При выполнении инженерных расчетов тепловых двигателей необходимо знать количество тепловой энергии, выделяющейся при сгорании (окислении) топлива в цилиндре расширительной машины. При сгорании различных масс топлива выделяется различное количество тепловой энергии.
Количество энергии, выделяющейся при сгорании топлива, можно определить экспериментальным методом с помощью специального прибора, называемого калориметром. Для определения количества тепловой энергии, выделяющейся при сгорании различных масс топлива, необходимо выполнить очень большое количество экспериментов. Учитывая, что топливо бывает различных видов, количество проводимых экспериментов еще больше увеличивается.
Чтобы не проводить большого числа экспериментов поступают весьма просто. Определяют количество тепловой энергии, выделяющейся при сгорании единицы массы топлива каждого вида, то есть проводят ровно столько экспериментов, сколько существует видов топлива. Количество тепловой энергии, выделяющейся при сгорании любой массы топлива, определяют простым умножением количества тепловой энергии, выделяющейся при сгорании единицы массы топлива, на массу этого топлива.
На рис. 10.9 представлена схема простейшего калориметра. Исследуемое топливо помещают в специальную чашечку, которая размещается внутри герметически закрытого сосуда, называемого бомбой. Стенки этой бомбы обладают достаточной прочностью и выдерживают большие усилия газов, образующихся при сгорании топлива. Бомба имеет специальный впускной клапан для ввода кислорода под давлением, а также электрические контакты для инициирования процесса окисления (сгорания) топлива.
|
Мешалка |
|
Термометр |
|
Ввод кислорода Реакционная камера (бомба) — Чашечка с образцам |
|
Рис. 10.9. Калориметрическая бомба |
После того как в бомбу поместят образец испытуемого топлива, ее герметизируют, наполняют кислородом, помещают в большой теплоизолированный сосуд и заливают точно отмеренным количеством воды. Температуру воды до сгорания топлива тщательно измеряют. С помощью электрической энергии топливо воспламеняют. При сгорании топлива выделяется некоторое количество тепловой энергии. После сгорания топлива снова измеряют температуру воды. Выделившаяся тепловая энергия передается самому калориметру. Количество тепловой энергии, поглощенное калориметром (в том числе и водой), определяют экспериментально, сжигая в нем образец, выделяющий известное количество энергии в тепловой форме. Например, известно, что при сгорании 1 г бензойной кислоты СуНеОг в калориметрической бомбе выделяется 26.38 кДж энергии в тепловой форме. Если при сжигании этого количества бензойной кислоты температура калориметра повышается на
5.022°С, то его теплоемкость равна
R _ Q _ 26.38 [кДж] _ ГкДж]
Если при сгорании некоторой массы топлива в этом калориметре его температура повысилась, например, на 10°С, то выделившееся при сгорании этого топлива количество тепловой энергии легко определить по формуле
Q = СКАТ = 5.252 • 10 [°С] = 52.52 [кДж]. (10.54)
Количество тепловой энергии, выделяющейся при сгорании (окислении) единицы массы топлива, называют теплотой сгорания топлива[32](обозначается Н). Определив описанным выше способом теплоту сгорания топлива, можно с помощью зависимости
Q = mH (10.55)
Определить количество тепловой энергии, выделяющейся при сгорании любой массы топлива.
Для того чтобы правильно воспользоваться зависимостью (10.55), необходимо учесть следующее обстоятельство. При сгорании топлива образуется вода[33]. Тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, мгновенно сообщается этой воде, в результате чего та может испариться. При испарении воды затрачивается очень много тепловой энергии (ее называют скрытой теплотой парообразования). Напомним, что рост температуры воды очень сильно замедляется по мере приближения к 100°С. Это как раз вызвано тем, что вся подводимая тепловая энергия расходуется на парообразование. Если водяной пар не перевести в жидкость, то затраченная на испарение воды тепловая энергия будет потеряна, так как не сможет использоваться для нагревания смеси газов, образующихся при окислении топлива кислородом воздуха.
Если не учитывать тепловую энергию, затраченную на парообразование воды, то описанным выше способом определяют так называемую низшую Теплоту сгорания топлива (обозначается буквой Ни). Если водяному пару предоставить возможность охладиться до температуры, при которой он перейдет в жидкое состояние, то в процессе такого перехода он вернет обратно теплоту, затраченную на испарение образующейся при сгорании топлива воды. Аналогичное явление происходит при образовании тумана в окружающей среде. Водяной пар, конденсируясь, отдает тепловую энергию воздуху. Температура воздуха несколько повышается. По этой причине в туманную погоду кажется несколько теплее.
Если пар сконденсируется, то температура калориметра несколько увеличится. По описанной методике можно определить количество тепловой энергии, выделяющейся при сгорании единицы массы топлива с учетом тепловой энергии, затраченной на испарение воды. В этом случае будет определена высшая теплота сгорания топлива (обозначается До). Из приведенных выше фактов можно установить, что Ни < Н0.
Какое из значений теплоты сгорания топлива следует использовать в инженерных расчетах зависит от обстоятельств его сгорания. В рассмотренных ранее тепловых двигателях (ДВС) после расширения рабочее тело выбрасывается из цилиндра расширительной машины вместе с образующимся при сгорании топлива водяным паром, поэтому в процессе теплового расчета ДВС используют низшую теплоту сгорания топлива Ни. Ее значение для различных видов топлива приводится в справочных таблицах.
В процессе транспортировки в топливо попадает вода, поэтому при его сгорании еще больше тепловой энергии отбирается на парообразование.
Высшую теплоту сгорания топлива определяют по формуле
Н0 = тсАТ, (10.56)
Где M — масса охладителя (жидкости, окружающей калориметр и способствующей конденсации водяного пара); с —удельная теплоемкость охладителя; AT — изменение температуры охладителя.
Высшая и низшая теплотворная способность топлива связаны зависимостью
#U = #0-Q„, (10.57)
Где Ни — низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг; HQ — высшая теплотворная способность топлива, кДж/кг; Qn — теплота парообразования, кДж/кг;
Свойства некоторых видов топлива нефтяного происхождения приведены ниже:
|
Средняя молярная масса, |
Твплота сгорания, |
|
|
Топливо |
Кг |
МДж |
|
Кмоль |
Кг |
|
|
Бензин |
110…120 |
44 |
|
Дизельное топливо |
180…200 |
42.5 |
Если для полного сгорания топлива недостаточно воздуха (кислорода, находящегося в составе воздуха), топливо сгорит не полностью, т. е. часть топлива не используется. Того количества тепловой энергии, которое предполагалось получить в результате сгорания топлива, получено не будет. Количество тепловой энергии, не полученной в результате неполного сгорания топлива (а < 1), определяется по формуле
ДЯи = 119.95(1-а)ш0,
Где а — коэффициент избытка воздуха; тп0 — масса воздуха, теоретически необходимая для полного сгорания топлива.
На практике полноту выделения тепловой энергии при сгорании топлива учитывают специальным коэффициентом определяемым по формуле
Са = Яц"АЯц = 1 — ^ и 1.4а — 0.4. (10.58)