ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

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.

ТЕПЛОТА 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]

ДГ~ Т022ГСГ " 1~ЧГ. ‘

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)

Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *