.
Действительный расход:
,
где a = 1,05¸1,15,
принимаем a = 1,10, тогда
= 9,8 ×1,10 = 10,78 м3/м3.
Определение плотности газа.
rсм = 0,01(Σρi×ri)
rсм = 0,01(0,72×93 + 1,35×3,1 + 2,01×0,7 + 2,7×0,6 + 1,977×0,1 +
+ 1,25×2,5) = 0,77 кг/м3
Определение относительной плотности газа:
.
Определение давления при взрыве:
Po – атмосферное давление, Ро = 0,1МПа; tк – max температура, 
; 
– коэффициент объемного расширения; 
– коэффициент избытка воздуха, при котором происходит горение.
Объем продуктов сгорания влажный:
м3/м3
, м3/м3
где 
– влажность газа, 
=10 гр., 
– влажность воздуха, 
=10 гр.,
– теоретический расход воздуха;
м3/м3
= 1,038 + 2,14 + 7,69 = 10,87, м3/м3
Пределы воспламеняемости (взрываемости):
.
.
.
Определение верхнего и нижнего предела взрываемости газа содержащего балластные примеси – СО2 и N2:
CH4 = 
×100 = 95,5 %
C2H6 = 
×100 = 3,18 %
C3H8 = 
×100 = 0,72 %
C4H10 = 
×100 = 0,6 %
Нижний предел воспламеняемости с балластом:
Определение времени загазованности:
,
где А – часовая кратность воздухообмена, принимаем двухкратный воздухообмен. А = 2.
Vзаг = Vпом × Lн,
где Vпом – объем помещения (кухни)
Vпом = 15 м3.
Vзаг = 15 × 0,0483 = 0,7245 м3.
Vу = 0,2 м3/час
τ′ = τ А = 3,6× 2 = 7,2 час
Сжиженный газ
Бутан технический – БТ
C2H6 – 6%
C3H8 – 17%
C4H10 – 75%
C5H12 – 2%
Определение низшей и высшей теплоты сгорания
Qн,в = 0,01(∑Qн,вi × CmHn),
где Qн,вi – низшая теплота сгорания отдельного компонента; CmHn – процентное содержание газа. Развернутая формула для определения Qн. Для определения Qв смеси газов следует значения Qвi для каждого газа брать из справочника или таблицы, приведенной в пособии.
Qн = 0,01(64360×C2H6 + 93180×C3H8 + 123600×C4H10 +
+ 156630×C5H12), кДж/м3
Qн = 0,01(64360×6+93180×17+123500×75+156630×2) =
= 115459 кДж/м3 »115,46 МДж/м3
Определение плотности газа:
rсм = 0,01(Σρi × ri)
rсм =0,01(1,35×6 + 2,01×17 + 3,22×2 + 2,7×75) = 2,5 кг/м3
Определение относительной плотности газа:
Определение давления при взрыве:
где Po – атмосферное давление, Ро = 0,1МПа; 
tK – max температура, tK = 2000 °C ; 
– коэффициент объемного расширения; 
– коэффициент избытка воздуха, при котором происходит горение.
Объем продуктов сгорания влажный:
м3/м3
,
где 
– влажность газа, =10гр.
– влажность воздуха, 
=10гр.
– теоретический расход воздуха;
м3/м3
= 0,79×30,6 = 24,17 м3/м3
= 3,73 + 5,12 + 24,17 = 33,02 м3/м3
Пределы воспламеняемости (взрываемости):
Определение времени загазованности.
Vзаг = Vпом × Lн
Vпом = 15 м3
Vзаг = 15 × 0,02005 = 0,30075 м3
Vу = 0.2 м3
t¢ = t А = 1,5 ×2 = 3,0 час
Вывод
Сжиженный газ опаснее природного, так как у сжиженного газа нижний предел воспламенения (взрываемости) ниже: 
, чем у природного: 
и поэтому быстрее образуется взрывоопасная смесь. За 3 часа образуется взрывоопасная концентрация в кухне при утечке СУГ и за 7,2 часа при утечке ПГ.
Относительная плотность сжиженного газа d = 1,9 больше относительной плотности воздуха d = 1,29, вследствие этого газ будет скапливаться в нижней зоне помещения, откуда и производят отбор проб на загазованность. Относительная плотность природного газа
d = 0,6 меньше, чем у воздуха, и поэтому отбор проб производят из верхней зоны помещения.
Приложение
Таблица 1
Состав природных газов
Таблица 2
Дата: 2019-02-02, просмотров: 234.
