5.1. Характеристики топлива.

Топливо – вещество для получения теплоты. В настоящее время используют два вида топлив: органическое и ядерное.

Топливо органическое – выделяющее энергию в результате химических реакций при окислении горючих компонентов, входящих в состав топлива.

Ядерное топливо – выделяющее энергию в результате ядерных преобразований.

Природное органическое топливо: твердое – уголь, торф, сланцы, древесина; жидкое – нефть и продукты её переработки (бензин, керосин, мазут и др.); газообразное – природный и искусственный газ. Состав топлива: углерод С, водород Н, кислород О, в небольших количествах сера S и азот N, а также минеральные соединения и влага W.

В жидком топливе различают рабочую и сухую массы, в твердом рабочую, сухую, сухую беззольную, массы.

Сухая беззольная – это горючая масса, состоящая из С, Н, О, S. Влага и минеральные соединения это балласт. Сухая беззольная и минеральные соединения составляют сухую массу топлива. Сухая масса и влага образуют рабочую массу топлива (индекс р).

Состав топлив принято представлять в виде суммы масс химических элементов:

(5.1)

где - летучая сера, состоящая из органической и колчеданной; А_р – минеральные соединения.

Горючая масса – масса веществ в составе топлива, которые могут принять участие в процессе горения (индекс г):

(5.2)

Сухая масса – масса топлива без влаги (индекс с):

(5.3)

Твердые природные топлива выделяют при нагревании газообразные и жидкие продукты термического разложения (летучие V_л), остается твердый остаток – кокс, содержащий углерод и золу.

В горючую смесь входят горючее, окислитель, балластные вещества. В качестве окислителя топлива используется кислород двух сортов: сорт А с чистотой 99,2%, сорт Б с чистотой 98,5%.

Состав газообразного топлива может быть представлен в виде суммы объёмов компонентов:

(5.4)

Здесь СН₄ – метан; - высшие углеводородные соединения; H₂S – сероводород.

Количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы объема или массы топлива называется теплотой сгорания. Высшей теплотой сгорания называют количество теплоты, полученное при сгорании 1кг твердого, жидкого топлива или 1м³ газообразного топлива (при 0⁰С и 0,1МПа) и конденсации водяных паров продуктов сгорания.

Низшая теплота сгорания топлива - количество теплоты, выделившееся при полном сгорании единицы топлива и испарении влаги, содержащейся в топливе.

Низшая теплота сгорания отличается от высшей количеством теплоты, расходуемой на испарение влаги топлива. На испарение 1кг влаги расходуется 0,7 кВт·ч энергии. Влага находится в топливе, а также образуется при сгорании находящегося в топливе водорода. Теплотехнические расчеты обычно производятся по низшей теплоте сгорания так как температура газоотводящих трактов превышает 100⁰С и конденсации водяных паров не происходит.

Несгоревший остаток, образующийся после сгорания топлива и состоящий из минеральных примесей, называется золой. Часть золы в процессе горения оплавляется и превращается в шлак. Отношение массы золы к массе топлива называют зольностью А. Влажность W – количество влаги в топливе.

5.2. Горение топлива.

Горение – экзотермическая окислительно-восстановительная реакция топлива с окислителем. Максимальное тепловыделение в процессе горения происходит при определенных соотношениях масс исходных веществ, вступающих в реакцию горения. Эти соотношения называют стехиометрическими.

Материальный баланс для твердого и жидкого топлива стехиометрической реакции окисления следующий:

С + О₂ = СО₂ + Q₁ (5.4)

12кг + 32кг = 44кг

Реакция (5.4) происходит при полном сгорании углерода с выделением тепловой энергии Q₁. При неполном сгорании углерода реакция протекает следующим образом:

2С + О₂ = 2СО + Q₂ (5.5)

24кг + 32кг = 56кг

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + Q₃ (5.6)

4кг + 32кг = 36кг

Из реакции горения углерода следует, что для полного сгорания 1кг углерода необходимо 32/12 = 2,67кг кислорода и при этом образуется 3,67кг углекислого газа СО₂.

В реальных условиях для полного сгорания топлива требуется несколько больший объем воздуха. Содержание кислорода в воздухе 21% по объему. Отношение объема воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, к теоретически необходимому объему воздуха называется коэффициентом избытка воздуха α_в:

(5.7)

Для газообразных топлив для твердых .

При сжигании топлива с избытком воздуха объем продуктов сгорания, газов определяется по выражению:

(5.8)

где - объем сухих газов; - объем водяного пара.

Отношение выделившегося тепла Q после сгорания топлива к теплу Q_п, которое должно выделиться при полном сжигании всех горючих веществ топлива называется коэффициентом химической неполноты сгорания:

(5.9)

Гомогенное горение – топливо и окислитель находятся в одинаковом фазовом состоянии. При гетерогенном горении топливо и окислитель находятся в различном агрегатном состоянии.

Скорость горения W_г зависит от концентрации веществ, температуры и давления.

, (5.10)

где k – константа; с_Ас_В – концентрация веществ; р^п – давление; Т – температура.

Зависимость скорости реакции от температуры имеет следующий вид:

Рис. 5.1. Зависимость W_r = f (T)

Повышение температуры с 500 до 1000К ведет к возрастанию скорости химической реакции в 500 млн. раз. Полное время сгорания топлива τ_п складывается из времени контакта топлива с окислителем (физическая стадия процесса) τ_ф и времени протекания химической реакции τ_х:

(5.11)

Если τ_ф>> τ_х – горение называется диффузным при котором время подвода окислителя к топливу больше времени химической реакции. Если τ_ф<< τ_х , то горение называется кинетическим, происходит при предварительном смешении газа с воздухом до подачи смеси в камеру сгорания.

Температура горения – температура газообразных продуктов сгорания.

Для одного вида топлива и любого режима его горения – кинетического, диффузного, ламинарного, турбулентного при одинаковой полноте сгорания температура горения Т_г будет одна и та же.

Температура горения Т_г определяется по выражению:

, (5.12)

где Q_ф - теплосодержание воздуха и топлива до реакции горения; Q_т – тепло, воспринятое средой камеры; Q_д – тепло, затраченное на диссоциацию; Q_х – тепловые потери от химической и физической неполноты сгорания; ΣV – объем продуктов сгорания; с_р – теплоемкость продуктов сгорания.

Максимальная, адиабатическая температура горения достигается при полном адиабатическом (отсутствие теплообмена со средой) сжигании топлива:

(5.13)

При определении калориметрической температуры учитывается тепло свежей горючей смеси:

(5.14)

Адиабатическую температуру называют также жаропроизводительностью топлива.

Температура, рассчитанная с учетом эндотермических реакций диссоциации углекислого газа и воды, называется теоретической:

(5.15)

Диссоциация по своему эффекту эквивалентна процессу неполного сгорания. До температуры 1773 К диссоциацией пренебрегают. Диссоциация водяного пара и углекислоты объясняется наступлением равновесия:

(5.16)

Температура горения некоторых газов в кислороде: водород 2760⁰С; пропан 3049⁰С; ацетилен 3210⁰С. При подогреве горючей смеси температура горения увеличивается на 0,5 градуса на каждый градус температуры смеси.