Теплотворная способность топлива

Теплотворная способность топлива

При проектировании котельной установки нужно учитывать такой показатель, как теплотворная способность топлива. Он показывает количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 м³ (1 л). Чем выше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше его расход. 

Как уже указывалось, горючими элементами в топливе являются углерод С, водород Н и летучая горючая сера S. Элементарно их горение может быть представлено следующими уравнениями:

C+0₂ = C0₂; 2Н₂+0₂=2Н₂0; S+0₂=S0₂. (6)

В процессе горения горючих элементов топлива выделяется при сжигании 1 кг:

углерода - 7854 ккал/кг

серы - 2181

водорода - 34180 (при условии образования воды, а не водяного пара, в противном случае - 28905 ккал/кг)

Если предположить, что элементы, входящие в состав топлива, находятся в нем в виде механической смеси, то теплотворная способность топлива может быть подсчитана как сумма на основании сведений о сгорании горючих элементов.

Однако определение теплотворной способности подобными методами дает значительное расхождение с действительной теплотворной способностью, определенной методом калориметрирования. Происходит это вследствие того, что нельзя топливо рассматривать как механическую смесь отдельных элементов. Молекулы топлива имеют весьма сложное строение, и в процессе горения происходит химическое разложение молекул с затратой на эти процессы тепла.

Таким образом, зная элементарный состав топлива, его теплотворную способность можно только приблизительно определить по эмпирическим формулам; из них наиболее точная принадлежит Д. И. Менделееву и выражается так:

Q^р_в = 81С^Р+300Н^Р - 26 (О^р - S^р_л) ккал/кг. (7)

Непосредственное определение теплотворпроизводится путем сжигания навески топлива в атмосфере кислорода. Для этих целей служит так называемая калориметрическая бомба, представляющая собой толстостенный сосуд, в котором помещается топливо и нагнетается кислород до давления в 25-30 ати.

Бомба (рис. б) имеет емкость около 300 смг в выполняется из кислотоупорной стали. В крышке бомбы располагаются краны для подвода кислорода и выпуска сгоревших газов. Подвод кислорода производится по трубке в нижнюю часть бомбы; отводятся газы сверху. С крышкой бомбы соединяется стержень, к которому прикрепляется платиновая или кварцевая чашечка, в нее помещают навеску твердого топлива или наливают жидкое. Стержень и трубка, подводящая кислород, образуют электрическую цепь с топливом, причем стержень электрически изолируется от тела бомбы. По цепи пропускается электрический ток. Замыкание цепи производится стальной тонкой проволокой.

Рис. 6

Навеску твердого топлива берут равной 0,8-1,5 г, жидкого - 0,6-0,8 г. Из навески твердого топлива часто образуют брикетик, в который и впрессовывается замыкающая сеть запальная проволока, сгорающая при пропускании через нее электрического тока напряжением 12-15 в. Проволока, сгорая, поджигает и навеску топлива. Небрикетирующееся топливо (антрацит, тощий уголь, сланцы, очаговые остатки) сжигают в порошкообразном виде. Запальную проволоку изгибают так, чтобы она соприкасалась с топливом (с порошком твердого топлива или с жидким топливом).

Бомбу погружают в сосуд, наполненный водой и имеющий емкость 2000-2500 см³. Этот калориметр в свою очередь помещают в металлический футляр с двойными стенками, пространство между которыми заполняют водой. Этот футляр в значительной степени защищает калориметр от теплообмена с окружающей средой.

Калориметр снабжают особыми мешалками, приводимыми в движение от электродвигателя и служащими для выравнивания температуры воды.

Комната для калориметрирования должна быть обособленной, окна по возможности выходить на север, чтобы избежать воздействия лучей солнца.

После того как в бомбу положена навеска топлива и впущен кислород с давлением до 25-30 ати, через электрическую цепь пропускается ток, запальная проволока и навеска сгорают.

Выделяющееся тепло нагревает воду калориметра; повышение температуры воды отмечается по специальному термометру с точностью до 0,001°.

Деления термометра рассматривают через оптическую трубу, прочно прикрепленную к штативу, чем исключается возможность известных индивидуальных ошибок в определении отметки стояния ртути.

В топливе и в баллоне с кислородом, откуда последний поступает в бомбу, имеется некоторое количество азота, способствующее образованию в бомбе азотной кислоты; точно так же летучая сера сгорает в присутствии воды в серную кислоту. Образование этих кислот сопровождается тепловыделением, которое нужно подсчитать и вычесть из полученной теплотворной способности, так как в эксплуатационной практике сжигания топлива таких кислот не образуется. Вода, образующая кислоты, получается в бомбе за счет конденсации водяных паров; чтобы полностью обеспечить растворение кислот, в бомбу наливают 10 см³ дистиллированной воды.

При сгорании навески топлива тепло воспринимается не только водой калориметра, но и всей установкой, состоящей из калориметрического сосуда с налитой в него водой, мешалки, термометра и бомбы с ее содержимым. Теплоемкости отдетьных частей разные, поэтому предварительно бомбу тарируют, сжигая в ней вещество, теплотворная способность которого точно известна и не изменяется. При этом опыте выясняется водный эквивалент бомбы, т. е. тепловосприятие всех перечисленных частей установки заменяется тепловосприятием эквивалентного весового количества воды. В качестве вещества, сжигаемого при тарировке, обычно используется навеска бензойной кислоты.

Калориметр, находясь в комнате, даже без сжигания топлива в зависимости от температурных условий будет отдавать или воспринимать тепло окружающей среды. Поэтому разность температур, найденная в интервале от начала сжигания до конца повышения температуры воды в калориметре, еще не будет характеризовать теплотворную способность топлива. Надо ввести поправку на теплообмен прибора с окружающей средой, так как за это время он в свою очередь мог отдавать или воспринимать тепло. Систематически записывая температуру воды в течение некоторого времени до опыта, во время опыта и после, можно получить эту поправку. Поправка определится на основании выявления величины изменения температуры воды в калориметре только вследствие воздействия с окружающей средой. Зная вес запальной проволоки и ее теплотворную способность, можно внести поправку и на горение проволоки.

В итоге теплотворная способность топлива по бомбе определяется следующей формулой:

Q_б=K[(t_n+h)-(t_o+h_o)+Δt]-∑qв/а (8)

где Q_б -теплотворная способность по бомбе аналитической пробы в кал/г;

а - вес навески топлива в г;

К - водный эквивалент калориметра в г;

t_n - конечная температура воды после сжигания пробы в град.;

t_o- начальная температура воды перед сжиганием в град.;

h и h_o - поправки к показаниям термометров (по тарировоч- ным графикам) в град.;

b - вес запальной проволоки в г;

q- теплота горения запала; принимается: для стальной проволоки - 1600 кал/г, для никелиновой - 775 кал/г, для бумажной швейной нити - 4000 кал/г;

∑qв - сумма теплоты горения запала при применении проволоки с ниткой в кал;

Δt - поправка на теплообмен прибора с окружающей средой в град.

Азот в калориметрическую бомбу попадает вместе с кислородом из баллона, а также из навески топлива. В результате окисления азота кислородом при наличии воды образуется азотная кислота.

Основываясь на результатах многолетних опытов, А. И. Карелин предложил следующую эмпирическую формулу поправки на образование азотной кислоты в заданных условиях:

Q_N = 0,0015Q₆ кал/г. (9)

Поправка утверждена соответствующим ГОСТ.

При сжигании горючей серы, находящейся в топливе, образуется SO₂ и при наличии воды - серная кислота H₂S0₄. На каждый грамм летучей серы, находящейся в топливе, при образовании серной кислоты выделяется 2250 кал, или на 1 %-22,5 кал. Таким образом, поправка на образование серной кислоты может быть выражена так:

Qs=22,5S_л кал/г (10)

Вычитая из величины теплотворной способности, полученной по бомбе, затрату тепла на образование кислот, определяется теплотворная способность топлива по так называемому высшему пределу:

Q_в = Q_б - 0,0015Q_б - 22,5S_л кал/г. (11)

Если производилось определение теплотворной способности рабочего топлива, то можно написать

Q^p_b= Q^p_b - 0,0015Q^p_b-22,5S^p_л ккал/кг. (12)

При экспериментальном определении теплотворной способности топлива путем калориметрирования пары воды, получившиеся в результате реакции сгорания, конденсируются на относительно холодных стенках бомбы, возвращая скрытую теплоту парообразования. Поэтому теплотворная способность топлива, определенная в калориметрической бомбе, будет выше того количества тепла, которое можно реализовать в практических условиях сжигания топлива в топках котлов или печей.

Связь между теплотворной способностью по высшему и низшему пределам, учитывая потерю скрытой теплоты парообразования, может быть определена следующим образом.

Весовое количество водяных паров, образовавшееся в результате горения водорода, подсчитывается умножением веса водорода, находящегося в 1 кг топлива (H^p/100) [см. формулу (1)], на 9, так как при сгорании 1 кг водорода образуется 9 кг воды. Сюда прибавляется вес воды (W^p/100), находящейся в топливе и испарившейся при его сгорании. Цифровое значение скрытой теплоты парообразования должно приниматься с учетом парциального давления водяных паров в отходящих газах и округленно принимается равным 600 ккал/кг.

Теплотворная способность рабочего топлива определяется по формуле

Q^p_n=Q^p_b-600(9H_p+W_p/100)=Q^p_b-6(9H_p+W_p) ккал/кг. (13)

Теплотворная способность газообразного топлива также может определяться в бомбе, но технически такой способ получается сложным, и для исследований часто пользуются калориметрами специально приспособленными для сжигания газа.

Взаимный пересчет теплотворной способности одного состава топлива на другой производится аналогично с пересчетами элементарного состава, только необходимо учитывать затрату тепла на испарение воды.

Таблица 2.

Таблица 2а.

калориметрической бомбе. Методы отбора средней пробы топлива подробно будут рассмотрены в § 6. Необходимо только отметить, что состав большинства топлив весьма непостоянен даже для одного и того же места добычи, пласта угля, рудника, болота и т. п., поэтому, чтобы дать характеристику месторождения топлива, необходимо иметь многочисленные исследования средних проб и по ним уже судить о некоторых средних цифрах состава топлива, теплотворной способности его горючей массы и пр. Этим материалом обладают химические топливные лаборатории систематизацию которого пока проводила только лаборатория ВТИ, периодически опубликовывая качественные характеристики топлив. На основе этих данных и подсчитана табл. 2, в которой приводится состав рабочей массы при характерных средних цифрах загрязненности золой и влагой. Низшая теплотворная способность дана для этих средних условий.

Если для заданных условий внешний балласт топлива (зола и влага) приходится брать отличным от среднего, то нетрудно сделать пересчет сначала на горючую массу, а затем новые условия.

При проектировании можно брать состав и теплотворную способность по табл. 2. При экспериментировании отбирается средняя проба и затем ее исследуют в химической лаборатории, где определяют как элементарный состав топлива, так и его теплотворную способность.