Методика расчета термодинамических характеристик

Теплота сгорания вещества (Q) – тепловой эффект реакции окисления кислородом элементов, входящих в состав этого вещества до образования высших оксидов (CO_2(г), H₂O_(ж)). Теплоту сгорания обычно относят к стандартному состоянию (р=101,3 кПа; Т=298 К), одному молю топлива и называют стандартной теплотой сгорания (кДж/моль).

Для углеводородов продуктами сгорания являются СО_{2 (газ)} и Н₂О_(ж). Азот, входящий в состав сжигаемого соединения, превращается в N₂; галогены – в HCl, HBr, HJ; сера – в SO₂.

Сгорание топлива – быстрая реакция взаимодействия углеводородов и примесей топлива с кислородом воздуха. При сгорании происходит превращение химической энергии топлива в тепловую и далее в механическую.

При сгорании топлива выделяется тепло, количество которого зависит от состава горючей смеси и свойств самого топлива.

Способность топлива выделять при полном сгорании то или иное количество тепла обусловливается его теплотой сгорания (теплотворной способностью).

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Если вода, содержащаяся в топливе и образующаяся при сгорании водорода топлива, присутствует в виде жидкости, то количество выделившейся теплоты характеризуется высшей теплотой сгорания, если – в виде пара, то теплота сгорания называется низшей.

Высшая теплота сгорания топлива –количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

Низшая теплота сгорания топлива – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, но без учета теплоты конденсации водяного пара.

В двигателях внутреннего сгорания температура выходящих газов выше температуры конденсации водяных паров, поэтому при расчетах пользуются значениемнизшей теплоты сгорания.

Реакция сгорания может быть выражена следующим уравнением:

С_nН_mO_r + ×(O₂ + 3,75 N₂)

n CO₂(г) + H₂O(ж) + ×3,75 N₂, (1)

где n, m, r – число атомов углерода, водорода и кислорода, соответственно, в соединении (топливо); (О + 3,75N₂) – состав воздуха, моль.

Расчет теплоты сгорания, как любого теплового эффекта, проводится с использованием закона Гесса [1, 2].

Высшая энтальпия сгорания топлива рассчитывается в соответствии с уравнением реакции (1), (кДж/моль топлива):

,

где – стандартная энтальпия сгорания исходных органических веществ, кДж/моль; – стандартная энтальпия сгорания конечных продуктов, кДж/моль.

Энтальпии сгорания H₂O_(ж), CO_2(г) и N_2(г) принимаются равными нулю, так как они являются конечными продуктами сгорания.

Тогда высшая энтальпия сгорания может быть рассчитана по уравнению:

.

Высшая теплота сгорания топлива (теплотворная способность топлива) Q_В (кДж/кг, МДж/кг топлива) рассчитывается по уравнению:

Q_В

где М – масса моля топлива, г/моль.

Для сравнения различных топлив по теплотворной способности в качестве базы принята единица условного топлива (у.т.), имеющего теплоту сгорания, равную 29,3 МДж/кг твердого и жидкого топлива и 29,3 МДж/м³ газообразного топлива.

Низшая энтальпия сгорания топлива (кДж/моль топлива) рассчитывается по уравнению реакции (2):

С_nН_mO_r + ×(O₂+3,75 N₂)

n CO₂(г) + H₂O(г)+ ×3,75 N₂, (2)

.

Низшая энтальпия сгорания топлива отличается от высшей на энтальпию конденсации водяного пара ( =−44,01 кДж/моль). Поэтому

.

Низшая теплота сгорания топлива Q_Н (кДж/ кг, МДж/кг топлива)

QH

где М − масса моля топлива, г/моль.

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха / кг топлива) для реакции (1) рассчитывается по уравнению:

,

где М , М , М _{топлива} – масса моля кислорода, азота и топлива, соответственно, г/моль.

От соотношение топлива и воздуха зависит соотношение между СО₂ и СО в продуктах горения.

В реальных условиях воздух для сгорания подается с некоторым избытком. Подвод большего количества воздуха по сравнению с теоретически необходимым обусловливается тем, что на практике не достигается полного и достаточно быстрого перемешивания поступающего воздуха с топливом, из-за чего температура топливовоздушной смеси может упасть ниже температуры воспламенения топлива, при этом часть его не успевает сгореть. Если подача воздуха недостаточна, то топливо сгорает не полностью, в продуктах горения увеличивается доля СО. Поэтому необходимо соблюдать оптимальное соотношение между топливом и воздухом.

Количество топливовоздушной смеси (М₁, моль) для реакции (1) равно:

М₁ = 1топлива + ×(О₂ + 3,75N₂).

Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси (калорийность стехиометрической смеси топлива с воздухом, q_н, кДж/м³) рассчитывается как отношение теплоты сгорания единицы топлива к общему количеству горючей смеси:

где 22,4·10^-3 м³ /моль – объем моля топлива при нормальных условиях.

Полученные результаты представляют в виде таблицы, в которой сравниваются характеристики традиционного вида топлива (бензина) и вещества, предлагаемого в качестве альтернативного топлива (табл. 4).

Таблица 4

Сравнительные характеристики (Q_н, , q_н) данного