Die Dampfkessel einschliesslich Feuerungen und Hilfseinrichtungen: Teil 1 Die theoretischen Grundlagen Wärme, Verbrennung, Wärmeübertragung [2. Aufl., neu bearb. von Karl Beck. Reprint 2019] 9783111587998, 9783111214375

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SAMMLUNG

GÖSCHEN

BAND

9

Die Dampfkessel und Feuerungen einschl. Hilfseinrichtungen in Theorie, Konstruktion und Berechnung Von

Professor Dr.-Ing. W a l t e r Marcard f Zweite

Auflage

neu b e a r b e i t e t von

Dr.-Ing. Karl Beck I

Die theoretischen • Grundlagen Wärme, Verbrennung, Wärmeübertragung M i t 42 A b b i l d u n g e n u n d 16 T a b e l l e n

Walter

de G r u y t e r

& Co.

vormals G. J. Göschen'sche Verlagshandlung • J. G u t t e n t a g . V e r l a g s buchhandlung • Georg Reimer • Karl J. Trübner • Veit & Comp.

Berlin

195 1

Alle R e c h t e , i n s b e s o n d e r e das von der V e r l a g s h a n d l u n g

Übersetzungsrecht, vorbehalten

Archiv-Nr. 1100 09 Druck ron Walter de Gruyter & Co., Berlin W 35 Printed in Germany

Inhaltsverzeichnis

Seite

Einleitung

5

I. Abschnitt. Grundzüge der techn. Wärmelehre 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Wärmeeinheit, Wärmeäquivalent Temperatur Druck Spezifische W ä r m e W a h r e und m i t t l e r e spez. W ä r m e Gasgesetze und Zustandsänderungeri v o n Gasen mischen W a s s e r und D a m p f K r i t i s c h e r D r u c k und k r i t i s c h e T e m p e r a t u r Das It- und /«-Diagramm für Wasserdampf Zwischenüberhitzung Trockene L u f t ' u n d feuchte Luft. Taupunkt

6

und

Gasge-

II. Abschnitt. Verbrennungslehre 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

6 6 7 8 8 10 15 18 21 26 28

31

D i e T h e o r i e der V e r b r e n n u n g Mol und W e r t i g k e i t ( V a l e n z ) Verbrennungsgleichungen V e r b r e n n u n g von B r e n n s t o f f e n B e r e c h n u n g des t h e o r e t i s c h e n L u f t b e d a r f e s B e r e c h n u n g der Abgaszusammensetzung bei t h e o r e t i s c h e m L u f t bedarf T h e o r e t i s c h e V e r b r e n n u n g gasförmiger B r e n n s t o f f e D i e V e r b r e n n u n g m i t L u f t ü b e r s c h u ß , der m a x i m a l e C02-Gehalt und das t r o c k e n e Abgasvolumen Unvollkommene Verbrennung Verbrennungsdreiecke Heizwert und V e r b r e n n u n g s w ä r m e D a s spezielle / ¿ - D i a g r a m m Praktische Verbrennungsrechnung D a s allgemeine /¿-Diagramm

III. Abschnitt. Wärmeübertragung

31 33 35 39 40 41 44 45 48 51 53 55 57 64

64

A) W ä r m e s t r a h l u n g

65

1. Grundgesetze der W ä r m e s t r a h l u n g 2 . Verteilung der S t r a h l u n g 3. S t r a h l u n g s a u s t a u s c h zwischen zwei beliebig zueinander a n g e o r d n e t e n F l ä c h e n m i t verschiedenen T e m p e r a t u r e n 4. i^wsseWsche L ö s u n g f ü r die allgemeine B e s t i m m u n g des , . W i n kelverhältnisses" a u f graphischem Wege 5. D i e Kühlziffer oder die W e r t i g k e i t v o n b e s t r a h l t e n F l ä c h e n . . 6. Die Gasstrahlung

65 70 73 78 84 85

B ) Wärmeleitung und Wärmeleitzahl

95

7 . D a s Gesetz v o n Fourier 8 . W ä r m e l e i t u n g i n einer P l a t t e 9 . W ä r m e l e i t u n g im B o h r

95 96 98 1*

Inhaltsverzeichnis Seite C) Wärmeübertragung 103 10. Die Wärmeübergangszahl a und die Ähnlichkeitstheorie . . . 104 11. Berechnung der Wärmeübergangszahl et 108 D) Wärmedurchgang 118 12. Wärmedurchgang durch eine ebene -Wand 119 13. Wärmedurchgang durch eine Rohrwand 123 14. Wärmedurchgang bei veränderlicher Temperatur länjis der Heizfläche 126

IV. Tabellen Sach- und Namenverzeichnis

V e r z e i c h n i s der I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. XIII. XIV. XV. XVI.

132 149

Tabellen

Stoffwerte für Wasserdampf 132 Mittlere spez. Wärme von Gasen 134 Stoffwerte für Wasser (im Sättigungszustand) . . . 134 Stoffwerte für Luft und Rauchgase 135 Rauminhalt von Wasserdampf 136 Wärmeinhalt von Wasserdampf 138 Spez. Gewicht (Wichte) von Wasser 140 Spez. Gewicht (Wichte) von Wasser im Sättigungszustand 140 Wärmeinhalt von Wasser bei verschiedenem Druck . 141 Dampfgehalt gesättigter feuchter Luft 142 Mittlere spez. Wärme verschiedener fester und flüssiger Stoffe 142 Wärmeleitzahl und Raumgewicht verschiedener Stoffe 143 Strahlungskonstanten C 145 Heizwerte einiger Stoffe 145 Anhaltszahlen für wichtige Brennstoffe 146 Atom- und Molekular-Gewichte wichtiger Elemente und Verbindungen 148

Einleitung Die Dampfkessel dienen zur Erzeugung von Dampf aus Wasser mit Hilfe von Wärme, die durch die Verteuerung von Brennstoffen jeder Art (fest, flüssig, gasförmig), ferner durch die Ausnutzung der Wärme von Abgasen oder Dämpfen verschiedener Herkunft oder durch elektrische Beheizung geliefert werden kann. Der Dampf wird in einem geschlossenen Behälter erzeugt, den man als „ D a m p f k e s s e l " bezeichnet und in dem ein höherer Druck als in der äußeren Atmosphäre herrscht. Die Erzeugung der Wärme erfolgt in der F e u e r u n g durch Verbrennen von Brennstoffen. Die Übertragung der Wärme an Wasser und Dampf geschieht durch die H e i z f l ä c h e . Vor der Planung und Gestaltung einer Dampfkesselanlage ist es erforderlich, die beteiligten Stoffe, insbesondere ihre wärmetechnischen Eigenschaften, und die physikalischen und chemischen Vorgänge kennenzulernen, die sich in einer solchen Anlage abspielen. Die wichtigsten S t o f f e sind das W a s s e r als Ausgangsstoff, der D a m p f als gewolltes Enderzeugnis, der B r e n n s t o f f als Wärmespender, die E a u c h g a s e als Wärmeträger. Die wesentlichsten V o r g ä n g e in einer Dampfkesselanlage sind der V e r b r e n n u n g s V o r g a n g zur Entbindung der im Brennstoff gebundenen Wärme (chemischer Vorgang), die W ä r m e ü b e r t r a g u n g von den Rauchgasen an Wasser und Dampf, gelegentlich auch an die Verbrennungsluft (physikalischer Vorgang),

6

Grundzüge der techn. Wärmelehre

die V e r d a m p f u n g des Wassers und Ü b e r h i t z u n g des gebildeten Dampfes (physikalischer Vorgang). Die genannten' Stoffe und Vorgänge sind Gegenstand der technischen Wärmelehre, deren Grundzügen die folgenden Abschnitte gewidmet sind. Für Gestaltung, Ausrüstung und Betrieb von Dampfkesselanlagen bestehen in allen Ländern g e s e t z l i c h e Vors c h r i f t e n , deren Zweck der Schutz des Lebens und Eigentums der Bewohner ist. Außerdem gibt es für Dampfkessel N o r m e n verschiedener Art. Erster Abschnitt (Jrundzüge der technischen Wärmelehre 1. Wärmeeinheit, Wärmeäquivalent. Als Einheit der Wärme im technischen Maßsystem gilt eine K i l o g r a m m k a l o r i e (kcal). 1 kcal ist die Wärmemenge, die notwendig ist, um 1 kg Wasser von 14,5° auf 15,5° bei einem Luftdruck von 760 mm QS zu erwärmen. Wärme kann in mechanische Arbeit umgewandelt werden. Bei dieser Umwandlung entspricht 1 kcal = 427 mkg; demnach ist 1 mkg =

4a I

kcal. Den Aus-

druck - ! - bezeichnet man mit A = mechanisches Wärme427 äquivalent. 2. Temperatur. Die Temperaturmessung erfolgt in Grad (°C, lOOteilige Skala). Der erste Festpunkt der CelsiusSkala, ist der Eispunkt (0°), der zweite Festpunkt ist der Siedepunkt des Wassers (100°), beide gemessen bei einem Luftdruck von 760 mm QS. In englisch sprechenden Ländern wird heute noch die Fahrenheitskala, benutzt (°F). Ihr Nullpunkt liegt 32° F unter dem Eispunkt; der Siedepunkt liegt bei 212° F. Der Zwischenraum zwischen Eispunkt und Siedepunkt ist in 180 gleiche Teile geteilt. Daraus folgt:

Dr uck

7

1 °C = 1,8°F; 1°F = 5 / 9 °C 5 t °C = / 9 32) = 5 / 9 (t °F + 40) — 40 ¿°F = 9 / 6 « ° C + 32 = 9 / 6 ( i ° C + 40) —40.

Die absolute Temperatur wird vom „absoluten Nullpunkt" aus gerechnet, der 273° C unter dem Eispunkt liegt. Man bezeichnet sie mit „° absolut" (° abs.) oder „° Kelvin" (°K). Es gilt also: T°abs. = T°K = t°G+ 273°. 3. Druck. Als Einheit des Druckes gilt eine Atmosphäre (at); sie entspricht dem Druck von 1 kg auf 1 cm2 = 735,5 mm Quecksilbersäule (QS) von 0°C. In der Physik hat man den mittleren- atmosphärischen Luftdruck in Meereshöhe als Einheit des Druckes gewählt. Er ist gleich 760 mm QS = 1,033 kg/cm2 Zur Unterscheidung bezeichnet man die in der Technik übliche Druckeinheit von 1 at = 1 kg/cm2 als „technische Atmosphäre". Rechnet man den Druck vom drucklosen Zustand (absolutes Vakuum) aus, so bezeichnet man ihn als „absoluter Druck" (ata). In der Technik bezieht man den Druck meistens auf den herrschenden Luftdruck, da die technischen Meßinstrumente nur den Überdruck gegenüber der Atmosphäre anzeigen. Hierfür benutzt man die Bezeichnung „Überdruck" (atü). Beispiel: Das Manometer eines Dampfkessels zeigt 15 atü bei einem Barometerstand von 700 mm QS. 735,5 mm QS = 1 at = 1 kg/cm2 700mm QS = ^

= 0,95kg/cm 2 ;

daher ist die absolute Dampfspannung 15 + 0,95 = 15,95 ata. In den englisch sprechenden Ländern wird der Druck in Pfund auf 1 Quadratzoll = 1 lb. per sq. inch = 0,0703 kg/cm 2 angegeben.

Sehr kleine Über- oder Unterdrücke (z. B. Zug im Kessel,

8

Gmndzüge der teohn. Wärmelehre

Über- oder Unterdrück über dem Kost) mißt man nach mm Wassersäule (mm WS). Hierbei entspricht: 1 m m

w s

=

löcjoo k g / c m 2 = 1

»

at

=

1

kg/m2

4. Spezifische W ä r m e . Unter spezifischer Wärme eines Körpers versteht man die Wärmemenge, die notwendig ist, um die Temperatur von 1 kg bzw. 1 m 3 des Körpers um 1 °C zu erhöhen. Man unterscheidet: 1. Spez. Wärme bei konstantem Druck (c p in kcal/kg 0 , C v in kcal/Nm 3 °) 2. Spez. Wärme bei konstantem Volumen (c„ in kcal/kg 0 ; Cv in kcal/Nm 3 Im Dampfkesselbau hat man es nur mit der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zu tun. Die spez. Wärmen sind von der Temperatur abhängig. Diese Abhängigkeit ist für zweiatomige Gase gegeben durch folgende Gleichungen: cp= cVt-\- b • t kcal/kg °C c„ = cVa+b-t kcal/kg °C

la) lb)

5. W a h r e und mittlere spez. W ä r m e . Die Gleichungen l a ) und l b ) geben die „wahre spezifische Wärme" eines Körpers an, die nur für die betreffende Temperatur gilt. Die zur Erwärmung von einem Kilogramm eines Körpers von der Temperatur t0 auf die Temperatur £j erforderliche Wärmemenge entspricht: 2) Q = Z',1 c • dt kcal/kg '0 An Stelle der veränderlichen von der Temperatur t0 abhängigen wahren spezifischen Wärme c wird zur Vereinfachung des Rechnungsvorganges ein Durchschnittswert, die mittlere spezifische Wärme em, eingeführt. In Abb. 1 ist die wahre spezifische Wärme als Ordinate in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen. Die Kurve zwischen den Punkten t0 und kennzeichnet die Abhängigkeit der wahren spezifischen Wärme

Wahre und mittlere spez. Wanne

9

im Temperaturbereich t0 bis tv Die Fläche, die von den wahre spez.Wärme Ordinaten = 1. Die dem Sättigungszustande bei verschiedenen Temperaturen entsprechende Wassermenge ist aus Tabelle X und Abb. 7 zu entnehmen. Wird mehr Wasser zugeführt, als dem Sättigungszustande entspricht, so wird dieses Wasser nicht mehr in Dampfform aufgenommen. Es scheidet sich in flüssiger Form aus. Sind die entstehenden Wassertröpfchen so fein, daß ihr Eigengewicht nicht ausreicht, die Luftreibung zu überwinden, so schweben sie in der Atmosphäre und bilden Nebel. Die Temperatur, bei

30

Grundzüge der techn. Wärmelehre

Abb. 7. Beziehung zwischen Dampfdruck (mmHg), Taupunkt ("C) und Wassergehalt (g/Nm 3 ) von nassen Bauchgasen, bezogen auf 1 Nm 1

der das Ausscheiden des Wasserdampfes einsetzt, nennt man „ T a u p u n k t " . Der Taupunkt kann erreicht werden: 1. durch Zuführung zu großer Wassermengen, 2. durch Abkühlung der Luft.

Trockene Luft und feuchte Luft. Taupunkt

31

Kühlt man ungesättigte Luft ab, so wird sie bei einer gewissen Temperatur gesättigt, da die dem Sättigungszustande entsprechende absolute Feuchtigkeitsmenge mit der Temperatur abnimmt. Weitere Abkühlung der Luft über den Sättigungszustand hinaus muß also eine Ausscheidung von Wasser, d. h. eine Unterschreitung des Taupunktes, bringen. B e i s p i e l : Luft von 50° C und einem Sättigungsgrad von 0,3 wird auf 15° C abgekühlt. 1) Bei welcher Temperatur ist die Luft gesättigt? 2) Wieviel Wasser wird bis zur Erreichung der Endtemperatur ausgeschieden ^ Zu 1) Gesättigte Luft von 50° C enthält (Tabelle X) 89,5 g/kg Wasser. Bei y> = 0,3 sind also in 1 kg Luft 0,3 • 89,5 = 26,8 g Wasser enthalten. Dieser Wassermenge entspricht nach Tabelle X eine Sättigungstemperatur von 29° C. Z u 2 ) Bei 15° C kann die Luft in gesättigtem Zustande 11 g/kg Wasser enthalten. Der Überschuß fällt als Tau aus: 26,8 — 1 1 = 15,8 g Aus 1 kg Luft werden bei der geforderten Abkühlung also 15,8 g Wasser ausgeschieden.

Die gleichen Gesetze wie für die Mischung von Luft mit Wasserdampf gelten auch für die Mischung von anderen Gasen, z. B. Rauchgasen mit Wasserdampf. Es kann also auch bei der Abkühlung von Rauchgasen, die stets Wasserdampf enthalten, zur Ui\terschreitung des Taupunktes und zur Ausscheidung von Wasser kommen. Diese Wasserausscheidung, die naturgemäß besonders an kalten Teilen der Kesselanlage stattfindet, ist wegen der damit verbundenen erhöhten Verschmutzungs- und Korrosionsgefahr sehr gefürchtet. In Abb. 7 ist die Beziehung zwischen Dampfdruck, Taupunkt und Wassergehalt dargestellt. Zweiter Abschnitt Verbrennungslehre 1. Die Theorie der Verbrennung. Unter Verbrennung versteht man die chemische Vereinigung von Elementen

32

Verbrennungslehre

mit Sauerstoff unter Feuererscheinung. Durch den Verbrennungsvorgang wird die chemisch gebundene Energie eines „Brennstoffes" in fühlbare Wärme umgewandelt, wobei als Endprodukt die Oxyde des Brennstoffes bzw. seiner Bestandteile entstehen. Dieses Endprodukt ist bei normalen Verbrennungsvorgängen gasförmig und wird als „Feuer-", „Heiz"oder „Kauchgas" bezeichnet. Diese Gase sind gleichzeitig die Träger der erzeugten fühlbaren Wärme, die ihnen bei ihrer Entstehung mitgeteilt wird. Zu einer Verbrennung sind Brennstoff und Sauerstoff erforderlich, von denen der letztere bei technischen Verbrennungen als Luftsauerstoff zur Verfügung steht. Chemische Prozesse, bei denen Wärme abgegeben wird, nennt man „exotherme Prozesse". Die Verbrennung ist ein exothermer Prozeß, da sie mit Wärmeentwicklung verbunden ist. Die Menge der freiwerdenden Wärme ist bei den einzelnen Brennstoffen verschieden und wird durch den „Heizwert" des Brennstoffes angegeben. Man versteht darunter jene Wärmemenge, die bei der Verbrennung von 1 kg oder — bei gasförmigen Brennstoffen — 1 Nm 5 des Brennstoffes frei wird. Für den Verbrennungsvorgang als chemischen Prozeß (Oxydationsvorgang) gelten die für die Bildung chemischer Verbindungen gültigen Gesetze. Die Vereinigung mehrerer Elemente erfolgt im ganzzahligen Verhältnis ihrer Atomgewichte. Die chemischen Zeichen sowie die Atom- und Molekulargewichte der für die Verbrennung wichtigen Elemente und Verbindungen sind aus Tabelle XVI zu entnehmen. Schreibt man beispielsweise die Gleichung: G+0

= CO,

22)

so bedeutet das: 12 Gewichtsteile Kohlenstoff verbinden sich mit 16 Gewichtsteilen Sauerstoff zu 28 Gewichtsteilen Kohlenoxyd. Die Gewichtsteile lassen sich z. B. in kg angeben; dann lautet die obige Gleichung:

Mol und Wertigkeit (Valenz)

33

12 kg 0 + 16 kg 0 = 28 kg CO 22a) Die Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlendioxyd (Kohlensäure) erfolgt nach der Gleichung: C + 2 0 = C02 , 23) d. h. 12 Gewichtsteile Kohlenstoff + 32 Gewichtsteile Sauerstoff geben 44 Gewichtsteile Kohlendioxyd (Kohlensäure) oder, bezogen auf kg: 12 kg C - f 32 kg 0 = 44 kg C02 23a) Verbrennt man jedoch nur 1 kg Kohlenstoff, so ist: 32 44 l k g C + - k g 0 = -kgCJ02 23d) oder

1 kg C + 2,667 kg 0 = 3,667 kg C0 2

23c)

2. Mol und Wertigkeit (Valenz). Eine Vereinigung von zwei oder mehr Atomen nennt man „Molekül". Kohlenoxyd und Kohlendioxyd sind also Moleküle. Verbindungen können demnach niemals als Atome auftreten. Aber nicht nur Verbindungen kommen als Moleküle vor, sondern bei zahlreichen Elementen vereinigen sich mehrere Atome zu einem Molekül. Dies ist besonders bei Gasen der Fall, deren Moleküle meist aus zwei Atomen bestehen. Daher bezeichnet man analog zu den Verbindungen die Moleküle von Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff usw. mit 0 2 , N2, Ht usw. und spricht von zweiatomigen Gasen. Mit diesen Bezeichnungen lauten die Verbrennungsgleichungen richtiger: 2G+Oi=2GO 221) C+02 = C02 23 1 ) Die Bildung von Wasser durch Verbrennung von Wasserstoff erfolgt nach der Beziehung: m2 + 0 2 = 2HJ) 24) Diese Gleichungen zeigen, daß verschiedene Elemente ganz M a r c a r d - B e c k , Die Dampfkessel und Feuerungen. I .

3

34

Verbrennungslehre

verschiedene Sauerstoffmengen binden können. Die Bindung erfolgt nach der „ W e r t i g k e i t " oder „ V a l e n z " des Elementes. Wasserstoff ist einwertig, Sauerstoff zweiwertig, Stickstoff meist dreiwertig, Kohlenstoff vierwertig. Kohlenstoff tritt jedoch häufig auch zweiwertig (z. B. CO) auf, wie wir aus den obigen Gleichungen sehen. Kennzeichnet man die Wertigkeiten durch kleine Striche, so erhält man ein Bild über den molekularen Aufbau der Verbindungen, z. B.

=c=o CO

o=c=o C02

H

yo H./)

CO besitzt noch zwei freie Wertigkeiten, die ihrerseits wieder Sauerstoff binden können, so daß dann C02 entsteht. Solche Verbindungen mit freien Wertigkeiten nennt man „ungesättigt", während C02 die „gesättigte" Verbindung ist. Da die Gewichtsanteile der Elemente in einer Verbindung sich wie die Atomgewichte verhalten, die Atomgewichte selbst aber nur relative Größen und keine Gewichte sind, hat man als Rechnungsgröße das „Mol" eingeführt. Man versteht darunter diejenige Gewichtsmenge eines Stoffes in kg, die gleich dem Molekulargewicht ist. Ein Mol C sind also 12 kg Kohlenstoff, da 12 dessen Molekulargewicht ist; ein Mol 0 2 sind 32 kg Sauerstoff usw. Nach dem Gesetz von Avogadro enthalten alle Gase im gleichen Volumen bei demselben Druck und derselben Temperatur dieselbe Anzahl von Molekülen. Ein Molekül nimmt also bei allen Gasen den gleichen Raum ein. Setzt man an Stelle eines Moleküls das Mol des Gases, so muß auch dieses bei allen Gasen das gleiche Volumen haben. Dieses Volumen, das man auch als „ M o l v o l u m e n " bezeichnet, beträgt für alle Gase bei 0° C und 760 mm QS Barometerstand 22,4 Nm3. Die im Dampfkessel- und Feuerungsbau gebräuchlichen Gasrechnungen pflegt man auf den Normalzustand von 0° und

35

Verbrennungsgleichungen

760 mm QS Barometerstand zu beziehen. 1 m3 in diesem Zustand nennt man „ N o r m a l k u b i k m e t e r " (Nm3). Zur Umrechnung von Gasvolumen auf den Normalzustand oder aus dem normalen auf den wirklichen Zustand benutzt man die allgemeine Zustandsgieichung (s. Gl. 10). Da das Molvolumen aller Gase 22,4 Nm3 beträgt, so braucht man nur das Molekulargewicht eines Gases durch diese Zahl zu dividieren, um das Gewicht-von 1 Nm3, d. h. das spezifische Gewicht des Gases bei 0° und 760 mm QS zu erhalten. Beispiel: Wie groß ist das spez. Gewicht von 1) Sauerstoff 2) Kohlendioxyd im Normalzustande? Das Molvolumen aller Gase ist 22,4 Nm3. Das Molekulargewicht von 0 2 ist 32, das von C02 — 44. Daher: y 0 j = 32 : 22,4 = 1,429 kg/Nm 3 yc^ = 44: 22,4 = 1,965 kg/Nm3.

3. Verbrennungsgleichungen. Von der Tatsache, daß ein Mol bei derselben Temperatur und demselben Druck immer das gleiche Volumen hat, macht man bei volumetrischen Verbrennungsrechnungen Gebrauch. Durch das Molvolumen ist der Zusammenhang zwischen den Gewichtsmengen der ververbrennenden Elemente und den Volumenmengen der entstehenden Abgase eindeutig gegeben. Es verbinden sich z. B.: 12 Gewichtsteile C mit 32 Gewichtsteilen 0 2 zu 44 Gewichtsteilen C02 oder auch: 12 kg C + 32 kg 02 = 44 kg C02 23a) 1 Mol C+ 1 Mol 0 2 = 1 Mol C02 23b) Da 02 und C02 gasförmig sind, kann man auch schreiben: 12 kg C -f 22,4 Nm3 02 = 22,4 Nm3 C02 23e) oder, bezogen auf 1 kg C: 22,4 22,4 1 kg C + Nm3 02 = 1 2 - Nm3 C02 23f) 3*

36

Verbrennungslehre

1 kg G + 1,867 Nm 3 0 2 = 1,867 Nm 3 C0 2 Entsprechend gilt für die Verbrennung von G zu CO 2 C + 0 2 = 2C0 24 kg C + 32 kg 0 2 = 56 kg CO 2 Mol C + 1 Mol 0 2 = 2 Mol CO 24 kg C + 22,4 Nm 3 0 2 = 2 • 22,4 Nm« CO 22,4 2 • 22,4 1 kg C + Nm3 0 2 = ——— Nm 3 CO

23g) 221) 22b) 22c) 22d) 22e)

1 kg C + 0,933 Nm3 0 2 = 1,867 Nm 3 CO 22f) Bei der Verbrennung von C zu CO tritt demnach eine Volumenvermehrung ein. Sie wird bei der weiteren Verbrennung des CO zu C02 wieder rückgängig gemacht: 2 CO + 0 2 = 2 C02 23) 56 kg CO + 32 kg 02 = 88 kg C02 23a) 2 Mol CO + 1 Mol 02 = 2 Mol C0 2 23b) 22 4 2 • 22 4 1 kg CO + - 1 - Nm 3 0 2 = — ^ Nm3 C02 23e) 5b ob 1 kg CO + 0,4 N m ^ = 0,8 Nm 3 C02 23f) oder, da auch CO gasförmig ist: 2 • 22,4 Nm3 CO + 22,4 Nm3 02 = 2 • 22,4 Nm3 C02 23d) 2 Nm3 CO + 1 Nm3 0 2 = 2 Nm3 C02 23c) Bei der Verbrennung von Wasserstoff zu Wasser tritt ebenfalls eine Volumenverringerung .ein: 2 H2 + 0 2 = 2 ffaO 24) 4 kg H2 + 32 kg 0 2 = 36 kg II/J 24a) 2 Mol ff 2 + 1 Mol 0 2 = 2 Mol ff20 24b) 2 • 22,4 Nm 3 + 22,4 Nm 3 02 = 2 • 22,4 Nm 3 ff20 24d) 2 Nm 3 + 1 Nm 3 0 2 = 2 Nm 3 H20 24c) Verbrennung von Schwefel:

S+02 = S02

25)

Verbreimungsgleichvmgen

37

32 kg $ + 32 kg 02 = 64 kg S02 1kg S +

22,4 32

= 0,7Nm

22,4

3

25a)

0 2 = "32" = 0,7Nm

3

S02

25b)

Verbrennung von M e t h a n CE^: GEI + 20 a = C0 2 + 2J?aO

26)

16 kg CHI + 2 • 32 kg 0 2 = 44 kg COZ + 2 • 18 kg E20 3 i # . •'• — n rn» 1 kg CEI + [ - ^ - = 2,8NM Oa = 16

+

22,4

16

26a)

= 1,4 Nm 3 co2

= 2,25 kg E20

1 Nm 3 CET + 2Nm 3 0 2 = 1 Nm 3 C02 + 2Nm 3 E20

26b) 26c)

Verbrennung von A e t h y l e n Caff>\o /kcal/kg 3047 3575 4102 4631

1,8

0,3522 0,3508 5157

11 0,3818 0,3752 0,3703 0,3670 0,3647 0 -f- 1500°C S»»| 0 /kcal/kg 4742 5577 6367 7188 8000 0 ~r 2000°C

Ii I kcal/kg

0,3953 U,3883 0,3834 0,3793 6550

7665

8785

9910

2,0

5690 0,3623 8818

0,3767

0,3743

10950

12140

Die errechneten Werte sind in dem in Abb. 10 gezeigten ItDiagramm graphisch dargestellt. Aus diesem Diagramm läßt sich für beliebige Temperaturen der Wärmeinhalt der Rauchgase ablesen.

Abb. 10. Spezielles Ii-Diagramm für eine Steinkohle

Qastemperatar

13. Praktische Yerbrcnnungsrechnung. Die bisher betrachteten feuerungstechnischen Rechenverfahren setzen voraus, daß die Elementaranalyse eines Brennstoffes bekannt ist. Dies ist in der Praxis aber häufig nicht der Fall, da man sich

Verbrennungslehre oft mit der sog. Immédiat- oder Kurzanalyse begnügt. Bei ihr werden Heizwert, Asche- und Wassergehalt sowie Menge der flüchtigen Bestandteile eines Brennstoffes (zweckmäßigerweise auch die Körnung) bestimmt. Diese Größen haben eine unmittelbare feuerungstechnische Bedeutung. Durch Großzahlforschung konnte nun nachgewiesen werden, daß zwischen dem Heizwert und dem Luftbedarf sowie der Rauchgasmenge für jede Luftüberschußzahl ein einfacher und eindeutiger Zusammenhang besteht. Diese statistischen Gesetze gelten nicht streng, sondern mit einer gewissen Toleranz, die aber f ü r die Rechnungen sowohl des Betriebspraktikers wie des planenden und gestaltenden Ingenieurs fast immer z u l ä s s i g s t . Die Kohle selbst weist ja als Naturprodukt auch bei gleicher H e r k u n f t schwankende Zusammensetzung auf, die dazu veranlassen sollte, auch die im Prinzip genauesten Rechenverfahren mit einer gewissen Kritik zu betrachten. Statistische Gesetze der beschriebenen A r t wurden insbesondere von Rosin und Fehling1) sowie von W. Boie2) aufgestellt. So gilt z. B. nach Rosin und Fehling f ü r BrennDimension stoff fest

Nm 3 /kg

flüssig

Nm 3 /kg

gasförmig Arm- Nm 3 /Nm s _

(bis H u = 3000 . , kcal/Nm«)

Reich-1 gase Km'/Nm 1

Luftbedarf

Rauchgasmenge

Gl.

Hu = 1,01 + 0,5 V . - 0 , 8 9 ^ + 1 , 6 5 71) 1ÖÖÖ Hu Hu 72) = 0,85 + 2,0 y 0 = 1,11 lÖÖÖ lÖÖÖ Hu 1000

= 0,875

Hu

F 0 = 0 , 7 2 5 ^ + 1 , 0 73)

74)

Rosin und Fehling, Das /¿-Diagramm der Verbrennung. VDI-Verlag, Berlin 1929. 2 ) W. Boie, Graphische Verbrennungsrechnung. Wärme 66. Jg. (1943) Nr. 19 S. 233.

Praktische Verbrennungsrechnung

59

Bei Luftüberschuß gilt für die Luftmenge Gl. 53), für die Gasmenge Gl. 54). Abb. 11—13 beruhen auf diesen Gleichungen.

0

1000

2000

3000

4000

5000 6000 7000kcok 8000 Unterer Heizwerf Hu

Abb. 11. Rauchgasvolumen und Luftbedarf von festen Brennstoffen

60

Verbrennungslehre

Unterer Heizwert

Hu

Abb. 12. Rauchgasvolumen und Luftbedarf von flüssigen Brennstoffen

Praktische Verbrennungsreehnung

0

7000

Z000

3000

4000

5000

61

6000

Unterer Heizwert des Gases Hu

7000 /tim 3

Abb. 13. Rauchgasvolumen und Luftbedarf von gasförmigen Brennstoffen

62

Verbrennungslehre

B e i s p i e l : Eine Ruhr-Fettkohle von Hu = 6200 kcal/kg wird mit 12,5% C02 verbrannt. Wie groß sind a) Luftüberschußzahl, b) zuzuführende Verbrennungsluftmenge, c) Rauchgasmenge? C 0 2 m a x nach Tab. XV = 18,75%. 18 75 a) Luftüberschußzahl n = -j^-g- = l,5fach (nach Gl. 55) b) Luftmenge L0 = l , 0 l | ^ - + 0 , 5 = 6,76Nm 3 /kg (nach Gl. 71) L = 1,5 • 6,76 , Rauchgas- y _ 0 8 9 6 2 0 0 , CJ menge " U ' 8 9 1000 +

= 10,14 Nm3/kg (nach Gl. 53) i

fi5 X bÖ

' = 7,17 Nm3/kg (nach Gl. 71) V = 7,17+ (1,5 —1) -6,76 = 10,55 Nm3/kg (nach Gl. 54) Die statistische Verbrennungsrechnung gibt keine Auskunft über die Zusammensetzung der Rauchgase, die in vielen Fällen wichtig zu wissen ist, z. B. zur Ermittlung des Wasserdampfgehaltes und des Taupunktes der Rauchgase. Brauchbare Näherungsrechnungen gibt es aber auch hierfür. F ü r Kohlen gleichartiger Herkunft, aber schwankenden Asche- und Wassergehaltes kann man bei Kenntnis des Gehaltes an flüchtigen Bestandteilen aus Kurvendarstellungen den HeizVert der asche- und wasserfreien Substanz („Reinkohlenheizwert") ohne Heizwertuntersuchung mit brauchbarer Genauigkeit ermitteln. Bei gegebenem Asche- und Wassergehalt kann der Reinkohlenheizwert auf die wirkliche Kohle umgerechnet werden. Ist / % der Gehalt einer Steinkohle an flüchtigen Bestandteilen, so ist der Reinkohlenheizwert H

u

rein

=

8150 + 38,33 / —1,1806 / 2

kcal/kg 75)

Der Heizwert der wirklichen Kohle ist Hu = (100 — A — W)

-

6 W kcal/kg 76)

Gl. 75) gilt nur für Steinkohle, nicht für Braunkohle, Torf,

Praktische Holz,

Koks

oder

6 3

Verbrennungsrechnung

Schwelkoks,

auch

nicht

für

Brennstoff-

mischungen.

,_0

2