random / books / Литманович - Расчет теплотворной способности топлива_ методические указания к расчетной работе по химической термодинамике-МАДИ

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

А.А. ЛИТМАНОВИЧ, Е.В. НОВОСЕЛОВА, Г.Ю. ОСТАЕВА, И.М. ПАПИСОВ, Е.В. ПОЛЯКОВА

РАСЧЁТ ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ ТОПЛИВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАСЧЁТНОЙ РАБОТЕ

ПО ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

Кафедра химии

Утверждаю Зав. Кафедрой, доц. Марков С.В.

___________________(подпись) «___»_________________2013 г.

А.А. ЛИТМАНОВИЧ, Е.В. НОВОСЕЛОВА, Г.Ю. ОСТАЕВА, И.М. ПАПИСОВ, Е.В. ПОЛЯКОВА

РАСЧЁТ ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ ТОПЛИВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАСЧЁТНОЙ РАБОТЕ

ПО ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ

МОСКВА

МАДИ

2014

3

ВВЕДЕНИЕ

Использование традиционного моторного топлива в двигателях транспортных средств создаѐт существенные экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды. Добиться значительного снижения токсичности отработанных газов можно, используя альтернативные виды моторного топлива. Именно поэтому практически все перспективные экологически чистые автомобили проектируются под альтернативные виды топлива (сжиженные углеводородные газы – бутан-пропановая смесь, синтетический бензин, метанол, этанол, биодизельное топливо, шахтный метан, биогаз, природный газ и т.п.). В частности, уникальные свойства природного газа, значительные естественные запасы, развитая сеть его доставки и экологические преимущества в сравнении с традиционными видами топлив (табл. 1) позволяют рассматривать его как одно из наиболее перспективных моторных топлив.

* Примечание: выбросы при сжигании бензина приняты за 100%.

Важнейшей характеристикой энергетических возможностей и экономической эффективности топлива является теплота сгора-

ния (или теплотворная способность). Теплота сгорания может быть отнесена к 1 кг (массовая) или 1 л (объемная) топлива. В качестве базы принята единица условного топлива (у.т.), имеющего теплоту сгорания, равную 29,3 МДж/кг твердого и жидкого топлива и 29,3 МДж/м3 газообразного топлива.

Под термином «сгорание» применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов и примесей топлива с кислородом воздуха, сопровождаю-

4

щуюся свечением и выделением значительного количества тепла. При этом происходит превращение химической энергии топлива в тепловую и далее в механическую. Процесс сгорания определяет мощностные и экономические показатели двигателя, его надежность и долговечность.

Теплота сгорания вещества (Q) – это тепловой эффект реакции окисления кислородом элементов, входящих в состав этого вещества до образования высших оксидов (CO2(г), H2O(ж)).

Теплоту сгорания обычно относят к стандартному состоянию (р = = 101,3 кПа; Т = 298 К), одному молю топлива, и называют стан-

дартной теплотой сгорания Qо298,сгор. (кДж/моль). Для углеводоро-

дов и спиртов продуктами сгорания являются СО2(газ) и Н2О(ж). Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшая те-

плота сгорания топлива – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания. Низшая теплота сгорания топлива – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, но без учета теплоты конденсации водяного пара.

В двигателях внутреннего сгорания температура выходящих газов выше температуры конденсации водяных паров, поэтому при расчетах пользуются значением низшей теплоты сгорания.

При выполнении расчѐтной работы студентам необходимо определить высшую и низшую теплоту сгорания (или теплотворную способность) вещества, предлагаемого в качестве альтернативного топлива, и калорийность получаемой при использовании этого вещества топливовоздушной смеси. Затем сравнить рассчитанные величины с такими же характеристиками для традиционного вида топлива (бензина) и сделать вывод о возможности использования данного вещества в качестве альтернативного топлива или добавки к традиционному виду топлива.

5

РАСЧЁТ ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ ТОПЛИВА

Теплота сгорания топлива – это тепловой эффект химической реакции сгорания топлива в воздухе. При составлении уравнения этой реакции необходимо учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Так как на 1 моль кислорода в воздухе приходится 3,75 моля азота, реакция сгорания топлива может быть выражена следующим уравнением:

где СnНmOr – органическое вещество, предложенное в качестве альтернативного топлива, в котором n, m, r – число атомов углерода, водорода и кислорода соответственно.

Согласно первому закону термодинамики, высшая теплота сгорания топлива:

ΔQВо = – Носгор. топлива,

где Носгор. топлива – высшая энтальпия сгорания топлива при стандартных условиях.

Носгор. топлива = –(∑ΔНо298 кон. прод – ∑ΔНо298 исх. веществ).

Высшая удельная теплота сгорания топлива (теплотворная способность топлива) QВ (кДж/кг топлива) рассчитывается по уравнению:

где М – масса моля топлива, г/моль.

Низшая энтальпия сгорания топлива Нон (кДж/моль топлива) рассчитывается по уравнению реакции (2) [1,2]:

6

Низшая удельная теплота сгорания топлива QН ( кДж/кг топлива) составит:

Но

QН = Н 3 ,

М 10

где М – масса моля топлива, г/моль.

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха, кото-

рое называется теоретически необходимым.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха/кг топлива) для реакции (1) рассчитывается по уравнению:

где МO2 , МN2 , Mтоплива – масса моля кислорода, азота и топлива соответственно, г/моль.

Количество топливовоздушной смеси (М1, моль) для реакции

(1) равно:

7

Таблица 2

Сравнительные характеристики (Qн, Lовоздуха , qн) данного вещества и традиционного вида топлива

Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси (калорий-

ность стехиометрической смеси топлива с воздухом, qн, кДж/м3)

рассчитывается как отношение низшей теплоты сгорания единицы топлива к общему количеству горючей смеси:

Полученные результаты представляют в виде таблицы, в которой сравниваются характеристики бензина и вещества, предлагаемого в качестве альтернативного топлива (табл. 2).

8

ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЁТНОЙ РАБОТЫ

На основании зависимости эксплуатационных свойств топлив от их физико-химических характеристик и термодинамических расчетов рассмотреть возможность использования предложенного органического вещества (табл. 6, П1, П2) в качестве альтернативного топлива или добавки к традиционным видам топлив.

Пример 1. Метиловый спирт (метанол) СН3ОН(ж).

1. Физико-химические свойства

Метанол – бесцветная прозрачная летучая жидкость с температурой кипения – 64,5оС, молярной массой СН3ОН – 32,04 г/моль. Плотность – 0,792 г/см3; показатель преломления 1,3288; диэлектрическая проницаемость 32,6; динамическая вязкость – 1,096 сП. Смешивается с водой в любых соотношениях, хорошо растворим в большинстве органических растворителей.

2.Расчет термодинамических величин

1.Реакция горения в воздухе:

CH3OH(ж) + 1,5(O2 + 3,75N2)(г) CO2(г) + 2H2O(ж) + 5,625N2(г).

2. Табличное значение стандартной энтальпии сгорания метанола Носгор. = –715 кДж/моль.

4. Низшая энтальпия сгорания ( НоН, кДж /моль топлива) отличается от высшей на величину энтальпии конденсации водяного

5. Низшая теплота сгорания топлива (МДж/кг топлива):

627

QН = 32 10 3 = 19,60.

6. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха / кг топлива):

7. Количество топливовоздушной смеси (М1, моль):

М1 = 1 мольтоплива + 1,5(1 + 3,75) = 8,125.

8. Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси (qн, кДж/м3), она же калорийность стехиометрической смеси топлива с воздухом:

627

qН = 8,125 22,4 10 3 = 3445.

3. Вывод

Судя по калорийности стехиометрической смеси метанола с воздухом, его вполне можно было бы применять как альтернативное топливо. Однако, это невозможно в связи с высокой токсичностью метанола. Равновесное давление паров метанола при 20оС составляет 11,8 кПа (0,118 атм.). Это соответствует его концентрации 157 г/см3 (расчет проводится по уравнению Менделеева – Клапей-

рона PV mMRT ):