ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

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 НгО 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.

Соотношение между высшей и низшей теплотой сгорания можно написать в следующем виде:

<2»-^=Он, 0я„, (1-13)

Где масса влаги, содержащейся в 1 кг топлива, и влаги, образующейся в результате горения водорода топлива,

_9№ + ТУР П_14>

А — теплота парообразования, условно принимаемая равной

2,51 МДж/кг.

После подстановки значений GHj0 и Яп соотношение (1-13) для рабо­чей массы принимает вид:

Qph='Qpb—0,0251 (9Нр+ W»), (1-15)

А для сухой и горючей массы QCH, QrH, МДж/кг, соответственно:

QCH= QCB—0,226 Нс; (1-16)

Qth='Qtb—0,226 Нг. (1-17)

Теплоту сгорания Qph, МДж/кг, определенного сорта топлива при изменении внешнего балласта можно рассчитать по известной величине теплоты сгорания его горючей массы, являющейся достаточно постоян­ной, и по данным технического анализа на содержание влаги и золы по следующему соотношению:

QP = Qr Ю0-МЧ-Ц7Р)—0i0251U7p. (1.18)

Связь между теплотой сгорания рабочей и сухой массы топлива

Выражается следующим образом:

Он = 41 100№^ - 0,025(1-19>

Пересчет низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива на дру­гую влажность при Ар=const и на массу с другими значениями золь­ности и влажности можно производить, исходя в первом случае из условия равенства теплоты сгорания сухой массы, а во втором — горю­чей массы:

100 Ц7Р

№ +0.025:IU7?)-——- 0,02511^ (1-20)

И

ЮО 1J7P__ Л?

QP =(QP-f 0,0251ГП------------------------ -------- - 0,025. (1-21)

^н1 ц2 I ’ 1/ юо _ ^7Р 2

При реакциях между вполне определенными веществами обычно пользуются теплотой сгорания, отнесенной к одному молю реагирую­щего вещества, которую в этом случае обычно называют тепловым эффектом. Для топлив, являющихся веществами сложного и меняюще­гося состава, теплоту сгорания обычно относят к 1 кг при твердом или жидком их состоянии и к 1 м3 при газообразном состоянии.

В топочных устройствах парогенераторов и в камерах сгорания различных технических назначений процесс сжигания топлив обычно проводят при постоянном давлении. В этом случае часть выделяющего­ся тепла расходуется на совершение внешней работы в связи с измене­нием объема реагирующей смеси, которая составляет:

Р(п2—ni)V=AnRT.

В уравнении Ап — приращение числа молей газов при реагирова­нии одного моля горючего вещества;

V — объем одного моля;

R=8,321 кДж/(моль*К) —универсальная газовая постоянная.

Следовательно, теплота сгорания 'при постоянном давлении опре­деляется изотермическим изменением энтальпии при превращении одного моля горючего. В случае горения при постоянном объеме, когда внешняя работа не совершается, теплота сгорания определяется изотер­мическим изменением внутренней энергии при реагировании одного моля горючего.

Учитывая выражение (1-22), соотношение между величинами теп­лоты сгорания при постоянном давлении Qp и постоянном объеме Qv - можно записать в виде

QP = Qv—AnRT. (1-23)

Таким образом, при переходе от теплоты сгорания при постоянном объеме к теплоте сгорания при постоянном давлении следует из первой вычесть количество тепла, пошедшее на совершение внешней работы реакции. Если реакция сопровождается увеличением объема Д/г>0, то Qp<Qv■ Напротив, если она протекает с уменьшением объема Д/г<0, то Qp>Qv• Однако разница между Qv и Qp мала и поэтому в обыч­ных расчетах не учитывается.

Величина теплоты сгорания определяется экспериментально мето­дом проведения реакции в сосуде с нерасширяющимися стенками (см. § 1-7).

Теплоту сгорания записывают в стехиометрическом уравнении реакции с положительным знаком, когда тепла выделяется, или с отри­цательным знаком, когда тепло поглощается. Такое уравнение назы­вается термохимическим. Так, уравнение

2СО + 02 = 2С02 + 568 (1 -24)

Означает, что два моля окиси углерода соединяются с одним молем кислорода, при этом образуются два моля углекислоты и выделяется 568 МДж тепла. Значения теплоты сгорания некоторых топлив при р = = const и 0°С приведены в табл. 1-4.