Теплота сгорания топлива

Лекция № 3 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.

С_ам + О₂ = СО₂ + 410 Мдж/кмоль

С_кр + О₂ = СО₂ + 394 Мдж/кмоль

Следовательно, теплота сгорания аморфного углерода составляет

Рекомендуемые материалы

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 = Н₂О_ж + 286 Мдж/кмоль

Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О_г + 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 Q_в. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании единицы топлива без конденсации водяных паров, называется низшей теплотой сгорания, обозначается Q_н.

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 Н^р кг водорода, то образуется 9·Н^р кг водяного пара и разница между высшей и низшей теплотой сгорания составит 2500·(W^p + 9·Н^р) 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

Q_н = 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 способом 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

Q_в = 340С^р + 1260Н^р - 109(О^р - S^p) кдж/кг

Рекомендация для Вас - 2 Современное состояние использования микроорганизмов.

Формула Менделеева для определения низшей массовой теплоты сгорания топлива принимает вид

Q_н = 340С^р + 1030Н^р - 109(О^р - S^p) - 25W^p 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, жидкого 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)