Căldura de ardere este determinată de compoziția chimică a substanței combustibile. Elementele chimice conținute în substanța combustibilă sunt desemnate prin simbolurile acceptate DIN , H , O , N , S, iar cenușa și apa sunt simboluri DARși W respectiv.
YouTube enciclopedic
-
1 / 5
Căldura de ardere poate fi legată de masa de lucru a combustibilului Q P (\displaystyle Q^(P)), adică la o substanță combustibilă în forma în care intră în consumator; la materia uscată Q C (\displaystyle Q^(C)); la masa combustibilă a materiei Q Γ (\displaystyle Q^(\Gamma )), adică la o substanță combustibilă care nu conține umiditate și cenușă.
Distinge mai sus ( Q B (\displaystyle Q_(B))) și mai jos ( Q H (\displaystyle Q_(H))) căldură de ardere.
Sub putere calorică mai mareînțelegeți cantitatea de căldură care este eliberată în timpul arderii complete a unei substanțe, inclusiv căldura de condensare a vaporilor de apă în timpul răcirii produselor de ardere.
Puterea calorică netă corespunde cantității de căldură care se eliberează în timpul arderii complete, fără a ține cont de căldura de condensare a vaporilor de apă. Căldura de condensare a vaporilor de apă se mai numește căldură latentă de vaporizare (condens).
Puterea calorică mai mică și mai mare sunt legate de raportul: Q B = Q H + k (W + 9 H) (\displaystyle Q_(B)=Q_(H)+k(W+9H)),
unde k este un coeficient egal cu 25 kJ/kg (6 kcal/kg); W - cantitatea de apă din substanța combustibilă, % (în greutate); H este cantitatea de hidrogen din substanța combustibilă, % (în masă).
Calculul căldurii de ardere
Astfel, puterea calorică mai mare este cantitatea de căldură degajată în timpul arderii complete a unei unități de masă sau de volum (pentru gaz) a unei substanțe combustibile și răcirea produselor de ardere la temperatura punctului de rouă. În calculele de inginerie termică, puterea calorică brută este considerată 100%. Căldura latentă de ardere a gazului este căldura care este eliberată în timpul condensării vaporilor de apă conținuti în produsele de ardere. Teoretic, poate ajunge la 11%.
În practică, nu este posibilă răcirea produselor de ardere până la condensarea completă și de aceea se introduce conceptul de putere calorică netă (QHp), care se obține prin scăderea din puterea calorică mai mare a căldurii de vaporizare a vaporilor de apă ambii conținute în substanta si formata in timpul arderii acesteia. 2514 kJ/kg (600 kcal/kg) sunt cheltuiți pentru vaporizarea a 1 kg de vapori de apă. Puterea calorică netă este determinată de formulele (kJ/kg sau kcal/kg):
Q H P = Q B P − 2514 ⋅ ((9 H P + W P) / 100) (\displaystyle Q_(H)^(P)=Q_(B)^(P)-2514\cdot ((9H^(P)+W^ (P))/100))(pentru solid)
Q H P = Q B P − 600 ⋅ ((9 H P + W P) / 100) (\displaystyle Q_(H)^(P)=Q_(B)^(P)-600\cdot ((9H^(P)+W^ (P))/100))(pentru substanță lichidă), Unde:
2514 - căldură de vaporizare la 0 °C și presiune atmosferică, kJ/kg;
H P (\displaystyle H^(P))și W P (\displaystyle W^(P))- continutul de hidrogen si vapori de apa in combustibilul de lucru,%;
9 este un coeficient care arată că atunci când 1 kg de hidrogen este ars în combinație cu oxigen, se formează 9 kg de apă.
Căldura de ardere este cea mai mare caracteristică importantă combustibil, deoarece determină cantitatea de căldură obținută prin arderea a 1 kg de combustibil solid sau lichid sau a 1 m³ combustibil gazosîn kJ/kg (kcal/kg). 1 kcal = 4,1868 sau 4,19 kJ.
Puterea calorică netă se determină experimental pentru fiecare substanță și este o valoare de referință. Se poate determina și pentru materiale solide și lichide, cu o compoziție elementară cunoscută, prin calcul în conformitate cu formula lui D. I. Mendeleev, kJ/kg sau kcal/kg:
Q H P = 339 ⋅ C P + 1256 ⋅ H P − 109 ⋅ (O P − S L P) − 25,14 ⋅ (9 ⋅ H P + W P) (\displaystyle Q_(H)^(P)=339\cdot C^(P)+125\cdot C^(P)+ cdot H^(P)-109\cdot (O^(P)-S_(L)^(P))-25,14\cdot (9\cdot H^(P)+W^(P)))
Q H P = 81 ⋅ C P + 246 ⋅ H P − 26 ⋅ (O P + S L P) − 6 ⋅ W P (\displaystyle Q_(H)^(P)=81\cdot C^(P)+246\cdot H^(P) -26\cdot (O^(P)+S_(L)^(P))-6\cdot W^(P)), Unde:
C P (\displaystyle C_(P)), H P (\displaystyle H_(P)), O P (\displaystyle O_(P)), S L P (\displaystyle S_(L)^(P)), W P (\displaystyle W_(P))- conținutul de carbon, hidrogen, oxigen, sulf volatil și umiditate în masa de lucru a combustibilului în % (în masă).
Pentru calcule comparative se folosește așa-numitul Combustibil Convențional, care are o căldură specifică de ardere egală cu 29308 kJ/kg (7000 kcal/kg).
In Rusia calcule termice(de exemplu, calcularea încărcăturii termice pentru a determina categoria unei încăperi pentru pericol de explozie și incendiu) se efectuează de obicei în funcție de cea mai mică putere calorică, în SUA, Marea Britanie, Franța - în funcție de cea mai mare. În Regatul Unit și Statele Unite, înainte de introducerea sistemului metric, puterea calorică a fost măsurată în unități termice britanice (BTU) per liră (lb) (1 Btu/lb = 2,326 kJ/kg).
Substanțe și materiale Puterea calorică netă Q H P (\displaystyle Q_(H)^(P)), MJ/kg Benzină 41,87 Kerosenul 43,54 Hârtie: cărți, reviste 13,4 Lemn (bare W = 14%) 13,8 Cauciuc natural 44,73 Linoleum cu clorură de polivinil 14,31 Cauciuc 33,52 Fibră discontinuă 13,8 Polietilenă 47,14 Styrofoam 41,6 Bumbac slăbit 15,7 Plastic 41,87 Ce este combustibilul?
Acesta este o componentă sau un amestec de substanțe care sunt capabile de transformări chimice asociate cu eliberarea de căldură. Tipuri diferite combustibilii diferă prin conținutul cantitativ al agentului oxidant din ei, care este folosit pentru a elibera energie termică.
LA în sens larg combustibilul este un purtător de energie, adică un tip potențial de energie potențială.
Clasificare
În prezent, combustibilii sunt împărțiți în funcție de starea lor de agregare în lichide, solide, gazoase.
Prea greu aspect natural includ piatră și lemn de foc, antracit. Brichetele, cocs, termoantracitul sunt soiuri de combustibil solid artificial.
Lichidele includ substanțe care conțin substanțe de origine organică. Componentele lor principale sunt: oxigen, carbon, azot, hidrogen, sulf. Combustibil lichid artificial va fi o varietate de rășini, păcură.
Este un amestec de diverse gaze: etilenă, metan, propan, butan. Pe lângă acestea, combustibilii gazoși conțin dioxid de carbon și monoxid de carbon s, hidrogen sulfurat, azot, vapori de apă, oxigen.
Indicatoare de combustibil
Principalul indicator al arderii. Formula de determinare a puterii calorice este luată în considerare în termochimie. aloca " combustibil de referință”, ceea ce presupune puterea calorică a 1 kilogram de antracit.
Uleiul pentru încălzire menajeră este destinat arderii în dispozitive de încălzire de putere mică, care sunt situate în spații rezidențiale, generatoare de căldură utilizate în agricultură pentru uscarea furajelor, conserve.
Căldura specifică de ardere a combustibilului este o astfel de valoare încât demonstrează cantitatea de căldură care se formează în timpul arderii complete a combustibilului cu un volum de 1 m 3 sau o masă de un kilogram.
Pentru a măsura această valoare, se folosesc J / kg, J / m 3, calorii / m 3. Pentru a determina căldura de ardere, utilizați metoda calorimetriei.
Cu o creștere căldura specifică arderea combustibilului, consumul specific de combustibil scade, iar coeficientul acțiune utilă rămâne aceeași valoare.
Căldura de ardere a substanțelor este cantitatea de energie eliberată în timpul oxidării unei substanțe solide, lichide, gazoase.
Este determinată de compoziția chimică, precum și de starea de agregare a substanței combustibile.
Caracteristicile produselor de ardere
Puterea calorică mai mare și mai mică este asociată cu starea de agregare a apei în substanțele obținute în urma arderii combustibilului.
Puterea calorică brută este cantitatea de căldură degajată în timpul arderii complete a unei substanțe. Această valoare include căldura de condensare a vaporilor de apă.
Puterea calorică de lucru inferioară este valoarea care corespunde degajării de căldură în timpul arderii fără a lua în considerare căldura de condensare a vaporilor de apă.
Căldura latentă de condensare este valoarea energiei de condensare a vaporilor de apă.
Relație matematică
Puterea calorică mai mare și cea mai mică sunt legate de următoarea relație:
Q B = Q H + k(W + 9H)
unde W este cantitatea în greutate (în %) de apă din substanța combustibilă;
H este cantitatea de hidrogen (% din masă) din substanța combustibilă;
k - coeficient de 6 kcal/kg
Metode de calcul
Puterea calorică mai mare și mai mică este determinată prin două metode principale: calculată și experimentală.
Calorimetrele sunt folosite pentru calcule experimentale. În primul rând, în ea este arsă o mostră de combustibil. Căldura care va fi eliberată în acest caz este complet absorbită de apă. Având o idee despre masa apei, este posibil să se determine valoarea căldurii sale de ardere prin modificarea temperaturii acesteia.
Această tehnică este considerată simplă și eficientă, presupune doar cunoașterea datelor de analiză tehnică.
În metoda de calcul, puterea calorică cea mai mare și cea mai mică este calculată conform formulei Mendeleev.
Q p H \u003d 339C p + 1030H p -109 (O p -S p) - 25 W p (kJ / kg)
Se ia în considerare conținutul de carbon, oxigen, hidrogen, vapori de apă, sulf în compoziția de lucru (în procente). Cantitatea de căldură în timpul arderii se determină ținând cont de combustibilul de referință.
Căldura de ardere a gazului vă permite să faceți calcule preliminare, pentru a identifica eficiența utilizării unui anumit tip de combustibil.
Caracteristici de origine
Pentru a înțelege cât de multă căldură este eliberată în timpul arderii unui anumit combustibil, este necesar să aveți o idee despre originea acestuia.
În natură există diferite variante combustibili solizi, care diferă ca compoziție și proprietăți.
Formarea sa se realizează în mai multe etape. Mai întâi se formează turba, apoi se obține cărbune maro și tare, apoi se formează antracitul. Principalele surse de formare a combustibilului solid sunt frunzele, lemnul și acele. Murind, părți ale plantelor, atunci când sunt expuse la aer, sunt distruse de ciuperci, formând turbă. Acumularea sa se transformă într-o masă maro, apoi se obține gaz maro.
La presiune ridicatași temperatură, gazul brun se transformă în cărbune, apoi combustibilul se acumulează sub formă de antracit.
Pe lângă materia organică, în combustibil există balast suplimentar. O parte organică este acea parte din care s-a format materie organică: hidrogen, carbon, azot, oxigen. Pe lângă aceste elemente chimice, conține balast: umiditate, cenușă.
Tehnologia cuptorului implică alocarea masei de lucru, uscate și combustibile a combustibilului ars. Masa de lucru se numește combustibil în forma sa originală, furnizată consumatorului. Greutatea uscată este o compoziție în care nu există apă.
Compus
Cele mai valoroase componente sunt carbonul și hidrogenul.
Aceste elemente se găsesc în orice tip de combustibil. În turbă și lemn, procentul de carbon ajunge la 58 la sută, în cărbune negru și brun - 80%, iar în antracit ajunge la 95 la sută din greutate. În funcție de acest indicator, cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii combustibilului se modifică. Hidrogenul este al doilea cel mai important element al oricărui combustibil. În contact cu oxigenul, formează umiditate, ceea ce reduce semnificativ valoarea termică a oricărui combustibil.
Procentul său variază de la 3,8 în șisturi petroliere la 11 în păcură. Oxigenul, care face parte din combustibil, acționează ca balast.
Nu generează căldură element chimic, prin urmare, afectează negativ valoarea căldurii de ardere. Arderea azotului conținut în liber sau formă legatăîn produsele de ardere, este considerată impurități nocive, astfel încât cantitatea sa este clar limitată.
Sulful este inclus în compoziția combustibilului sub formă de sulfați, sulfuri și, de asemenea, ca gaze de dioxid de sulf. Când sunt hidratați, oxizii de sulf formează acid sulfuric, care distruge echipament cazan, afectează negativ vegetația și organismele vii.
De aceea, sulful este elementul chimic, a cărui prezență în combustibilul natural este extrem de nedorită. La intrarea în camera de lucru, compușii de sulf provoacă otrăvire semnificativă a personalului operator.
Există trei tipuri de cenușă în funcție de originea sa:
- primar;
- secundar;
- terţiar.
Forma primară se formează din substanțele minerale conținute în plante. Cenușa secundară se formează ca urmare a ingerării reziduurilor vegetale de către nisip și pământ în timpul formării formării.
Cenușa terțiară se dovedește a fi parte a combustibilului în procesul de extracție, depozitare și, de asemenea, transportul acestuia. Cu o depunere semnificativă de cenușă, există o scădere a transferului de căldură pe suprafața de încălzire a unității cazanului, reduce cantitatea de transfer de căldură către apă din gaze. O cantitate mare cenușa afectează negativ funcționarea cazanului.
In cele din urma
O influență semnificativă asupra procesului de ardere a oricărui tip de combustibil este exercitată de volatile. Cu cât puterea lor este mai mare, cu atât volumul frontului de flăcări va fi mai mare. De exemplu, cărbunele, turba, iau ușor foc, procesul este însoțit de pierderi de căldură nesemnificative. Cocsul care rămâne după îndepărtarea impurităților volatile conține doar compuși minerali și carboni. În funcție de caracteristicile combustibilului, cantitatea de căldură variază semnificativ.
Depinzând de compoziție chimică Există trei etape în formarea combustibililor solizi: turbă, lignit, cărbune.
Lemnul natural este folosit în instalațiile de cazane mici. Se folosesc mai ales așchii de lemn, rumeguș, plăci, scoarță, lemnul de foc în sine este folosit în cantități mici. În funcție de tipul de lemn, cantitatea de căldură degajată variază semnificativ.
Pe măsură ce puterea calorică scade, lemnul de foc capătă anumite avantaje: inflamabilitate rapidă, conținut minim de cenușă și absența urmelor de sulf.
Informațiile fiabile despre compoziția combustibililor naturali sau sintetici, puterea lor calorică, reprezintă o modalitate excelentă de a efectua calcule termochimice.
În prezent, există o oportunitate reală de a identifica acele opțiuni principale pentru combustibilii solizi, gazoși, lichizi care vor fi cei mai eficienti și mai ieftin de utilizat într-o anumită situație.
PROPRIETĂȚI FIZICE ȘI CHIMICE ALE GAZELOR NATURALE
La gazele naturale nu există culoare, miros, gust.
Principalii indicatori ai gazelor naturale includ: compoziția, căldura de ardere, densitatea, temperatura de ardere și aprindere, limitele de explozie și presiunea de explozie.
Gazele naturale din zăcămintele de gaze pure constau în principal din metan (82-98%) și alte hidrocarburi.
Gazul combustibil conține substanțe combustibile și incombustibile. Gazele combustibile includ: hidrocarburi, hidrogen, hidrogen sulfurat. Materialele neinflamabile includ: dioxid de carbon, oxigen, azot și vapori de apă. Compoziţia lor este scăzută şi se ridică la 0,1-0,3% CO2 şi 1-14% N2. După extracție, din gaz se extrage hidrogen sulfurat gazos toxic, al cărui conținut nu trebuie să depășească 0,02 g/m3.
Puterea calorică este cantitatea de căldură degajată în timpul arderii complete a 1 m3 de gaz. Căldura de ardere se măsoară în kcal/m3, kJ/m3 de gaz. Puterea calorică a gazelor naturale uscate este de 8000-8500 kcal/m 3 .
Valoarea calculată prin raportul dintre masa unei substanțe și volumul acesteia se numește densitatea substanței. Densitatea se măsoară în kg/m3. Densitatea gazelor naturale depinde în întregime de compoziția sa și este în intervalul c = 0,73-0,85 kg/m3.
Cea mai importantă caracteristică a oricărui gaz combustibil este puterea termică, adică Temperatura maxima realizat cu arderea completă a gazului, dacă cantitatea necesară de aer pentru ardere corespunde exact cu formulele chimice de ardere, iar temperatura inițială a gazului și a aerului este zero.
Capacitatea termică a gazelor naturale este de aproximativ 2000 -2100 °C, metanul - 2043 °C. Temperatura reală de ardere în cuptoare este mult mai mică decât puterea termică și depinde de condițiile de ardere.
Temperatura de aprindere este temperatura amestecului aer-combustibil la care amestecul se aprinde fără o sursă de aprindere. Pentru gazul natural, este în intervalul 645-700 °C.
Toate gazele combustibile sunt explozive, capabile să se aprindă cu o flacără deschisă sau scânteie. Distinge limita inferioară și superioară de concentrație a propagării flăcării , adică concentrațiile inferioare și superioare la care este posibilă o explozie a amestecului. Limita inferioară de explozie a gazelor este de 3÷6%, limita superioară este de 12÷16%.
Limite de explozie.
Amestecul gaz-aer care conține cantitatea de gaz:
până la 5% - nu arde;
de la 5 la 15% - explodează;
mai mult de 15% - arde atunci când este furnizat aer.
Presiunea în timpul exploziei gazelor naturale este de 0,8-1,0 MPa.
Toate gazele combustibile pot provoca otrăvire a corpului uman. Principalele substanțe toxice sunt: monoxidul de carbon (CO), hidrogenul sulfurat (H 2 S), amoniacul (NH 3).
Gazul natural nu are miros. Pentru a determina scurgerea, gazul este odorizat (adică îi dau un miros specific). Efectuarea odorizării se realizează folosind etil mercaptan. Efectuați odorizarea la stațiile de distribuție a gazelor (GDS). Când 1% din gazul natural intră în aer, mirosul acestuia începe să se simtă. Practica arată că rata medie etil mercaptan pentru odorizarea gazelor naturale care intră în rețelele orașului ar trebui să fie de 16 g la 1.000 m3 de gaz.
În comparație cu combustibilii solizi și lichizi, gazele naturale câștigă în multe feluri:
Ieftin relativ, care se explică prin mai mult calea ușoară minerit și transport;
Fără cenușă și îndepărtarea particulelor solide în atmosferă;
Căldura mare de ardere;
Nu este necesară pregătirea combustibilului pentru ardere;
Munca lucrătorilor de servicii este facilitată și condițiile sanitare și igienice ale muncii acestora sunt îmbunătățite;
Facilitează automatizarea proceselor de lucru.
Datorită posibilelor scurgeri prin scurgeri în conexiunile și fitingurile conductelor de gaz, utilizarea gazelor naturale necesită o atenție și precauție deosebită. Pătrunderea a peste 20% din gaz în încăpere poate duce la sufocare, iar dacă este prezent într-un volum închis de la 5 la 15%, poate provoca o explozie a amestecului gaz-aer. Arderea incompletă produce monoxid de carbon CO toxic, care chiar și la concentrații mici duce la otrăvirea personalului operator.
După originea lor, gazele naturale se împart în două grupe: uscate și grase.
Uscat gazele sunt gaze de origine minerală și se găsesc în zone asociate cu activitatea vulcanică prezentă sau trecută. Gazele uscate constau aproape exclusiv din metan, cu cantități neglijabile de constituenți ai balastului (azot, dioxid de carbon) și au o putere calorică Qн=7000÷9000 kcal/nm3.
gras gazele însoțesc câmpurile petroliere și se acumulează de obicei în straturile superioare. Prin origine, gazele grase sunt apropiate de petrol și conțin multe hidrocarburi ușor condensabile. Valoare calorica gaze lichide Qн=8000-15000 kcal/nm3
Avantajele combustibilului gazos includ ușurința transportului și arderii, absența umidității cenușii și simplitatea semnificativă a echipamentului cazanului.
Împreună cu gazele naturale se mai folosesc gaze combustibile artificiale obtinute in timpul prelucrarii combustibili solizi, sau ca urmare a exploatării instalațiilor industriale ca gaze reziduale. Gazele artificiale constau din gaze combustibile de ardere incompletă a combustibilului, gaze de balast și vapori de apă și se împart în bogate și sărace, având o putere calorică medie de 4500 kcal/m3, respectiv 1300 kkam3. Compoziția gazelor: hidrogen, metan, alți compuși hidrocarburi CmHn, hidrogen sulfurat H 2 S, gaze necombustibile, dioxid de carbon, oxigen, azot și o cantitate mică de vapori de apă. Balast - azot și dioxid de carbon.
Astfel, compoziția combustibilului gazos uscat poate fi reprezentată ca următorul amestec de elemente:
CO + H 2 + ∑CmHn + H 2 S + CO 2 + O 2 + N 2 \u003d 100%.
Compoziția combustibilului gazos umed se exprimă după cum urmează:
CO + H 2 + ∑CmHn + H 2 S + CO 2 + O 2 + N 2 + H 2 O \u003d 100%.
Căldura de ardere uscat combustibil gazos kJ / m3 (kcal / m3) la 1 m3 de gaz în condiții normale se determină după cum urmează:
Qn \u003d 0,01,
Unde Qi este puterea calorică a gazului corespunzător.
Căldura de ardere a combustibilului gazos este dată în tabelul 3.
Gaz de furnal formate în timpul topirii fierului în furnalele înalte. Randamentul și compoziția sa chimică depind de proprietățile încărcăturii și ale combustibilului, de modul de funcționare al cuptorului, de metodele de intensificare a procesului și de alți factori. Producția de gaz variază între 1500-2500 m 3 pe tonă de fontă. Ponderea componentelor incombustibile (N 2 și CO 2) în gazul de furnal este de aproximativ 70%, ceea ce determină performanța termică scăzută a acestuia (cea mai mică putere calorică a gazului este de 3-5 MJ/m 3).
La arderea gazului de furnal, temperatura maximă a produselor de ardere (excluzând pierderile de căldură și consumul de căldură pentru disocierea CO 2 și H 2 O) este de 400-1500 0 C. Dacă gazul și aerul sunt încălzite înainte de ardere, temperatura produselor de ardere poate fi crescută semnificativ.
gaz feroaliaj formate în timpul topirii feroaliajelor în cuptoarele de reducere a minereului. Gazele de eșapament din cuptoarele închise pot fi folosite ca combustibil SER (resurse de energie secundară). În cuptoare deschise din cauza acces liber gazul de aer arde deasupra. Randamentul și compoziția gazului feroaliaj depind de gradul topitului
aliaj, compoziția sarcinii, modul de funcționare a cuptorului, puterea acestuia etc. Compoziția gazului: 50-90% CO, 2-8% H2, 0,3-1% CH4, O2<1%, 2-5% CO 2 , остальное N 2 . Максимальная температура продуктов сгорания равна 2080 ^0 C. Запылённость газа составляет 30-40 г/м^3 .
gaz convertizor formate în timpul topirii oțelului în convertoarele de oxigen. Gazul constă în principal din monoxid de carbon, randamentul și compoziția acestuia în timpul topirii se modifică semnificativ. După purificare, compoziția gazului este aproximativ următoarea: 70-80% CO; 15-20% C02; 0,5-0,8% O2; 3-12% N 2. Căldura de ardere a gazului este de 8,4-9,2 MJ/m 3 . Temperatura maximă de ardere atinge 2000 0 С.
gaz de cuptor de cocs formată în timpul cocsării încărcăturii de cărbune. În metalurgia feroasă, se folosește după extracția produselor chimice. Compoziția gazului cuptorului de cocs depinde de proprietățile încărcăturii de cărbune și de condițiile de cocsificare. Fracțiile de volum ale componentelor din gaz sunt în următoarele limite, %: 52-62H2; 0,3-0,6 O2; 23,5-26,5 CH4; 5,5-7,7 CO; 1,8-2,6 CO2. Căldura de ardere este de 17-17,6 MJ / m ^ 3, temperatura maximă a produselor de ardere este de 2070 0 С.
5. ECHILIBRUL TERMIC AL COMBUSTIEI
Luați în considerare metode de calcul al bilanţului termic al procesului de ardere a combustibililor gazoși, lichizi și solizi. Calculul se reduce la rezolvarea următoarelor probleme.
· Determinarea căldurii de ardere (puterea calorică) a combustibilului.
· Determinarea temperaturii teoretice de ardere.
5.1. Căldura de ardere
Reacțiile chimice sunt însoțite de eliberarea sau absorbția de căldură. Când căldura este eliberată, reacția se numește exotermă, iar când este absorbită, se numește endotermă. Toate reacțiile de ardere sunt exoterme, iar produsele de ardere sunt compuși exotermi.
Căldura eliberată (sau absorbită) în timpul unei reacții chimice se numește căldură de reacție. În reacțiile exoterme este pozitiv, în reacțiile endoterme este negativ. Reacția de ardere este întotdeauna însoțită de eliberarea de căldură. Căldura de ardere Q g(J/mol) este cantitatea de căldură care este eliberată în timpul arderii complete a unui mol de substanță și transformării unei substanțe combustibile în produse de ardere completă. Alunița este unitatea de bază SI pentru cantitatea unei substanțe. Un mol este o astfel de cantitate dintr-o substanță care conține tot atâtea particule (atomi, molecule etc.) câte atomi există în 12 g izotop de carbon-12. Masa unei cantități dintr-o substanță egală cu 1 mol (masă moleculară sau molară) coincide numeric cu greutatea moleculară relativă a unei substanțe date.
De exemplu, greutatea moleculară relativă a oxigenului (O2) este 32, dioxidul de carbon (CO2) este 44, iar greutățile moleculare corespunzătoare ar fi M=32 g/mol și M=44 g/mol. Astfel, un mol de oxigen conține 32 de grame din această substanță, iar un mol de CO 2 conține 44 de grame de dioxid de carbon.
În calculele tehnice, nu se folosește adesea căldura de ardere Q g, și puterea calorică a combustibilului Q(J/kg sau J/m 3). Puterea calorică a unei substanțe este cantitatea de căldură care se degajă în timpul arderii complete a 1 kg sau 1 m 3 dintr-o substanță. Pentru substanțele lichide și solide, calculul se efectuează la 1 kg, iar pentru substanțele gazoase, la 1 m 3.
Cunoașterea căldurii de ardere și a puterii calorifice a combustibilului este necesară pentru a calcula temperatura de ardere sau de explozie, presiunea de explozie, viteza de propagare a flăcării și alte caracteristici. Puterea calorică a combustibilului se determină fie experimental, fie prin calcul. La determinarea experimentală a puterii calorifice, o masă dată de combustibil solid sau lichid este arsă într-o bombă calorimetrică, iar în cazul combustibilului gazos, într-un calorimetru cu gaz. Aceste dispozitive măsoară căldura totală Q 0 , eliberat în timpul arderii unei probe de cântărire de combustibil m. Valoare calorica Q g se gaseste dupa formula
Relația dintre căldura de ardere și
puterea calorică a combustibiluluiPentru a stabili o relație între căldura de ardere și puterea calorică a unei substanțe, este necesar să scrieți ecuația pentru reacția chimică de ardere.
Produsul arderii complete a carbonului este dioxidul de carbon:
C + O 2 → CO 2.
Produsul arderii complete a hidrogenului este apa:
2H2 + O2 → 2H2O.
Produsul arderii complete a sulfului este dioxidul de sulf:
S + O 2 → SO 2.
În același timp, azotul, halogenurile și alte elemente incombustibile sunt eliberate în formă liberă.
gaz combustibil
Ca exemplu, vom calcula puterea calorică a metanului CH 4, pentru care căldura de ardere este egală cu Q g=882.6 .
Determinați greutatea moleculară a metanului în conformitate cu formula sa chimică (CH4):
М=1∙12+4∙1=16 g/mol.
Determinați puterea calorică a 1 kg de metan:
Să aflăm volumul a 1 kg de metan, cunoscând densitatea lui ρ=0,717 kg/m 3 în condiții normale:
.Determinați puterea calorică a 1 m 3 de metan:
Puterea calorică a oricăror gaze combustibile este determinată în mod similar. Pentru multe substanțe comune, valorile calorice și puterile calorice au fost măsurate cu mare precizie și sunt date în literatura de referință relevantă. Să oferim un tabel de valori pentru puterea calorică a unor substanțe gazoase (Tabelul 5.1). Valoare Qîn acest tabel este dat în MJ / m 3 și în kcal / m 3, deoarece 1 kcal = 4,1868 kJ este adesea folosit ca unitate de căldură.
Tabelul 5.1
Puterea calorică a combustibililor gazoși
Substanţă
Acetilenă
Q
Substanță combustibilă - lichidă sau solidă
Ca exemplu, vom calcula puterea calorică a alcoolului etilic C 2 H 5 OH, pentru care căldura de ardere Q g= 1373,3 kJ/mol.
Determinați greutatea moleculară a alcoolului etilic în conformitate cu formula sa chimică (C 2 H 5 OH):
М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 g/mol.
Determinați puterea calorică a 1 kg de alcool etilic:
Puterea calorică a oricărui combustibil lichid și solid este determinată în mod similar. În tabel. 5.2 și 5.3 arată valorile calorice Q(MJ/kg și kcal/kg) pentru unele substanțe lichide și solide.
Tabelul 5.2
Puterea calorică a combustibililor lichizi
Substanţă
Alcool metilic
Etanol
Păcură, ulei
Q
Tabelul 5.3
Puterea calorică a combustibililor solizi
Substanţă
lemn proaspăt
lemn uscat
Cărbune brun
Turba uscata
Antracit, cola
Q
formula lui Mendeleev
Dacă puterea calorică a combustibilului este necunoscută, atunci aceasta poate fi calculată folosind formula empirică propusă de D.I. Mendeleev. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți compoziția elementară a combustibilului (formula echivalentă a combustibilului), adică procentul următoarelor elemente din acesta:
Oxigen (O);
Hidrogen (H);
Carbon (C);
sulf (S);
Cenușă (A);
Apa (W).
Produsele de ardere a combustibililor conțin întotdeauna vapori de apă, care se formează atât din cauza prezenței umidității în combustibil, cât și în timpul arderii hidrogenului. Produsele reziduale de ardere părăsesc instalația industrială la o temperatură peste temperatura punctului de rouă. Prin urmare, căldura care se eliberează în timpul condensării vaporilor de apă nu poate fi folosită în mod util și nu trebuie luată în considerare în calculele termice.
Puterea calorică netă este de obicei utilizată pentru calcul. Q n combustibil, care ține cont de pierderile de căldură cu vaporii de apă. Pentru combustibilii solizi și lichizi, valoarea Q n(MJ / kg) este determinată aproximativ de formula Mendeleev:
Q n=0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)
unde conținutul procentual (% în masă) al elementelor corespunzătoare din compoziția combustibilului este indicat în paranteze.
Această formulă ia în considerare căldura reacțiilor de combustie exotermă a carbonului, hidrogenului și sulfului (cu semnul plus). Oxigenul, care face parte din combustibil, înlocuiește parțial oxigenul din aer, astfel încât termenul corespunzător din formula (5.1) este luat cu semnul minus. Când umiditatea se evaporă, căldura este consumată, astfel încât termenul corespunzător care conține W este luat și cu semnul minus.
Compararea datelor calculate și experimentale privind puterea calorică a diferiților combustibili (lemn, turbă, cărbune, petrol) a arătat că calculul conform formulei Mendeleev (5.1) dă o eroare care nu depășește 10%.
Puterea calorică netă Q n(MJ/m 3) gazelor combustibile uscate pot fi calculate cu suficientă precizie ca suma produselor din puterea calorică a componentelor individuale și procentul acestora în 1 m 3 de combustibil gazos.
Q n= 0,108[Н 2 ] + 0,126[СО] + 0,358[CH 4 ] + 0,5[С 2 Н 2 ] + 0,234[Н 2 S ]…, (5,2)
unde conținutul procentual (vol.%) al gazelor corespunzătoare din amestec este indicat între paranteze.
Puterea calorică medie a gazelor naturale este de aproximativ 53,6 MJ/m 3 . În gazele combustibile produse artificial, conținutul de CH 4 metan este neglijabil. Principalele componente combustibile sunt hidrogenul H2 și monoxidul de carbon CO. În gazul cuptorului de cocs, de exemplu, conținutul de H2 atinge (55 ÷ 60)%, iar puterea calorică netă a unui astfel de gaz ajunge la 17,6 MJ/m 3 . În gazul generator, conținutul de CO ~ 30% și H 2 ~ 15%, în timp ce puterea calorică netă a gazului generator Q n= (5,2÷6,5) MJ/m 3 . În gazul de furnal, conținutul de CO și H2 este mai mic; magnitudinea Q n= (4,0÷4,2) MJ/m 3 .
Luați în considerare exemple de calcul al puterii calorice a substanțelor folosind formula Mendeleev.
Să determinăm puterea calorică a cărbunelui, a cărei compoziție elementară este dată în tabel. 5.4.
Tabelul 5.4
Compoziția elementară a cărbunelui
Să înlocuim datele din tab. 5.4 date în formula Mendeleev (5.1) (azotul N și cenușa A nu sunt incluse în această formulă, deoarece sunt substanțe inerte și nu participă la reacția de ardere):
Q n=0,339∙37,2+1,025∙2,6+0,1085∙0,6–0,1085∙12–0,025∙40=13,04 MJ/kg.
Să determinăm cantitatea de lemn de foc necesară pentru a încălzi 50 de litri de apă de la 10 ° C la 100 ° C, dacă 5% din căldura eliberată în timpul arderii este cheltuită pentru încălzire și capacitatea de căldură a apei Cu\u003d 1 kcal / (kg ∙ grade) sau 4,1868 kJ / (kg ∙ grade). Compoziția elementară a lemnului de foc este dată în tabel. 5.5:
Tabelul 5.5
Compoziția elementară a lemnului de foc
Să aflăm puterea calorică a lemnului de foc conform formulei lui Mendeleev (5.1):
Q n=0,339∙43+1,025∙7–0,1085∙41–0,025∙7= 17,12 MJ/kg.
Determinați cantitatea de căldură consumată pentru încălzirea apei la arderea a 1 kg de lemn de foc (ținând cont de faptul că 5% din căldura (a = 0,05) degajată în timpul arderii este cheltuită pentru încălzirea acesteia):
Q 2=a Q n=0,05 17,12=0,86 MJ/kg.
Determinați cantitatea de lemn de foc necesară pentru a încălzi 50 de litri de apă de la 10° C la 100° C:
kg.Astfel, pentru încălzirea apei sunt necesare aproximativ 22 kg de lemn de foc.
Clasificarea gazelor combustibile
Pentru aprovizionarea cu gaze a orașelor și a întreprinderilor industriale, se folosesc diverse gaze combustibile, care diferă ca origine, compoziție chimică și proprietăți fizice.
După origine, gazele combustibile sunt împărțite în naturale, sau naturale și artificiale, produse din combustibili solizi și lichizi.
Gazele naturale sunt extrase din sondele zăcămintelor pur gaze sau zăcămintelor de petrol împreună cu petrol. Gazele câmpurilor petroliere se numesc gaze asociate.
Gazele zăcămintelor de gaze pure constau în principal din metan cu un conținut mic de hidrocarburi grele. Se caracterizează prin constanța compoziției și puterea calorică.
Gazele asociate, împreună cu metanul, conțin o cantitate semnificativă de hidrocarburi grele (propan și butan). Compoziția și puterea calorică a acestor gaze variază foarte mult.
Gazele artificiale sunt produse în fabrici speciale de gaze – sau obținute ca produs secundar din arderea cărbunelui în uzinele metalurgice, precum și în rafinăriile de petrol.
Gazele produse din cărbune sunt folosite în țara noastră pentru alimentarea cu gaze urbane în cantități foarte limitate, iar greutatea lor specifică este în continuă scădere. În același timp, producția și consumul de gaze de hidrocarburi lichefiate, obținute din gazele petroliere asociate la uzinele de gaz-benzină și la rafinăriile de petrol în timpul rafinării petrolului, este în creștere. Gazele de hidrocarburi lichide utilizate pentru alimentarea cu gaze urbane constau în principal din propan și butan.
Compoziția gazelor
Tipul de gaz și compoziția sa predetermină în mare măsură domeniul de aplicare al gazului, schema și diametrele rețelei de gaze, soluțiile de proiectare pentru arzătoare cu gaz și unități individuale de conducte de gaz.
Consumul de gaz depinde de puterea calorică, și de aici de diametrele conductelor de gaz și de condițiile de ardere a gazelor. La utilizarea gazului în instalații industriale, temperatura de ardere și viteza de propagare a flăcării și constanța compoziției combustibilului gazos sunt de mare importanță.Compoziția gazelor, precum și proprietățile fizico-chimice ale acestora, depind în primul rând de tipul și metoda de obținere. gazele.
Gazele combustibile sunt amestecuri mecanice de diferite gaze<как горючих, так и негорючих.
Partea combustibilă a combustibilului gazos include: hidrogen (H 2) - un gaz fără culoare, gust și miros, puterea sa calorică inferioară este 2579 kcal / nm 3 \ metanul (CH 4) - un gaz incolor, insipid și inodor, este principala parte combustibilă a gazelor naturale, puterea sa calorică inferioară este de 8555 kcal / nm 3; monoxid de carbon (CO) - un gaz incolor, insipid și inodor, obținut din arderea incompletă a oricărui combustibil, foarte toxic, cu putere calorică scăzută 3018 kcal / nm 3; hidrocarburi grele (C p N t), Cu acest nume<и формулой обозначается целый ряд углеводородов (этан - С2Н 6 , пропан - С 3 Нв, бутан- С4Н 10 и др.), низшая теплотворная способность этих газов колеблется от 15226 до 34890 kcal/nm*.
Partea necombustibilă a combustibilului gazos include: dioxid de carbon (CO 2 ), oxigen (O 2) și azot (N 2).
Partea necombustibilă a gazelor se numește balast. Gazele naturale se caracterizează prin putere calorică ridicată și absența completă a monoxidului de carbon. În același timp, o serie de zăcăminte, în principal gaz și petrol, conțin un foarte toxic (și corosiv) - hidrogen sulfurat (H 2 S). Majoritatea gazelor artificiale de cărbune conțin o cantitate semnificativă de gaz foarte toxic - monoxid de carbon (CO). ) Prezența oxidului în carbonul gazului și a altor substanțe toxice este extrem de nedorită, deoarece complică producerea muncii operaționale și măresc pericolul la utilizarea gazului. Pe lângă componentele principale, compoziția gazelor include diverse impurități, a căror valoare specifică este neglijabilă în termeni procentuali. Cu toate acestea, având în vedere că mii și chiar milioane de metri cubi de gaz, cantitatea totală de impurități atinge o valoare semnificativă. Multe impurități cad în conductele de gaz, ceea ce duce în cele din urmă la o scădere a acestora. debitul și, uneori, la o oprire completă a fluxului de gaz. Prin urmare, prezența impurităților în gaz trebuie luată în considerare atât la proiectarea conductelor de gaz, cat si in timpul functionarii.
Cantitatea și compoziția impurităților depind de metoda de producere sau extracție a gazului și de gradul de purificare a acestuia. Cele mai dăunătoare impurități sunt praful, gudronul, naftalina, umezeala și compușii cu sulf.
Praful apare în gaz în timpul producției (extracției) sau în timpul transportului gazului prin conducte. Rășina este un produs de descompunere termică a combustibilului și însoțește multe gaze artificiale. În prezența prafului în gaz, rășina contribuie la formarea de dopuri de gudron și noroi și blocaje în conductele de gaz.
Naftalina se găsește în mod obișnuit în gazele de cărbune artificial. La temperaturi scăzute, naftalina precipită în conducte și, împreună cu alte impurități solide și lichide, reduce aria de curgere a conductelor de gaz.
Umiditatea sub formă de vapori este conținută în aproape toate gazele naturale și artificiale. Intră în gazele naturale în câmpul de gaze datorită contactelor gazelor cu suprafața apei, iar gazele artificiale sunt saturate cu apă în timpul procesului de producție Prezența umidității în gaz în cantități semnificative este nedorită, deoarece reduce puterea calorică. În plus, are o capacitate termică mare de vaporizare, umiditatea în timpul arderii gazului transportă o cantitate semnificativă de căldură împreună cu produsele de ardere în atmosferă. este răcit în timpul „poverii deplasării sale prin țevi, poate crea dopuri de apă în conducta de gaz (în punctele inferioare) pentru a fi șters. Acest lucru necesită instalarea unor colectoare speciale de condens și pomparea acestora.
Compușii cu sulf, așa cum s-a menționat deja, includ hidrogen sulfurat, precum și disulfura de carbon, mercaptan etc. Acești compuși nu numai că afectează negativ sănătatea umană, dar provoacă și coroziune semnificativă a țevilor.
Alte impurități dăunătoare includ compușii de amoniac și cianuri, care se găsesc în principal în gazele de cărbune. Prezența compușilor de amoniac și cianuri duce la creșterea coroziunii metalului țevilor.
Prezența dioxidului de carbon și a azotului în gazele combustibile este, de asemenea, nedorită. Aceste gaze nu participă la procesul de ardere, fiind un balast care reduce puterea calorică, ceea ce duce la creșterea diametrului conductelor de gaz și la scăderea eficienței economice a utilizării combustibilului gazos.
Compoziția gazelor utilizate pentru furnizarea de gaze urbane trebuie să îndeplinească cerințele GOST 6542-50 (Tabelul 1).
tabelul 1
Valorile medii ale compoziției gazelor naturale din cele mai cunoscute câmpuri din țară sunt prezentate în tabel. 2.
Din zăcăminte de gaze (uscate)
Ucraina de Vest. . . 81,2 7,5 4,5 3,7 2,5 - . 0,1 0,5 0,735 Shebelinskoye ................................. 92,9 4,5 0,8 0,6 0,6 ____ . 0,1 0,5 0,603 Regiunea Stavropol. . 98,6 0,4 0,14 0,06 - 0,1 0,7 0,561 Regiunea Krasnodar. . 92,9 0,5 - 0,5 _ 0,01 0,09 0,595 Saratov ............................... 93,4 2,1 0,8 0,4 0,3 Urme 0,3 2,7 0,576 Gazli, regiunea Bukhara 96,7 0,35 0,4" 0,1 0,45 0,575 Din zăcăminte de petrol și gaze (asociate) Romashkino ............................... 18,5 6,2 4,7 0,1 11,5 1,07 7,4 4,6 ____ Urme 1,112 __ . Tuymazy ............................... 18,4 6,8 4,6 ____ 0,1 7,1 1,062 - Ashy....... 23,5 9,3 3,5 ____ 0,2 4,5 1,132 - Îndrăzneață........................................... . 2,5 . ___ . 1,5 0,721 - Ulei de Syzran ............................... 31,9 23,9 - 5,9 2,7 0,8 1,7 1,6 31,5 0,932 - Ishimbay ............................... 42,4 20,5 7,2 3,1 2,8 1,040 _ Andijan. ............................... 66,5 16,6 9,4 3,1 3,1 0,03 0,2 4,17 0,801 ; Puterea calorică a gazelor
Cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii complete a unei cantități unitare de combustibil se numește putere calorică (Q) sau, așa cum se numește uneori, putere calorică sau putere calorică, care este una dintre principalele caracteristici ale combustibilului.
Puterea calorică a gazelor este de obicei denumită 1 m 3, luate în condiții normale.
În calculele tehnice, condițiile normale sunt înțelese ca starea gazului la o temperatură egală cu 0 ° C și, la o presiune de 760 mmHg Artă. Se notează volumul de gaz în aceste condiții nm 3(metru cub normal).
Pentru măsurătorile industriale ale gazelor în conformitate cu GOST 2923-45, temperatura de 20 ° C și presiunea de 760 sunt considerate condiții normale mmHg Artă. Volumul de gaz se referea la aceste condiții, spre deosebire de nm 3 vom suna m 3 (metru cub).
Puterea calorică a gazelor (Q)) exprimat în kcal/nm e sau în kcal/m3.
Pentru gazele lichefiate, puterea calorică se referă la 1 kg.
Există putere calorică mai mare (Q in) și mai mică (Q n). Puterea calorică brută ia în considerare căldura de condensare a vaporilor de apă formată în timpul arderii combustibilului. Puterea calorică netă nu ține cont de căldura conținută în vaporii de apă ai produselor de ardere, deoarece vaporii de apă nu se condensează, ci sunt transportați cu produsele de ardere.
Conceptele de Q in și Q n se aplică numai acelor gaze, în timpul arderii cărora se eliberează vapori de apă (aceste concepte nu se aplică monoxidului de carbon, care nu dă vapori de apă în timpul arderii).
Când vaporii de apă se condensează, se eliberează căldură egală cu 539 kcal/kg.În plus, atunci când condensul este răcit la 0°C (sau 20°C), căldura este eliberată, respectiv, în cantitate de 100 sau 80 kcal/kg.
În total, datorită condensării vaporilor de apă, căldura este eliberată mai mult de 600 kcal/kg, care este diferența dintre puterea calorică brută și cea netă a gazului. Pentru majoritatea gazelor utilizate în alimentarea cu gaze urbane, această diferență este de 8-10%.
Valorile puterii calorice a unor gaze sunt date în tabel. 3.
Pentru alimentarea cu gaze urbane se folosesc în prezent gaze care, de regulă, au o putere calorică de cel puțin 3500 kcal / nm 3. Acest lucru se explică prin faptul că, în condițiile orașelor, gazul este furnizat prin conducte pe distanțe considerabile. Cu o putere calorică scăzută, este necesar să se furnizeze o cantitate mare. Acest lucru duce inevitabil la o creștere a diametrelor conductelor de gaze și, în consecință, la o creștere a investițiilor metalice și a fondurilor pentru construcția rețelelor de gaze și, ulterior, la o creștere a costurilor de exploatare. Un dezavantaj semnificativ al gazelor cu conținut scăzut de calorii este că în majoritatea cazurilor conțin o cantitate semnificativă de monoxid de carbon, ceea ce crește pericolul la utilizarea gazului, precum și la întreținerea rețelelor și instalațiilor.
Gaz cu putere calorică mai mică de 3500 kcal/nm 3 cel mai des folosit în industrie, unde nu este necesară transportarea lui pe distanțe mari și este mai ușor de organizat incinerarea. Pentru alimentarea cu gaze urbane, este de dorit să existe o putere calorică constantă a gazului. Fluctuațiile, așa cum am stabilit deja, nu sunt permise mai mult de 10%. O modificare mai mare a puterii calorice a gazului necesită o nouă ajustare și, uneori, o schimbare a unui număr mare de arzătoare unificate pentru aparatele de uz casnic, care este asociată cu dificultăți semnificative.
