Лекции по "Теплотехнике"

 

  Понятие топлива

 

      

Топливо — вещество или смесь веществ, способное к экзотермическим химическим реакциям с внешним или содержащимся в самом топливе окислителем, применяемое для выделения энергии, изначально тепловой.     

Топливо, не содержащее в своём составе  окислитель, часто называют горючее. Понятие топлива более общее, нежели горючее или горючее ископаемое, потому как включает в себя древесину и различные топливные смеси. В широком смысле топливо — один из видов потенциальной энергии, энергоноситель.     

Химическая  или ядерная энергия топлива  переводится в различные виды энергии, и чаще всего через преобразование выделяемого при реакциях тепла  тепловыми двигателями.      

По  агрегатному состоянию выделяют твердое, жидкое и газообразное топливо:     

К твердому топливу относят дрова, бурые и каменные угли, торф, антрацит; к твердому искусственному топливу – кокс, древесный уголь, брикеты и пыль из бурого и каменного углей, термоантрацит.      

Жидкие  топлива – это в основном вещества органического происхождения, основные составляющие элементы которых – углерод, водород, кислород, азот и сера. Естественного жидкого топлива нет. В качестве искусственного жидкого топлива используют различные смолы и мазут.     

Газообразные  топлива – это в основном смесь различных газов, таких как метан, этилен, и других углеводородов. Также в состав газообразного топлива входят оксид углерода, диоксид углерода или углекислого газа, азот, водород, сероводород, кислород и другие газы, а также водяные пары. Газообразное топливо может быть естественным, таким как природный газ. В качестве искусственного газообразного топлива применяют газы, получаемые в коксовых печах (коксовые), в доменных печах (доменные или колошниковые) и в газогенераторах (генераторные).      

Основной  показатель топлива — теплотворная способность (теплота сгорания). Для целей сравнения видов топлива введено понятие условного топлива. Теплота сгорания одного килограмма «условного топлива» (у.т.) составляет 29,3 МДж или 7000 ккал — что соответствует низшей теплотворной способности чистого антрацита.     

Печное  бытовое топливо предназначено  для сжигания в отопительных установках небольшой мощности, расположенных  непосредственно в жилых помещениях, а также в теплогенераторах средней  мощности, используемых в сельском хозяйстве для приготовления  кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других целей.     

Также  можно разделить  виды топлива и по его происхождению:  растительное,  минеральное и продукты промышленной переработки. Свойства топлива  зависят главным образом от его химического состава. Основным элементом любого топлива природного происхождения является углерод  (его  содержание составляет от 30 до 85%  массы).  В состав топлива также входят H, O, N, S, зола, вода. 

 

1,1 Топливом называют горючие вещества, используемые для получения теплоты. Топливо может быть естественным, имеющимся в природе, и искусственным, получаемым переработкой естественного.

Топливо состоит  из горючей и негорючей частей. В горючую часть твердого и  жидкого топлива входят углерод  С, водород Н и сера S, а также  условно кислород О и азот N; в  негорючую часть — зола А, представляющая смесь минеральных веществ, и влага W, составляющие его балласт Б. Они попадают в топливо из недр земли, а также при транспортировке и хранении топлива на складах, причем

Сера может содержаться  в топливе в трех видах: минеральной  серы Sm, входящей в состав золы; органической S₀, содержащейся в веществе, из которого образовалось топливо, и колчеданной S,₍, образующей включения серного колчедана.

Рабочая масса по своему составу соответствует естественному  топливу: в нее входят все элементы, включая балласт. Условно горючая  масса отличается от рабочей отсутствием  балласта, в сухой массе нет  влаги, а в органической отсутствуют  минеральная и колчеданная сера и балласт.

Так как не в  любом топливе есть балласт, справочные данные состава топлива принято  выражать на условно горючую массу, зольность — на сухую, а влажность  — на рабочую. Все теплотехнические расчеты, связанные с расчетом топлива, ведут на рабочую массу.

Аналогичные рассуждения  положены в основу пересчета состава  топлива с условно горючей  массы в рабочую. Переводной множитель  пересчета каждого элемента условно  горючей массы в рабочую (100 —Б)/100.

Состав газообразного  топлива выражается содержанием  в нем отдельных газов в  процентах. В газообразном топливе  также имеется как его горючая  часть, так и негорючая, образующая его балласт.  

 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЙ СОСТАВ ТОПЛИВ 

 

По определению  Д.И. Менделеева, топливом называется горючее  вещество, умышленно сжигаемое для  получения теплоты. Топливо должно отвечать следующим основным требованиям: при сгорании выделять возможно большее  количество теплоты, сравнительно легко  загораться и развивать высокую  температуру, быть широко распространенным в природе, доступным для разработки, дешевым при использовании, сохранять свои свойства во время хранения.

Этим  требованиям наиболее полно отвечают вещества органического происхождения: нефть, природные газы, ископаемые угли, дрова, горючие сланцы, торф. В таблице 1.1 дана общая классификация топлив.

Таблица 1.1.

Общая классификация  топлив

 

Агрегатное состояние	Происхождение топлива
	Естественное	Искусственное
Жидкое	Нефть	Бензин, керосин, дизельное  топливо, мазут, спирт, бензол, смолы (каменноугольная, торфяная, сланцевая) и др.
Газо-образное	Природный и нефте-промысловый	Генераторный, водяной, светильный, коксовый, полукок-совый, доменный, нефтеперерабатывающих заводов и др. газы
Твердое	Ископаемые угли, горючие  сланцы, торф, дрова	Каменноугольные кокс и полукокс брикетированное и пылевидное топливо, древесный уголь и др.

 

 

Очень важно, чтобы в процессе сгорания топлива  не выделялись вещества, представляющие опасность для окружающей среды. Топливо состоит из горючей и  негорючей частей. Горючая часть  топлива представляет собой совокупность различных органических соединений, в которые входят углерод, водород, кислород, азот, сера. Не горючая часть (балласт) состоит из минеральных  примесей включающих золу и влагу.

Углерод С - основная горючая часть топлива. С увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. Для различных топлив содержание углерода составляет от 50 до 97 процентов.

Водород Н является второй по значимости горючей  составляющей топлива. Содержание водорода в топливе достигает 25 процентов. Однако, при сгорании водорода выделяется в четыре раза больше теплоты, чем  при сгорании углерода.

Кислород  О, входящий в состав топлива, не горит  и не выделяет теплоты, поэтому является внутренним балластом топлива. Его  содержание в зависимости от вида топлива колеблется в широких  пределах (от 0,5 До 43 процентов).

Азот N не горит и так же, как кислород, является внутренним балластом топлива. Содержание его в жидком и твердом  видах топлива не велико и составляет 0,5...1,5процентов.

Сера S, при  сгорании которой выделяется определенное количество теплоты, является весьма нежелательной  составной частью топлива, так как  продукты его сгорания - сернистый SO2 и серный СОз- ангидриды вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы твердом топливе  колеблется от долей процентов до 8 процентов, а в нефти от 0,1 до 4 процентов.

Зола  А представляет собой негорючий  твердый компонент, количество которого определяют после полного сгорания топлива. Она является нежелательной  и даже вредной примесью, так как  в ее присутствии усиливаются  абразивные износы, усложняется эксплуатация котельных установок и т.д. Топливо  с высоким содержанием золы имеет  низкую теплоту сгорания и воспламенения.

Влага W является весьма нежелательной примесью топлива, так как, отбирая часть  теплоты на испарение, снижает теплоту  и температуру сгорания топлива, усложняет эксплуатацию установок (особенно в зимнее время), способствует коррозии и т.д.

Минеральные примеси (золу и влагу) принято подразделять на внешние и внутренние. Первые попадают в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке  или хранений, а вторые входят в  его химический состав. Топливо, которое  поступает к потребителю в  естественном состоянии, и содержит, кроме горючей части, золу и влагу, называется рабочим. Для определения  сухой массы топлива его высушивают при температуре 105°С для удаления влаги.

Состав  газообразных топлив весьма разнообразен: Горючая часть его включает водород  Н, окись углерода СО, метан СН4 и  другие газообразные углеводороды (CnHm) с числом углеводородных атомов до 4 включительно. Тепловую ценность газообразного  топлива представляют метан и  более тяжелые углеводороды. Окись  углерода при сгорании выделяет незначительное количество тепла. Балластную часть  газообразных топлив составляют негорючие  газы, такие, как азот N, углекислый СОз  и сернистый SО2, кислород О и пары воды Н2O. 

 

 

 

 

 

СВОЙСТВА ТОПЛИВА  

Теплота сгорания. Условное топливо.      

Уде?льная теплота? сгора?ния — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 м?.     

Удельная  теплота сгорания измеряется в Дж/кг (Дж/м?) или калория/кг (калория/м?). Для  экспериментального измерения этой величины используются методы калориметрии.     

Чем больше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше удельный расход топлива  при той же величине коэффициента полезного действия (КПД) двигателя.     

Теплота?  сгора?ния — это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (дж или кал на 1 кг, м? или моль).     

Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в  горючем веществе химические  элементы обозначаются принятыми символами  С, Н, О, N, S, а зола и вода — символами А и W соответственно.     

В зависимости от агрегатного состояния  влаги в продуктах сгорания имеет  место разделение на высшую и низшую теплоту сгорания.     

Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей  массе горючего вещества Q^P, то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества Q^C; к горючей массе вещества Q^?, то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы.     

Различают высшую (Q_B) и низшую (Q_H) теплоту сгорания.      

Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.     

Низшая  теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой сгорания.      

Низшая  и высшая теплота сгорания связаны  соотношением:      

Q_B = Q_H + k(W + 9H),     

где k — коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг);           

W — количество воды в горючем  веществе, % (по массе);           

  Н — количество водорода в  горючем веществе, % (по массе).     

Теплоту сгорания определяют двумя методами: экспериментальным и расчетным.      

При экспериментальном определении  теплоты сгорания применяют калориметры.     

Методика  определения: навеску топлива сжигают в приборе (калориметре), теплота, выделяющаяся при горении топлива, поглощается водой. Зная массу воды, по изменению ее температуры можно вычислить теплоту сгорания. Этот метод хорош тем, что прост. Для определения теплоты сгорания достаточно иметь данные технического анализа.     

Расчетный метод. Здесь теплоту сгорания определяют по формуле Д. И. Менделеева:     

Q^p_H= 339С^p +1030Н^p -109(О^p-S^p) – 25 W^p кДж/ кг,     

где С^р, Н^р, О^р, S^p и W^р соответствуют содержание углерода, водорода, кислорода, серы и влаги в рабочем топливе, %.     

Условное  топливо – это понятие, которое используют для нормирования и учета расхода топлива.      

Условным  принято называть топливо с низшей теплотой сгорания (29 310 кДж/кг). Для  перевода любого топлива в условное, следует разделить его теплоту  сгорания на 29 310 кДж/кг, т. е. найти эквивалент данного топлива: для мазута он равен 1,37-1,43, для природных газов – 1,2-1,4.

 

Теплота сгорания

Количество теплоты, выделяемое при полном сгорании твердого, жидкого или газообразного топлива  в нормальных условиях, называется теплотой сгорания.

Выделение теплоты  при горении топлива объясняется  тепловым эффектом реакций горения:

С^О_, = СОН-33,860С;

2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0 + 102,828Н₂;

S, + O₂ = SO₂+10,450S,

где 33,860; 102,828; 10,450 —тепловые  эффекты (МДж/кг) реакций горения  С, Н₂ и S соответственно.

Но не все составляющие, входящие в состав рабочей массы  топлива, выделяют теплоту при горении. Влага топлива при переходе в  пар поглощает теплоту; сера, входящая в состав сульфатов, при их диссоциации  также поглощает теплоту.

Условно различают  высший предел теплоты сгорания топлива Q_B. если влагу в продуктах сгорания учитывают в виде жидкости, и низший предел теплоты сгорания Q_H, если влагу в продуктах сгорания считают паром.

При определении  низшей удельной теплоты сгорания последний  член суммы учитывает теплоту, поглощенную  при испарении влаги топлива  и при переходе в пар воды, образовавшейся при горении водорода. Более точно  теплоту сгорания определяют экспериментально.

При сгорании других горючих газов, не учтенных в приведенной  формуле, выделяется следующая объемная теплота (кДж/м³);