Лекции по "Теплотехнике"

этана С₂Н₆ —63 600, пропана С₃Н₈ — 89 400, бутана С.,Н₁₀ — 118 000, пентана (С₅Н,₂) — 166700, этилена С₂Н₄ — 59000.

Зольность и влажность

Зола и влага  снижают качество топлива и являются нежелательными примесями. Влага снижает  теплоту сгорания, затрудняет воспламенение  топлива; влажное топливо труднее  транспортировать. Зола представляет собой минеральную массу. Она  может содержаться в веществе, послужившем образованию топлива, или попасть в него при залегании  в недрах земли как случайная  примесь. Например, угли с пористой структурой типа бурых содержат в  порах выкристаллизовавшиеся из грунтовых вод соли. Зола препятствует полному сгоранию топлива, образуя  на поверхности кусков горящего топлива  воздухонепроницаемый слой. Если зола плавится, то спекшиеся ее куски  образуют шлак, еще более препятствующий выгоранию кокса, чем рассыпчатый  зольный остаток.

Сернистость

Сера является нежелательной  примесью в топливе, несмотря на то, что она в виде серного колчедана  повышает его теплоту сгорания. При  горении серы образуется ядовитый сернистый  газ, присутствие которого в рабочем  помещении даже в незначительных количествах ухудшает условия труда. Присутствие в среде при тепловой обработке сернистого газа ухудшает качество готовой продукции. Во влажной  среде при низких температурах сернистый  газ образует пары серной кислоты, вызывающие коррозию металлических частей тепловых установок.

Летучие горючие вещества и коксовый остаток

Твердое топливо  при нагревании без доступа воздуха  начинает разлагаться. Сначала из него испаряется влага, затем выделяются газообразные продукты, называемые летучими горючими веществами. В смеси с воздухом они горят длинным пламенем. Чем больше в топливе летучих веществ, тем оно быстрее загорается и дольше горит пламенем. После выделения летучих веществ остается твердый остаток, называемый коксом. По составу кокс близок к углероду с примесью золы. Он горит без пламени, тлея в кусках.

В теплотехнике принято определять топливо как вещество или совокупность веществ, находящихся в любом  агрегатном состоянии, способных в  результате экзотермических химических реакций (го рения) образовывать высокотемпературные  конечные продукты. Компонентом топлива называют отдельно подводимую к двигателю часть топлива, отличающуюся по составу от других его частей. Горючее — компонент топлива, окисляющийся в процессе горения. Окислитель — компонент топлива, служащий для окисления горюче го. При использовании этих определений бензины и дизельные топлива следует называть горючим, для окисления которого используется окислитель—воздух (точнее кислород воздуха). Однако исторически терминология ДВС сложилась так, что термин «топливо» применяется вместо термина «горючее». Для бензинов и дизельных топлив ниже использован термин «моторное топливо», или сокращенно «топливо».

Топливо. Любое  топливо состоит из горючих и  негорючих составляющих. Горючие  — это углерод, водород и сера; негорючие — кислород, зола и  вода. Чем больше в топливе углерода и водорода, тем выше его качество. Известно, что при сгорании водорода две его весовые части соединяются  с одной весовой частью кислорода, образуя тем самым водяной  пар, который вместе с дымовыми газами выносится в трубу.

В любом топливе  содержится вода. При сжигании антрацита  в дымовых газах содержится до 3% водяного пара, а дров средней влажности  — до 30% водяного пара.

При недостаточной  подаче воздуха в топливник топливо  сгорает не полностью (дрова тлеют  или горят темно-красным пламенем), а из трубы выходит большое  количество густого черного дыма. Этот дым одновременно уносит несгоревшие  мельчайшие частицы топлива —  сажу, которая, насыщаясь окисью углерода, имеет неприятный запах. Сажа, оседая на стенках каналов печи и трубы, быстро засоряет их, и они меньше нагреваются.

Если температура  выходящих газов низка или  стенки трубы охлаждены, то водяные  пары охлаждаются (конденсируются) и  оседают на стенках каналов в  виде мельчайших капелек. Смешиваясь с  сажей, они образуют черную жидкость — конденсат с неприятным запахом. Накапливаясь, конденсат пропитывает  кирпичи и выходит на лицевую  поверхность печи в виде черных пятен (полос), отравляя воздух в помещении. Чтобы избавиться от конденсата, необходимо сжигать сухое топливо, которое  лучше нагревает стенки, испаряя  осевшую на них влагу.

Образование или  необразование конденсата зависит  от размеров колосниковой решетки, нормально  или ненормально поднятого пода печи, правильно или неправильно  устроенного топливника, высоты трубы, температуры нагрева стенок и  т. д.

Топки. Особенно большую  роль играют их ширина и высота. Ширина топки в малых печах составляет 20—25 см, в больших — 30—38 см. Лучшие топки — с колосниковой решеткой и поддувалом. Под топливника должен иметь небольшой подъем к задней стенке. Решетку располагают в  середине топливника так, чтобы она  была ниже пода на один ряд кладки, образовав  над ней как бы корыто с наклоном стенок к решетке. Это позволяет  топливу постоянно скатываться  на решетку и равномерно сгорать.

Высота топливника (топочной камеры), считая от колосниковой решетки, для дров должна быть 80—100 см, для торфа — 65—75 см, для каменного  угля — 75 см и т. д. Забивать камеру топливом не следует. Например, дров кладут столько, чтобы между ними и верхом камеры оставалось свободное пространство в 50—60 см. В этом случае мельчайшие частицы топлива будут сгорать, находясь еще в камере, т. е. топливо  будет использоваться наиболее полноценно (во внутренние дымоходы печи попадет  ничтожно малое количество несгоревших  частиц).

При низких топливниках  несгоревшие частицы сразу попадают в дымовые каналы и, оседая там, сужают их, что приводит нередко к дымлению печей и меньшему их нагреванию.

Использование топлива. Чтобы топливо нормально сгорало, укладывать его надо слоями следующей  толщины: дрова влажностью 25 %— 25—35 см, торф влажностью 30%—20—30 см, каменный уголь—10—16 см, антрацит—15—24 см.

Дрова воспламеняются при температуре не ниже 300°, каменный уголь — 600°. Горение же протекает  при более высоких температурах: дров — при 800—900°, каменного угля — 900— 1200° (при условии, что воздух в топки поступает непрерывно). При избытке воздуха печь охлаждается, а горение ухудшается. В этом случае топку надо закрывать. При полном сгорании топлива цвет пламени соломенно-желтый, дым белый или почти прозрачный.

Температура выходящих  газов. В трубу дымовые газы должны входить с температурой не ниже 200—250°, а выходить из нее с температурой не ниже 150°. При таком условии  до минимума сокращается образование  конденсата. У вьюшки температура  выходящего газа должна составлять 200°. Ее можно измерить градусником или  сухой лучиной, которую кладут поперек  отверстия вьюшки и вынимают через 20—30 мин. Копоть с лучины соскабливают. Цвет лучины не меняется при температуре 150°, желтеет лучина (до цвета корки  белого хлеба) при 200°, а коричневой становится (до цвета корки черного  хлеба) при 250°, в уголь превращается при 400°. Температуру горения можно  регулировать поддувалом или вьюшкой, перекрывая отверстие.

Толщина стенок трубы. Нормальной толщина стенок трубы  считается в 1/2 кирпича, в кирпич уже тяжела. Однако тонкие стенки быстро остывают, особенно при сквозняке. Трубы  можно класть и в два ряда с  толщиной стенок в 1/4 кирпича. В этом случае сначала кладут основную трубу, по которой идут горячие газы, а  затем, отступив от нее на 5—6 см, от перекрытия до кровли кладется вторая труба (своего рода кожух). Пространство сверху закрывается кирпичом. Воздушная  прослойка между стенками — надежная тепловая защита трубы. Трубу в Чг кирпича можно защитить так. На расстоянии 5—6 см от трубы (можно и больше) устанавливают  металлический кожух, а пространство между ним и трубой засыпают совершенно сухим шлаком. Можно также отлить гипсовые, гипсо-цементные или бетонные плиты толщиной 2—3 см нужной ширины и поставить их вокруг трубы на определенном расстоянии (без засыпки), тщательно промазав швы раствором. Трубу выше кровли кладут на известковом  или цементно-известковом растворе.

Температура нагрева  печи. Нормально, когда стенки нагреваются  не более 60°, а в отдельных точках — до 90°. Перегрев печи ведет к  образованию трещин на ее поверхности (особенно на изразцах).

Многооборотные  печи. Увеличение числа каналов не всегда целесообразно. В одном случае все тепло будет отдаваться стенкам  печи, и это хорошо; в другом —  газы, проходя по печи, будут так  охлаждаться, что из трубы выйдут лишь слегка тепловатыми, что, как известно, способствует повышенному образованию  конденсата.

Подключение к одной  трубе двух печей. Лучше всего, когда  каждая печь имеет свою трубу. Но бывает, что к одной трубе подключают две печи с помощью перекидного  рукава. Длина такого рукава должна быть не более 2 м, а сделан он прочно и надежно, с небольшим подъемом в сторону подключаемой трубы. Нижнюю и боковые стенки кладут в 1/4 кирпича  на ребро, лучше в 1/2 кирпича, верхнюю  — в два ряда — плашмя. Сверху на рукав надевают кожух из кровельной стали. В середине рукава ставят дверку для чистки и закладывают ее кирпичом на ребро. При кладке нижней стороны  рукава следует сначала установить уголки, а на них положить листовую сталь. Эта сторона должна находиться от сгораемой конструкции перекрытия не менее чем на 140 мм. Лучше всего  на перекрытии под рукав положить плашмя кирпич на глине, тонкую бетонную или другую плиту. Швы между дверкой и рамкой необходимо промазать глиняным раствором.

Бывает так, что  топят одну печь, а дым идет в  другую. Значит, подключение было сделано  неправильно, без рассечки (перегородки), которая должна быть высотой от 700 до 1000 мм. Там, где дымоход сужается, или в местах перехода одного канала в другой под прямым углом кромки кирпича должны быть срублены.

3.3.Высшая и низшая  теплота сгорания топлива

Всякая  химическая реакция сопровождается выделением или поглощением тепла  и соответственно называется экзотермической  или эндотермической. Химические реакции, протекающие в процессах горения, преимущественно сильно экзотермические, некоторые реакции, как, например, реакции  восстановления углекислоты, являются эндотермическими.

Количество  тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы массы данного  топлива зависит от того, в паровом  или жидком состоянии находится  влага в продуктах сгорания. Если водяной пар сконденсируется  и вода в продуктах сгорания будет  находиться в жидком виде, то тепло  парообразования освободится и  тогда количество тепла, выделяющегося  при сгорании единицы массы топлива, получается больше.

Количество  тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого  топлива или 1 м³ газового топлива, при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания конденсируются, называется высшей теплотой сгорания топлива.

В условиях температур и парциального давления Н₂0 на всем протяжении газового тракта парогенератора водяные пары, содержащиеся в продуктах сгорания, не конденсируются и вместе с ними отводятся в атмосферу. Следовательно, некоторая часть тепла, выделившегося при сгорании затрачивается на образование водяного пара и не может быть использована в парогенераторе. Поэтому теплота сгорания получается меньше освобождающейся при горении химической энергии топлива.

Количество  тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого  или 1 м³ газового топлива, за вычетом тепла парообразования водяных паров, образующихся при горении, называется низшей теплотой сгорания.

еплота сгорания топлива

количество  теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива. Т. с., отнесённая к единице  массы топлива, называется массовой, Т. с., отнесённая к единице объёма, — объёмной Т. с., или энергоёмкостью. Различают высшую и низшую Т. с. топлива. Высшая Т. с. определяется с учётом теплоты  фазовых превращений продуктов  сгорания при их охлаждении до 20(°)С, низшая — без учёта этой теплоты. Например, при подсчёте низшей Т. с. углеводородных топлив из количества теплоты; выделившейся при полном сгорании топлива, вычитается теплота, затрачиваемая  на испарение воды, содержавшейся  в топливе до сгорания и образовавшейся при сгорании. Разница между высшей и низшей Т. с. нефтепродуктов составляет 5—10%. Обычно для теплотехнических расчётов и сравнительной оценки топлив пользуются низшей Т. с.  
Т. с. определяет требуемый запас топлива на борту ЛА для выполнения полётного задания. Чем выше Т. с., тем меньше топлива требуется для заправки самолёта (вертолёта). Это особенно важно в тех случаях, когда трудно разместить на самолёте баки требуемой вместимости (высокоскоростные самолёты, самолёты, рассчитанные на большую дальность полёта). Фактические значения низшей массовой Т. с. авиационных бензинов 43,4—43,8 МДж/кг (10350—10450 ккал/кг), реактивных топлив 43—43,4 МДж/кг (10250—10350 ккал/кг). Из горючих веществ наибольшей массовой Т. с. обладает водород. Его высшая Т. с. 144 МДж/кг (34500 ккал/кг), низшая — 119 МДж/кг (28550 ккал/кг).  
Из отечественных стандартных реактивных топлив (см. Топливо авиационное) наибольшей объёмной Т. с. обладает топливо Т-6—36,1 МДж/л (8650 ккал/л). Это на 7—8% больше, чем у массового реактивного топлива ТС-1, и на 12—13% больше, чем у авиационных бензинов. Объёмная Т. с. реактивных топлив может быть значительно повышена введением в них порошкообразных металлов (бор, алюминий и др.). Например, при содержании в топливе типа РТ 50% бора (по массе) объёмная Т. с. смеси составляет 61,3 МДж/л (14650 ккал/л). Для предотвращения расслоения смесевого топлива с осаждением порошка металла в топливо должна вводиться стабилизирующая присадка, превращающая смесь в устойчивую суспензию. Разработка суспензионных топлив для авиации — перспективное направление повышения энергоёмкости топлив.

ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА 

Теплота сгорания топлива является его основной качественной характеристикой. Для  характеристики различных видов  топлив служит удельная теплота сгорания, которая представляет собой количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг).