Здравствуйте, друзья! Рассчитаем низшую теплоту сгорания топлива для конкретного вида топлива. В качестве исходного топлива примем: Богородицкий Б2 – марки Б, второй группы Богородицкого месторождения. Состав (%): Сг=65,1; Hг=5,2; Oг=22,3; Nг=1,0; Sлг=6,4; зольность на сухое вещество Ас=37,0; влажность Wр=35,0. Б – означает бурый уголь, а 2 – содержание влаги от 30 до 40 %, для данного топлива содержание влаги Wр = 35%. Влага присутствует в рабочем составе топлива. Исключая из рабочего состава влагу, получаем характеристики сухого состава, Ас = 37%. Исключая из сухого состава золу, получаем состав топлива по горючей массе, что позволяет более точно выявить структуру топлива того или иного месторождения, исключив воздействие внешних условий,а именно: метеорологических факторов и способов добычи.
В данном топливе, горючей массе содержание горючих элементов, которые определяют теплоту сгорания, составляет 76,7%, содержание внутреннего балласта – азота и кислорода – 23,3%, поэтому следует ожидать низкое значение теплоты сгорания топлива, тем более, что велико содержание внешнего балласта – золы и влаги. Как и все бурые угли, данное топливо характеризуется высоким выходом летучих (Vг > 40%), неспекшимся коксовым остатком.
(1)
где Ср, Hр, Sр – горючие элементы топлива: углерод, водород, летучая горючая сера (органическая и колчеданная),
Oр, Nр – внутренний балласт топлива: кислород, азот,
Aр,Wр –внешний балласт топлива, зола, влага.
Сухой состав топлива характеризуется равенством:
Сс + Hс + Oс + Nс + Sс + Ас = 100% (2)
Получим формулу пересчета зольности сухого вещества на рабочее топливо.
Ср + Hр + Oр + Nр + Sр + Ар = 100% — Wр (1.1.)
Сс + Hс + Oс + Nс + Sс + Ас = 100%
Сравнивая формулы (1.1) и (2) получаем
Ар*100 = Ас (100 – Wр), откуда
Ар = Ас*(100 – Wр)/100 = 37*(100-35)/100 = 24,05%.
Подсчитываем внешний балласт топлива:
Б = Ар + Wр = 24,05 + 35 = 59,05 %
Пользуясь формулой пересчета горючей массы топлива на рабочую массу получаем:
Ср = Сг*(100 – (Ар + Wр))/100 = 65,1*(100 – (24,05 + 35))/100 = 65,1*0,4098 = 26,658 %.
Замечаем, что коэффициент пересчета равен 0,4095.
Hр = 5,2*0,4095 = 2,129 %
Oр = 22,3*0,4095 = 9,132 %
Nр = 1,0*0,4095 = 0,410 %
Sр = 6,4*0,4095 = 2,621 %
Используя формулу (1) проверяем материальный баланс.
26,658 + 2,129 + 9,132 + 0,420 + 2,621 + 24,05 + 35 = 100 %.
100 % = 100 %, следовательно, расчеты выполнены правильно.
Далее рассчитываем низшую теплоту сгорания. Количество тепла, получаемое при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1нм3 газообразного топлива, называется теплотой сгорания топлива. Как известно, к горючим элементам относятся: углерод С, водород H, летучая горючая сера Sл. Значение теплоты сгорания по высшему пределу для жидкого и твердого топлива получают в калориметрической бомбе, где выделяется дополнительное количество тепла за счет охлаждения и конденсации водяных паров, образовавшихся в процессе горения.
В практических условиях пользуются теплотой сгорания по низшему пределу, так называемой низшей теплотой сгорания топлива, так как водяные пары не конденсируются и выбрасываются вместе с другими компонентами в атмосферу. Для расчета низшей теплоты сгорания твердого и жидкого топлива Qн.р, МДж/кг, пользуются формулой Менделева:
Qн.р = 0,339*Cр + 1,03*Hр – 0,109*(Oр – Sр ор+к) – 0,0251*Wр.
Qн.р = 0,339*26,658 + 1,03*2,129 – 0,109*(9,132-2,621) – 0,0251*35 = 9,642 МДж/кг
Qн.р = 9,642 МДж/кг = 9642 КДж/кг делим на 4,187 = 2303 ккал/кг.
Таким образом, низшая теплота сгорания будет равна 2303 ккал/кг.
Cтраница 2
Из изложенного видно, что высшей теплотой сгорания топлива QPB называют количество теплоты, выделяемой 1 кг (или м3) топлива при полном его сгорании и условии, что образующиеся при сгорании топлива водяные пары сконденсировались.
Тепловой баланс котельных и других тепловых установок с контактными экономайзерами, когда имеет место изменение влагосодержания дымовых газов, необходимо составлять по высшей теплоте сгорания топлива.
Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газового топлива, при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания конденсируются, называется высшей теплотой сгорания топлива.
Низшая теплота сгорания топлива соответствует действительному состоянию уходящих из котельных агрегатов продуктов сгорания, температура которых значительно выше температуры конденсации водяных паров. Высшая теплота сгорания топлива соответствует ее определению лабораторным способом при сжигании отобранной средней пробы топлива в герметически закрытой калориметрической бомбе, погруженной в воду калориметра. Количество выделившегося тепла подсчитывается по воспринятому водой теплу после установившегося теплового равновесия и, следовательно, после конденсации образовавшихся в продуктах сгорания водяных паров. Для обеспечения полного сжигания пробы топлива в калориметрической бомбе последняя заполняется кислородом под давлением 20 - 30 ати.
Различают высшую QB и низшую QH теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания топлива учитывает и то тепло, которое выделяется при конденсации паров воды, образовавшейся при сгорании водорода, входившего в состав углеводородов топлива.
Различие между нами состоит в том, что в высшую теплоту сгорания топлива входит количество тепла, которое может быть выделено при конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания топлива, а в низшую теплоту сгорания это количество тепла не входит.
Котлы КВТ-02 и КВТ-2 теплопроизводительностью 0 2 и 2 МВТ имеют футерованную огнеупорным кирпичом топку и контактную камеру, еостоящую из зоны основных форсунок, слоя насадки из колец Рашига и зоны дополнительных форсунок, расположенных над слоем насадки. Котлы КВТ имеют высокие теплотехнические показатели: КПД по высшей теплоте сгорания топлива составляет 97 - 98 %, а температура уходящих газов 14 - 18 С.
Кроме того, с уходящими газами выбрасываются водяные пары, скрытая теплота парообразования которых составляет до 10 - 15 % низшей теплоты сгорания топлива. Суммарные потери тепла с уходящими газами при составлении теплового: баланса по высшей теплоте сгорания топлива равны, та - ким образом, 15 - 20 % в наиболее совершенных котельных агрегатах и 35 - 75 % - в небольших промышленных печах. Обычно они являются наиболее крупными из всех потерь тепла, имеющих место в тепловых установках.
При определении эксергетического КПД установки в целом полезную работу (с учетом механических потерь, расхода работы на привод вспомогательных механизмов и др.) следует относить к изменению эксергии первичных источников энергии, которые применяются для получения теплоты. Если нагревателем служит камера сгорания, то вводимая в установку эксергия равна эксергии топлива Зт, значение которой близко к значению так называемой высшей теплоте сгорания топлива. Это вызвано тем, что по условиям прочности деталей установок допускаемая максимальная температура рабочего тела значительно ниже максимальной теоретической температуры горения топлив. Эта вынужденная разница температур эквивалентна, в смысле влияния на - работоспособность, необратимому теплообмену между источником теплоты и рабочим телом при такой же разности температур.
В зависимости от того, в каком состоянии - жидком или газообразном - находится вода в продуктах сгорания после их охлаждения, различают теплоту сгорания высшую и низшую. Если продукты сгорания охлаждены до столь низкой температуры, что водяной пар превращается в жидкость и при этом освобождает скрытую теплоту парообразования, то выделившееся в результате горения количество тепла составляет высшую теплоту сгорания топлива. Если же продукты горения топлива после охлаждения имеют в своем составе водяной пар и вследствие этого его скрытая теплота парообразования оказалась не использованной, то выделившееся в результате горения тепло называют низшей теплотой сгорания топлива. Очевидно, разница между высшей и низшей теплотой сгорания представляет собой то количество тепла, которое составляет скрытую теплоту парообразования всего водяного пара, находящегося в продуктах сгорания, а именно получившегося за счет воды, находящейся в рабочем топливе, и образовавшегося при химическом соединении (горении) водорода топлива и кислорода.
Теплота сгорания топлива определяется опытным путем и представляет собой ту теплоту, которая выделяется при полном сжигании 1 кг (1 м3 для газа) топлива. Поскольку количество выделяемой теплоты зависит от конечного состояния продуктов сгорания, в частности от того, в каком агрегатном состоянии находится влага (в виде пара или воды), различают высшую Qs и низшую Q, теплоту сгорания топлива. Различие между ними состоит в том, что высшая теплота сгорания топлива учитывает теплоту, которая выделяется при конденсации водяных паров (влага в продуктах сгорания находится в виде воды), а низшая эту теплоту не учитывает. Так как в паровом котле температура продуктов сгорания достаточно высока и конденсации водяных паров не происходит, то теплота, затраченная на испарение влаги, теряется. Поэтому в тепловых расчетах котла используется величина низшей теплоты сгорания рабочего топлива.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Под высшей теплотой сгорания топлива QB понимается количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 м3 газообразного топлива при условии, что влага топлива и вода, образующая при сгорании водорода топлива, будет в жидком состоянии. Низшей теплотой сгорания топлива QH называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 м3 газообразного топлива при условии, что вода, образующаяся при сгорании топлива, будет в парообразном состоянии. Высшая теплота сгорания топлива является наиболее постоянной величиной, поэтому она используется для сравнения оазличных топлив.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлив. При определении высшей теплоты сгорания учитывается количество тепла, которое выделяется при конденсации паров воды, образовавшейся за счет сгорания водорода, содержащегося в топливе, и за счет воды, содержащейся в топливе. При определении низшей теплоты сгорания топлива тепло конденсации воды не учитывается. Поэтому высшая теплота сгорания топлива всегда больше низшей примерно на 500 ккал / кг.
План:
-
Введение
- 1 Виды теплоты сгорания
- 2 Расчёт теплоты сгорания
- 3 Самые высокие значения теплоты сгорания природных газов из различных источников
- 4 Необходимое количество топлива для работы лампочки мощностью 100 Вт в течение года (876 кВт·ч) Примечания
Литература
Введение
Теплота́ сгора́ния - это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (дж или кал на 1 кг , м³ или моль ).
Для её измерения пользуются методами калориметрии. Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в горючем веществе химические элементы обозначаются принятыми символами С , Н , О , N , S , а зола и вода - символами А и W соответственно.
1. Виды теплоты сгорания
Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей массе горючего вещества Q P , то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества Q C ; к горючей массе вещества Q Γ , то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы.
Различают высшую (Q B ) и низшую (Q H ) теплоту сгорания.
Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.
Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой сгорания .
Низшая и высшая теплота сгорания связаны соотношением: Q B = Q H + k (W + 9H ) ,
где k - коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W - количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н - количество водорода в горючем веществе, % (по массе).
2. Расчёт теплоты сгорания
Таким образом, высшая теплота сгорания - это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100 %. Скрытая теплота сгорания газа - это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11 %.
На практике, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QHp), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):
(для твердого вещества)
(для жидкого вещества), где:
2514 - теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;
H P и W P - содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;
9 - коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.
Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж.
Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчётным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг:
C P , H P , O P , , W P - содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).
Для сравнительных расчётов используется так называемое Топливо условное, имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).
В России тепловые расчёты (например, расчёт тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности ) обычно ведут по низшей теплоте сгорания, в США, Великобритании, Франции - по высшей. В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная теплота сгорания измерялась в британских тепловых единицах (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кДж/кг).
3. Самые высокие значения теплоты сгорания природных газов из различных источников
Эти данные были получены от Международного энергетического агентства.
- Алжир: 42 000 кДж/м³
- Бангладеш: 36 000 кДж/м³
- Канада: 38 200 кДж/м³
- Индонезия: 40 600 кДж/м³
- Нидерланды: 33 320 кДж/м³
- Норвегия: 39 877 кДж/м³
- Россия: 38 231 кДж/м³
- Саудовская Аравия: 38 000 кДж/м³
- Великобритания: 39 710 кДж/м³
- Соединенные Штаты: 38 416 кДж/м³
- Узбекистан: 37 889 кДж/м³
4. Необходимое количество топлива для работы лампочки мощностью 100 Вт в течение года (876 кВт·ч)
(Количество топлива, указанное ниже, рассчитано при 100 % эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. Так как большинство электрогенераторов и распределительных систем достигают эффективности (КПД) порядка 30 % - 35 %, фактическое количество топлива, используемого для питания лампочки мощностью 100 Вт, будет приблизительно в три раза больше указанного количества).
Теплота сгорания топлива
При сгорании топлива выделяется теплота. За единицу измерения количества теплоты (работы и энергии) в системе СИ принимают джоуль (дж = н
· м ).Джоуль определяется как работа, производимая силой в 1 ньютон (1 н ) при перемещении точки приложения этой силы на 1 метр (1 м ) по ее направлению (1 дж = 1 н · м ). Широкое распространение в науке и технике получила международная калория (кал ).
1 кал = 4,187 дж .
Горение элементов топлива может быть полным и неполным. При полном сгорании образуются конечные продукты - углекислый газ и водяной пар и выделяется максимум тепла. Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива (1 кг или 1 м 3), называется теплотой сгорания .
Теплота сгорания углерода зависит от его состояния: аморфного (древесный уголь, сажа) или кристаллического (алмаз, графит, кокс). Углерод, полученный при горении углеводородов, находится в аморфном состоянии. Рассмотрим основные тепловые эффекты реакции горения аморфного и кристаллического углерода.
С ам + О 2 = СО 2 + 410 Мдж/кмоль
С кр + О 2 = СО 2 + 394 Мдж/кмоль
Следовательно, теплота сгорания аморфного углерода составляет
410/12 = 34,1 Мдж/кг ;
а теплота сгорания кристаллического углерода снижается до
394/12 = 32,8 Мдж/кг .
Теплота сгорания водорода зависит от агрегатного состояния продукта реакции горения водорода
Н 2 + 0,5О 2 = Н 2 О ж + 286 Мдж/кмоль
Н 2 + 0,5О 2 = Н 2 О г + 242 Мдж/кмоль
Теплота сгорания водорода соответственно составляет
286/2 = 143 Мдж/кг и 242/2 = 121 Мдж/кг .
Естественно, что теплота сгорания при условии образования Н 2 О в виде жидкости выше, т.к. при конденсации пара в воду выделяется скрытая теплота парообразования 2260 кдж/кг . Так возникает понятие о высшей и низшей теплоте сгорания.
Максимальная теплота сгорания с учетом теплоты конденсации водяных паров называется высшей и обозначается Q в. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании единицы топлива без конденсации водяных паров, называется низшей теплотой сгорания, обозначается Q н .
В практике работы печей уходящии продукты сгорания имеют температуру, превышающую 100 о С, следовательно, имеется в виду низшая теплота сгорания. Теплоту сгорания газообразного топлива можно определять расчетным путем, а твердого и жидкого экспериментальным. Это связано с тем, что определение теплоты сгорания расчетным путем может быть строгим лишь в том случае, когда известны химические соединения, составляющие горючую массу топлива, и теплоты сгорания этих элементов.
Экспериментальное определение теплоты сгорания.
Теплоту сгорания топлива определяют в специальных приборах, которые называются калориметрами. Калориметрическая установка для определения теплоты сгорания твердого топлива представляет собой металлический сосуд с двойными стенками, заполняемый водой. Во внутренний сосуд устанавливают калориметрическую бомбу с навеской топлива. Бомба представляет собой пустотелый толстостенный цилиндр из кислотоупорной стали, заполняемый кислородом под давлением. После установки бомбы в калориметр температура всей системы уравнивается. Навеска топлива воспламеняется при помощи электрической искры и сгорает, выделяя тепло, которое поглощает вода калориметра. При сжигании навески топлива с массой Р , г повышается не только температура воды в калориметре с массой М , г , но и температура всех частей прибора. Тепло, затраченное на нагревание всех частей калориметра, выражают через водяной эквивалент W .
Водяным эквивалентом называется то количество воды, для повышения температуры которой на 1 гр требуется столько же тепла, сколько нужно для повышения температуры всех частей прибора на 1 гр (теплоемкость воды равна 4,187 дж/(г · гр) ).
При экспериментальном определении теплоты сгорания газообразного топлива, в калориметре получают высшую теплоту сгорания топлива, а низшую - рассчитывают по высшей.
Связь между высшей и низшей теплотой сгорания.
В продуктах сгорания твердых и жидких топлив водяные пары образуются при сгорании водорода топлива, а также при испарении начальной влаги топлива. Если в рабочем топливе содержится Н р кг водорода, то образуется 9 ·Н р кг водяного пара и разница между высшей и низшей теплотой сгорания составит 2500·(W p + 9· Н р) кдж/кг . Число 2500 кдж/кг является приблизительной разницей между высшей и низшей теплотой сгорания на 1 кг Н 2 О.
При сжигании газообразного топлива водяные пары в продуктах сгорания образуются при горении водорода и углеводородов, а также переходят из влаги топлива и воздуха.
Расчетный метод определения теплоты сгорания.
Теплоту сгорания газообразного топлива можно рассчитать, если известны тепловые эффекты реакций горения и химический состав топлива по следующей формуле
Q н = 127,7CO + 108H 2 + 358CH 4 + 590C 2 H 4 + 555C 2 H 2 + 636C 2 H 6 +
913C 3 H 8 + 1185C 4 H 10 +1465C 5 H 12 + 234H 2 S кдж / м 3 ,
где 127,7; 108 и т. д - тепло, выделяемое при сгорании 1 % СО; Н 2 и т. д;
СО; Н 2 и т. д - содержание горючих составляющих топлива, %.
Следует отметить, что расчетная величина теплоты сгорания может немного отличаться от опытной, т.к. в газе содержаться пыль и смолы.
Нахождение теплоты сгорания твердого и жидкого топлив расчетным с пособом носит приближенный характер, т.к. это топливо анализируют не по химическим соединениям, а лишь по химическим элементам.
Д. И. Менделеев предложил следующую формулу для определения теплоты сгорания твердого и жидкого топлив
Q в = 340С р + 1260Н р - 109(О р - S p) кдж/кг
Формула Менделеева для определения низшей массовой теплоты сгорания топлива принимает вид
Q н = 340С р + 1030Н р - 109(О р - S p) - 25W p кдж/кг ,
где W - содержание влаги в топливе в % по массе.
Условное топливо
Каждое топливо имеет различную теплоту сгорания. Для удобства учета, сравнения и пересчета с одного топлива на другое было предложено принять за единицу учета такое топливо, теплота сгорания которого составляет 29,3 Мдж/кг (7000 ккал/кг ), и назвать его условным. Пересчеты можно производить для любого топлива - твердого, ж идкого и газообразного.
Условное топливо очень удобно для сравнения экономичности работы печей, работающих на различном топливе. При сравнении определяют расход условного топлива на единицу нагреваемого в печи материала (кг/т )