Машиностроение и механика

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Физико-химические основы тепловых процессов - Теплота сгорания топлива

Article Index
Физико-химические основы тепловых процессов
Состав и компоненты топлива
Состав твердого и жидкого топлива
Компоненты топлива
Теплота сгорания топлива
Расход кислорода и воздуха для горения топлива
Расход воздуха для горения топлива
Состав продуктов сгорания. Недожог топлива
Недожог топлива
Температура горения топлива
Действительная температура горения
Коэффициент использования тепла топлива
Показатель излучательной способности топлива
Энергетика химических связей и теплота сгорания топлива
Закон действующих масс
Воспламенение топлива, температура воспламенения
Пределы воспламенения
Распространение пламени в газовоздушных смесях
Ламинарный и турбулентный газовый факел
Длина ламинарного газового факела
Уравнение для расчета длины турбулентного газового факела
All Pages

Теплота сгорания топлива

При сгорании топлива выделяется теплота. За единицу измерения количества теплоты (работы и энергии) в системе СИ принимают джоуль (дж = н·м).

Джоуль определяется как работа, производимая силой в 1 ньютон (1 н) при перемещении точки приложения этой силы на 1 метр (1 м) по ее направлению (1 дж = 1 н·м). Широкое распространение в науке и технике получила международная калория (кал).

1 кал = 4,187 дж.

Горение элементов топлива может быть полным и неполным. При полном сгорании образуются конечные продукты - углекислый газ и водяной пар и выделяется максимум тепла. Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива(1 кг или 1 м3), называется теплотой сгорания.

Теплота сгорания углерода зависит от его состояния: аморфного (древесный уголь, сажа) или кристаллического (алмаз, графит, кокс). Углерод, полученный при горении углеводородов, находится в аморфном состоянии. Рассмотрим основные тепловые эффекты реакции горения аморфного и кристаллического углерода.

Сам + О2 = СО2 + 410 Мдж/кмоль

Скр + О2 = СО2 + 394 Мдж/кмоль

Следовательно, теплота сгорания аморфного углерода составляет

410/12 = 34,1 Мдж/кг;

а теплота сгорания кристаллического углерода снижается до

394/12 = 32,8 Мдж/кг.

Теплота сгорания водорода зависит от агрегатного состояния продукта реакции горения водорода

Н2 + 0,5О2 = Н2Ож + 286 Мдж/кмоль

Н2 + 0,5О2 = Н2Ог + 242 Мдж/кмоль

Теплота сгорания водорода соответственно составляет

286/2 = 143 Мдж/кг и 242/2 = 121 Мдж/кг.

Естественно, что теплота сгорания при условии образования Н2О в виде жидкости выше, т.к. при конденсации пара в воду выделяется скрытая теплота парообразования 2260 кдж/кг. Так возникает понятие о высшей и низшей теплоте сгорания.

 

Максимальная теплота сгорания с учетом теплоты конденсации водяных  паров называется высшей и обозначается Qв. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании единицы топлива без конденсации водяных паров, называется низшей теплотой сгорания, обозначается Qн.

В практике работы печей уходящии продукты сгорания имеют температуру, превышающую 100 оС, следовательно, имеется в виду низшая теплота сгорания. Теплоту сгорания газообразного топлива можно определять расчетным путем, а твердого и жидкого экспериментальным. Это связано с тем, что определение теплоты сгорания расчетным путем может быть строгим лишь в том случае, когда известны химические соединения, составляющие горючую массу топлива, и теплоты сгорания этих элементов.

Экспериментальное определение теплоты сгорания.

Теплоту сгорания топлива определяют в специальных приборах, которые называются калориметрами. Калориметрическая установка для определения теплоты сгорания твердого топлива представляет собой металлический сосуд с двойными стенками, заполняемый водой. Во внутренний сосуд устанавливают калориметрическую бомбу с навеской топлива. Бомба представляет собой пустотелый толстостенный цилиндр из кислотоупорной стали, заполняемый кислородом под давлением. После установки бомбы в калориметр температура всей системы уравнивается. Навеска топлива воспламеняется при помощи электрической искры и сгорает, выделяя тепло, которое поглощает вода калориметра. При сжигании навески топлива с массой Р, г повышается не только температура воды в калориметре с массой М, г, но и температура всех частей прибора. Тепло, затраченное на нагревание всех частей калориметра, выражают через водяной эквивалент W.

 

Водяным эквивалентом называется то количество воды, для повышения температуры которой на 1 гр требуется столько же тепла, сколько нужно для повышения температуры всех частей прибора на 1 гр (теплоемкость воды равна 4,187 дж/(г·гр)).

При экспериментальном определении теплоты сгорания газообразного топлива, в калориметре получают высшую теплоту сгорания топлива, а низшую - рассчитывают по высшей.

Связь между высшей и низшей теплотой сгорания.

В продуктах сгорания твердых и жидких топлив водяные пары образуются при сгорании водорода топлива, а также при испарении начальной влаги топлива. Если в рабочем топливе содержится Нр кг водорода, то образуется 9·Нр кг водяного пара и разница между высшей и низшей теплотой сгорания составит 2500·(Wp + 9·Нр) кдж/кг. Число 2500 кдж/кг является приблизительной разницей между высшей и низшей теплотой сгорания на 1 кг Н2О.

При сжигании газообразного топлива водяные пары в продуктах сгорания образуются при горении водорода и углеводородов, а также переходят из влаги топлива и воздуха.

Расчетный метод определения теплоты сгорания.

Теплоту сгорания газообразного топлива можно рассчитать, если известны тепловые эффекты реакций горения и химический состав топлива по следующей формуле

Qн = 127,7CO + 108H2 + 358CH4 + 590C2H4 + 555C2H2 + 636C2H6 +

+ 913C3H8 + 1185C4H10 +1465C5H12 + 234H2S кдж/м3,

где 127,7; 108 и т. д - тепло, выделяемое при сгорании 1 % СО; Н2 и т. д;

СО; Н2 и т. д - содержание горючих составляющих топлива, %.

Следует отметить, что расчетная величина теплоты сгорания может немного отличаться от опытной, т.к. в газе содержаться пыль и смолы.

Нахождение теплоты сгорания твердого и жидкого топлив расчетным с пособом носит приближенный характер, т.к. это топливо анализируют не по химическим соединениям, а лишь по химическим элементам.

Д. И. Менделеев предложил следующую формулу для определения теплоты сгорания твердого и жидкого топлив

Qв = 340Ср + 1260Нр - 109(Ор - Sp) кдж/кг

Формула Менделеева для определения низшей массовой теплоты сгорания топлива принимает вид

Qн = 340Ср + 1030Нр - 109(Ор - Sp) - 25Wp кдж/кг,

где W - содержание влаги в топливе в % по массе.

Условное топливо

Каждое топливо имеет различную теплоту сгорания. Для удобства учета, сравнения и пересчета с одного топлива на другое было предложено принять за единицу учета такое топливо, теплота сгорания которого составляет 29,3 Мдж/кг (7000 ккал/кг), и назвать его условным. Пересчеты можно производить для любого топлива - твердого, ж идкого и газообразного.

Условное топливо очень удобно для сравнения экономичности работы печей, работающих на различном топливе. При сравнении определяют расход условного топлива на единицу нагреваемого в печи материала (кг/т)