4. Теплота сгорания топлива. Определение теоретического объёма воздуха для горения метана.

О качестве топлива судят по его теплоте сгорания. Для характеристики твердых и жидких видов топлива служит показатель удельной теплоты сгорания, который представляет собой количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг). Для газообразных видов топлива применяется показатель объемной теплоты сгорания, представляющий собой количество теплоты выделяемое при сгорании единицы объема (кДж/м3). Кроме того, газообразное топливо в ряде случаев оценивают по количеству теплоты, выделяемой при полном сгорании одного моля газ (кДж/моль).  Теплоту сгорания определяют не только теоретически, но и опытным путем, сжигая определенное количество топлива в специальных приборах, называемых калориметрами. Теплоту сгорания оценивают по повышению температуры воды в колориметре. Результаты, полученные этим методом, близки к значениям, рассчитанным по элементарному составу топлива.  При сжигании одинаковых масс различных видов топлива выделяется различная теплота сгорания. Поэтому для удобства сравнительной оценки введено понятие условного топлива. За единицу его принято топлива, при полном сгорании 1 кг или 1 м3 которого выделяется 29307,6 кДж. Таким топливом является донецкий каменный уголь.  Горение – химический процесс соединения горючего вещества и окислителя. Практически горение представляет собой окисление топлива кислородом воздуха. В результате этого процесса выделяется определенное количество тепловой энергии и резко повышается температура.  Процесс горения топлива может протекать как при не достатке, так и при избытке окислителя. Топливо полностью сгорает при стехиометрическом соотношении топлива и окислителя, которое соответствует уравнениям химических реакций окисления горючих элементов. Для того чтобы судить о полноте сгорания топлива, необходимо знать: количество воздуха, теоретически необходимого для горения топлива; действительное количество воздуха, которое потребуется для полного сгорания топлива; теоретическую температуру горения; состав продуктов сгорания.  Количество кислорода, теоретически необходимое для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива может быть подсчитано на основании стехиометрических соотношений для реакций горения элементов горючей массы топлива. Исходя из этого, для полного сгорания 1 кг топлива рассматриваемого элементарного состава потребность кислорода может быть определена по следующей формуле.

В этом случае предполагается, что содержащийся в топливе кислород полностью затрачивается на горение. В действительности же при сжигании топлива подводится не чистый кислород, а воздух, в котором содержится лишь 23,2 % кислорода по массе. Тогда в действительности, теоретически не- обходимое количество воздуха в (кг) будет определяться следующим образом  Если количество воздуха выражают в объемных единицах (м3), то уравнение для его определения выразится так Однако в реальных условиях невозможно добиться полного сгорания топлива при наличии только теоретически необходимого количества воздуха. Поэтому, для полного сгорания топлива в двигатели внутреннего сгорания подают несколько большее количество воздуха, по сравнению с теоретически рассчитанным, называемое действительным.  Действительное количество воздуха при сгорании топлива определяют с помощью специальных газовых счетчиков или по коэффициенту избытка воздуха.  Коэффициентом избытка воздуха называется отношение количества воздуха действительно израсходованного на сгорание топлива Qд, к количеству воздуха теоретически рассчитанного необходимого для полного сгорания топлива Qт  Уменьшение коэффициента избытка воздуха по отношению к его оптимальному значению приводит к повышенному расходу топлива за счет не полного его сгорания. При чрезмерном увеличении коэф. избытка воздуха процесс сгорания будет менее эффективным из-за потерь на нагрев избыточного воздуха. Температуру, которую приобретают газообразные продукты сгорания, называют температурой горения топлива.  Процесс горения можно определять по составу продуктов сгорания топлива. Так, отсутствие в продуктах сгорания оксида углерода СО свидетельствует о полном сгорании топлива, и наоборот.  Для определения состава продуктов сгорания предназначены специальные приборы, которые позволяют в контролируемой трубе определить содержание углекислого газа СО2, оксида углерода СО и кислорода О2.  Так для карбюраторных двигателей содержание СО не должно превышать 1,5 % по массе от всех выхлопных газов, на минимальных оборотах холостого хода, и 2,0 % при повышенной частоте вращения коленчатого вала. Повышенная частота вращения коленчатого вала указывается в технических условиях эксплуатации для каждого двигателя индивидуально. А в общем случае она лежит в диапазоне от 2000 мин–1 до 0,8 частоты коленчатого вала, при которой двигатель развивает максимальную мощность. Однако во время эксплуатации при контрольных проверках на линии, допускается содержание СО до 3 % при минимальной частоте вращения коленчатого вала.  Дымность дизельных двигателей в эксплуатации не должна превышать 40 % в режиме свободного ускорения и 15 % при минимальной частоте вращения коленчатого вала. Содержание углеводородов не должно превышать 1200 объемных частей на 1 млн. объемных частей воздуха для двигателей с числом цилиндров до четырех включительно, и 3000 объемных частей на 1 млн. объемных частей воздуха для двигателей с числом цилиндров более четырех на минимальных оборотах холостого хода.

5. Виды газообразного топлива. Их характеристики.

Основными видами газообразного топлива, используемого для газоснабжения городов и населенных пунктов, являются горючие газы с низшей теплотой сгорания  не менее 12,57 мДж/м3.

Все виды газового топлива по способу получения подразделяются на природные и искусственные: к первой группе относятся газы природных месторождений и попутные газы газонефтяных месторождений, ко второй — коксовый, сланцевый и другие газы, получаемые путем термической переработки твердых топлив, а также газы,  получаемые при переработке нефти.

Газовое топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючими являются метан, пропан, бутан, этан, водород и окись углерода; негорючими — азот, углекислый газ и кислород, а также некоторое количество примесей как горючих, так и негорючих веществ, количество которых лимитируется ГОСТ 5542—78.

Природные газы чисто газовых месторождений состоят в основном из метана (СН4), относятся к категории сухих (тощих) газов и характеризуются относительным постоянством состава, в то время как состав газов газонефтяных месторождений непостоянен и зависит от природы нефти, величины газового фактора и условий разделения нефтегазовых смесей.

Попутные газы из газовых шапок нефтяной залежи, как правило, содержат меньше тяжелых углеводородных газов, чем газы, получаемые из месторождений нефти, в которой они были растворены.

В народном хозяйстве широко применяются сжиженные углеводородные газы, которые находят применение в сельской местности и населенных пунктах, удаленных на значительные расстояния   от  магистральных   газопроводов.

К сжиженным углеводородным газам относятся такие углеводороды, которые при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, а при относительно небольшом повышении давления (без снижения температуры) переходят в жидкое состояние.

При снижении давления эти углеводородные жидкости испаряются и переходят в паровую фазу. Это позволяет перевозить и хранить сжиженные углеводороды, как жидкости, а контролировать, регулировать и сжигать газообразные углеводороды, как газы.

Особенностями газообразных углеводородов являются: высокая плотность, значительно превышающая плотность воздуха; медленная диффузия в атмосферу, низкие температуры воспламенения, низкие пределы взрываемости в воздухе, высокий объемный коэффициент расширения жидкой фазы и другие факторы, которые повышают требования при нх использовании.

Из углеводородных сжиженных газов в качестве топлива главным образом используются пропан, бутан и их смеси. Соотношение пропана и бутана в смеси этих газов устанавливается по соглашению между потребителем и поставщиком газа.

Технический пропан является универсальным сжиженным газом, так как он может применяться при естественном и искусственном испарении жидкости  в  пределах изменения температур от +45 до —35 °С. Это позволяет в любое время года устанавливать баллоны и резервуары с жидким пропаном в отапливаемых и неотапливаемых помещениях, снаружи здания и в грунте. Достоинством пропана является и то, что образующиеся в начале и в конце опорожнения емкостей пары при любом методе испарения почти однородны по своему составу.

Газ, подаваемый в города и населенные пункты, согласно ГОСТ 5542—78 должен удовлетворять следующим требованиям: содержание в нем вредных примесей на 100 м3 газа не должно превышать (г):

сероводорода                        2          смолы и пыли                 0,1

аммиака                     2          нафталина летом     ...          10

цианистых     соединений   нафталина зимой     ...     5

в пересчете на HCN.   .        5

Содержание кислорода не должно быть более 1 % по объему.

Запах нетоксичных газов должен ощущаться при содержании их в воздухе в количестве не более 1/5 от нижнего предела воспламеняемости, а запах токсичных газов — при содержании их в воздухе и в количествах, допускаемых санитарными нормами, для чего газ должен одорироваться, если он не обладает достаточно сильным и характерным запахом.

127