2.4 Теплота сгорания топлива.

Высшая и низшая теплотворность

Теплотой сгорания (теплотворностью) называется количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива и охлаждении продуктов сгорания до исходной температуры (обычно 20°С). Ее определяют опытным путем, сжигая в калориметре в среде сжатого кислорода навеску топлива. Выделенную теплоту рассчитывают по нагреву воды в калориметрическом сосуде. При данном способе определения теплотворной способности топлива учитывается теплота конденсации паров воды и такая теплотворная способность называется высшей. При работе реальных двигателей пары воды вместе с другими продуктами сгорания выбрасываются в атмосферу в газообразном состоянии и если и конденсируются, то уже вне двигателя, естественно не совершая при этом никакой работы. Поэтому для характеристики топлива применяют низшую теплоту сгорания, которая меньше высшей на теплоту конденсации паров воды.

Выделение теплоты при горении в первую очередь связано с перестройкой химических связей между химическими элементами исходных и конечных продуктов реакции. Процесс перестройки заключается в первоначальном разрушении относительно слабых химических связей в молекулах горючего и окислителя и последующим образованием молекул окислов, являющихся более устойчивыми веществами и обладающих значительно более прочными связями. Разрушение химических связей является энергозатратным процессом и связан с поглощением тепла. В тоже время образование химических связей сопровождается выделением тепловой энергии.

Каждая химическая связь имеет свой энергетический потенциал, оцениваемый как количество энергии на единицу массы вещества.. Это может быть дж/кг или ккал/моль Энергетическая разность химических связей начальных и конечных веществ реакции, по закону сохранения энергии компенсируется ростом тепловой составляющей в общем энергобалансе системы. Это в итоге приводит к разогреву вновь образованных продуктов сгорания..

2.5. Энтальпия топлива и продуктов сгорания.

Величиной, характеризующей уровень энергосодержания рабочего тела является его полная энтальпия, имеющая химическую и теплофизическую составляющие:

I₌ I_хим+ I_Q

Из условия сохранения энергии следует, что если в замкнутой изолированной системе при ее переходе из состояния 1 в состояние 2 происходят внутренние преобразования энергии, без совершения работы, то полное энергосодержание такой системы остается постоянной, перераспределяясь между ее исходными составляющими т.е.:

I₁ = I₂ и I_1хим+ I_1Q= I_2хим+ I_2Q .

где I₁ – полная энтальпия рабочей смеси (топлива и воздуха) перед началом горения.

I₁= ∑(i_хим+ i_Q)=I_1хим+ I_1Q

Тепловая составляющая энтальпии I_1Q определяется выражением:

Ср – теплоемкость при постоянном давлении.

Т – текущая температура

Т₀ - стандартная температура к которой приводятся теплота образования данного вещества из определенных «стандартных» веществ. Международным стандартом определено значение Т₀= 298,15 К⁰.

I₂ - полная энтальпия, образовавшихся в результате химической реакции продуктов сгорания, определяемая суммой их химических энергий и теплового эквивалента эффекта реакции:

I₂= ∑(i_хим+ i_Q)=I_2хим+ I_2Q .

Таким образом, из условия I₁ = I₂ теплота, выделившаяся в результате химической реакции горения: Q_р= I_2Q - I_1Q = I_1хим - I_2хим идет на нагрев продуктов сгорания, которым и надлежит совершить работу и передать часть своей энергии посредством механического преобразователя движителю транспортного средства.

Для совершения полезной работы должно происходить расширение газа. В тепловых двигателях расширение происходит в их рабочих органах: в соплах, сопловых аппаратах, рабочих цилиндрах, на лопатках турбин и т.д. При расчете двигателей обычно принимается, что зона химических реакций ограничена камерой сгорания, а при расширении изменяются только теплофизические параметры газовой смеси, т.е. за пределами камеры сгорания I_хим = const. Причем само расширение газа происходит при постоянной энтропии - (изоэнтропно). Совершаемая при этом единицей массы рабочего тела работа, определится разностью энергосодержаний газовых смесей после и до процесса расширения. Это положение следует из первого закона термодинамики:

,

где ∑Li – суммарная работа, совершаемая при расширении рабочего тела.

Полное энергосодержание потоков газа характеризуется энтальпией торможения, учитывающей кинетическую энергию его движения. Для газа в конце камеры сгорания (индекс 2) и на срезе сопла (индекс 3)можно записать:

; ;

Скорость газа в самой камере сгорания w₂ по отношению к скорости w₃ - истечения из сопла можно принять равной нулю (w₂ ≈0). Тогда:

Скорость истечения газа при адиабатном процессе можно определить по известной из термодинамики зависимости:

Из данного выражения следует, что скорость истечения определяется теплотой сгорания топлива, которая зависит от свойств самого топлива и режимных условий: (параметры Т, R,k) и от конструктивных возможностей двигателя: степени расширения газов (р₃/р₂). Для современных воздушно-реактивных двигателей степень расширения газов не превышает значения 0.025…0.033.