1.5. Теплота сгорания горючих смесей

Тепловой баланс процесса горения составляется для определения температуры газов после сгорания. При адиабатных условиях горения все тепло передается газам, и они нагреваются от исходной температуры до максимальной (для данного топлива и при определенном α) температуры, которая называется теоретической температурой горения.

Точный расчет этой температуры должен проводиться с учетом зависимости теплоемкости газов от температуры. Наиболее просто теоретическая температура горения определяется при условии, когда можно пренебречь влиянием температуры на теплоемкость.

Если мы имеем один продукт сгорания (например, при сгорании водорода с кислородом получается водяной пар), то можно приближенно принять:

, (1.45)

где Т_а – теоретическая температура горения; Т_о – температура подаваемого воздуха; С_о – исходная концентрация горючего; Q_p – тепловой эффект реакции при постоянном давлении, отнесенный к единице массы горючего; ρ – плотность смеси; с_р – средняя теплоемкость смеси при постоянном давлении.

Если горение имеет место при постоянном объеме, то в формуле (1.45) используют Q_v и c_v.

В ДВС топливо сгорает в замкнутом объеме цилиндра, поэтому эффективность использования объема цилиндра характеризуется количеством получаемой работы или количеством теплоты, выделяющейся в цилиндре при сжигании горючей смеси. Исходя из этого, эффективность использования объема цилиндра зависит от объемной теплоты сгорания горючей смеси Н_см, т.е. от количества теплоты, выделяющейся при полном сгорании. Если теплоту сгорания горючей смеси отнести к 1 кмоль, то мы получим:

, (1.46)

где H_u – низшая теплота сгорания 1 кг жидкого или 1 м³ газообразного топлива.

Теплоту сгорания смеси, отнесенную к 1 м³ ее объема при t = 0 ^oC и давлении р = 0,1013 МПа, определяют по формуле:

. (1.47)

В соответствии с формулами (1.46) и (1.47) для увеличения мощности двигателя выбирают топливо и окислитель, обеспечивающие максимальные значения Н_см и (табл. 1.3).

Таблица 1.3.

Теплота сгорания горючих смесей при α = 1,0

Топливо	Нсм, кДж/кмоль	Н'см, кДж/кмоль
Дизельное топливо	84150	3755
Керосин	83900	3747
Бензин	83860	3739
Этиловый спирт	81180	3626
Бутан	80180	3580
Пропан	79130	З534
Природный газ	76200	3404
Генераторный газ: - из антрацита - из древесины	58010 52335	2587 2324

Кроме того, теплота сгорания горючей смеси зависит от элементарного состава топлива и коэффициента избытка воздуха α, который для расчета по этим формулам должен быть

Для случая α < 1, при котором невозможно полное сгорание топлива, в формулы (1.46) и (1.47) вместо теплоты сгорания топлива должно входить количество теплоты, которое может выделиться при полном использовании О₂ в смеси, т.е. , где - теплота сгорания продуктов неполного сгорания.

Из уравнений сгорания получим:

- для сгорания окиси углерода: СО + О₂ = 2СО₂ + 565220 кДж;

- для сгорания водорода: 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + 481480 кДж.

Таким образом, наличие 1 кмоль СО в продуктах сгорания приводит к неполному использованию химической энергии равной 565220: 2 = 282610 кДж на 1 моль СО, а наличие 1 кмоль Н₂ – к неполному использованию химической энергии, которая равна 481480: 2 = 240740 кДж на 1 кмоль Н₂.

Если в продуктах сгорания 1 кг топлива содержится М_СО кмоль СО и кмоль Н₂, то мы получим: . Поскольку из (1.32) следует , а из (1.29) , то получим:

, кДж/кг. (1.48)

Для бензина среднего состава (С = 0,855 и Н = 0,145) и, принимая во внимание, что К = 0,5 при α_пр < α < 1, из (1.47) получим:

, кДж/кг. (1.49)

Таким образом, количество теплоты H_u - ΔH_u, которое может выделиться при сгорании богатой смеси с α < 1 при полном использовании О₂ будет: H_u - .

Коэффициент выделения теплоты χ =1,0 при сгорании смесей с α > 1,0, а при сгорании смеси с α < 1 рассчитывают по формуле:

. (1.50)

Величина объемной теплоты сгорания , зависящая от состава смеси, характеризуемого α, определяет также максимальную температуру сгорания и скорость распространения пламени в смеси. Для углеводородных топлив максимальная скорость распространения пламени в смеси происходит не при α = 1, а в более богатых смесях мощностного состава (α = 0,8 – 0,9), в которых влияние диссоциации продуктов сгорания снижено. По мере увеличения или уменьшения концентрации топлива по сравнению со смесями мощностного состава скорость сгорания будет снижаться и, если будет происходить дальнейшее изменение состава смеси в ту или другую сторону, сгорание прекращается.

Пределы, при которых распространение пламени в смесях прекращается, и горение не происходит, называются верхним α_min и нижним α_max концентрационными пределами распространения пламени. При и горение смеси не происходит. Таким образом, пределы распространения пламени характеризуются или объемным содержанием топлива в смеси r_т или коэффициентом α. Концентрационные пределы распространения пламени в однородных и гомогенных смесях некоторых топлив с воздухом при атмосферном давлении и температуре показаны в табл. 1.4.

Таблица 1.4.

Концентрационные пределы распространения пламени

в топливовоздушных смесях

Топливо	Концентрационные пределы
	Верхний		Нижний
	rт, %	αmin	rт, %	αmax
Водород	65,2	0,22	9,5	4,0
Оксид углерода	70,9	0,17	15,5	2,3
Метан	11,9	0,78	6,5	1,5
Бензин	5,9	0,30	1,5	1,3
Этиловый спирт	13,7	0,40	4,0	1,7

При увеличении температуры и давлении эти пределы будут расширяться, а при увеличении инертных примесей в горючих смесях – сужаться.

Верхний концентрационный предел α_min распространения пламени для большинства топлив, используемых в обычных тепловых двигателях, не имеет практического значения, поскольку работа двигателя на этих смесях происходит не эффективно, т.е. с малой мощностью и при большом расходе топлива.

Нижний концентрационный предел α_max распространения пламени ограничен относительно малыми значениями коэффициента α, что не позволяет использовать качественное регулирование в обычных тепловых двигателях с искровым зажиганием, в которых сгорание однородных, гомогенных смесей ограничивает увеличение α, поскольку наличие остаточных (инертных) газов в камере сгорания не позволяет провести эффективное горение. Эту проблему можно решить путем использования неоднородных, расслоенных смесей.

Для неоднородных (двухфазных) смесей понятие концентрационные пределы распространения пламени не применимо, поскольку вокруг каждой капли жидкого топлива образуется слой смеси паров топлива с воздухом. В этом слое при соответствующих температурах и давлениях будут иметься зоны с горючей смесью независимо, что в других частях воздушного заряда пары топлива отсутствуют.