II. Основные теоретические положения

Теплота сгорания − одна из основных тепловых характеристик органического топлива. Теплотой сгорания называют теплоту, которая выделяется при полном сгорании единицы массы [кг] или объема [м³] топлива. Определяется теплота сгорания двумя способами:

1) аналитически из полуэмпирического выражения, полученного Д.И. Менделеевым для твердого и жидкого топлива, кДж/кг

где Q^P, Н^Р, О^Р, S_Л^Р, W^р − процентное содержание водорода, углерода, кислорода, серы летучей и влаги в рабочей массе топлива; первые три коэффициента, умноженные на 100, − теплота сгорания углерода, водорода и серы; четвертый коэффициент, умноженный на 100, − теплота испарения воды; для газообразного топлива, МДж/м³

где и т. д. − теплота сгорания каждого газа, входящего в состав

топлива; СО, Н ₂ и т. д. − процентное содержание соответствующего газа в 1 м³ топлива;

2) экспериментально путем сжигания навески топлива в калориметре. Этот способ дает наиболее достоверные результаты.

Сущность калориметрического метода определения теплоты сгорания состоит в том, что навеска испытуемого топлива сжигается в среде кислорода под давлением 29,4·10⁵ Па (30 кгс/см²) в специальной камере − калориметрической бомбе (рис. 29), погруженной в калориметрический сосуд, заполненный дистиллированной водой. Последний устанавливают в калориметре (рис. 30). Бомба состоит из корпуса 6, крышки 5, между крышкой и корпусом вложены уплотнительные кольца: резиновое 4 и металлическое 2, поджимаемые к корпусу накидной гайкой 3 и контргайкой 1.

Калориметр представляет собой сосуд с двумя оболочками: наружной 14 и внутренней 12; внутренняя полость между оболочками заполняется водой, температура которой поддерживается постоянной при помощи нагревателя (на рис. не показан), охлаждающего змеевики 2 и мешалки 4; сверху внутренняя полость 1 изолирована текстолитовой плитой 3, с отверстиями 8 для установки термометров; калориметр помещен в декоративный кожух 13. В центре калориметра имеется гнездо, образованное внутренней оболочкой 12, куда на ножки 11 устанавливается калориметрический сосуд 7; сосуд сверху закрывается металлической крышкой 6, а гнездо − эбонитовой крышкой 5. Калориметрическая бомба 9 устанавливается внутри сосуда на специальные подставки 10.

Рис. 29. Разрез калори- метрической бомбы

Рис. 30. Разрез калориметра

Теплота, выделяемая при сгорании навески, через стенки бомбы передается воде калориметрического сосуда. Замерив повышение температуры воды за время опыта, из уравнения калориметрии (без учета поправок) определяется удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг

где С_i − эффективная теплоемкость калориметра (обычно задается); Δ t − изменение температуры сосуда калориметра при сжигании навески топлива; m - масса навески топлива.

Калориметрический опыт разделяется на три периода: начальный, служащий для учета теплообмена калориметра с окружающей средой в условиях начальной температуры опыта; главный, в течение которого происходит сгорание навески топлива, сопровождающееся быстрым подъемом и выравниванием температуры в калориметрическом сосуде; конечный, служащий для учета теплообмена калориметра с окружающей средой в условиях конечной температуры опыта. Характер изменения температуры в калориметрическом сосуде показан на рис. 31. Перпендикуляр, восстановленный к оси абсцисс через (·) С (последняя точка отсчета с быстрым подъемом температуры), делит площадь ВВ'СДД' на две равные: ВВ'С и СДД'. Эти площади показывают влияние на опыт нестационарности теплообмена бомбы с водой в калориметрическом сосуде. При правильно выбранной начальной температуре воды в калориметрическом сосуде t ₀ погрешность, вследствие влияния этого теплообмена, сводится к минимуму.

Рис. 31. Изменение показаний термометра Бэкмона

Поправку на теплообмен калориметра с окружающей средой вычисляют по формуле, °С

где − среднее изменение температуры за полуминутный промежуток отсчетов температуры в начальном периоде, в делениях шкалы термометра; − то же в конечном периоде; r _б − число полуминутных промежутков главного периода с быстрым (0,3 °С и более за 30 с) подъемом температуры, т. е. от (·) В до (·) С (рис. 31); r _м − число полуминутных интервалов главного периода с медленным (менее 0,3 °С за 30 с) подъемом или снижением температуры, т. е. от (·) С до (·) Е (рис. 31).

При вычислении t₁ иt₂ необходимо вычесть последний отcчет из первого как в начальном, так и в конечном периодах и подставить в формулу с полученным знаком. В связи c этим значение C_t может быть положительным (калориметр отдает теплоту в окружающую среду) и отрицательным (теплообмен направлен в противоположную сторону).

Измерение температуры в калориметрическом сосуде производится метастатическим термометром с ценой деления 0,01 °С; отсчет может производиться с точностью ±0,001 °С при использовании специальной лупы. Поправки к показаниям на калибр h _к и h _н при температурах t _к и t _н берутся из паспортных данных термометра (приложение ЛР 2). Цена оцифрованного деления Н = 1 при измерениях в диапазонах температур от 20 до 25 °С.

Взвешивание массы навески топлива и запальной проволоки производится на аналитических весах; погрешность весов ±0,001 г.

Погрешность эффективной теплоемкости калориметра берется из его паспортных данных.

Расчетная формула для определения теплоты сгорания в бомбе аналитической пробы топлива с учетом поправок на показания термометра и теплообмен с окружающей средой имеет вид, кДж/кг

где g₁ − масса сгоревшей части запальной проволоки, кг;

G ₁ = G - G ₂,

G − масса запальной проволоки до начала опыта, кг; G₂ − масса остатка проволоки после опыта; q₁ − теплота сгорания запальной проволоки, кДж/кг (для меди − 2510, константана − 3140, никелина − 3240, железа − 6690).

Сера, содержащаяся в топливе, сгорает в калориметрической бомбе при большем избытке кислорода, чем в топках промышленных установок, с образованием SО₃, а не SO₂, высший окисел, растворяясь в воде, образует серную кислоту. Поэтому при сгорании 1 кг серы в бомбе выделяется теплоты на 9400 кДж больше, чем в топке.

В бомбе, в отличие от реальных условий сжигания топлива в топке, имеет место также некоторое тепловыделение за счет реакции образования азотной кислоты, пропорциональное теплоте сгорания Q_δ^a; его принимают равным 0,001 Q_δ^a для тощих углей и антрацитов и 0,0015 Q_δ^a для остальных углей, торфа и горючих сланцев.

Высшую теплоту сгорания аналитической пробы топлива с учетом кислотообразования определяют по формуле, кДж/кг

где S_δ^a − количество серы, перешедшей при сжигании топлива в бомбе в серную кислоту (определяется в смыве бомбы (см. работу 5)).

При сжигании топлива с теплотой сгорания более 14650 кДж/кг и общим содержанием серы S_л^а < 4 % вместо S_δ^a используют S_л^а. При определении высшей рабочей теплоты сгорания учитывают теплоту, выделяющуюся при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива.

Пересчет на рабочую массу выполняют по следующему выражению, кДж/кг:

где W^р, W^a − влажность топлива на рабочую массу аналитической пробы соответственно, %.

При температуре уходящих дымовых газов выше температуры конденсации водяных паров, как это имеет место в реальных условиях, теплота конденсации не учитывается. В таком случае при выполнении тепловых расчетов пользуются низшей теплотой сгорания, кДж/кг

где 25 − скрытая теплота парообразования 0,01 кг водяного пара, кДж; 9 − коэффициент пересчета содержания водорода в топливе на воду. Н^р определяют из таблиц (см. приложение ЛР 1) для испытуемого топлива.

Абсолютную погрешность косвенного определения теплоты сгорания топлива можно вычислить по результатам опыта из выражения, кДж/кг

где − соответственно абсолютные погрешности измерения эффективной теплоемкости (из паспортных данных калориметра), температуры калориметра (D_Δс = ±0,01 °С), массы навески топлива (см. работу 1).

Так как Q = C_iΔt/m, то

Относительная погрешность, %

Низшая теплота сгорания рабочей массы является основным показателем энергетической ценности топлива. Для сравнения энергетической ценности топлив с различной теплотой сгорания введено понятие об условном топливе с теплотой сгорания 29300 кДж/кг. Тепловой эквивалент топлива представляет отношение

Этой характеристикой удобно пользоваться при сравнении работающих установок по экономичности и другим показателям.

Изменение теплоты сгорания Q_н^Р топлива, сжигаемого в топочном устройстве, может происходить по двум причинам: при изменении влажности и зольности топлива одной марки и при изменении марки сжигаемого топлива. Влияние изменения Q_н^Р на процесс горения для первого случая рассмотрено в работах 1 и 2. При изменении марки твердого топлива теплотворная способность может изменяться вследствие изменения содержания углерода в 1 кг топлива за счет изменения влажности и зольности (см. работы 1 и 2) или (при сохранении тех же значений А^р и W^Р) за счет изменения содержания в топливе кислорода О^р и азота N^P.

Уменьшение количества О^р приведет к увеличению расхода окислителя до значения, необходимого для качественного сжигания топлива; режим горения изменится незначительно, однако несколько возрастет объем продуктов горения за счет увеличения объема азота воздуха, а также тепловыделение в топке.

Увеличение Q_н^P за счет уменьшения содержания в топливе азота также приведет к увеличению тепловыделения в топке и некоторому увеличению объема дымовых газов.

Таким образом, влияние изменения теплотворной способности топлива на процесс горения необходимо рассматривать с учетом комплекса причин, вызвавших это изменение, т. е. индивидуально для конкретных топлив.