ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки
Глава IОСНОВНЫЕ 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.