Количество теплоты при сгорании газа. Газообразное топливо

К веществам органического происхождения относится топливо, которое при горении выделяет определенное количество тепловой энергии. Выработка тепла должна характеризоваться высоким КПД и отсутствием побочных явлений, в частности, веществ, вредных для здоровья человека и окружающей среды.

Для удобства загрузки в топку древесный материал разрезают на отдельные элементы длиной до 30 см. Чтобы повысить эффективность от их использования, дрова должны быть максимально сухими, а процесс горения – относительно медленным. По многим параметрам для отопления помещений подходят дрова из таких лиственных пород, как дуб и береза, лещина и ясень, боярышник. Из-за высокого содержания смолы, повышенной скорости горения и низкой теплотворности хвойные деревья в этом плане значительно уступают.

Следует понимать, что на величину показателя теплотворности влияет плотность древесины.

Это природный материал растительного происхождения, добываемый из осадочной породы.

В таком виде твердого топлива содержатся углерод и прочие химические элементы. Существует деление материала на типы в зависимости от его возраста. Самым молодым считается бурый уголь, за ним идет каменный, а старше всех остальных типов – антрацит. Возрастом горючего вещества определяется и его влажность, которая в большей степени присутствует в молодом материале.

В процессе горения угля происходит загрязнение окружающей среды, а на колосниках котла образуется шлак, создающий в определенной мере препятствие для нормального горения. Наличие серы в материале также является неблагоприятным для атмосферы фактором, поскольку в воздушном пространстве этот элемент преобразуется в серную кислоту.

Однако потребители не должны опасаться за свое здоровье. Производители этого материала, заботясь о частных клиентах, стремятся уменьшить содержание в нем серы. Теплота сгорания угля может отличаться даже в пределах одного типа. Разница зависит от характеристик подвида и содержания в нем минеральных веществ, а также географии добычи. В качестве твердого топлива встречается не только чистый уголь, но и низкообогащенный угольный шлак, прессованный в брикеты.

Пеллетами (топливными гранулами) называется твердое топливо, созданное промышленным путем из древесных и растительных отходов: стружки, коры, картона, соломы.

Измельченное до состояния трухи сырье высушивается и засыпается в гранулятор, откуда уже выходит в виде гранул определенной формы. Для добавления массе вязкости применяют растительный полимер – лигнин. Сложность производственного процесса и высокий спрос формируют стоимость пеллетов. Материал используется в специально обустроенных котлах.

Разновидности топлива определяются в зависимости от того, из какого материала они переработаны:

• кругляка деревьев любых пород;
• соломы;
• торфа;
• подсолнечной шелухи.

Среди преимуществ, которыми обладают топливные гранулы, стоит отметить следующие качества:

• экологичность;
• неспособность к деформации и устойчивость к грибку;
• удобство хранения даже под открытым небом;
• равномерность и длительность горения;
• относительно невысокая стоимость;
• возможность использования для различных отопительных устройств;
• подходящий размер гранул для автоматической загрузки в специально обустроенный котел.

Брикеты

Брикетами называется твердое топливо, во многом сходное с пеллетами. Для их изготовления используются идентичные материалы: щепа, стружка, торф, шелуха и солома. Во время производственного процесса сырье измельчается и за счет сжатия формируется в брикеты. Этот материал также относится к экологически чистому топливу. Его удобно хранить даже на открытом воздухе. Плавное, равномерное и медленное горение этого топлива можно наблюдать как в каминах и печах, так и в отопительных котлах.

Рассмотренные выше разновидности экологичного твердого топлива являются хорошей альтернативой получения тепла. В сравнении с ископаемыми источниками тепловой энергии, неблаготворно воздействующими при горении на окружающую среду и являющимися, кроме того, не возобновляемыми, альтернативное топливо имеет явные преимущества и относительно невысокую стоимость, что немаловажно для потребителей некоторых категорий.

В то же время пожароопасность таких видов топлива значительно выше. Поэтому требуется предпринять некоторые меры безопасности относительно их хранения и использования огнестойких материалов для стен.

Жидкое и газообразное топливо

Что касается жидких и газообразных горючих веществ, то ситуация здесь следующая.

Что такое топливо?

Это один компонент либо смесь веществ, которые способны к химическим превращениям, связанным с выделением тепла. Разные виды топлива отличаются количественным содержанием в них окислителя, который применяется для выделения тепловой энергии.

В широком смысле топливо является энергоносителем, то есть, потенциальным видов потенциальной энергии.

Классификация

В настоящее время виды топлива подразделяют по агрегатному состоянию на жидкое, твердое, газообразное.

К твердому природному виду причисляют каменный и дрова, антрацит. Брикеты, кокс, термоантрацит это разновидности искусственного твердого топлива.

К жидкостям причисляются вещества, имеющие в составе вещества органического происхождения. Основными их компонентами являются: кислород, углерод, азот, водород, сера. Искусственным жидким топливом будут разнообразные смолы, мазут.

Является смесью разнообразных газов: этилена, метана, пропана, бутана. Помимо них в составе газообразного топлива есть углекислый и угарный газы, сероводород, азот, водяной пар, кислород.

Показатели топлива

Основной показатель сгорания. Формула для определения теплотворной способности рассматривается в термохимии. выделяют «условного топлива», которое подразумевает теплоту сгорания 1 килограмма антрацита.

Бытовое печное топливо предназначается для сжигания в отопительных устройствах незначительной мощности, которые находятся в жилых помещениях, теплогенераторах, применяемых в сельском хозяйстве для сушки кормов, консервирования.

Удельная теплота сгорания топлива - это такая величина, что демонстрирует количество теплоты, которое образуется при полном сгорании топлива объемом 1 м 3 либо массой один килограмм.

Для измерения этой величины используют Дж/кг, Дж/м 3 , калория/м 3 . Чтобы определить теплоту сгорания, используют метода калориметрии.

При увеличении удельной теплоты сгорания топлива, снижается удельный расход топлива, а коэффициент полезного действия остается неизменной величиной.

Теплота сгорания веществ является количеством энергии, выделяющейся при окислении твердого, жидкого, газообразного вещества.

Она определяется химическим составом, а также агрегатным состоянием сгораемого вещества.

Особенности продуктов сгорания

Высшая и низшая теплота сгорания связана с агрегатным состоянием воды в получаемых после сгорания топлива веществах.

Высшая теплота сгорания это количество теплоты, выделяемое при полном сгорании вещества. В эту величину включают и теплоту конденсации водяного пара.

Низшая рабочая теплота сгорания является той величиной, что соответствует выделению тепла при сгорании без учета теплоты конденсации водяных паров.

Скрытой теплотой конденсации считают величину энергии конденсации водяного пара.

Математическая взаимосвязь

Высшая и низшая теплота сгорания связаны следующим соотношением:

Q B = Q H + k(W + 9H)

где W - количество по массе (в %) воды в горючем веществе;

H-количество водорода (% по массе) в горючем веществе;

k - коэффициент, составляющий величину 6 ккал/кг

Способы проведения вычислений

Высшая и низшая теплота сгорания определяется двумя основными методами: расчетным и экспериментальным.

Для проведения экспериментальных вычислений применяют калориметры. Сначала сжигают в нем навеску топлива. Теплота, которая будет при этом выделяться, полностью поглощается водой. Имея представление о массе воды, можно определить по изменению ее температуры, величину ее теплоты сгорания.

Данная методика считается простой и эффективной, она предполагает только владение информацией о данных технического анализа.

В расчетной методике высшая и низшая теплота сгорания вычисляется по формуле Менделеева.

Q p H = 339C p +1030H p -109(O p -S p) - 25 W p (кДж/ кг)

Оно учитывает содержание углерода, кислорода, водорода, водяного пара, серы в рабочем составе (в процентах). Количество теплоты при сгорании определяется с учетом условного топлива.

Теплота сгорания газа позволяет проводить предварительные расчеты, выявлять эффективность применения определенного вида топлива.

Особенности происхождения

Для того чтобы понять, сколько теплоты выделяется при сгорании определенного топлива, необходимо иметь представление об его происхождении.

В природе есть разные варианты твердого топлива, которые отличаются между собой составом и свойствами.

Его образование осуществляется через несколько стадий. Сначала образуется торф, затем получается бурый и каменный уголь, потом формируется антрацит. В качестве основных источников образования твердого топлива выступают листья, древесина, хвоя. Отмирая, части растений при воздействии воздуха, разрушаются грибками, образуют торф. Его скопление превращается в бурую массу, потом получается бурый газ.

При высоком давлении и температуре, бурый газ переходит в каменный уголь, потом топливо накапливается в виде антрацита.

Помимо органической массы, в топливе есть дополнительный балласт. Органической считают ту часть, что образовалась из органических веществ: водорода, углерода, азота, кислорода. Помимо этих химических элементов, в его составе есть балласта: влага, зола.

Топочная техника предполагает выделение рабочей, сухой, а также горючей массы сжигаемого топлива. Рабочей массой называют топливо в исходном виде, поступающем к потребителю. Сухая масса - это состав, в котором отсутствует вода.

Состав

Самыми ценными компонентами считаются углерод и водород.

Эти элементы содержатся в любом виде топлива. В торфе и древесине процентное содержание углерода достигает 58 процентов, в каменном и буром угле - 80%, а в антраците оно достигает 95 процентов по массе. В зависимости от этого показателя меняется количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Водород это второй по важности элемент любого топлива. Связываясь с кислородом, он образует влагу, которая существенно снижает тепловую ценность любого топлива.

Его процентное содержание колеблется от 3,8 в горючих сланцах до 11 в мазуте. В качестве балласта выступает кислород, входящий в состав топлива.

Он не является теплообразующим химическим элементом, поэтому негативно отражается на величине теплоты его сгорания. Сгорание азота, содержащегося в свободном либо связанном виде в продуктах сгорания, считается вредными примесями, поэтому его количество четко лимитируется.

Сера входит в состав топлива в виде сульфатов, сульфидов, а также в качестве сернистых газов. При гидратации оксиды серы образуют серную кислоту, которая разрушает котельное оборудование, негативно воздействует на растительность и живые организмы.

Именно поэтому сера является тем химическим элементом, присутствие которого в природном топливе является крайне нежелательным. При попадании внутрь рабочего помещения, сернистые соединения вызывают существенные отравления обслуживающего персонала.

Выделяют три вида золы в зависимости от ее происхождения:

• первичную;
• вторичную;
• третичную.

Первичный вид формируется из минеральных веществ, которые содержатся в растениях. Вторичная зола образуется как результат попадания во время пластообразования растительных остатков песком и землей.

Третичная зола оказывается в составе топлива в процессе добычи, хранения, а также его транспортировки. При существенном отложении золы происходит уменьшение теплопередачи на поверхности нагрева котельного агрегата, снижает величину теплопередачи к воде от газов. Огромное количество золы негативно отражается на процессе эксплуатации котла.

В заключение

Существенное влияние на процесс горения любого вида топлива оказывают летучие вещества. Чем больше их выход, тем объемнее будет объем фронта пламени. Например, каменный уголь, торф, легко загораются, процесс сопровождается незначительными потерями тепла. Кокс, который остается после удаления летучих примесей, в своем составе имеет только минеральные и углеродные соединения. В зависимости от особенностей топлива, величина количества теплоты существенно изменяется.

В зависимости от химического состава выделяют три стадии формирования твердого топлива: торфяную, буроугольную, каменноугольную.

Натуральную древесину применяют в небольших котельных установках. В основном используют щепу, опилки, горбыли, кору, сами дрова применяют в незначительных количествах. В зависимости от породы древесины величина выделяемой теплоты существенно изменяется.

По мере снижения теплоты сгорания, дрова приобретают определенные преимущества: быструю воспламеняемость, минимальную зольность, отсутствие следов серы.

Достоверная информация о составе природного либо синтетического топлива, его теплотворной способности, является отличным способом проведения термохимических вычислений.

В настоящее время появляется реальная возможность выявления тех основных вариантов твердого, газообразного, жидкого топлива, которые станут самыми эффективными и недорогими в использовании в определенной ситуации.

Количество тепла, выделяемое при полном сгорании едини­цы количества топлива, называется теплотворной способностью (Q) или, как иногда говорят, теплотворностью, или калорийно­стью, которая является одной из основных характеристик топ­лива.

Теплотворную способность газов обычно относят к 1 м 3 , взятому при нормальных условиях.

При технических расчетах под нормальными условиями по­нимается состояние газа при температуре, равной 0°С, и, при давлении 760 мм рт. ст. Объем газа при этих условиях обозначается нм 3 (нормальный метр кубический).

Для промышленных измерений газа по ГОСТ 2923-45 за нормальные условия приняты температура 20°С и Давление 760 мм рт. ст. Объем газа, отнесенный к этим условиям, в от­личие от нм 3 будем называть м 3 (метр кубический).

Теплотворная способность газов (Q}) выражается в ккал/нм э или в ккал/м 3 .

Для сжиженных газов теплотворную способность относят к 1 кг.

Различают высшую (Q в) и низшую (Q н) теплотворность. Высшая теплотворная способность учитывает теплоту конден­сации водяных паров, образующихся при сжигании топлива. Низшая теплотворная способность не учитывает тепло, содер­жащееся в водяных парах продуктов сгорания, так как водя­ные лары не конденсируются, а уносятся с продуктами сгора­ния.

Понятия Q в и Q н относятся только к тем газам, при сгорании которых выделяются водяные пары (к окиси углерода, не дающей при сгорании паров воды, эти понятия не относятся).

При конденсации водяных паров выделяется тепло, равное 539 ккал/кг. Кроме того, при охлаждении конденсата до 0°С (.или 20°С) соответственно выделяется тепло в количестве 100 или 80 ккал/кг.

Всего за счет конденсации водяных паров выделяется те­пла более 600 ккал/кг, что составляет разность между высшей и низшей теплотворной способностью газа. Для большинства газов, применяемых в городском газоснабжении, эта разность равна 8-10%.

Значения теплотворных способностей некоторых газов при­ведены в табл. 3.

Для городского газоснабжения в настоящее время исполь­зуют газы, имеющие, как правило, теплотворность не менее 3500 ккал/нм 3 . Объясняется это тем, что в условиях городов газ подается по трубам на значительные расстояния. При низкой теплотворности его требуется подавать большое коли­чество. Это неизбежно ведет к увеличению диаметров газоцроводов и как следствие к увеличению металловложений и средств на строительство газовых сетей, а.в.последующем: и к увеличению затрат на эксплуатацию. Существенным недостат­ком низкокалорийных газов является еще то, что в большин­стве случаев они содержат значительное количество окиси уг­лерода, из-за чего повышается опасность при использовании газа, а также при обслуживании сетей и установок.

Газ теплотворной способностью менее 3500 ккал/нм 3 наибо­лее часто используют в промышленности, где не требуется тран­спортировать его на большие расстояния и проще организовать сжигание. Для городского газоснабжения теплотворность га­за желательно иметь постоянной. Колебания, как мы уже уста­новили, допускаются не более 10%. Большее изменение тепло­творной способности газа требует новой регулировки, а иногда и смены большого количества унифицированных горелок бы­товых приборов, что связано со значительными трудностями.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ

У природных газов отсутствует цвет, запах, вкус.

К основные показателям природных газов относятся: состав, теплота сгорания, плотность, температура горения и воспламенения, границы взрываемости и давление при взрыве.

Природные газы чисто газовых месторождений в основном состоят из метана (82-98 %) и других углеводородов.

В составе горючего газа имеются горючие и негорючие вещества. К горючим газам относятся: углеводороды, водород, сероводород. К негорючим относятся: углекислый газ, кислород, азот и водяной пар. Состав их невысок и составляет 0,1-0,3% С0 2 и 1-14% N 2 . После добычи из газа извлекают токсичный газ сероводород, содержание которого не должно превышать 0,02 г/м3.

Теплота сгорания - это количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 м3 газа. Измеряется теплота сгорания в ккал/м3, кДж/м3 газа. Теплота сгорания сухого природного газа составляет 8000-8500 ккал/м 3 .

Величина рассчитываемая отношением массы вещества к его же объему называется плотностью вещества. Измеряется плотность в кг/м3. Плотность природного газа полностью зависит от его состава и находится в пределах с = 0,73-0,85 кг/м3.

Важнейшей особенностью любого горючего газа является жаропроизводительность, т. е. максимальная температура достигаемая при полном сгорании газа, если необходимое количество воздуха для горения точно соответсвует химическим фор­мулам горения, а изначальная температура газа и воздуха равняется нулю.

Жаропроизводительность природных газов составляет около 2000 -2100 °С, метана - 2043 °С. Действительная температура горения в топках значительно ниже жаропроизводительности и зависит от условий сжигания.

Температурой воспламенения называется температура топливовоздушной смеси, смесь при которой загорается без источника воспламенения. Для природного газа она находится в пределах 645-700 °С.

Все горючие газы являются взрывоопасными, способны воспламеняться при открытом огне или искре. Различают нижний и верхний концентрационный предел распространения пламени , т.е. нижнюю и верхнюю концентрацию при которой возможен взрыв смеси. Нижний предел взрываемости газов составляет 3÷6 %, верхний 12÷16%.

Границы взрываемости .

Газовоздушная смесь, имеющая в составе количество газа:

до 5 % - не горит;

от 5 до 15 % - взрывается;

больше 15 % - горит при подаче воздуха.

Давление при взрыве природного газа составляет 0,8-1,0 МПа.

Все горючие газы способны вызывать отравления организма человека. Основными отравляющими веществами являются: окись углерод (СО), сероводород (H 2 S), аммиак (NH 3).

У природного газа отсутствует запах. Для того чтобы определить утечку газ одоризируют (т.е. придают ему специфический запах). Проведение одоризации осуществляется путем использования этилмеркаптана. Осуществляют одоризацию на газораспределительных станциях (ГРС). При попадании в воздух 1% природного газа начинает ощущаться его запах. Практика показывает, что средняя норма этилмеркаптана для одоризации природного газа, который поступает в городские сети, должна составлять 16 г на 1 000 м3 газа.

По сравнению с твердым и жидким топливом природный газ выигрывает по многим параметрам:

Относительная дешевизна, которая объясняется более легким способом добычи и транспорта;

Отсутствие золы и выноса твердых частиц в атмосферу;

Высокая теплота сгорания;

Не требуется подготовки топлива к сжиганию;

Облегчается труд обслуживающих работников и улучшение санитарно-гигиенических условий его работы;

Облегчаются условия автоматизации рабочих процессов.

Из-за возможных утечек через неплотности в соединениях газопровода и в местах присоединения арматуры использование природного газа требует особой внимательности и осторожности. Проникновение в помещение более 20 % газа может привести к удушью, а при наличии его в закрытом объеме от 5 до 15 % может вызвать взрыв газовоздушной смеси. При неполном сгорании образуется токсичный угарный газ СО, который даже при небольших концентрациях приводит к отравлению обслуживающего персонала.

По своему происхождению природные газы делятся на две группы: сухие и жирные.

Сухие газы относятся к газам минерального происхождения и находятся в районах, связанных с настоящей или прошлой деятельностью вулканов. Сухие газы состоят почти исключительно из одного метана с ничтожным содержанием балластных составляющих (азота, углекислого газа) и имеют теплотворную способность Qн=7000÷9000 ккал/нм3.

Жирные газы сопутствуют нефтяным месторождениям и скапливаются обычно в верхних пластах. По своему происхождению жирные газы близки к нефти и содержат в своем составе много легко конденсирующихся углеводородов. Теплотворная способность жидких газов Qн=8000-15000 ккал/нм3

К преимуществам газообразного топлива следует отнести легкость транспортировки и сжигания, отсутствие золы влаги, значительная простота котельного оборудования.

Наряду с природными газами используются и искусственные горючие газы, получаемые при переработке твердых топлив, или в результате работы промышленных установок как отходящие газы. Искусственные газы состоят из из горючих газов неполного сгорания топлива, балластных газов и водяных паров и разделяются на богатые и бедные, имеющие среднюю теплотворность 4500 ккал/м3 и 1300 ккам3 соответственно. Состав газов: водород, метан, прочие углеводородные соединения CmHn, сероводород H 2 S, негорючие газы, двуокись углерода, кислород, азот и незначительное количество водяных паров. Балласт – азот и двуокись углерода.

Таким образом состав сухого газообразного топлива можно представить как следующую смесь элементов:

СО + Н 2 + ∑CmHn + H 2 S + СO 2 + O 2 + N 2 =100%.

Состав влажного газообразного топлива выражают следующим образом:

СО + Н 2 + ∑CmHn + H 2 S + СO 2 + O 2 + N 2 + Н 2 О=100%.

Теплоту сгорания сухого газообразного топлива кДж/м3 (ккал/м3) на 1 м3 газа при нормальных условиях определяют следующим образом:

Qн= 0,01 ,

Где Qi – теплота сгорания соответствующего газа.

Теплота сгорания газообразного топлива приведена в таблице 3.

Доменный газ образуется при выплавке чугуна в доменных печах. Его выход и химсостав зависят от свойств шихты и топлива, режима работы печи, способов интенсификации процесса и других факторов. Выход газа колеблется в пределах 1500-2500 м 3 на тонну чугуна. Доля негорючих компонентов (N 2 и CO 2) в доменном газе составляет около 70%, что и обуславливает его низкие теплотехнические показатели (низшая теплота сгорания газа равна 3-5 МДж/м 3).

При сжигании доменного газа максимальная температура продуктов сгорания (без учёта тепловых потерь и расхода теплоты на диссоциацию CO 2 и H 2 O) равна 400-1500 0 C. Если перед сжиганием газ и воздух подогреть, то температуру продуктов сгорания можно значительно повысить.

Ферросплавный газ образуется при выплавке ферросплавов в рудовосстановительных печах. Газ, отходящий из закрытых печей, можно использовать в качестве топливных ВЭР (вторичные энергетические ресурсы). В открытых печах в связи со свободным доступом воздуха газ сгорает на колошнике. Выход и состав ферросплавного газа зависит от марки выплавляемого

сплава, состава шихты, режима работы печи, её мощности и т.п. Состав газа: 50-90% CO, 2-8% H 2 , 0,3-1% CH 4 , O 2 <1%, 2-5% CO 2 , остальное N 2 . Максимальная температура продуктов сгорания равна 2080 ^0 C. Запылённость газа составляет 30-40 г/м^3 .

Конвертерный газ образуется при выплавке стали в кислородных конвертерах. Газ состоит в основном из оксида углерода, выход и состав его в течение плавки значительно изменяются. После очистки состав газа примерно таков: 70-80% CO; 15-20% CO 2 ; 0,5-0,8% O 2 ; 3-12% N 2 .Теплота сгорания газа составляет 8,4-9,2 МДж/м 3 . Максимальная температура сгорания достигает 2000 0 С.

Коксовый газ образуется при коксовании угольной шихты. В чёрной металлургии он используется после извлечения химических продуктов. Состав коксового газа зависит от свойств угольной шихты и условий коксования. Объёмные доли компонентов в газе находятся в следующих пределах, %: 52-62H 2 ; 0,3-0,6 O 2 ; 23,5-26,5 CH 4 ; 5,5-7,7 CO; 1,8-2,6 CO 2 . Теплота сгорания равна 17-17,6 МДж/м^3 , максимальная температура продуктов сгорания – 2070 0 С.

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.