Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

Глава I

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА

§ 5. ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТОПЛИВА

Как уже указывалось, горючими элементами в топливе
являются углерод С, водород ? и летучая горючая сера S.
Элементарно их горение может быть представлено следующими уравнениями:

Если предположить, что элементы, входящие в состав топлива,
находятся в нем в виде механической смеси, то теплотворная
способность топлива может быть подсчитана как сумма на основании
сведений о сгорании горючих элементов.

Однако определение теплотворной способности подобными
методами дает значительное расхождение с действительной
теплотворной способностью, определенной методом калориметрирования. Происходит это вследствие того, что нельзя топливо
рассматривать как механическую смесь отдельных элементов.
Молекулы топлива имеют весьма сложное строение, и в процессе
горения происходит химическое разложение молекул с затратой
на эти процессы тепла.

Таким образом, зная элементарный состав топлива, его
теплотворную способность можно только приблизительно определить
по эмпирическим формулам; из них наиболее точная принадлежит
Д. И. Менделееву и выражается так:

QP = ? 1 Ср + 300Нр — 26 (Ор — Sp) шал/кг.

непосредственное определение теплотворной
способности топлива
производится путем сжигания навески топлива в
атмосфере кислорода. Для
этих целей служит так
называемая
калориметрическая бомба,
представляющая собой толстостенный
сосуд, в котором
помещается топливо и
нагнетается кислород до
давления в 25—30 ати.
Бомба (рис. 6) имеет
емкость около 300 смъ в
выполняется из
кислотоупорной стали. В крышке
бомбы располагаются
краны для подвода
кислорода и выпуска
сгоревших газов. Подвод
кислорода производится по
трубке в нижнюю часть
бомбы; отводятся газы
сверху. С крышкой бомбы
соединяется стержень, к
которому прикрепляется
платиновая или
кварцевая чашечка, в нее
помещают навеску твердого
топлива или наливают
жидкое. Стержень и
трубка, подводящая кислород,
образуют электрическую
цепь с топливом, причем
стержень электрически
изолируется от тела
бомбы. По цепи пропускается
электрический ток.
Замыкание цепи производится
стальной тонкой
проволокой.
Навеску твердого топлива берут равной 0,8—1,5 г, жидкого —
0,6—0,8 г. Из навески твердого топлива часто образуют брикетик,
в который и впрессовывается замыкающая сеть запальная
проволока, сгорающая при пропускании через нее электрического тока
напряжением 12—15 в. Проволока, сгорая, поджигает и навеску
топлива. Небрикетирующееся топливо (антрацит, тощий уголь,,
сланцы, очаговые остатки) сжигают в порошкообразном виде.
Запальную проволоку изгибают так, чтобы она соприкасалась с
топливом (с порошком твердого топлива или с жидким топливом).
Бомбу погружают в сосуд, наполненный водой и имеющий
емкость 2 000—2 500 см3. Эгот калориметр в свою очередь помещают
в металлический футляр с двойными стенками, пространство
между которыми заполняют водой. Этот футляр в значительной
степени защищает калориметр от теплообмена с окружающей средой.
Калориметр снабжают особыми мешалками, приводимыми в
движение от электродвигателя и служащими для выравнивания
температуры воды.

Комната для калориметрирования должна быть обособленной,
окна по возможности выходить на север, чтобы избежать
воздействия лучей солнца.
После того как в бомбу положена навеска топлива и впущен
кислород с давлением до 25—30 ати, через электрическую цепь
пропускается ток, запальная проволока и навеска сгорают.
Выделяющееся тепло нагревает воду калориметра; повышение
температуры воды отмечается по специальному термометру с точностью
до 0,001°.

Деления термометра рассматривают через оптическую трубу
прочно прикрепленную к штативу, чем исключается возможность
известных индивидуальных ошибок в определении отметки
стояния ртути.

В топливе и в баллоне с кислородом, откуда последний
поступает в бомбу, имеется некоторое количество азота,
способствующее образованию в бомбе азотной кислоты; точно так же летучая
сера сгорает в присутствии воды в серную кислоту.

Образование этих кислот сопровождается тепловыделением, которое нужно
подсчитать и вычесть из полученной теплотворной способности,
так как в эксплуатационной практике сжигания топлива таких
кислот не образуется. Вода, образующая кислоты, получается в
бомбе за счет конденсации водяных паров; чтобы полностью
обеспечить растворение кислот, в бомбу наливают 10 см3
дистиллированной воды.

При сгорании навески топлива тепло воспринимается не только
водой калориметра, но и всей установкой, состоящей из
калориметрического сосуда с налитой в него водой, мешалки, термометра
и бомбы с ее содержимым. Теплоемкости отдетъных частей
разные, поэтому предварительно бомбу тарируют, сжигая в ней вещество, теплотворная способность которого точно известна и не
изменяется. При этом опыте выясняется водный эквивалент
бомбы, т. е. тепловосприятие всех перечисленных частей установки
заменяется тем же восприятием эквивалентного весового
количества воды. В качестве вещества, сжигаемого при тарировке,
обычно используется навеска бензойной кислоты.

Калориметр, находясь в комнате, даже без сжигания топлива
в зависимости от температурных условий будет отдавать или
воспринимать тепло окружающей среды. Поэтому разность
температур, найденная в интервале от начала сжигания до конца
повышения температуры воды в калориметре, еще не будет
характеризовать теплотворную способность топлива. Надо ввести
поправку на теплообмен прибора с окружающей средой, так как за
это время он в свою очередь мог отдавать или воспринимать
тепло. Систематически записывая температуру воды в течение
некоторого времени до опыта, во время опыта и после, можно
получить эту поправку. Поправка определится на основании
выявления величины изменения температуры воды в калориметре
только вследствие воздействия с окружающей средой. Зная вес
запальной проволоки и ее теплотворную способность, можно
внести поправку и на горение проволоки.

В итоге теплотворная способность топлива по бомбе
определяется следующей формулой:

Азот в калориметрическую бомбу попадает вместе с
кислородом из баллона, а также из навески топлива. В результате окисления азота кислородом при наличии воды образуется азотная
кислота.
Основываясь на результатах многолетних опытов, А. И.
Карелин предложил следующую эмпирическую формулу поправки на
образование азотной кислоты в заданных условиях:
QjV = 0,0015Q6 кал/г. (9)
Поправка утверждена соответствующим ГОСТ.

При сжигании горючей серы, находящейся в топливе,
образуется SO2 и при наличии воды — серная кислота H2SO4. На
каждый грамм летучей серы, находящейся в топливе, при образовании
серной кислоты выделяется 2 250 кал, или на 1 % —22,5 кал. Таким
образом, поправка на образование серной кислоты может быть
выражена так:

более 38=22,5?л кал/г. A0)
Вычитая из величины теплотворной способности, полученной
по бомбе, затрату тепла на образование кислот, определяют
теплотворную способность топлива по так называемому высшему
пределу:
Qb = Q6_0,0015Q6 — 22,55л кал/г. A1)
Если производилось определение теплотворной способности
рабочего топлива, то можно написать
Ql= Ql — Q,Q0\6Ql — 22,5SS ккал\кг, A2)
При экспериментальном определении теплотворной
способности топлива путем калориметрирования пары воды, получившиеся
в результате реакции сгорания, конденсируются на относительно
холодных стенках бомбы, возвращая скрытую теплоту
парообразования. Поэтому теплотворная способность топлива,
определенная в калориметрической бомбе, будет выше того количества
тепла, которое можно реализовать в практических условиях сжи-
сжигания топлива в топках котлов или печей.

Связь между теплотворной способностью по высшему и низшему пределам, учитывая потерю скрытой теплоты
парообразования, может быть определена следующим образом.
Весовое количество водяных паров, образовавшееся в
результате горения водорода, подсчитывается умножением веса водорода, находящегося в 1 кг топлива |-—) [см. формулу A)], на 9,
так как при сгорании 1 кг водорода образуется 9 кг воды. Сюда
прибавляется вес воды (—), находящейся в топливе и испарившейся при его сгорании. Цифровое значение скрытой теплоты
парообразования должно приниматься с учетом парциального
давления водяных паров в отходящих газах и округленно
принимается равным 600 ккал/кг.

Теплотворная способность рабочего топлива определяется по
формуле

Теплотворная способность газообразного топлива также может
определяться в бомбе, но технически такой способ получается
сложным, и для исследований часто пользуются калориметрами
специально приспособленными для сжигания газа.

Взаимный пересчет теплотворной способности одного состава
топлива на другой производится аналогично с пересчетами
элементарного состава, только необходимо учитывать затрату тепла
на испарение воды.

Как отмечалось ранее, теплотворная способность
топлива может быть точно определена только
путем сжигания средней пробы топлива в кг

лориметрической бомбе. Методы отбора средней пробы
топлива подробно будут рассмотрены в § 6. Необходимо только
отметить, что состав большинства топлив весьма непостоянен даже
для одного и того же места добычи, пласта угля, рудника, болота
и т. п., поэтому, чтобы дать характеристику месторождения
топлива, необходимо иметь многочисленные исследования средних
проб и по ним уже судить о некоторых средних цифрах состава
топлива, теплотворной способности его горючей массы и пр. Этим
материалом обладают химические топливные лаборатории СССР,
систематизацию которого пока проводила только лаборатория
ВТИ, периодически опубликовывая качественные
характеристики топлив СССР. На основе этих данных и подсчитана
табл. 2, в которой приводится состав рабочей массы ири
характерных средних цифрах загрязненности золой и влагой. Низшая
теплотворная способность дана для этих средних условий.
Если для заданных условий внешний балласт топлива (зола
и влага) приходится брать отличным от среднего, то нетрудно
сделать пересчет сначала на горючую массу, а затем «а новые
условия.

При проектировании можно брать состав и теплотворную
способность по табл. 2. При экспериментировании отбирается
средняя проба и затем ее исследуют в химической лаборатории, где
определяют как элементарный состав топлива, так и его
теплотворную способность.