2. 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 значением низшей 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