5.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ГОРЕНИЯ

Рассмотрим методы расчета теплового баланса процесса горения газообразных, жидких и твердых топлив. Расчет сводится к решению следующих задач.

· Определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива.

· Определение теоретической температуры горения.

5.1. ТЕПЛОТА ГОРЕНИЯ

Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты. При выделении теплоты реакция называется экзотермической, а при поглощении – эндотермической. Все реакции горения являются экзотермическими, а продукты горения относятся к экзотермическим соединениям.

Выделяемая (или поглощаемая) при протекании химической реакции теплота называется теплотой реакции. В экзотермических реакциях она положительна, в эндотермических – отрицательна. Реакция горения всегда сопровождается выделением теплоты. Теплотой горения Q г (Дж/моль) называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества и превращении горючего вещества в продукты полного горения. Моль является основной единицей количества вещества в системе СИ. Один моль – это такое количество вещества, в котором находится столько же частиц (атомов, молекул и т.д.), сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода–12. Масса количества вещества, равного 1 молю (молекулярная или молярная масса) численно совпадает с относительной молекулярной массой данного вещества.

Например, относительная молекулярная масса кислорода (O 2) равна 32, углекислого газа (CO 2) равна 44, а соответствующие молекулярные массы будут равны M =32 г/моль и M =44 г/моль. Таким образом, в одном моле кислорода содержится 32 грамма этого вещества, а в одном моле CO 2 содержится 44 грамма углекислого газа.

В технических расчетах чаще используется не теплота горения Q г , а теплотворная способность топлива Q (Дж/кг или Дж/м 3). Теплотворной способностью вещества называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 вещества. Для жидких и твердых веществ расчет проводится на 1 кг, а для газообразных – на 1 м 3 .

Знание теплоты горения и теплотворной способности топлива необходимо для расчета температуры горения или взрыва, давления при взрыве, скорости распространения пламени и других характеристик. Теплотворная способность топлива определяется либо экспериментальным, либо расчетным способами. При экспериментальном определении теплотворной способности заданная масса твердого или жидкого топлива сжигается в калориметрической бомбе, а в случае газообразного топлива – в газовом калориметре. С помощью этих приборов измеряется суммарная теплота Q 0 , выделяющаяся при сгорании навески топлива массой m . Величина теплотворной способности Q г находится по формуле

Связь между теплотой горения и
теплотворной способностью топлива

Для установления связи между теплотой горения и теплотворной способностью вещества необходимо записать уравнение химической реакции горения.

Продуктом полного горения углерода является диоксид углерода:

С+О 2 →СО 2 .

Продуктом полного горения водорода является вода:

2Н 2 +О 2 →2Н 2 О.

Продуктом полного горения серы является диоксид серы:

S +О 2 →SO 2 .

При этом выделяются в свободном виде азот, галоиды и другие негорючие элементы.

Горючее вещество – газ

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности метана CH 4 , для которого теплота горения равна Q г =882.6 .

· Определим молекулярную массу метана в соответствии с его химической формулой (СН 4):

М=1∙12+4∙1=16 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг метана:

· Найдем объем 1 кг метана, зная его плотность ρ=0.717 кг/м 3 при нормальных условиях:

.

· Определим теплотворную способность 1 м 3 метана:

Аналогично определяется теплотворная способность любых горючих газов. Для многих распространенных веществ значения теплоты горения и теплотворной способности были измерены с высокой точностью и приведены в соответствующей справочной литературе. Приведем таблицу значений теплотворной способности некоторых газообразных веществ (табл. 5.1). Величина Q в этой таблице приведена в МДж/м 3 и в ккал/м 3 , поскольку часто в качестве единицы теплоты используется 1 ккал = 4.1868 кДж.

Таблица 5.1

Теплотворная способность газообразных топлив

Вещество			Ацетилен
Q

Горючее вещество – жидкость или твердое тело

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности этилового спирта С 2 Н 5 ОН, для которого теплота горения Q г = 1373.3 кДж/моль.

· Определим молекулярную массу этилового спирта в соответствии с его химической формулой (С 2 Н 5 ОН):

М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг этилового спирта:

Аналогично определяется теплотворная способность любых жидких и твердых горючих. В табл. 5.2 и 5.3 приведены значения теплотворной способности Q (МДж/кг и ккал/кг) для некоторых жидких и твердых веществ.

Таблица 5.2

Теплотворная способность жидких топлив

Вещество		Метиловый спирт	Этиловый спирт			Мазут, нефть
Q

Таблица 5.3

Теплотворная способность твердых топлив

Вещество		Дерево свежее	Дерево сухое	Бурый уголь	Торф сухой	Антрацит, кокс
Q

Формула Менделеева

Если теплотворная способность топлива неизвестна, то ее можно рассчитать с помощью эмпирической формулы, предложенной Д.И. Менделеевым. Для этого необходимо знать элементарный состав топлива (эквивалентную формулу топлива), то есть процентное содержание в нем следующих элементов:

Кислорода (О);

Водорода (Н);

Углерода (С);

Серы (S );

Золы (А);

Воды (W ).

В продуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.

Для расчета обычно применяется низшая теплотворная способность Q н топлива, которая учитывает тепловые потери с парами воды. Для твердых и жидких топлив величина Q н (МДж/кг) приближенно определяется по формуле Менделеева:

Q н =0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)

где в скобках указано процентное (масс. %) содержание соответствующих элементов в составе топлива.

В этой формуле учитывается теплота экзотермических реакций горения углерода, водорода и серы (со знаком «плюс»). Кислород, входящий в состав топлива, частично замещает кислород воздуха, поэтому соответствующий член в формуле (5.1) берется со знаком «минус». При испарении влаги теплота расходуется, поэтому соответствующий член, содержащий W , берется также со знаком «минус».

Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных топлив (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева (5.1) дает погрешность, не превышающую 10%.

Низшая теплотворная способность Q н (МДж/м 3) сухих горючих газов с достаточной точностью может быть рассчитана как сумма произведений теплотворной способности отдельных компонентов и их процентного содержания в 1 м 3 газообразного топлива.

Q н = 0.108[Н 2 ] + 0.126[СО] + 0.358[СН 4 ] + 0.5[С 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)

где в скобках указано процентное (объем. %) содержание соответствующих газов в составе смеси.

В среднем теплотворная способность природного газа составляет примерно 53.6 МДж/м 3 . В искусственно получаемых горючих газах содержание метана СН 4 незначительно. Основными горючими составляющими являются водород Н 2 и оксид углерода СО. В коксовальном газе, например, содержание Н 2 доходит до (55 ÷ 60)%, а низшая теплотворная способность такого газа достигает 17.6 МДж/м 3 . В генераторном газе содержание СО ~ 30% и Н 2 ~15%, при этом низшая теплотворная способность генераторного газа Q н = (5.2÷6.5) МДж/м 3 . В доменном газе содержание СО и Н 2 меньше; величина Q н = (4.0÷4.2) МДж/м 3 .

Рассмотрим примеры расчета теплотворной способности веществ по формуле Менделеева.

Определим теплотворную способность угля, элементный состав которого приведен в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Элементный состав угля

· Подставим приведенные в табл. 5.4 данные в формулу Менделеева (5.1) (азот N и зола A в эту формулу не входят, поскольку являются инертными веществами и не участвуют в реакции горения):

Q н =0.339∙37.2+1.025∙2.6+0.1085∙0.6–0.1085∙12–0.025∙40=13.04 МДж/кг.

Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С, если на нагревание расходуется 5% теплоты, выделяемой при горении, а теплоемкость воды с =1 ккал/(кг∙град) или 4.1868 кДж/(кг∙град). Элементный состав дров приведен в табл. 5.5:

Таблица 5.5

Элементный состав дров

	· Найдем теплотворную способность дров по формуле Менделеева (5.1): Q н =0.339∙43+1.025∙7–0.1085∙41–0.025∙7= 17.12 МДж/кг. · Определим количество теплоты, расходуемое на нагрев воды, при сгорании 1 кг дров (с учетом того, что на ее нагрев расходуется 5% теплоты (a =0.05), выделяемой при горении): Q 2 =a Q н =0.05·17.12=0.86 МДж/кг. · Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С: кг. Таким образом, для нагрева воды требуется около 22 кг дров.

Всем известно, что в нашей жизни огромную роль играет использование топлива. Топливо применяют практически в любой отрасли современной промышленности. Особенно часто применяется топливо, полученное из нефти: бензин, керосин, соляр и другие. Также применяют горючие газы (метан и другие).

Откуда берется энергия у топлива

Известно, что молекулы состоят из атомов . Для того, чтобы разделить какую либо молекулу (например, молекулу воды) на составляющие её атомы, требуется затратить энергию (на преодоление сил притяжения атомов). Опыты показывают, что при соединении атомов в молекулу (это и происходит при сжигании топлива) энергия, напротив, выделяется.

Как известно, существует ещё и ядерное топливо, но мы не будем здесь говорить о нём.

При сгорании топлива выделяется энергия. Чаще всего это тепловая энергия . Опыты показывают, что количество выделившейся энергии прямо пропорционально количеству сгоревшего топлива.

Удельная теплота сгорания

Для расчёта этой энергии используют физическую величину, называемую удельная теплота сгорания топлива. Удельная теплота сгорания топлива показывает, какая энергия выделяется при сгорании единичной массы топлива.

Её обозначают латинской буквой q. В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Отметим, что каждое топливо имеет собственную удельную теплоту сгорания. Эта величина измерена практически для всех видов топлива и при решении задач определяется по таблицам.

Например, удельная теплота сгорания бензина 46 000 000 Дж/кг, керосина такая же, этилового спирта 27 000 000 Дж/кг. Нетрудно понять, что энергия, выделившаяся при сгорании топлива, равна произведению массы этого топлива и удельной теплоты сгорания топлива:

Рассмотрим примеры

Рассмотрим пример. 10 граммов этилового спирта сгорело в спиртовке за 10 минут. Найдите мощность спиртовки.

Решение. Найдём количество теплоты, выделившееся при сгорании спирта:

Q = q*m; Q = 27 000 000 Дж/кг * 10 г = 27 000 000 Дж/кг * 0,01 кг = 270 000 Дж.

Найдём мощность спиртовки:

N = Q / t = 270 000 Дж / 10 мин = 270 000 Дж / 600 с = 450 Вт.

Рассмотрим более сложный пример. Алюминиевую кастрюлю массой m1, заполненную водой массой m2, нагрели с помощью примуса от температуры t1 до температуры t2 (00С < t1 < t2

Решение.

Найдём количество теплоты, полученное алюминием:

Q1 = c1 * m1 * (t1 t2);

найдём количество теплоты, полученное водой:

Q2 = c2 * m2 * (t1 t2);

найдём количество теплоты, полученное кастрюлей с водой:

найдём количество теплоты, отданное сгоревшим бензином:

Q4 = Q3 / k * 100 = (Q1 + Q2) / k * 100 =

(c1 * m1 * (t1 t2) + c2 * m2 * (t1 t2)) / k * 100;

Различные виды топлива обладают разными характеристиками. Это зависит от теплотворной способности и количества тепла, выделяющегося при полном выгорании топлива. Например, относительная теплота сгорания водорода влияет на его расходование. Теплотворная способность определяется с помощью таблиц. В них указываются сравнительные анализы расхода разных энергоресурсов.

Горючих имеется огромное количество. каждое из которых имеет свои минусы и плюсы

Сравнительные таблицы

С помощью табличек сравнения возможно объяснить, почему разные энергоресурсы обладают различной теплотворной способностью. Например, такие как:

• электричество;
• метан;
• бутан;
• пропан-бутан;
• солярка;
• дрова;
• торф;
• каменный уголь;
• смеси сжиженных газов.

Пропан – один из популярных видов горючего

Таблицы могут продемонстрировать не только, например, удельную теплоту сгорания дизельного топлива. В сводки сравнительных анализов вписывают ещё и другие показатели: теплотворные способности, объёмные плотности веществ, цену за одну часть условного питания, коэффициент полезного действия отопительных систем, стоимость одного киловатта за час.

В этом видео вы узнаете о работе топлива:

Цены на топливо

Благодаря сводкам сравнительного анализа определяют перспективу использования метана или солярки. Цена газа в централизованном газопроводе имеет склонность к повышению . Она может оказаться выше даже дизельного топлива. Именно поэтому стоимость сжиженного углеводородного газа почти не поменяется, а его использование останется единственным решением при установке независимой системы газификации.

Существует несколько видов наименования горюче-смазочных материалов (ГСМ): твёрдого, жидкого, газообразного и некоторых других легковоспламеняющихся материалов, в которых при тепловыделяющей реакции закисления ГСМ его химическая теплоэнергия переходит в температурное излучение.

Выделяющаяся теплоэнергия называется теплотворностью различных видов топлива при полном выгорании любого легкогорючего вещества. Её зависимость от химсостава и влажности является основным показателем питания.

Термическая восприимчивость

Определение ОТС топлива производится экспериментальным способом или при помощи аналитического вычисления. Экспериментальное определение термической восприимчивости производится опытным путём установления объёма тепла, отделившегося при выгорании топлива в хранителе тепла с термостатом и бомбочкой для сжигания.

При необходимости определения по таблице удельной теплоты сгорания топлива сначала вычисления производят по формулам Менделеева . Существуют высшая и низшая степени ОТС топлива. При самой большой относительной теплоте выделяется большое количество тепла при выгорании любого топлива. При этом учитывается тепло, потраченное на выпаривание воды, находившейся в горючем.

При низшей степени выгорания ОТС составляет меньшее значение, чем в высшей степени, так как при этом испарина выделяется меньше. Испарение возникает из воды и водорода при горении топлива. Чтобы определить свойства топлива, в инженерных расчётах принимается во внимание низшая относительная теплота сгорания, являющаяся важным параметром горючего.

В таблицы удельной теплоты сгорания твёрдого горючего вносят следующие компоненты: уголь, дрова, торф, кокс. В них вносятся величины ОТС твёрдого легкогорючего материала. Названия топлива в таблицы вписывают по алфавиту. Из всех твёрдых форм ГСМ самой большой теплоотдающей способностью обладают коксующийся, каменный, бурый и древесный угли, а также антрацит. К топливу низкой продуктивности относятся:

• древесина;
• дрова;
• порох;
• торф;
• возгораемые сланцы.

В ведомости жидкого ГСМ заносят показатели спирта, бензина, керосина, нефти. Удельная теплота сгорания водорода, а также разных форм горючего выделяется при безусловном выгорании одного килограмма, одного метра кубического или одного литра. Чаще всего такие физические свойства измеряются в единицах измерения работы, энергии и количества выделяемой теплоты.

В зависимости от того, до какой степени высока ОТС ГСМ, таким будет его расходование. Такая правомочность имеет самый значимый параметр горючего, и это необходимо учитывать при проектировке бойлерных установок на топливе разных видов. Теплотворная способность зависит от влажности и зольности , а также от возгораемых ингредиентов, таких как углерод, водород, летучая горючая сера.

УТ (удельная теплота) выгорания спирта и ацетона намного ниже классического моторного ГСМ и она равняется 31,4 МДж/кг, у мазута этот показатель колеблется в пределах 39-41,7 МДж/кг. Показатель УТ сгорания природного газа 41-49 МДж/кг. Одна ккал (килокалория) равна 0,0041868 МДж. Калорийность горючего различных видов отличается друг от друга по УТ выгорания. Чем больше тепла отдаёт любое вещество, тем больше его теплообмен. Этот процесс называется ещё и теплоотдачей. В теплоотдаче принимают участие жидкости, газы и жёсткие частицы.

Сравнительные характеристики различных видов топлива, используемых в отопительных, нагревательных аппаратах (котлах).

Вид топлива	Низшая теплота сгорания
Природный газ (содержание метана CH4 = 82%)	8400 ккал/кубометр
Древесина	3818 ккал/куб
Бурый уголь	5250 ккал/куб
Каменный уголь	7636 ккал/куб
Печное топливо	9333 ккал/куб
	860.5 кВт/час

Применяя приведенные ниже данные можно рассчитать, какое количество различных видов топлива необходимо применить, чтобы получить количества тепла, эквивалентное 1 кубометру природного газа при его использовании.

Вид топлива	Количество
Древесина	2.2 кг
Бурый уголь	1.6 кг
Каменный уголь	1.1 кг
Кокс	1.2 кг
Мазут (печное топливо)	0.9 кг
Торф	2.5 кг
Электричество (при применении ТЭН -ов по 100 кВт)	9 кВт/час

Топливо в широком смысле слова - это вещество, способное выделять тепловую энергию при сгорании

Каждый продукт имеет свою удельную теплоту сгорания и выделения определенного тепла.

Виды топлива	Удельная теплота сгорания
	ккал/кг	кДж/кг
Древесина	2960	12400
Торф	2900	12100
Бурый уголь	3100	13000
Каменный уголь	6450	27000
Антрацит	6700	28000
Кокс	7000	29300
Сланец эстонский	2300	9600
Бензин	10500	44000
Керосин	10400	43500
Дизельное топливо	10300	43000
Мазут	9700	40600
Сланцевый мазут	9100	38000
Сжиженный газ	10800	45200
Природный газ*	8000	33500
Сланцевый газ*	3460	14500

соответственно ккал/куб. Метр и кДж/куб. Метр

Теплота сгорания, основная теплотехническая характеристика любого топлива, - количество теплоты, выделяемой при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива и 1 н.м3 газообразного топлива.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшая теплота сгорания топлива включает всю выделившуюся теплоту, включая теплоту конденсации водяного пара, образовавшегося при окислении водорода и испарении влаги топлива.

В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной обработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан (не менее 93% С3 P8 + С3 Н6), технический бутан (не менее 93% С4 Н10 + С4 Н8) и их смеси.

Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 триллионов м³.

Твердое и жидкое топливо состоит из горючей и негорючей частей.

К горючей части топлива относят углерод, водород, кислород, азот и серу. Кислород и азот не горят; их включают в состав горючей массы условно. Поэтому горючую часть топлива называют условно горючей массой. Негорючая часть топлива - балласт - состоит из влаги и золы. Органическую массу топлива составляют углерод, кислород и азот.

Правильная теплота сгорания топлива:

Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания вследствие увеличенного расхода теплоты на испарение влаги и увеличения объема продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара).

Внимание: Топливо опасное горючее вещество, будьте предельно осторожны в использовании!

(рис. 14.1 - Теплотворная
способность топлива)

Обратите внимание на теплотворную способность (удельную теплоту сгорания) различных видов топлива, сравните показатели. Теплотворная способность топлива характеризует количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 м³ (1 л). Наиболее часто теплотворная способность измеряется в Дж/кг (Дж/м³; Дж/л). Чем выше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше его расход. Поэтому теплотворная способность является одной из наиболее значимых характеристик топлива.

Удельная теплота сгорания каждого вида топлива зависит:

• От его горючих составляющих (углерода, водорода, летучей горючей серы и др.).
• От его влажности и зольности.

Таблица 4 - Удельная теплота сгорания различных энергоносителей, сравнительный анализ расходов .
Вид энергоносителя	Теплотворная способность				Объёмная плотность вещества (ρ=m/V)	Цена за единицу условного топлива	Коэфф. полезного действия (КПД) системы отопления, %	Цена за 1 кВт·ч	Реализуемые системы
	МДж		кВт·ч
	(1Мдж=0.278кВт·ч)
Электричество	-		1,0 кВт·ч		-	3,70р. за кВт·ч	98%	3,78р.	Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), кондиционирование, приготовление пищи
Метан (CH4, температура кипения: -161,6 °C)	39,8 МДж/м³		11,1 кВт·ч/м³		0,72 кг/м³	5,20р. за м³	94%	0,50р.
Пропан (C3H8, температура кипения: -42.1 °C)	46,34 МДж/кг	23,63 МДж/л	12,88 кВт·ч/кг	6,57 кВт·ч/л	0,51 кг/л	18,00р. за л	94%	2,91р.	Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение
Бутан C4H10, температура кипения: -0,5 °C)	47,20 МДж/кг	27,38 МДж/л	13,12 кВт·ч/кг	7,61 кВт·ч/л	0,58 кг/л	14,00р. за л	94%	1,96р.	Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение
Пропан-бутан (СУГ - сжиженный углеводородный газ)	46,8 МДж/кг	25,3 МДж/л	13,0 кВт·ч/кг	7,0 кВт·ч/л	0,54 кг/л	16,00р. за л	94%	2,42р.	Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение
Дизельное топливо	42,7 МДж/кг		11,9 кВт·ч/кг		0,85 кг/л	30,00р. за кг	92%	2,75р.	Отопление (нагрев воды и выработка электричества - очень затратны)
Дрова (берёзовые, влажность - 12%)	15,0 МДж/кг		4,2 кВт·ч/кг		0,47-0,72 кг/дм³	3,00р. за кг	90%	0,80р.	Отопление (неудобно готовить пищу, практически невозможно получать горячую воду)
Каменный уголь	22,0 МДж/кг		6,1 кВт·ч/кг		1200-1500 кг/м³	7,70р. за кг	90%	1,40р.	Отопление
МАРР газ (смесь сжиженного нефтяного газа - 56% с метилацетилен-пропадиеном - 44%)	89,6 МДж/кг		24,9 кВт·ч/м³		0,1137 кг/дм³	-р. за м³	0%		Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение

(рис. 14.2 - Удельная теплота сгорания)

Согласно таблице «Удельная теплота сгорания различных энергоносителей, сравнительный анализ расходов», пропан-бутан (сжиженный углеводородный газ) уступает в экономической выгоде и перспективности использования только природному газу (метану). Однако следует обратить внимание на тенденцию к неизбежному росту стоимости магистрального газа, которая на сегодняшний день существенно занижена. Аналитики предрекают неминуемую реорганизацию отрасли, которая приведёт к существенному удорожанию природного газа, возможно, даже превысит стоимость дизельного топлива.

Таким образом, сжиженный углеводородный газ, стоимость которого практически не изменится, остаётся исключительно перспективным - оптимальным решением для систем автономной газификации.