3.3. Моторные топлива для поршневых двс.

Основными моторными топливами являются бензины и дизельные топлива, получаемые путем переработки нефти. Кроме этого также используют сжатые и сжиженные газы; синтетические топлива, получаемые переработкой угля, сланцев, битумонозных песков; спирты; эфиры. Автомобильные бензины представляют собой смеси углеводородов, выкипающих в диапазоне температур 35…205?С и вырабатываются следующих марок: по ГОСТу 2084-77 А-76, АИ-93 (А-92), АИ-95, а также неэтилированный АИ-91; экспортные бензины А-80, А-92, А-96, с улучшенными экологическими свойствами – НОРСИ АИ-80, НОРСИ АИ-92, НОРСИ АИ-95. Цифры в марке бензина показывает октановое число (ОЧ), которое характеризует детонационную стойкость бензина. Дизельные топлива вырабатываются в основном из гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти. В Росиии вырабатывают три сорта дизельного топлива: "л" (летнее) – для эксплуатации при температуре 0?С и выше; "з" (зимнее) - для эксплуатации при температуре -20?С и выше; "а" (арктическое) - для эксплуатации при температуре -50?С и выше. Углеводородные газообразные топлива при нормальных условиях подразделяют на сжатые (СПГ) и сжиженные (СНГ). В качестве сжатого газа используют природный газ (95% метана СН₄). Сжиженные газы являются продуктами переработки попутных газов и газов газоконденсатных месторождений и восновном содержат бутанпропановые и бутиленпропиленовые смеси, находящиеся при нормальной температуре в жидком состоянии. Основным преимуществом гакзовых топлив является их чистота, более легкий запуск в холодное время, высокие экологические качества.

3.4. Физические основы процесса горения топлива.

Горение топлива – химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты. Окислителем служит кислород воздуха.

Процессы горения разделяют на 2 группы: 1). гомогенное горение – горение газообразных горючих (характеризуется системой "газ + газ"); 2). гетерогенное горение – горение твердых и жидких горючих (характеризуется системой "твердое тело + газ" или "жидкость + газ"). Процесс горения может протекать с разной скоростью – от медленного до мгновенного. В теплоэнергетических установках практическое значение имеет такая скорость реакции, при которой происходит устойчивое горение, т.е. при постоянной подаче в зону горения топлива и окислителя. При этом соотношение концентрации топлива и окислителя должен быть определенным. При нарушении этого соотношения (богатая смесь, бедная смесь) скорость реакции снижается и уменьшается тепловыделение на единицу объема.

Горение – это в основном химический процесс, т.к. в результате его протекания происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др.

Горение газообразного топлива. Минимальная температура, при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси, условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретном устройстве и т.д.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Различают два метода сжигания газа в факеле – кинетический и диффузионный. При кинетическом сжигании до начала горения газ предварительно смешивается с окислителем. Газ и окислитель подают вначале в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических реакций горения. Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом.

Кроме этого существует смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. В этом случае газ предварительно смешивается с некоторым количеством воздуха, затем полученная смесь поступает в рабочий объем, где отдельно подается остальная часть воздуха.

В топках котельных агрегатов в основном используют кинетический и смешанный способы сжигания топлива.

Горение твердого топлива. Процесс горения состоит из следующих стадий: 1) подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ; 2) воспламенение летучих веществ и их выгорание; 3) нагревание кокса до воспламенения; 4) выгорание горючих веществ из кокса. Эти стадии иногда частично накладываются одна на другую. Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: от 550К у торфа, до 1070К у антрацита.

Горение жидкого топлива. Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике является мазут. В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами.

Наибольшее применение получил метод сжигания жидкого топлива в распыленном состоянии. Этот метод позволяет значительно ускорить сгорание топлива и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Процесс горения жидкого топлива можно разделить на следующие стадии: 1) нагревание и испарение топлива; 2) образование горючей смеси; 3) воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры, раскаленной спирали и т.п.); 4) собственно горение смеси.

3.5. Расчет процессов горения топлива.

Расход воздуха на сжигание топлива.

Все расчеты процессов горения топлива ведутся на основе стехиометрических уравнений реакции горения:

С + О₂ = СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; S + O₂ = SO₂.

Из уравнений видно, что для сжигания 12 кг углерода необходимо 32 кг кислорода и при этом образуется 44 кг СО₂. Для сжигания 4 кг водорода необходимо 32 кг кислорода и при этом образуется 36 кг водяного пара. Для сжигания 32 кг серы необходимо 32 кг кислорода и при этом образуется 64 кг SО₂. Следовательно, для полного сгорания 1 кг углерода теоретически требуется затратить 32/12 = 2,67 кг кислорода, для 1 кг водорода 32/4 = 8 кг О₂, а для 1 кг серы 32/32 = 1 кг О₂. Часть кислорода содержится в топливе (0,01О^р кг/кг), остальное, в количестве М_O2 = 0,01(2,67С^р + 8Н^р + S^p – О^р) кг/кг нужно подать с воздухом. Если учесть, что массовая доля кислорода в воздухе 0,231, а плотность воздуха при нормальных условиях 1,293 кг/м³, то получим объем воздуха теоретически необходимого для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг:

V⁰ = M_O2/0,2311,293 = 0,0889(С^р + 0,375S^p) +0,265Н^р – 0,0333О^р.

По аналогии можно получить формулу для определения расхода воздуха при сжигании газообразного топлива, м³/м³:

.

На практике не удается осуществить полное горение топлива с теоретическим количеством воздуха. Это объясняется неравномерной подачей воздуха, недостаточным перемешиванием воздуха с топливом, несовершенством топочных устройств и т. д.

Для достижения более полного горения топлива воздух в топочную камеру подают с избытком. Отношение действительного объема воздуха V к теоретически необходимому – V⁰ называется коэффициентом избытка воздуха:

 = V/V⁰ > 1,

откуда действительный объем воздуха необходимого для сжигания топлива V =  V⁰.

Коэффициент избытка воздуха в зависимости от вида топлива и способа сжигания колеблется в пределах 1,05-1,6. Чем лучше смешивание топлива с воздухом, тем меньше .

Состав и объем продуктов сгорания топлива.

В результате полного сжигания топлива в теоретических условиях образуются продукты сгорания, состоящие из диоксида углерода – CO₂, водяного пара – H₂O, диоксида серы – SO₂, азота – N₂. CO₂ и SO₂ принято объединять и называть «сухие трехатомные газы», обозначая RO₂.

Объемы продуктов сгорания определяют на основании стехиометрических уравнений (как и объем воздуха необходимый для горения). Например, при сжигании 1 кг углерода образуется 44/12 = 3,67 кг СО₂ и т.д. Для упрощения расчетов серу замещают эквивалентным количеством углерода . Далее учитывая, что плотность СО₂ равна 1,977 кг/м³ получим объем трехатомных газов, м³/кг:

.

Объем азота в продуктах сгорания складывается из объема азота, содержащегося в подаваемом воздухе, и азота содержащегося в топливе. Окончательно:

.

Наличие водяных паров в продуктах сгорания обусловлено горением водорода, испарением влаги топлива и влаги поступающей с воздухом (влагосодержание воздуха принимается d = 10 г/кг). Тогда теоретический объем водяных паров равен:

.

Аналогично получают формулы для расчета продуктов сгорания газообразного топлива.

С учетом избытка воздуха, подаваемого для горения, действительный объем продуктов сгорания будет больше и рассчитывается по формуле:

.

Энтальпия воздуха и продуктов сгорания.

При расчетах принято относить энтальпию воздуха и продуктов сгорания к 1 кг твердого или жидкого топлива, или к 1 м³ газообразного топлива.

Энтальпия теоретического количества воздуха, кДж/кг или кДж/м³:

,

где С_в  объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³К);

  температура продуктов сгорания, ^оС.

Энтальпия продуктов сгорания определяется как сумма энтальпий всех составляющих газов:

,

где ­– энтальпия теоретического объема продуктов сгорания

;

С  объемная теплоемкость соответствующих газов, кДж/(м³К).