Горючее вещество – смесь сложных химических соединений
Если известен элементарный состав сложного вещества, то есть его эквивалентная формула, то состав и количество газообразных продуктов сгорания 1 кг вещества можно определить по уравнениям реакций горения основных горючих компонентов – водорода, углерода и серы.
При этом записывается уравнение реакции горения, например, для углерода:
С+О2=СО2.
В уравнение подставляются молекулярные массы элементов:
.
Определяются масса и объем углекислого газа, образующегося при полном сгорании 1 кг углерода:
кг; 
м3.
Аналогично
определяются масса и объем газообразных
продуктов полного сгорания водорода и
серы. Если в составе топлива содержатся
азот N2, влага W
и зола A, то они в процессе
горения не участвуют. Эти компоненты
переходят в газообразное состояние и
смешиваются с остальными продуктами
горения. При нормальных
физических условиях 1 кг
азота имеет объем
м3,
а 1 кг паров воды имеет
объем
м3.
В табл. 4.9 приведены состав и объем газообразных продуктов, образующихся при полном сгорании 1 кг горючих веществ.
Таблица 4.9
Количество газообразных продуктов (м3), образующихся при полном сгорании 1 кг горючих веществ
Вещество |
СО2 |
Н2О |
SO2 |
N |
Углерод |
1.85 |
— |
— |
— |
Водород |
— |
11.2 |
- |
— |
Сера |
— |
— |
0.7 |
— |
Азот |
— |
— |
— |
0.8 |
Вода |
— |
1.24 |
— |
— |
Пользуясь этими данными, можно определить количество продуктов горения, если известен элементарный состав любого топлива. В качестве примера определим количество продуктов сгорания 1 кг каменного угля (табл. 4.10).
Таблица 4.9
Элементарный состав угля
-
Вещество
С
Н
О
S
N
W
А
Содержание, масс.%
75.8
3.8
2.8
2.5
1.1
3.0
11.0
Содержание в долях
0.758
0.038
0.028
0.025
0.0011
0.03
0.11
Используя данные табл. 4.9, 4.10 определим объем газообразных продуктов полного сгорания:
м3;
м3;
м3;
м3.
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 Qг (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 (O2) равна 32, углекислого газа (CO2) 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 CO2 содержится 44 грамма углекислого газа.
В технических расчетах чаще используется не теплота горения Qг, а теплотворная способность топлива Q (Дж/кг или Дж/м3). Теплотворной способностью вещества называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м3 вещества. Для жидких и твердых веществ расчет проводится на 1 кг, а для газообразных – на 1 м3.
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 Q0, выделяющаяся при сгорании навески топлива массой m. Величина теплотворной способности Qг находится по формуле
.