Лекции по "Теплотехнике"

Для газообразных топлив применяется показатель объемной теплоты сгорания, характеризующий  количество теплоты, выделяемой при  полном сгорании единицы объема (кДж/м3). Газообразное топливо оценивают  также по молярной теплоте сгорания, то есть по количеству теплоты, выделяемой при полном сгорании одного моля газа (кДж/моль).

Теплоту сгорания жидкого и твердого топлива  вычисляют по формуле Д.И. Менделеева. Высшее удельное количество теплоты  сгорания определяют по формуле:

QB=339C+1256H-109(O-S) (1.1.)

Низшее (рабочее) удельное количество теплоты  сгорания топлива определяют по выражению:

QH=QB-25(9H+W) (1.2.)

В указанных  формулах содержание химических элементов  выражается в процентах.

Низшая, или рабочая, теплота сгорания Он - это теплота сгорания, получаемая в практических условиях. Вычитаемое 25(9H+W) представляет собой удельное количество теплоты, которое затрачивается  на превращение в пар влаги, выделяющейся при сгорании топлива. Пар уносится с продуктами сгорания в атмосферу (9Н- число массовых частей воды, образующихся при сгорании одной массовой части  водорода; Н, W - содержание, в топливе соответственно водорода и воды, процентов). В приведенном выражении принято, что дымовые газы охлаждаются до +20°С, оставаясь в газо- и парообразном состояниях. Значит, 1кг пара при выносе в атмосферу будет забирать 2671-(100-20)-2,0096=2512 кДж/кг(2671 кДж/кг- количество теплоты, затрачиваемой на испарение 1 кг воды, (100-20) - условный перепад температуры паров воды, °С; 2,0096 кДж/кг - теплоемкость паров воды).

Основной  характеристикой газообразных топлив является объемная теплота сгорания (кДж/м3), которая определяется делением молярного количества теплоты сгорания на объем 1 киломоля газа. 1 киломоль любого газа при нормальных условиях (0°С и 760 мм.рт.ст) занимает объем 22,4 м3.

Высшее  объемное количество теплоты сгорания газообразного топлива в расчете на сухую массу может быть определенно по формуле:

Qсв=128(СО+Н₂)+399СН₄+639СnНm, (1.3.)

а ее низшее объемное количество:

Qcн=128CO+108H₂+356CH₄+589CnHm. (1.4.)

Объемное  количество теплоты сгорания рабочей  массы газообразного топлива, содержащего  водяные пары, вычисляют по формулам:

Q_PB=0,805-Qcв/(0,805+W), (1.5.)

Или

Q_PH-0,805-Qcн/(0,805+W), (1.6.)

где: 0,805-масса 1м³ водяного пара, кг;

W - содержание  влаги в м³ газа, кг. 

 

Теплоту сгорания определяют также опытным  путем, сжигая определенное количество топлива в специальных приборах (калориметрах). Теплоту сгорания оценивают  по повышению температуры воды в  калориметре.

Таблица 1.2.

Теплота сгорания и калорийные эквиваленты  различных видов топлива

Вид топлива	Теплота сгорания, кДж/кг	Калорийный эквивалент
Условное топливо (донецкий каменный уголь)	29307	1,00
Антрацит	30230	1,03
Бурый уголь	14235	0,449
Торф	13440	0,46
Дрова	12560	0,43
Нефть	41867	1,42
Мазут	41448	1,40

Для сравнения  топлив введено понятие условное топливо. За единицу такого топлива  принято топливо, которое при  полном сгорании 1 кг или 1м3 выделяет 29307,6 кДж. Чтобы перевести любое топливо  в условное и потом сравнить его  с другими, нужно теплоту сгорания данного топлива разделить на теплоту сгорания условного топлива. Полученное число представляет собой  калорийный эквивалент данного топлива  и показывает, во сколько раз реальное топливо выделяет больше или меньше теплоты по сравнению с условным.

Для анализа  топлива отбирают среднюю пробу  в соответствии с требованиями специальных  ГОСТов. У газообразного топлива  среднюю пробу отбирают аспираторами.

Пробы жидкого  топлива берут специальными пробоотборниками при его приеме, отпуске, хранении из резервуара или бочки, при работе транспорта из топливного бака и т.д. Среднюю пробу приготавливают путем  смешивания индивидуальных проб, число  которых зависит от объема, формы  и числа емкостей. Например, для  горизонтального резервуара среднюю  пробу определяют из индивидуальных проб, взятых с трех уровней: верхнего- с глубины 200 мм от поверхности нефтепродукта (1 часть), среднего- из середины объема (3 части ) и нижнего- на расстоянии 250...300 мм от дна резервуара (1 часть). Затем  эти пробы сливают в одну емкость, хорошо перемешивают и отбирают среднюю  пробу для исследования. Берут  также пробу со дна резервуара для обнаружения воды. Уровень  воды можно определить также, опуская  в резервуар измерительную рейку, нижняя часть которой покрыта  специальной водочувствительной пастой. По высоте растворения пасты судят  об уровне воды в емкости.

13.4.Условное топливо

Расход топлива  на парогенератор данной производительности зависит от его теплоты сгорания, которая для различных топлив изменяется в больших пределах. Для  сравнения по энергетической ценности и эффективности использования  различных сортов топлив введено  понятие об условном топливе, которому присваивается теплота сгорания, равная Q_ycл =29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг).

1.6 Условное топливо. Единицы  измерения

 

             

 Для сравнения  показателей топливопотребляющего оборудования и устройств, проведения экономических расчетов и планирования введено понятие так называемого условного топлива.

Условное  топливо представляет собой единицу  учета органического топлива, применяемую  для сопоставления эффективности  различных видов топлива и  суммарного учета. Использование условного  топлива особенно удобно для сопоставления  экономичности различных теплоэнергетических  установок.

В качестве единицы условного топлива  применяется 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг), что  соответствует хорошему малозольному сухому углю.

Для сравнения  укажем, что бурые угли имеют теплоту  сгорания менее 24 МДж/кг, а антрациты  и каменные угли - 23-27 МДж/кг. Соотношение  между условным топливом и натуральным  выражается формулой

Р_{УТ =} Р_{Н *} Q /7000

где Р_УТ - масса эквивалентного количества условного топлива, кг;       

 Р_Н  - масса натурального топлива, кг (твердое и жидкое топливо) или м³ - газообразного;

Q - теплота сгорания данного натурального топлива, ккал/кг или ккал/м³.

Отношение Q/7000 называется калорийным коэффициентом, и его принимают для:

-нефти - 1,43;

- природного газа -1,15;

- торфа - 0,34-0,41 (в зависимости  от влажности);

-торфобрикетов - 0,45 -0,6 (в  зависимости от влажности);

-дизтоплива- 1,45;

-мазута- 1,37.

Теплотворная способность  различных видов топлива, ккал/кг, составляет примерно:

нефть                              -10 000;

природный газ                -  8 000 (ккал/ м3);

каменный уголь              -   7 000;

дрова влажностью 10 % -  3 900;                                

40%  -  2 400;                                                            

торф влажности     10%  -  4 100;                                 

40%  -  2 500.

Котельно-печное топливо (КПТ) или реальное топливо включает отдельные виды топлив в различных состояниях:

•  
  твердое топливо (уголь различных месторождений, торф, сланцы, дрова и др.);
•  
  жидкое топливо (сырая нефть, мазут топочный и флотский и др.);
•  
  газ (природный газ, попутный, коксовый и др.).

 
 
Для сопоставления расхода различных  реальных топлив на выработку единицы  тепловой или электрической энергии  введено понятие «условное топливо» /4/, для которого принята теплотворная способность (низшая теплота сгорания)  
 
Q_н ^{усл.топл} = 7000 ккал/кг = 29,3 ГДж/т = 293 кДж/кг= 29300 кДж/м³ . 
Реальные виды топлива переводятся в условное топливо с помощью калорийных эквивалентов (тепловых эквивалентов) Э_Т /4, п.5.4/ и /8, с.323/, которые представляют собой отношение низшей теплоты сгорания (теплотворной способности) нормируемого вида топлива Q_н^р , кДж/кг (кДж/м³), и условного Q_н ^усл . Данные некоторых калорийных эквивалентов приведены в таблице 1 / 9/.  
 
Э_Т = , кДж/м³ (1.1) 
 
Топливо в том виде, в котором оно сжигается, то есть поступает в топку, называется «рабочим топливом» / 8/. Перевод количества (расхода) рабочего (натурального) топлива В_н /10, с.323/, /4/ в условное В, т у.т, ведется по формуле  
В ₌ Э_Т· В_н . (1.2) 
Согласно Положения /4/ всем пользователям топливно-энергетических ресурсов (Министерствам, другим органам государственного управления, местного управления, местным исполнительным и распорядительным органам, подведомственным им юридическим лицам) необходимо вести учёт расходования ТЭР. Учёт взаимозаменяемости расходов различных видов энергоресурсов в производственных процессах важен при замене одного энергоносителя другим, а также при анализе полного энергоиспользования. Введен Перечень энергоэкономических показателей по нормированию расхода топлива, тепловой и электрической энергии (ТЭР): прямые обобщённые энергозатраты А_ТЭР, т у.т; энергоёмкость продукции (работы) А_П , т у.т./е.и.п. (единица измерения продукции); электроёмкость продукции Э_П , тыс.кВт·ч/е.и.п.; теплоёмкость продукции Q_П , Гкал/е.и.п.; энерговооружённость труда, А_М, т у.т./чел.; электровооружённость труда Э_М , тыс.кВт·ч/чел.; электроворужённость труда по мощности, Э_Р , тыс.кВт·ч/чел.;коэффициент электрификации Э_П , тыс.кВт·ч/т у.т.; теплоэлектрический коэффициент Q_Э , Гкал/ тыс.кВт·ч; электротопливный коэффициент Э_В , тыс.кВт·ч/т у.т.. 
 
Основным показателем являются прямые обобщенные энергозатраты, т у.т., выражается в формуле: 
 
А_тэр = В + К_Э · Э + К_q · Q , (1.3) 
 
Где В – количество топлива (в расчете на условное), поступившее на предприятие извне, т у.т.; 
 
^ Э – количество электроэнергии, полученное предприятием от системы, МВт·ч;  
 
Q – количество тепловой энергии, полученное предприятием от системы, Гкал;  
 
К_Э, К_q – топливные эквиваленты, выражающие количество условного топлива, необходимого для производства и передачи к месту потребления единицы электрической и, соответственно, тепловой энергии (для Республики Беларусь), т у.т.,.принимаем:  
 
К_Э = 0,296 т у.т./МВт·ч ; К_q = 0,17 т у.т/Гкал. (1.4) 
 
Таблица 1 - Примерные тепловые эквиваленты некоторых видов топлива /9/

Горючие материалы	Низшая теплота сгорания		Тепловой эквивалент Эт
	ккал/кг	кДж/кг
Твердое топливо
Дрова смешанные    Торф (30% влажности)    Бурый уголь (Подмосковный бассейн)    Каменный уголь марки ПЖ (Донбасс)    Антрацит    Сланец    Кокс металлургический    Древесный уголь	3000    2680    2980    6940    6820    3000    6400    6800	12580    11300    12460    29000    28500    12580    26800    28400	0,43    0,38    0,43    0,99    0,97    0,43    0,91    0,97
Жидкое топливо
Нефть    Бензин    Мазут    Спирт этиловый    Бензол    Толуол	10000    10200    9740    6400    9590    9690	41868    42850    40700    26800    40100    40500	1,43    1,46    1,39    0,91    1,37    1,38
Горючие газы
Доменный (колошниковый газ)    генераторный газ    водяной газ    двойной водяной газ    коксовый газ    Природный газ    Попутный газ    Сжиженный газ (технический пропан)    Сжиженный газ (технический бутан)	900    1200    2400    2700    4300    8500    9500    22400    29100	3700    5030    10030    11300    18000    35600    39750    93750    122000	0,13    0,17    0,34    0,39    0,61    1,21    1,36    3,2    4,16

 

Под топливно-энергетическим балансом понимаются комплексная характеристика и взаимная увязка получения и использования в народном хозяйстве и быту топливно-энергетических ресурсов и всех произведенных из них видов энергии (электроэнергии, тепла и т.п.). 
 
Различают топливный баланс, в котором отражаются все виды топлива, и топливно-энергетический баланс, в котором наряду с топливом учитывается вся произведенная и использованная энергия (электроэнергия, энергия сжатого воздуха и др.). 
 
Как любой материальный баланс, топливно-энергетический баланс оформляется в виде таблицы, состоящей из двух равных частей: в левой части (ресурсы) отражаются производство (добыча) топлива, выработка электроэнергии, выработка атомной и геотермальной электроэнергии, импорт, прочие поступления и остаток на начало года; в правой части (распределение) показываются общий расход, в том числе на выработку электроэнергии, теплоэнергии и сжатого воздуха, на производственно-технические и прочие нужды; экспорт и остаток на конец года. 
 
Топливный и топливно-энергетический балансы не только дают общее представление о размерах производства и потребления топлива и энергии в стране, но и показывают, какой бассейн или район, в каком количестве, какого вида и сорта топлива может добыть в планируемом периоде. Они разрабатываются ч), так и в условных.×как в натуральных единицах (т, м, кВт 
 
Каждый вид топлива имеет различную теплоту сгорания — от 2000 ккал/кг и выше. 
 
Для целей планирования производства и потребления при подсчете энергетических ресурсов введено понятие условного топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг. 
 
Тепловой эквивалент любого топлива определяется по формуле 
 
 
 
где Q — теплота сгорания какого-либо топлива.

 

Характеристики топлива 
 
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. 
 
Практическая ценность  топлива  определяется количеством теплоты, 
 
выделяющейся при его полном сгорании.  Так, при сжигании 1 кг древесины выделяется теплота,  равная 10,2 МДж,  каменного угля - 22 МДж, 
 
бензина - 44 МДж. Эта величина прямо зависит от содержания в топливе 
 
углерода и водорода и обратно - от содержания кислорода и азота. 
 
Другая важнейшая характеристика топлива - его  жаропроизводительность, оцениваемая значением максимальной температуры,  какую теоретически можно получить при полном сгорании топлива  в  воздухе.  При 
 
сгорании дров,  например, максимальная температура не превышает 1600 градусов, каменного угля - 2050, бензина - 2100. 
Виды топлива 
 
1.Твердые 
 
Твёрдое топливо — горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. К твердому топливу относят каменный уголь и бурые угли, горючие сланцы, торф и древесину. Свойства топлива в значительной степени определяются его химическим составом — содержанием углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Твердое ракетное топливо — твёрдое вещество или смесь отдельных веществ, способных гореть без доступа воздуха, создавая при этом, реактивную тягу двигателя. В зависимости от способа обработки твердое топливо можно разделить на две группы: природное и очищенное. К природному твердому топливу относятся уголь, бурый уголь, торф, древесина и солома. Уголь и торф являются осадком, образующимся в результате распада и разложения растений в древние времена под воздействием высокого давления и недостатка кислорода. 
 
 
Древесина 
 
 
Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99% общей массы). Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49% углерода, 44% кислорода, 6% водорода, 0,1-0,3% азота. При сжигании древесины остаётся её неорганическая часть - зола. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний и другие элементы. Перечисленные химические элементы образуют основные органические вещества: целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы.  
Горючий сланец 
 
 
http://allfuel.ru/c887.htmlГорючие сланцы, полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Горючие сланцы состоят из преобладающей минеральной (кальциты, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и др.) и органических частей (кероген), последняя составляет 10—30% от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50—70%. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит). В зависимости от соотношений водорослевых и гумусовых компонентов Горючие сланцы разделяются на сапропелитовые и гумитосапропелитовые. Первая группа горючих сланцев отличается от второй повышенным содержанием водорода (8—10%) и низким — гуминовых кислот (0,5% ) в органической массе. Сапропелитовые горючие сланцы обладают повышенным выходом смол до 20—30% и теплотой сгорания до 14,6—16,7 Мдж/кг (3500—4000 ккал/кг). Эти показатели у гумито-сапропелитовых Г. с. ниже при равном содержании минеральной примеси. В мировой практике добычи и использования Г. с. диапазон важнейших показателей очень широк.