2. Расчет теплоты сгорания топлива и его температуры горения

Теплотой сгорания Q (именуемой также теплотворной способностью) называется количество тепла (в килоджоулях), выделяемое полном сгорании 1 кг топлива. При сгорании газообразного топлива это количество относится к 1 м³.

Для подсчета теплоты сгорания топлива по его аналитическому (элементарному) составу наиболее употребительна в технических расчетах формула Д.И. Менделеева:

Q_р^п = 339,3С+ 1256 Н-109 (О-S)-25,2(9H + W ) , (18)

где Q_рп - низшая (рабочая или полезная) теплота сгорания топлива (кДж/кг), т.е. теплота сгорания топлива, вычисленная при условии, что после сгорания вода находится в виде пара;

С - процентное содержание углерода;

H.OS.W - то же - водорода, кислорода, серы, влаги в рабочем топливе ( с учетом содержания в нем А % золы и N % азота).

Сумма составных частей топлива должна составлять 100 %. Характеризуя топливо, различают его высшую теплоту сгорания Qвр, которую вычисляют при условии, что вся вода, образовавшаяся при сгорании, и первоначально содержащаяся влага в топливе конденсируется из отходящих газов в жидкость и охлаждается до первоначальной температуры, т.е. до температуры, с которой поступает топливо в топку:

Q_вр =339,3 С+1256H - 109(O-S) = Q_вр + 25,2(9H +W). (19)

Для характеристики топлива, кроме теплоты сгорания, служит его жаропроизводнтельная способность, т.е. наивысшая, или предельная, которая теоретически может быть достигнута в результате сжигания данного горючего. Эта температура называется теоретической, или максимальной, температурой горения ( t_мaкс) и подсчитывается по уравнению:

где Q_нр - низшая теплотворная способность (теплота сгорания) топлива;

c - средняя удельная теплоемкость горючего (топлива);

t_T - температура поступающего в топку горючего (топлива);

- теплосодержание влажного воздуха;

G_теор - теоретический расход воздуха (в кг), идущего на сжигание 1 кг рабочего топлива;

а - коэффициент избытка воздуха, практически принимается

для твердого топлива от 1,3 до 1,7; для жидкого - от 1,1 до 1,2 и для газообразного - от 1,0 до 1,2;

1,02 - удельная теплоемкость водяных паров;

х - влагосодержание воздуха ( в кг) на 1 кг сухого воздуха;

t_в - температура воздуха, поступающего на сгорание ;

m1, т2... - количество составных частей продуктов сгорания (в кг) на 1 кг сгораемого топлива;

c₁, c₂ - средние удельные теплоемкости составных частей продуктов сгорания топлива.

Теоретический выход воздуха G (в кг на 1 кг горючего) может быть, определен, исходя из элементного состава топлива по уравнению:

или

.

Если топливо и воздух поступают в топку без нагрева, то вторым (ct_T) и третьим [αG(1,02 +1,95x)t_в,] членами уравнения (20) в технических рас­четах пренебрегают, так как они ничтожно малы по сравнению с величиной Q_н^р.

Для характеристики газообразного топлива служит также индекс Уоббе, выражающий собой отношение высшей теплоты сгорания газа (Q_вр МДж/м3) к его относительной плотности (а):

Индекс = . (23)

Низшую (Q_н) и высшую (Q_в) теплоты сгорания вещества, имеющего брутто формулу CaH_bOcNd, можно определить по уравнениям:

Q_н =-393,5а-120,9b-∆Н_обр(298) , (24)

Q_в =-393,5а-142,9b-∆Н_обр(298), (25)

где а - количество атомов углерода в молекуле ;

b - количество атомов водорода в молекуле.

Решение типовой задачи Задача. Определить низшую и высшую теплотворную способность каменного угля состава, % : С-68,2; Н₂ - 1.4; О2 -1,5; S-1,2; 6,0 влаги и 21,7 золы.

Решение. По уравнению (18) и (19) имеем :

Qнр =339,3-68,2 +1256-1,4-109(1,5-1,2)-25.2(9-1,4 + 6,0) = 24400кДж/кг ;

Qвр = 24400+25,2 (9 . 1,4 + 6.0) = 24900 кДж/кг .

Теоретический расход воздуха (G_теор для сгорания 1 кг топлива указанного состава определяем по уравнению (22);

G_теор = 0,116 • 68,2 + 0.348 . 1,4 + 0,0435(1,2 -1.5)= 8,4 кг.

При коэффициенте избытка воздуха α=1,4 фактический раскол воздуха составит;

G_факт =8,4-1,4 = 11,76 кг.

Задачи для самостоятельного решения

Задача 1. Определить низшую теплотворную способность каменного угля, состав, % ; С-73,0; Н2 - 5,5 ; O2 - 8,0; N2 -2,0 ; S - 1,0; золы - 4.5 ; влаги - 6,0 и теоретический расход воздуха.

Ответ : Q_нр = 29540 кДж/кг

G_теор = 10,08 кг

Задача 2. Определить низшую и высшую теплоты сгорания пропана

C₃H₈.

Ответ : Q_н-2043,9 кДж. моль-1

Q_в=-2219,9 кДж . моль-1

Литература: [7, с.122-124; 8, с. 424].