Лабораторная работа №2 тепловой баланс горения определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Лабораторная работа №4 распространение пламени в газовых смесях определение... 1 178.87kb.
Определение количества воздуха, необходимого для горения топлива 1 29.24kb.
Equation Chapter 3 Section 33. Тепловой баланс процессов горения... 1 148.46kb.
Урок физики в 8 классе «Энергия топлива. Удельная теплота сгорания... 1 67.83kb.
Определение нормальной скорости распространения ламинарного пламени 1 112.43kb.
Вопросы для подготовки к зачёту по дисциплине «Топливо и теория горения» 1 21.88kb.
Теория горения 1 7 1247.07kb.
Equation Chapter 2 Section 22. Материальный баланс процессов горения... 1 166.13kb.
Лабораторная работа Определение температуры вспышки нефтепродуктов 1 52.25kb.
Исследование нелинейных волновых процессов в газах и жидкостях 1 75.13kb.
Новые технологии получения энергии без использования органического... 1 101.95kb.
Наименование показателя Тип противогаза 1 39.79kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Лабораторная работа №2 тепловой баланс горения определение теплоты горения (теплотворной - страница №1/1

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

« МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЕВА»

(ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева»)


ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ И ЭНЕРГЕТИКИ

КАФЕДРА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Теория горения и взрыва
Специальность – 330600 «Защита в чрезвычайных ситуациях – 65»

Направление подготовки специалиста – 656500 «Безопасность жизнедеятельности»



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ГОРЕНИЯ

Определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива

Определение теоретической температуры горения.

Саранск 2011

Лабораторная работа №2

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ГОРЕНИЯ

Цель работы:

Овладение методами расчета теплового баланса процесса горения газообразных, жидких и твердых топлив. Работа сводится к решению следующих задач.



  • Определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива.

  • Определение теоретической температуры горения.


Общие сведения:


2.1. ТЕПЛОТА ГОРЕНИЯ

Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты. При выделении теплоты реакция называется экзотермической, а при поглощении – эндотермической. Все реакции горения являются экзотермическими, а продукты горения относятся к экзотермическим соединениям.

Выделяемая (или поглощаемая) при протекании химической реакции теплота называется теплотой реакции. В экзотермических реакциях она положительна, в эндотермических – отрицательна. Реакция горения всегда сопровождается выделением теплоты. Теплотой горения Qг (Дж/моль) называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества и превращении горючего вещества в продукты полного горения. Моль является основной единицей количества вещества в системе СИ. Один моль – это такое количество вещества, в котором находится столько же частиц (атомов, молекул и т.д.), сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода–12. Масса количества вещества, равного 1 молю (молекулярная или молярная масса) численно совпадает с относительной молекулярной массой данного вещества.

Например, относительная молекулярная масса кислорода (O2) равна 32, углекислого газа (CO2) равна 44, а соответствующие молекулярные массы будут равны M = 32 г/моль и M = 44 г/моль. Таким образом, в одном моле кислорода содержится 32 грамма этого вещества, а в одном моле CO2 содержится 44 грамма углекислого газа.

В технических расчетах чаще используется не теплота горения Qг, а теплотворная способность топлива Q (Дж/кг или Дж/м3). Теплотворной способностью вещества называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м3 вещества. Для жидких и твердых веществ расчет проводится на 1 кг, а для газообразных – на 1 м3.

Знание теплоты горения и теплотворной способности топлива необходимо для расчета температуры горения или взрыва, давления при взрыве, скорости распространения пламени и других характеристик. Теплотворная способность топлива определяется либо экспериментальным, либо расчетным способами. При экспериментальном определении теплотворной способности заданная масса твердого или жидкого топлива сжигается в калориметрической бомбе, а в случае газообразного топлива – в газовом калориметре. С помощью этих приборов измеряется суммарная теплота Q0, выделяющаяся при сгорании навески топлива массой m. Величина теплотворной способности Qг находится по формуле

.

Связь между теплотой горения и
теплотворной способностью топлива

Для установления связи между теплотой горения и теплотворной способностью вещества необходимо записать уравнение химической реакции горения.

Продуктом полного горения углерода является диоксид углерода:

С+О2→СО2.

Продуктом полного горения водорода является вода:

22→2Н2О.

Продуктом полного горения серы является диоксид серы:

S+О2→SO2.

При этом выделяются в свободном виде азот, галоиды и другие негорючие элементы.

Горючее вещество – газ

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности метана CH4, для которого теплота горения равна Qг = 882.6 .



  • Определим молекулярную массу метана в соответствии с его химической формулой (СН4):

М=1∙12+4∙1=16 г/моль.

  • Определим теплотворную способность 1 кг метана:

.

  • Найдем объем 1 кг метана, зная его плотность ρ=0.717 кг/м3 при нормальных условиях:

.

  • Определим теплотворную способность 1 м3 метана:

.

Аналогично определяется теплотворная способность любых горючих газов. Для многих распространенных веществ значения теплоты горения и теплотворной способности были измерены с высокой точностью и приведены в соответствующей справочной литературе. Приведем таблицу значений теплотворной способности некоторых газообразных веществ (табл. 2.1). Величина Q в этой таблице приведена в МДж/м3 и в ккал/м3, поскольку часто в качестве единицы теплоты используется 1 ккал = 4.1868 кДж.

Таблица 2.1 - Теплотворная способность газообразных топлив

Вещество

Метан

Ацетилен

Этан

Пропан

Бутан

Q

МДж/м3

39.54

57.78

69.33

98.18

126.57

ккал/м3

9444

13800

16560

23450

30230

Горючее вещество – жидкость или твердое тело

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности этилового спирта С2Н5ОН, для которого теплота горения Qг = 1373.3 кДж/моль.



  • Определим молекулярную массу этилового спирта в соответствии с его химической формулой (С2Н5ОН):

М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 г/моль.

  • Определим теплотворную способность 1 кг этилового спирта:

.

Аналогично определяется теплотворная способность любых жидких и твердых горючих. В табл. 2.2 и 2.3 приведены значения теплотворной способности Q (МДж/кг и ккал/кг) для некоторых жидких и твердых веществ.

Таблица 2.2 - Теплотворная способность жидких топлив

Вещество

Метиловый спирт

Этиловый спирт

Ацетон

Керосин

Мазут, нефть

Бензин

Q

МДж/кг

23.85

29.85

30.98

41.87

43.96

46.89

ккал/кг

5700

7130

7400

10000

10500

11200

Таблица 2.3 - Теплотворная способность твердых топлив

Вещество

Дерево свежее

Дерево сухое

Бурый уголь

Торф сухой

Антрацит, кокс

Парафин

Q

МДж/кг

6.28

14.65

16.75

27.63

31.40

46.05

ккал/кг

1500

3500

4000

6600

7500

11000


Формула Менделеева

Если теплотворная способность топлива неизвестна, то ее можно рассчитать с помощью эмпирической формулы, предложенной Д.И. Менделеевым. Для этого необходимо знать элементарный состав топлива (эквивалентную формулу топлива), то есть процентное содержание в нем следующих элементов:

- кислорода (О);

- водорода (Н);

- углерода (С);

- серы (S);

- золы (А);

- воды (W).

В продуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.

Для расчета обычно применяется низшая теплотворная способность Qн топлива, которая учитывает тепловые потери с парами воды. Для твердых и жидких топлив величина Qн (МДж/кг) приближенно определяется по формуле Менделеева:



Qн=0.339[C]+1.025[H]+0.1085[S] – 0.1085[O] – 0.025[W], (2.1)

где в скобках указано процентное (масс. %) содержание соответствующих элементов в составе топлива.

В этой формуле учитывается теплота экзотермических реакций горения углерода, водорода и серы (со знаком «плюс»). Кислород, входящий в состав топлива, частично замещает кислород воздуха, поэтому соответствующий член в формуле (2.1) берется со знаком «минус». При испарении влаги теплота расходуется, поэтому соответствующий член, содержащий W, берется также со знаком «минус».

Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных топлив (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева (2.1) дает погрешность, не превышающую 10%.

Низшая теплотворная способность Qн (МДж/м3) сухих горючих газов с достаточной точностью может быть рассчитана как сумма произведений теплотворной способности отдельных компонентов и их процентного содержания в 1 м3 газообразного топлива.

Qн = 0.108[Н2] + 0.126[СО] + 0.358[СН4] + 0.5[С2Н2] + 0.234[Н2S]…, (2.2)

где в скобках указано процентное (объем. %) содержание соответствующих газов в составе смеси.

В среднем теплотворная способность природного газа составляет примерно 53.6 МДж/м3. В искусственно получаемых горючих газах содержание метана СН4 незначительно. Основными горючими составляющими являются водород Н2 и оксид углерода СО. В коксовальном газе, например, содержание Н2 доходит до (55 ÷ 60)%, а низшая теплотворная способность такого газа достигает 17,6 МДж/м3. В генераторном газе содержание СО ~ 30% и Н2 ~15%, при этом низшая теплотворная способность генераторного газа Qн = (5.2÷6.5) МДж/м3. В доменном газе содержание СО и Н2 меньше; величина Qн = (4.0÷4.2) МДж/м3.

Рассмотрим примеры расчета теплотворной способности веществ по формуле Менделеева.

Пример 1.

Определим теплотворную способность угля, элементный состав которого приведен в табл. 2.4.

Таблица 2.4 - Элементный состав угля

Элемент

C

H

S

N

O

W

A

Содержание, масс. %

37.2

2.6

0.6

0.4

12

40

7.2



  • Подставим приведенные в табл. 2.4 данные в формулу Менделеева (2.1) (азот N и зола A в эту формулу не входят, поскольку являются инертными веществами и не участвуют в реакции горения):

Qн = 0.339∙37.2+1.025∙2.6+0.1085∙0.6–0.1085∙12–0.025∙40 = 13,04 МДж/кг.

Пример 2.

Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10С до 100С, если на нагревание расходуется 5% теплоты, выделяемой при горении, а теплоемкость воды с = 1 ккал/(кг∙град) или 4.1868 кДж/(кг∙град). Элементный состав дров приведен в табл. 2.5:

Таблица 2.5 - Элементный состав дров



Элемент

C

H

N

O

W

Содержание, масс. %

43

7

2

41

7

  • Определим количество теплоты, необходимое для нагрева m = 50 кг воды:

Q1 =.

  • Найдем теплотворную способность дров по формуле Менделеева (2.1):

Qн = 0.339∙43+1.025∙7–0.1085∙41–0.025∙7= 17.12 МДж/кг.

  • Определим количество теплоты, расходуемое на нагрев воды, при сгорании 1 кг дров (с учетом того, что на ее нагрев расходуется 5% теплоты (=0.05), выделяемой при горении):

Q2 = Qн = 0.05·17.12 = 0.86 МДж/кг.

  • Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10С до 100С:

кг.

Таким образом, для нагрева воды требуется около 22 кг дров.



    1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ

Температура горения любого вещества не является постоянной величиной. Она зависит от условий горения (в замкнутом объеме или на открытом воздухе), от условий теплоотдачи, полноты сгорания топлива, коэффициента избытка воздуха и других факторов.

Для сравнения температуры горения Тг разных веществ расчет ведется при строго одинаковых следующих условиях.



  • Горючее и воздух вступают в реакцию горения при температуре Т = 0С.

  • Количество воздуха равно теоретически необходимому, то есть коэффициент избытка воздуха α =1.

  • Горение происходит мгновенно до полного окисления (СО2, Н2О, SO2) без образования промежуточных продуктов неполного горения (например, угарного газа СО).

  • Вся выделенная теплота сообщается продуктам горения и расходуется исключительно на их нагревание.

Рассчитанная при этих условиях температура называется теоретической. Практически реализуемая температура горения T (при пожарах, при горении в печах, каминах, камерах сгорания и других технических устройствах) всегда ниже теоретической Tг. Это связано с тем, что реальный процесс горения происходит с избытком воздуха, в условиях неполного сгорания. Кроме того, теплота горения частично расходуется на нагрев окружающей среды, а при температурах выше 1700С – на диссоциацию продуктов горения.

Например, при горении древесины, отличие Тг от практически реализуемой температуры горения может достигать более 500 С (табл. 2.6).

Таблица 2.6 - Температура горения древесины

Древесина

Q, МДж/кг

Тг, С

Т, С

Береза

13.25

1575

1069

Ель

13.45

1590

1080

Сосна

13.84

1605

1090

Расчет теоретической температуры горения

При определении теоретической температуры горения Тг предполагается, что вся выделившаяся теплота сообщается продуктам сгорания. Температура, до которой нагреются продукты сгорания, зависит от количества сообщаемой им теплоты, состава и количества продуктов сгорания и их удельной теплоемкости. Для расчета теоретической температуры горения Тг запишем уравнение теплового баланса.



, (2.3)

где Q – теплотворная способность топлива, Дж/кг;



V – объем продуктов сгорания, образующихся при горении 1 кг топлива, м3/кг;

сp –объемная удельная теплоемкость продуктов сгорания, Дж/(м3∙град);

Тг – теоретическая температура горения, С;

Тн – начальная температура воздуха, С.

При горении в нормальных условиях (Тн=0С) уравнение (5.3) примет вид:



. (2.4)

Из (2.4) следует формула для расчета теоретической температуры горения:



. (2.5)

Поскольку продукты сгорания реальных топлив, как правило, состоят из разных газов, теплоемкость и плотность которых различны, то эта формула (2.4) записывается в следующем виде:



. (2.6)

Соответственно, формула для расчета с учетом (2.6) примет вид



. (2.7)

Для повышения точности расчетов необходимо учитывать зависимость теплоемкости газов от температуры. Однако, для оценочных расчетов можно принять средние значения теплоемкости (табл. 2.7).

Таблица 2.7 - Средняя теплоемкость (сp) газов в диапазоне температур (1000÷3000)С

Газ

СО2

SO2

H2O

H2

N2

CO

O2

кДж/(м3∙град)

2.13

2.13

2.09

1.42

1.42

1.42

1.42

Расчет теоретической температуры горения Тг проводится в следующем порядке.


  • Рассчитывается количество и состав продуктов горения, образующихся при сгорании 1 кг заданного топлива в соответствии с методикой, изложенной выше (раздел 2.4).

  • Рассчитывается по формулам (2.1) или (2.2), или определяется из таблиц теплотворная способность топлива Q.

  • Рассчитывается теоретическая температура горения Тг по формуле (2.7).

В качестве примера определим теоретическую температуру горения каменного угля, элементный состав которого приведен в табл. 2.8., при коэффициенте избытка воздуха = 1.5.

Таблица 2.8 - Элементный состав угля



Элемент

C

H

S

N

O

W

A

Содержание, масс.%

76

4.5

4.7

1.8

3.5

3.0

6.5

Массовая доля, z

0.76

0.045

0.047

0.018

0.035

0.03

0.065

  • Определим состав и количество газообразных продуктов сгорания 1 кг рассматриваемого топлива в данных условиях по методике, приведенной в разделе 4.

Объем СО2 и SO2: ; сp=2.13∙10-3 МДж/(м3∙град).

Объем H2O: ; сp=2.09∙10-3 МДж/(м3∙град).

Объем N2 и О2: ; сp=1.42∙10-3 МДж/(м3∙град).


  • Проведем расчет теплотворной способности рассматриваемого топлива по формуле Менделеева (2.1):

Qн=0.339∙76+1.025∙4.5+0.1085∙4.7–0.1085∙3.5–0.025∙3.0=29.92 МДж/кг.

  • Проведем расчет теоретической температуры горения по формуле (2.7):

.

Таким образом, теоретическая температура горения каменного угля при коэффициенте избытка воздуха = 1.5 в условиях постоянного давления (на открытом воздухе) составляет около 1600С.



Содержание отчета
1. Теоретические сведения о сущности вопроса и ходе выполнения работы (опыта).

2. Краткое описание лабораторной установки, технические и метрологические характеристики средств измерений, краткие пояснения проводимых опытов

3. Данные эксперимента, занесенные в таблицу, расчеты, рисунки.

4. Анализ результатов эксперимента, выводы по работе и анализ результатов.



Библиографический список


      1. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.Н., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. – М.: Наука, 1980. – 478 с.

      2. Основы практической теории горения: Учебное пособие для вузов / В.В. Померанцев, К.М. Арефьев, Д.Б. Ахмедов и др. – Л.: Энергоатомиздат, 1986.   312 с.





Любить — значит перестать сравнивать. Бернар Грассе
ещё >>