ТЕПЛОТА ГОРЕНИЯ

Теплота горения топлива влияет на его расход, мощность двигателя. Чем больше теплоты получено при сгорании топлива, тем большую мощность можно получить от двигателя, тем меньшие удельные затраты топлива.

Различают два значения теплоты горения:

- высшую;

- низшую.

В технике пользуются низшей теплотой горения, которая не учитывает теплоту концентрации воды.

Теплота горения углеводородных топлив зависит от элементарного состава: чем больше в топливе водорода, тем выше теплота горения. С повышением температуры кипения, с увеличением густоты теплота горения топлива уменьшается (табл.8).

Таблица 8

Низшая теплота горения топлив

Нефтяные топлива, имеющие небольшие отличия по фракционному составу и значениям густоты, мало отличаются по теплоте горения.

Из элементов высокую теплоту горения (высшую по теплоте горения углеводородов) имеют водород, бор, бериллий (табл.9). Поэтому выбор топлива с высокой теплотой горения ограничен. При сгорании топлива имеет значение состояние оксида, который при этом образуется.

Таблица 9

Высшая теплота горения элементов

Теплота горения топлива зависит от его химического состава, в частности, от соотношения водорода и углерода. При сгорании 1 кг водорода в водяной пар выделяется 117,3 МДж теплоты, а 1 кг углерода в диоксид углерода – 34,1 МДж. Теплоту горения топлива можно определить по формулам Д.И.Менделеева:

Q_в = 34,1 C + 103,0 H + 10,9 (S – O);

Q_н = 34,1 C + 103.0 H + 10,9 (S – O) – 2,512 (9H – W),

где, Q_в та Q_н – высшая и низшая теплота горения соответственно, МДж/кг;

C, H, S, O – содержание в топливе углерода, водорода, серы, кислорода, массовая часть (C + H + S + O) = 1;

W – содержание в топливе влаги, массовая часть;

34,1 – теплота горения углерода, МДЖ;

103,0 – водорода;

10,9 – теплота горения серы, МДж;

2,512 – теплота парообразования воды, МДж/кг.

Между высшей и низшей теплотой горения существует соотношение:

Q_н =Q_в – 2,512 G_п,

где G_п – количество водяного пара, который образуется при сгорании 1 кг топлива.

Теплоту горения топлива приблизительно можно рассчитать по эмпирическим формулам, если, например, известна густота топлива:

Q=[1240 - 210 (P₁₅)²] 4,18;

Q_н = (Q_в – 504,5 H) 4,18;

H = (28 – 15 P₁₅)/ 100.

Экспериментально теплоту горения определяют в калориметрах.

Наивысшую теплоту горения имеет водород. Поэтому низкооктановые бензины, которые содержат в своем составе большое количество парафиновых углеводородов, имеют более высокую массовую теплоту горения, чем высокооктановые бензины, которые содержат большое количество ароматичных углеводородов. Это объясняется снижением соотношения водорода: углерод в ароматичных углеводородах по сравнению с парафиновыми (табл.10).

Таблица 10

Теплота горения углеводородов

Однако, с переходом от парафиновых к нафтеновым и ароматичным углеводородам увеличивается их густота. Это ведёт к увеличению объемной теплоты горения. С повышением густоты углеводородов и топлив (табл.11) массовая теплота горения снижается. Теплоту горения снижает также кислород, который содержится в топливе. Поэтому метанол и этанол имеют более низкую теплоту горения, чем нефтяные топлива (табл.11), хотя в нефтяных также содержится кислород в виде соединений, но его относительное количество в топливах значительно меньше по сравнению с содержанием кислорода в спиртах.

Таблица 11

Теплота горения топлив и соединений

В камере сгорания двигателя сгорает смесь, которая состоит из топлива и воздуха. Поэтому, невзирая на то, что теплота сгорания спиртов приблизительно в 2 раза меньше теплоты горения углеводородных топлив, при сгорании спиртово-воздушных смесей выделяется приблизительно такое же количество теплоты, как и при сгорании такого же объема бензиново-воздушной смеси (табл.12).

Таблица 12

Наличие кислорода в спирте сокращает затраты воздуха на его горение (до 9 кг/кг этанола и до 6,5 кг/кг метанола). Массовое количество спирта в единице объема спиртово-воздушной смеси значительно большая, чем бензина в единице объема бензиново-воздушной смеси, т.е. затраты спиртов в двигателе значительно большие, чем затраты нефтяного топлива.

Теплота горения смеси может быть рассчитана по формуле:

Q_с = Q_н η / (1 + α I_о),

где Q_н – низшая теплота горения топлива;

η – коэффициент полноты горения топлива (≈ 0,87);

α – коэффициент излишка воздуха;

I_о – теоретически необходимое количество воздуха, кг/кг.

Теоретически необходимое количество воздуха зависит от состава топлива. Практически в горючей смеси необходимо иметь воздуха немного больше теоретически необходимого количества.

Отношение расходуемого воздуха к теоретически необходимому – называется коэффициентом излишка воздуха.

Состав горючей смеси значительно влияет на работу двигателя.В цилиндры двигателя должна поступать однородная горючая смесь, в которой топливо, находясь в парообразном состоянии, равномерно распределенное по всему объему и имеет концентрацию, которая обеспечивает его вспышку от электрической искры. Горючая смесь при чрезмерном обеднении и пере обогащении не вспыхнет.

Нижняя граница вспышки обедненных горючих смесей отвечает коэффициенту излишка воздуха α = 1,4, а высшая граница вспышки в обедненных смесях - α = 0,4. На стехиометричной смеси (α = 1) двигатель работает стабильно, развивает мощность, близкую к расчетной, но имеет сниженную экономичность. Наибольшая экономичность при полной нагрузке двигателя имеет место на бедной смеси, когда α_ек = 1,1, т.е. затраты воздуха больше теоретически необходимого количества. Это объясняется наличием в цилиндрах остатков газов и неоднородностью горючей смеси, которые негативно влияют на процесс горения.

Дальнейшее снижение содержания топлива в горючей смеси, т.е. ее обеднение, снижает мощность двигателя и экономичность его работы, повышает затраты топлива, уменьшает выделение теплоты, которая затрачивается на полезную работу, т.к. азот и свободный кислород выносят с собой часть теплоты с отработанными газами. Максимальную мощность развивает двигатель, работая на богатой смеси (α_м = 0,8…0,9). Экономичность работы двигателя при этом снижается.

Избыточное обогащение горючей смеси вызывает неполное сгорание топлива, падение мощности двигателя, увеличение затрат топлива; продукты горения содержат углеводороды, которые не сгорели, свободный кислород. При работе на обогащенных смесях происходит повышенное нагарообразование на клапанах, днище поршня, электродах свечей и стенках камеры сгорания. Часть топлива, которая не сгорела, смывает масло со стенок цилиндров и, проникая в картер, разжижает масло. Горючие смеси с коэффициентом излишка воздуха меньшим α_эк как и большим α_м обеспечивают надежную работу двигателя.

Топливо должно сгорать полностью с максимальным выделением теплоты, минимальными потерями её с продуктами неполного горения либо с излишком кислорода или азота, без загрязнения окружающей среды отработанными газами. При горении в цилиндрах двигателя образуются газоподобные, жидкие и твердые (сажа) продукты сгорания топлива. Состав продуктов горения изменяется в зависимости от химического состава топлива, коэффициента излишка воздуха, температуры окружающей среды, характера процесса горения, технического состояния двигателя и др. факторов. Поэтому коэффициент излишка воздуха должен иметь оптимальное значение. В двигателях, работающих на бензине, сгорание происходит при небольшом излишке воздуха при значениях α = 1,05…1,15, иногда вдаються до обогащения смеси при значениях α = 0,90…0,95. Газовые двигатели работают при α = 1,03…1,08.

В технике для расчетов потребности топлива, особенно при переходах от одного топлива на другое, часто пользуются условными единицами (условным топливом). За условную тепловую единицу принята единица уловного топлива, которая составляет 29,33 МДж/кг (700 ккал/кг). Пересчитывая теплоту горения какого-либо топлива в условные единицы, не обходимо теплоту сгорания топлива перемножить на тепловой эквивалент (табл.13). Единицами условного топлива пользуются для нормирования и планирования необходимой потребности и сравнения калорийности топлив разных видов.

Таблица 13

Среднее значение калорийного эквивалента для перевода натурального топлива в условное

Поиск по сайту: