Теплота сгорания топлив

Теплота сгорания топлив — одна из важнейших характеристик, позволяющая оценивать энергетические возможности топлива. Теплотой сгорания называют количество тепловой энергии, выде­ляемое при полном сгорании 1 кг топлива. Единицей теплоты сго­рания является килоджоуль на килограмм (кДж/кг).

Теплота сгорания топлива зависит от его химического состава, т. е. от элементного состава и от прочности связей в молекулах топлива и продуктов окисления.

Из элементов, входящих в состав углеводородного топлива, наибольшей теплотой сгорания обладает водород — 143000 кДж/кг, теплота сгорания углерода—32500 кДж/кг. Чем больше водорода содержится в топливе, тем выше теплота его сго­рания. Парафиновые углеводороды содержат водорода больше, чем нафтены в 1,1 раза, а по сравнению с ароматическими в 1,5...2 раза. Так, теплота сгорания парафиновых углеводородов (для смеси молекул с С=9...15) равна 44000 кДж/кг, нафтено­вых (с С=5...15)—43500, а ароматических (с С=7...10)— всего 41 000 кДж/кг.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теп­лотой сгорания называют все тепло, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива. При определении низшей теплоты сгорания не учи­тывается тепло, выделяющееся при конденсации паров воды из продуктов сгорания (2500 кДж/кг). При сгорании 1 кг топлива выделяется 9 [Н] кг воды. Продукты сгорания, выбрасываемые из двигателя, имеют температуру выше 100°С, вследствие чего теп­ло конденсации воды не может быть превращено в полезную ра­боту. Поэтому при оценке теплоты сгорания топлива пользуются значением низшей теплоты сгорания.

Теплота сгорания может быть определена расчетным путем и экспериментально.

Для определения теплоты сгорания пользуются эмпирическими формулами:

высшая теплота сгорания

Qв=32500 [С]+143 000 [Н]—1800 кДж/кг;

низшая теплота сгорания

Qн=(Qв— 2500.9 [Н]=Qв—22500 [Н] кДж/кг.

Экспериментально теплоту сгорания определяют сжиганием в калориметре в среде сжатого кислорода 0,5... 0,6 г топлива. Вы­деленную теплоту рассчитывают по нагреву воды в калориметри­ческом сосуде.

Теплота сгорания, например, топлива РТ должна быть не ни­же 43 120 кДж/кг. От значения теплоты сгорания зависят эконо­мичность двигателя и дальность полета ВС.

Экономичность двигателя характеризуется удельным расходом топлива, т. е. отношением часового расхода топлива Ст.ч к тяге двигателя Р:

Cуд=Qт.ч. / P = 3600Q /(ε Qн Руд)

где Q — количество тепла, подведенного к воздуху в камере сго­рания; ε—коэффициент полноты сгорания; Руд—удельная тяга;

Qн — низшая теплота сгорания топлива.

Чел; больше теплота сгорания, тем больше дальность полета ВС при неизменном запасе топлива на борту. Это следует из формулы

L = 0.427 K η Qн lп Gн/(Gн - Gт)

где L— дальность полета; К— аэродинамическое качество ВС;

η —полный КПД двигателя; Gн —начальная масса ВС перед взлетов; Gт —масса топлива.

Теплота сгорания 1 кг горючей смеси

Q см = Qн / (1+ α lo)

Это уравнение справедливо лишь при α>1, так как при α <1 часть топлива не сгорает и его теплота сгорания не реализуется.

Тяга двигателя зависит от газообразующей способности топ­лива. Чем больше объем газов, служащих рабочим телом, тем вы­ше скорость их истечения из сопла двигателя и, следовательно, тем больше тяга. Под газообразованием понимается приведенный к нормальным условиям (9,8-10⁴ Па, 0°С) объем газов (V газ) образующийся при сгорании 1 кг топлива. Его можно подсчитать, зная, что 1 кг/моль любого газа при нормальных условиях имеет объем 22415 л и, следовательно, объем 1 кг газа в нормальных условиях равен

V газ = 22415/ μ

где μ. — молекулярная масса.

Например, 1 кг С02 (μ = 44,01) занимает объем 509 л, а 1 кг пара воды (μ = 18,02)—1243 л. Отсюда видно, что водород при сгорании образует гораздо больший объем газов, чем углерод. Это значит, что при одинаковой температуре в камере сгорания эти газы имели бы разное давление, следовательно, и разную скорость истечения.

Скорость истечения газа зависит также от его температуры. Среднюю температуру рабочего газа можно приблизительно опре­делить по формуле

Тг = Qн / C_p^г (1+ α lo) = Qн / (C_p^л V газ)

где C_p^г —теплоемкость 1 кг рабочего газа; C_p^л —теплоемкость 1 л рабочего газа; lо—теоретически необходимое количество возду­ха для сгорания 1 кг топлива.

Из этого уравнения следует, что чем больше потребное коли­чество воздуха для окисления топлива, чем выше газообразование и чем больше теплоемкость рабочего газа, тем ниже температура. Поэтому топлива, содержащие больше водорода (например, пара­финовые углеводороды), имеют более низкую температуру сгора­ния (на 50... 100 °С), чем ароматические. Это особенно важно при увеличении теплоты сгорания топлива, так как позволяет полу­чить прирост полезной работы (удельной тяги) непосредственно за счет увеличения объема рабочего тела, а не путем повышения температуры газа, которое вызывает снижение КПД двигателя из-за диссоциации продуктов сгорания.

Дата добавления: 2015-07-11