Види палив, їх склад, теплова цінність та поняття про процес горіння

Паливо поділяють за агрегатним станом на тверде, рідке та газоподібне. Також розрізняють низькокалорійні, середньо- і висококалорійні види палив, які за способом одержання поділяють на природні (вугілля, торф, природний газ) та штучні (бензин, дизельне паливо, кокс, генераторний газ).

Паливо містить горючу і негорючу частини. Горюча частина палив складається з органічних сполук, до складу яких входить: вуглець (С), водень (Н), сірка (S), кисень (О) і азот (N). Негорюча частина складається з вологи (W) і мінеральних домішок, які під час згоряння утворюють золу (А).

Цінність будь-якого палива визначається за кількістю теплової енергії, що міститься в одиниці його маси або об’єму. Розрізняють вищу (Q_в) та нижчу (Q_н) питому теплоту згоряння палива, яку визначають експериментальним способом або розраховують за формулами Д.І. Менделєєва:

(1)

де C, H, O, S, W – елементний склад палива, %; 25 – коефіцієнт, який враховує втрати теплоти, що виноситься продуктами згоряння в атмосферу
(2500 кДж/кг); 9Н – число масових частин води, що утворюються під час згоряння однієї масової частини водню.

Теплоту згоряння газоподібного палива, кДж/м³ у розрахунку на суху масу визначають за формулами:

(2)

де СО, Н ₂, СН ₄, С _n H _m – склад газоподібного палива, відсотки за об’ємом при нормальних умовах (0^о С, тиск 760 мм. рт. ст.); n, m – кількість атомів вуглецю і водню.

Теплоту згоряння робочої маси газоподібного палива, що містить вологу, підраховують за формулою:

(3)

де 0,805 – маса 1 м³ газу, кг.

Для порівняння різних видів палива, обліку загальних запасів і складання замовлень встановлено еталон – умовне паливо, теплота згоряння якого становить 29307 кДж/кг або кДж/м³. Порівнюючи різні види палив визначають їх
теплові (калорійні) еквіваленти з виразу:

. (4)

Зокрема, тепловий еквівалент бензину становить 1,5, дизельного палива – 1,45, кам’яного вугілля – 1, деревини – 0,43, природного газу – 1,21.

Горінням називають швидкоплинну реакцію окиснення, яка супроводжується виділенням теплоти і випромінюванням світла. Це складний процес, під час якого хімічні реакції супроводжуються фізичними явищами: перемішуванням палива і повітря, дифузією, теплообміном тощо. Розрізняють гомогенне горіння, коли паливо і окиснювач є в газоподібному стані; гетерогенне, коли речовини перебувають у різному агрегатному стані, наприклад, рідкі та газоподібні. Також горіння розділяють на кінетичне і дифузійне. Якщо процес утворення суміші палива і повітря передує горінню, то його називають кінетичним; якщо процеси відбуваються одночасно – дифузійним. На практиці, як правило, відбувається змішане горіння – дифузійно-кінетичне.

Вид палива, його властивості визначають особливості процесу горіння. Згоряння твердого палива може відбуватися у товщині шару, а також у пилоподібному стані, що збільшує ефективність використання палив з високим вмістом вологи і золи. Згоряння твердого палива у шаровій камері згоряння складається з таких стадій: випаровування вологи, виділення та горіння горючих летких речовин і горіння безпосередньо на колосниковій решітці.

Рідке паливо переводять у газоподібний стан і перемішують з повітрям. Цей спосіб застосовують для спалювання палив легкого фракційного складу в карбюраторних двигунах. Також рідке паливо спалюють в крапельному вигляді, розпилюючи спеціальними пристроями – форсунками.

Спалювання газоподібного палива здійснюється за допомогою газових пальників. Газ і повітря, необхідні для горіння, подаються через пальник у топкову камеру, де утворюється факел.

Співвідношення палива і окиснювача, яке відповідає хімічній реакції повного окиснення паливних елементів (повне згоряння), називається стехіометричним.

Теоретично необхідну кількість повітря у м³ для спалювання 1 кг палива визначають за формулою:

, (5)

де 23,2 – відсотковий вміст кисню в повітрі від загальної маси; 1,29 – маса 1 м³ повітря.

Кількість повітря, яке необхідне для спалювання 1м³ газоподібного палива, визначають за формулою:

, (6)

де n і m – відповідно число атомів вуглецю і водню; 21 – вміст кисню у повітрі, % загального об’єму.

Повне спалювання, як правило, відбувається за умови надлишку повітря. Відношення дійсної витрати повітря (L_д) до теоретично необхідної для спалювання 1 кг (1 м³) палива називають коефіцієнтом надлишку повітря (a):

. (7)

Суміш палива і повітря називають пальною сумішшю, яка може бути: нормальною (a =1), бідною (a >1), багатою (a <1), при значеннях, близьких до 1, – збідненою або збагаченою.

У процесі повного згоряння палива коефіцієнт a визначають за формулою:

; (8)

при неповному:

, (9)

де О ₂, СО, N ₂ – об’єм (%) у продуктах згоряння відповідно кисню, оксиду вуглецю і азоту N ₂=100-(СО ₂+ О ₂+ СО).

Залежно від галузі застосування нафтові палива розподіляють на групи і підгрупи (табл. 1).

Таблиця 1

Класифікація нафтових палив згідно з ГОСТ 4.25-83

Група палива	Підгрупа палива	Умовне позначення марок
бензин	авіаційний	Б
автомобільний	А
газотурбінне	реактивне	Р
для корабельних і стаціонарних двигунів	Г
дизельне	для високооборотних двигунів (дистилятне)	Д
для середньо і малооборотних двигунів	ДТ
мазут	флотський	Ф
топковий	М
мартенівський	МП
побутове	пічне	П
керосин	К

Запитання і завдання для самоконтролю

1. Дати визначення теплоти згоряння палива. Описати аналітичний і калориметричний способи визначення теплоти згоряння [1, с. 8-10]; [2, с. 12-14].

2. Визначити кількість повітря, необхідного для спалювання 1 кг палива [1, с. 13, 14]; [2, с. 17-18].

3. Охарактеризувати вплив надлишку та нестачі повітря на процес горіння, дати визначення коефіцієнта надлишку повітря [1, с. 14]; [2, с. 18, 19].

4. Що називається горінням? Які розрізняють його типи? [1, с. 11, 12]; [2, с. 16].

5. Як здійснюють порівняння різних видів палива за теплотворною здатністю? [1, с. 10]; [2, с. 14].

6. Як класифікуються палива? [1, с. 5, 6]; [2, с. 7 8].

7. З яких частин складається паливо? [1, с. 6-8]; [2, с. 8-12]; [4, с. 6-10].

8. Запишіть рівняння елементного складу палива. [1, с. 7]; [2, с. 9-11].

9. Яка відмінність між вищою і нижчою теплотою згоряння палива? [1, с. 8]; [2, с. 12-13].

10. У чому суть спалювання рідкого, твердого та пилоподібного палива? [1, с. 12, 13].

Дата добавления: 2015-11-14