VI. Теплові двигуни, холодильні установки, компресори.

6.1. Паливо.

Вітчизняна енергетика розвивається переважно за рахунок електростанцій на органічному і ядерному паливі. Органічним паливом називають речовини, які здатні активно вступати в реакцію з киснем і мають значне тепловиділення на одиницю маси,

Таким чином паливо - це речовина, яка навмисно спалюється з метою отримання теплоти. Воно повинно відповідати наступним вимогам:

- при згоранні виділяти якомога більшу кількість теплоти (С > 50%), тобто бути економічно доцільним для використання; порівняно легко запалюватися і давати високу температуру при горінні;

- бути достатньо широко розповсюдженим у природі;

- бути доступним для розробки;

- бути дешевим при використанні і не бути цінною сировиною для інших галузей;

- зберігати свої початкові властивості під час довготривалого зберігання.

Дуже важливим фактором є те, щоб у процесі горіння не утворювашся шкідливі для навколишнього середовища речовини. Цим вимогам найбільш задовольняють речовини органічного походження: нафта, природні гази, вугілля, горючі сланці, торф.

Паливо складається із горючої та негорючої частини. Горюча частина представляє собою сукупність різного роду з'єднань, в котрі входить водень, кисень, вуглець, азот та сірка. Негорюча частина (баласт) складається із мінеральних домішок, які включають у себе попіл та вологу.

Вуглець С - основна горюча частина палива. При збільшенні його вмісту теплова цінність палива підвищується. В різних видах палива міститься від 50% до 97% вуглецю.

Водень Н - друга за значенням після вуглецю горюча складова палива. У порівнянні з вуглецем вміст водню в паливі менший (до 25%), а теплоти при його згоранні виділяється у 4 рази більше.

Кисень О - складова частина палива, яка не горить і не виділяє теплоти, тому фактично є внутрішнім баластом. Його доля в залежності від виду палива становить 0,5-4,3 %.

Азот N не горить і так само як і кисень є внутрішнім баластом палива. Вміст його у рідкому та твердому видах палива складає 0,5-1,5%.

Сірка S, при згоранні якої виділяється деяка кількість теплоти, є дуже небажаною складовою частиною палива, тому що продукти її згорання - та ангідриди - викликають спільну газову або

рідинну корозію металевих поверхонь. Вміст сірки в твердому паливі коливається від долей процента до 8%, а в нафтовому пальному - від

0,1 до 4%.

Попіл А є негорючим твердим компонентом, кількість якого визначається після повного згорання палива. Він є небажаною і навіть шкідливою домішкою, так як в її присутності посилюються абразивні зношення, ускладнюється експлуатація установок і таке інше. У паливі з високим вмістом попелу знижується теплота згорання і запалюваність.

Волога W є дуже небажаною домішкою палива, тому що частина теплоти відбирається на її випаровування, внаслідок чого понижується теплота та температура згорання палива. З наявністю вологи ускладнюється експлуатація установок (особливо в зимовий період), зростає корозія і таке інше.

Мінеральні домішки - попіл та вологу - поділяють на зовнішні та внутрішні. Перші потрапляють в паливо з оточуючого середовища при його добуванні, транспортуванні або зберіганні, інші входять в його хімічний склад.

В залежності від фізичного стану палива, при якому визначають його елементний склад, одержують різні дані про вміст тих чи інших речовин. Це ускладнює об'єктивний порівняльний склад палива та його робочу, аналітичну (лабораторну), суху, горючу та органічну маси.

Паливо, яке поступає до споживача у натуральному стані і містить, крім горючої частини, попіл та вологу, називається робочим паливом.

За агрегатним станом розрізняють тверде, рідке та газоподібне; за шляхами отримання - натуральне та штучне.

Тверде паливо має рослинне походження, але в його склад входять речовини тваринного походження. Хімічний вік палива визначається отупінню його вуглецефікації. В залежності від глибини його залягання існує відкритий (кар 'єрний) і шахтний способи добування. Відкритий спосіб суттєво економічніший за шахтний.

Природнім рідким паливом є нафта — рідка суміш органічних сполук, головним чином вуглеводнів. До складу сирої нафти входять також рідкі кисневі, сірнисті і азотні сполуки, а також різні смоли. Мінеральних домішок в нафті мало (0,1...0,3 %), вміст вологи 1...2 %. Сира нафта як паливо в енергетиці практично не використовується. Вона підлягає переробці із отриманням більш легких фракцій (бензин, лігроїн, гас, газойль), доля яких від вихідних компонентів становить 40...60 %. Після переробки залишаються тяжкі фракції — мазут, який використовують як енергетичне паливо. В таблиці 6.1 приведені основні характеристики нафтопродуктів.

Табшия fi ]

Іазопооюне паливо складається з горючих І негорючих газів, які містять невелику кількість домішок у вигляді водяної пари та пилу. Природній газ, так як і нафта, мають біологічне походження. Його отримують із чисто газових покладів, де він викидається із надр землі під тиском до 100 am. При добуванні нафти виділяються гази, які називаються попутніми або нафтопромисловими. Попутній газ знаходиться також у розчиненому стані в нафті і видаляється з неї на нафтопереробних заводах в сепараторах. Основними складовими природного газу є метан (85...95 %), тяжкі вуглеводні (4...9 %), азот (1...5 %). Штучне газоподібне

паливо в залежності від теплоти згорання поділяється на низькокалорійне

, середньокалоршне і

висококалорійне

До натурального твердого палива відносяться: антрацити, кам'яні вуглі, торф, дрова, горючі сланці, відходи промисловості та сільського господарства - тирсу, щепу.

Штучні види твердого палива: брикети (торф'яні, буровугільні, кам'яновугільні), кокс (кам'яновугільний, торф'яний, нафтовий), дерев'яне вугілля, пил (вугільний, торф'яний, сланцевий).

Натуральне рідке паливо - нафта (сира нафта). Штучне рідке паливо - нафтові продукти - бензин, гас, мазут, спирт, колоїдальне паливо (суміш мазута з вугільним пилом).

Натуральне газоподібне паливо - природний газ. Штучне гази (доменний, коксовий, генераторний, крекинг-газ).

Склад твердого та рідкого палива прийнято виражати у вагових відсотках. Якщо позначити ваговий відсотковий вміст компонентів у

робочому паливі і т.д., то очевидно, що

Паливо, з якого в результаті сушки повністю знищена волога, називається абсолютно сухим паливом чи абсолютно сухою масою палива.

Абсолютно сухе паливо містить шість компонентів:

і т. ін. - ваговий відсоток вуглецю, кисню та іншого в абсолютно сухому паливі.

Якщо допустити, що з абсолютно сухого палива вилучено негорючі домішки А, то залишиться п'ять компонентів, які складають так звану горючу масу палива, її елементарний склад такий:

Сірка в паливі знаходиться у вигляді різних з'єднаннях: а) сульфата що входить до складу сульфатів

б) колчедана , який є в з'єднанні з металами (як правило, з залізом у вигляді FeS) та в) органічних - у складі органічних

з'єднань. Сульфатна сірка не горить, а її наявність береться до уваги у негорючих домішках А. Органічна та колчеданна сірка беруть участь у горінні, а їх сума складає летючу (чи горючу) сірку палива . Якщо виключити з горючої маси палива колчеданну сірку, залишиться паливо такого складу:

Такий склад палива називається органічною масою. У більшості випадків вміст органічної сірки в паливі невеликий (біля десятої долі відсотка). Тому склад органічної маси палива іноді

записують спрощено:

Види вологи та форми її зв'язку з органічними речовинами палива різноманітні і достатньо складні. У теплотехніці прийнята не дуже стара, але проста й зручна класифікація, згідно якої волога робочого палива ділиться на два види: повітрянуяка вилучається при кімнатній

температурі ,та гігроскопічну ,яка усовується в сушильній шафі при

температурі 102-105 °С. Маємо:

(6.5)

Паливо, з якого вилучена повітряна волога, називається повітряно-сухим паливом, або аналітичною пробою. Паливом цього складу користуються^ при виконанні технічного аналізу у лабораторіях. Склад гігроскопічної вологи, який виражається у вагових відсотках по відношенню до складу аналітичної проби, позначається . а по відношенню до складу робочого палива Так як робоче паливо відрізняється від аналітичної проби

вмістом то;

Горіння палива. Горінням називається неперервний процес інтенсивного з'єднання горючої речовини з окислювачем (киснем), який йде при високих (1000-2000°С) температурах і характеризується інтенсивним тепловиділенням.

Механізм горіння навіть простіших за своїм хімічним складом горючих речовин достатньо складний і для багатьох речовин мало вивчений. Тим більше складний він для таких комплексних з'єднань, як органічне тверде паливо.

Нижче приводяться стехіометричні співвідношення для основних горючих елементів твердого, рідкого палива в масових одиницях, а для газів - в об'ємних.

Таблиця 6.2

Відношення дійсної кількості повітря V до розрахункової називається коефіцієнтом надлишку повітря у топці

(6.7)

Значення залежать від виду спалюваного палива і

конструкції топки та коливаються від 1,031 для газоподібного палива до 1,5 для твердого палива.

^"плота згорання. Теплота згорання (теплотворність) палива

- це теплота реакції і горіння палива, тобто та кількість

теплоти, яка виділяється при повному згоранні 1 кг твердого та рідкого палива при охолодженні продуктів горіння до початкової температури процеса.

В паливі знаходяться три горючих компонента - вуглець, водень та сірка. В результаті реакції водню з киснем та випарування вологи палива виникає водяна пара, яка може залишатися у димових газах або конденсуватися. Ця обставина зумовила ввести поняття вищої і нижчої

теплоти згорання.

Тому розрізняють нижчу та вищу теплоту згорання палива, які пов'язані міус собою наступним співвідношенням:

Значення підставляються в дану формулу в%, тоді Q буде

в

Визначення чисельного значення теплоти згорання палива може бути виконано різними методами.

Приблизні значення теплоти згорання можна отримати з формул, що пов'язують теплоту згорання палива з його елементарним складом. Найкращою формулою цього типу є формула Менделєєва:

Якщо відома теплота згорання Q будь-якого Складу палива (наприклад, горючої маси), то значення Q для іншого складу може бути

отримано шляхом перерахунку.

Окрім аналітичного способу визначення теплоти згорання робочого палива використовують калориметричний спосіб, коли спалюють паливо (1 г) в стисненому кисні під тиском 3 МПа в калориметричній бомбі, яка занурена у воду, і тоді визначають теплоту, що поглинається водою (рис. 6.1).

Склад та теплота згорання найпоширеніших представників твердого

палива подані в таблиці 6.3.

••-• Таблиця 6.3.

Рис.6.1. Калориметрична установка. 1 -калометрична бомба; 2-посудина з водою; 3-термостат; 4-мішалка; 5-термометр; 6-приводний механізм мішалки.

У робочих циклах підвід теплоти здійснюється е результаті згорання палива безпосередньо в циліндрі двигуна. Як окислювач використовують кисень, що є у повітрі, з яким паливо утворює паливоповітряні суміші.

У двигунах будівельних та дорожніх машин використовують рідке паливо, що отримують е результаті переробки нафти. До них відносяться дизельне паливо, бензин та газові конденсати. Ці види палив є сумішшю різноманітних вуглеводородів: парафіни нафтени

ароматичніта ін. Число атомів вуглецю, що входять до молекул

в дизельному паливі доходить до ЗО, у бензині - до 5...12.

Для дизельного палива основною якістю є легкість запалювання при контакті з повітрям, що має високу температуру. Запалювання палива оцінюється цетановим числом (Ц.Ч.). Чим вище Ц.Ч., тим менш стійке до окислення молекул паливо і тим легше його запалення. Ц.Ч. даного палива характеризується процентним вмістом цетана у суміші з -метилнафталіном

У карбюраторних двигунах на відміну від дизелів не повинно протікати інтенсивного окислення молекул палива у процесі стиснення в об'ємі циліндра, не охоплених полум 'ям. У протилежному випадку згорання буде мати вибуховий характер (детонаційне згорання), що негативно відбивається на економічності та потужності двигуна. Детонаційна стійкість палива оцінюється октановим числом (О.Ч). Октанове число чисельно дорівнює процентному вмісту (по об'єму) ізооктана у суміші з Н-гептаном. Збіячиення О. Ч. відповідає більшій детонаційній стійкості палива. Найбільш міцні внутрішньомолекулярні зв'язки мають молекули із замкнутою кільцевою структурою вуглеводнів. Ненасичені молекули не є стійкими і можуть окислятися навіть при температурах навколишнього середовища.

Фізичні та хімічні властивості палива повинні задовольняти вимогам масової експлуатації двигунів у різноманітних кліматичних умовах. Паливо не повинно застигати при низьких температурах (до t = - 60°), утворювати парові пробки в паливопроводах при температурі до t = + 50°. Основні фізичні та хімічні властивості палива регламентуються відповідними ГОСТами. Деякі основні показники палив, їх Ц. Ч. і О. Ч. наведеш у таблиці 6.4.

Таблиця 6.4

елементарний середній склд дизельного палива та бензину наведені у таблиці 6.5.

Таблиця 6.5