ТЕПЛОТА ЗГОРЯННЯ

Т. з. палива впливає на його витрату, потужність двигуна.

Розрізняють два значення теплоти згоряння: вищу та нижчу. В техніці користуються нижчою теплотою згоряння, яка не враховує теплоту конденсації води.

Теплота згоряння вуглеводневих палив залежить від елементарного складу: чим більше в паливі водню, тим вище теплота згоряння. З підвищенням температури википання, із збільшенням густини теплота згоряння палива зменшується (табл. 8).

Таблиця 8. Нижча теплота згоряння палив

Паливо	Густина, кг/м³, при 20 °С	Теплота згоряння, МДж/кг
Бензин:
прямої перегонки		44,4
термічного крекінгу		44,2
каталітичного крекінгу		43,7
платформінгу		43,0
Гас прямої перегонки		43,2
Дизельне паливо		42,3
Пічне паливо		41,05
Газотурбінне паливо		40,25
Мазут		40,25

Нафтові палива, що мають невелику відзнаку за фракційним складом та значенням густини, мало відрізняються за теплотою згоряння.

З елементів високу теплоту згоряння (вищу за теплоту згоряння вуглеводнів) мають водень, бор, берилій (табл. 9). Тому вибір палива з високою теплотою згоряння обмежений. При згоранні палива має значення стан оксиду, що утворюється.

Теплота згоряння палива залежить від його хімічного складу, зокрема від співвідношення водню і вуглецю. При згорянні 1 кг водню до водяної пари виділяється 117,3 МДж теплоти, а 1 кг вуглецю до диоксиду вуглецю - 34,1 МДж. Теплоту згоряння палив можна визначити за формулами Д. І. Менделєєва:

Q_в= 34,1 С + 103,0 Н + 10,9 (S - О);

Таблиця 9. Вища теплота згоряння елементів

Елемент	Густина, 10³кг/м³	Теплота згоряння, МДж/кг	Стан оксиду
Водень	0,07	121,0*	Газовий
Берилій	1,85	-63	Твердий
Бор	2,30	-58	//
Літій	0,50	-43	//
Алюміній	2,70	-30	п
Кремній	2,0	-30	п
Вуглець (аморфний)	1,80	-33	Газовий

Q_н = 34,1 C + 103,0 Н + 10, 9(8 - О) - 2,512 (9 Н - W),

де Q_в та Q_н вища та нижча теплота згоряння відповідно, МДж/кг;

С, Н, S, О - вміст у паливі вуглецю, водню, сірки, кисню, масова частка (C+H+S+O) = 1; W - вміст у паливі вологи, масова частка; 34,1 - теплота згоряння вуглецю, МДж; 103,0 - водню; 10,9 - теплота згоряння сірки, МДж; 2,512 - теплота пароутворення води, МДж/кг.

Між вищою та нижчою теплотою згоряння існує співвідношення:

- 2,512 G_n

де G_n - кількість водяної пари, яка утворюється при згорянні 1 кг палива.

Теплоту згоряння палива приблизно можна підрахувати за емпіричними формулами, якщо, наприклад, відома густина палива:

Q_B = [1240- 210 (Р₁₅)²] 4, 18;

Q_H = (Q_B-504, 5. H)-4, 18;

Н = (28-15Р₁₅)/100.

Експериментальне теплоту згоряння визначають в калориметрах.

Найвищу теплоту згоряння має водень. Тому низькооктанові бензини, які містять у своєму складі велику кількість парафінових вуглеводнів, мають більш високу масову теплоту згоряння, ніж високооктанові бензини, які містять велику кількість ароматичних вуглеводнів. Це пояснюється зниженням співвідношення водень: вуглець в ароматичних вуглеводнях порівняно з парафіновими (табл. 10).

У камері згоряння двигуна згоряє суміш, яка складається з палива і повітря. Тому, незважаючи на те, що теплота згоряння спиртів приблизно в 2 рази менша від теплоти згоряння вуглеводневих палив, при згорянні спирто-повітряних сумішей виділяється приблизно така ж кількість теплоти, як і при згорянні такого ж об'єму бензино-повітряної суміші (табл. 12).

Однак, з переходом від парафінових до нафтенових і ароматичних вуглеводнів збільшується їх густина. Це веде до збільшення об'ємної теплоти згоряння. З підвищенням густини вуглеводнів та палив (табл. 11) масова теплота згоряння знижується. Теплоту згоряння знижує також кисень, що міститься в паливі тому метанол і етанол мають більш низьку теплоту згоряння, ніж нафтові палива (табл. 11), хоча внафтових паливах також міститься кисень у вигляді сполук, але його відносна кількість в паливах значно менша порівняно із вмістом кисню в спиртах.

Таблиця 10. Теплота згоряння вуглеводнів

Вуглеводень	Густина, кг/м³	Співвідношення Н: С	Теплота згоряння
масова, кДж/кг	об'ємна, кДж/м³
Метан	424,0	4: 1,2
Октан	702,5	25: 1,2
Декан	729,9	2: 1
Бензол	879,0	1: 1

Наявність кисню в спирті скорочує витрати повітря на його згоряння (до 9 кг/кг етанолу і до 6, 5 кг/кг метанолу). Масова кількість спирту в одиниці об'єму спирто-повітряної суміші значно більша, ніж бензину в одиниці об'єму бензино-повітряної суміші, тобто витрати спиртів у двигуні значно більші, ніж витрати нафтового палива.

Теплота згоряння суміші може бути підрахована за формулою:

Q_c = Q_Hη/(1+aІ₀),

де Q_H - нижча теплота згоряння палива; η - коефіцієнт повноти згоряння палива (η = 0,87); a - коефіцієнт надлишку повітря; І₀ - теоретично необхідна кількість повітря, кг/кг.

Таблиця 11. Теплота згоряння палив і сполук

Паливо, сполуки	Густина, кг/м³, при 20 °С	Необхідна кількість кг повітря/кг палива, І_о	Нижча теплота згоряння
масова, кДж/кг	об'ємна, кДж/м³
Бутан		15, 48
Ізооктан		15, 15		30900 1
Бензол		13, 28
Бензин		14, 80		32116;
Гас		15, 00
Дизельне
паливо		15, 00
Мазут		14, 55
Метанол		6, 50
Етанол		9, 00

Теоретично необхідна кількість повітря залежить від складу палива.

Практично в горючій суміші треба мати повітря трохи більше теоретично необхідної кількості. Відношення витраченого повітря до теоретично необхідного називається коефіцієнтом надлишку повітря.

Таблиця 12. Теплота згоряння паливоповітряної суміші

Паливо	І_о, кг повітря/кг палива	Теплота згоряння суміші, кДж/м³
Бензин
автомобільний	14, 8
авіаційний	15, 0
Бензол	13, 3
Етанол	9, 0
Метанол	6, 5

Склад горючої суміші значно впливає на роботу двигуна. В циліндри двигуна повинна надходити однорідна горюча суміш, в якій паливо, знаходячись в пароподібному стані, рівномірно розподілене в усьому об'ємі і має концентрацію, яка забезпечує її спалах від електричної іскри. Горюча суміш при надмірному збідненні і перезбагаченні не спалахне. Нижня межа спалаху збіднених горючих сумішей відповідає коефіцієнту надлишку повітря a = 1,4, а вища межа спалаху у збіднених сумішей - а = 0,4. На стехіометричній суміші (а = 1) двигун працює стало, розвиває потужність, близьку до розрахункової, але має знижену економічність. Найбільша економічність при повному навантаженні двигуна має місце на бідній суміші, коли α_ек=1,1, тобто витрата повітря більше теоретично необхідної кількості. Це пояснюється наявністю в циліндрах залишку газів і неоднорідністю горючої суміші, які негативно впливають на процес згоряння. Подальше зниження вмісту палива в горючій суміші, тобто її збіднення, знижує потужність двигуна і економічність його роботи, збільшує витрати пального, зменшує виділення теплоти, яка витрачається на корисну роботу, тому що азот і вільний кисень виносять із собою частину теплоти з відпрацьованими газами. Максимальну потужність розвиває двигун, працюючи на багатій суміші (а_м = 0, 8...0,9). Економічність роботи двигуна при цьому знижується. Зайве збагачення горючої суміші викликає неповне згоряння палива, падіння потужності двигуна, збільшення витрат палива; продукти згоряння містять вуглеводні, що не згоріли, вільний кисень. При роботі на збагачених сумішах відбувається підвищене нагароутворення на клапанах, днищі поршня, електродах свічок і стінках камери згоряння. Частина палива, що не згоріла, змиває оливу із стінок циліндрів і, проникаючи в картер, розріджує оливу. Горючі суміші з коефіцієнтом надлишку повітря меншим а_ек так і більшим ос_м забезпечують надійну роботу двигуна.

Паливо повинно згоряти повністю з максимальним виділенням теплоти, мінімальними втратами її з продуктами неповного згоряння або з надлишком кисню чи азоту, без забруднення навколишнього середовища відпрацьованими газами. При згорянні в циліндрах двигуна утворюються газоподібні, рідкі і тверді (сажа) продукти згоряння палива. Склад продуктів згоряння змінюється залежно від хімічного складу палива, коефіцієнта надлишку повітря, температури оточуючого середовища, характеру процесу згоряння, технічного стану двигуна та інших факторів. Тому коефіцієнт надлишку повітря повинен мати оптимальне значення. В двигунах, що працюють на бензині, згоряння проходить при невеликому надлишку повітря при значеннях а = 1,05...1,15, іноді вдаються до збагачення суміші при значеннях а = 0,90...0,95. У швидкісних дизелях а = 1, 2... 1,4 у тихохідних - а = 1,5...1,7. Газові двигуни працюють при а = 1,03...1,08.

В техніці для розрахунків потреби палив, особливо при переходах з одного палива на інше, часто користуються умовними одиницями (умовним паливом). За умовну теплову одиницю прийнята одиниця умовного палива, яка складає 29,33 Дж/кг (700 ккал/кг). Перераховуючи теплоту згоряння будь-якого палива в умовні одиниці, треба теплоту згоряння палива перемножити на тепловий еквівалент (табл. 13). Одиницями умовного палива користуються для нормування і планування необхідної потреби та порівняння калорійності палив різних видів.

Таблиця 13. Середнє значення калорійного еквіваленту для переведення натурального палива в умовне

Паливо	Еквівалент	Паливо	Еквівалент
Нафта	1,43	Газ природний і попутний	1,2
Мазут	1,40
Дизельне паливо	1,45	Газ зріджений	1,56
Гас	1,47	Газ нафтопереробки	1,05
Бензин	1,57

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ	\|	ВИПАРОВУВАННЯ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.