12.4. Закон Гесса

Закон Гесса, называемый иначе законом постоянства сумм тепла, гласит, что общий тепловой эффект ряда последовательных превращений (химических реакций) зависит только от начального (топливо – воздух) и конечного (продуктов сгорания) состояния, но не зависит от пути, по которому протекает процесс.

Согласно закону Гесса для определения количества тепла, выделяющегося в результате сгорания топлива, нет необходимости знать, какие реакции в какой последовательности проходят, а нужно только знать начальное состояние системы «топливо – воздух» и её конечное состояние (состав продуктов сгорания).

Горение – это окисление горючих элементов топлива кислородом, сопровождающееся выделением теплоты. В зависимости от скорости распространения пламени различают нормальное горение и горение со взрывом. При нормальном горении скорость распространения пламени равна 15…20 м/с, а при взрыве 2000…3000 м/с. Чтобы топливо начало гореть его необходимо нагреть до определённой температуры, называемой температурой воспламенения.

Горение топлива может быть:

• полным – с образованием негорючих продуктов сгорания (углекислоты СО₂, водяных паров H₂O, сернистого ангидрида S₂O);

• неполным, когда в составе продуктов сгорания имеются СО, СН₄ и Н₂ и различные углеводороды. Содержание углеводородов невелико и ими пренебрегают.

Обычно показателем неполноты сгорания топлива является наличие окиси углерода СО в продуктах сгорания.

На основании закона Гесса можно ограничится рассмотрением конечных реакций горения, опустив все промежуточные, что значительно упрощает все расчеты.

12.5. Количество топлива, необходимое для горения

На основании полученных массовых и объёмных соотношений расчётных реакций горения топлива можно определить теоретическое количество кислорода, а, следовательно, и воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива. Очевидно, что необходимое количество равно сумме масс кислорода, потребное для сжигания горючих элементов топлива, за вычетом кислорода, содержащегося в топливе:

.

Сухой воздух с достаточной для технических расчётов точностью можно принять состоящим из азота и кислорода в следующих отношениях по массе: кислорода 23,2 % и азота 76,8 %.

Необходимое количество сухого воздуха, равно:

,

где – Необходимое количество сухого воздуха, .

Отсюда

.

Зная массу сухого воздуха, вычислим его объём:

где – масса сухого воздуха, ,

или

.

В атмосферном воздухе содержится некоторое количество водяных паров, что следует учитывать при определении массы и объёма воздуха. Влагосодержание обычно колеблется в пределах 8…12 . Объём водяных паров в воздухе, теоретически необходимый для сгорания 1 кг топлива, равен:

,

где d – влагосодержание воздуха, кг/кг; коэффициент 0,804 – плотность водяных паров, кг/нм³.

Окончательно получим:

.

Таким образом, необходимый объём влажного атмосферного воздуха при нормальных условиях равен:

или

. (12.1)

По формуле (12.1) можно определить теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания топлива, которое строго соответствует химическому составу топлива. Однако опыт показывает, что этого количества воздуха недостаточно для полного сжигания топлива. Это объясняется тем, что топочные устройства не могут равномерно, идеально перемешать топливо с воздухом во всём объёме топки. Поэтому приходится увеличивать подачу воздуха сверх теоретически необходимого количества во избежание больших потерь от неполноты сгорания.

Отношение действительно подведенного количества воздуха ( ) к теоретически необходимому для полного сгорания ( ) называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается α.

Значение коэффициента избытка воздуха зависит от рода топлива, способа его сжигания и конструкции топочных устройств. Чем меньше α, тем выше коэффициент полезного действия котла.