Теплота згорання палива

                                                      Вступ 
Вся історія розвитку людства пов'язана із здобуттям і використанням енергії. З прадавніх часів люди навчилися використовувати різні види палива для обігріву житла і приготування їжі. У пізніші періоди теплову енергію використовували для виготовлення з міді, бронзи, заліза і інших металів побуту, інструментів, зброї і таке інше.                                                                
Формулювання "паливо" включає всі речовини, які дають при спалюванні велику кількість теплоти. Найбільш поширені в природі і   добуваються промисловим способом такі види палива, як нафта і нафтопродукти (газ, бензин, мазут, дизельне паливо), вугілля, природний горючий газ, деревина і рослинні відходи (солома, лушпиння і тому подібне), торф, горючі сланці, а в даний час і речовини, використовувані в ядерних реакторах на АЕС і ракетних двигунах. Звичайне класифікують паливо по його агрегатному стану:тверде (вугілля, торф, деревина, сланці), рідке (нафта і нафтопродукти) і газоподібне (природний газ). Також можна розділити види палива і по його походженню: рослинне, мінеральне і продукти промислової переробки. 
Залежно від характеру використання паливо умовно підрозділяють на енергетичне (для здобуття теплової і електричній енергії) і технологічне (для використання в плавильних, обпалювальних та інших печах, а також як сировина для хімічної промисловості). Це робить дослідження складу та основних характеристик палива дуже актуальними.

Теплота згорання палива. Умовне паливо.

Теплота згорання — це кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні масової (для твердих і рідких речовин) або об’ємної (для газоподібних) одиниці речовини. Виміряється в джоулях або калоріях. Теплота згорання, віднесена до одиниці маси або обсягу палива, називається питомою теплотою згоряння (дж або кал на 1 кг, м³ або моль). Для її вимірювання користуються методами калориметрії. Теплота згоряння визначається хімічним складом горючої речовини. Хімічні елементи, що в горючій речовині, позначаються прийнятими  символами  С, Н, О, N, S, а зола й вода — символами А й W відповідно. Природний газ, який використовують як паливо, є механічною сумішшю горючих і негорючих газів. В його складі знаходиться до 75÷98% метану, СН4, 1÷6% - важких вуглеводів, CnHm, 1÷4% - азоту та 0,1÷0,2% вуглекислого газу. Теплота згорання палива – кількість теплоти, яка виділяється при спалювані одиниці маси чи об’єму палива (кДж/кг чи кДж/м3). Вища теплота згорання, Qв – це кількість теплоти, яка виділяється при спалюванні 1кг палива (чи 1м3 газоподібного палива) за умови конденсації водяної пари і охолодження всіх продуктів згорання до 0°С. Нижча теплота згорання, Qн, порівняно з Qв не враховує теплоту випаровування вологи, яка міститься в паливі, і вологи яка утворюється при горінні водню. Таким чином Qн < Qв. Кількість теплоти, що виділяється при згорянні довільної маси палива, визначається за формулою:

де Q - теплота згоряння, m - масамаса.                                                  

Оскільки теплота є видом енергії, здатної виконувати роботу, то вона в системі СІ виражається спільною для всіх видів енергії одиницею – Джоулем (Дж), який рівний добутку сили 1 Н на шлях 1 м. 1 кал=4,1868 Дж 4,19 Дж. Визначення теплоти згорання палива засноване на спаленні його наважки в кисні і поглинанні тепла, що виділилося, водою в калориметрі. Спалення здійснюється в калориметричній бомбі, що являє собою циліндричну товстостінну стальну склянку місткістю близько 300 мл з стальною кришкою, що загвинчується на щільну нарізь. У залежності від виду палива, при випробуванні його спалюють за одним з вказаних нижче методів. Торф, буре, кам'яне вугілля і інші види палива, що піддаються брикетуванню, спалюють у вигляді брикетів. Паливо із зольністю понад 35% і небрикетоване (антрацит, кам'яне вугілля, кокс і ін.) спалюють у вигляді порошку. Мазут і інші важкі вуглеводні наливають безпосередньо в чашечку для спалювання. Легкі нафтопродукти спалюють в спеціальній чашечці з нержавіючої сталі, яка зверху заклеюється спеціально приготованою колодієвою плівкою. Визначення теплоти згоряння газу проводять у само ущільненій  калориметричній бомбі, в якій 300 мл газу змішують з шестикратним об'ємом кисню і спалюють при тиску 0,8 мПа. При спаленні палива в калориметричній бомбі в атмосфері кисню під тиском відбувається окиснення сірки не в SO2, як це має місце при спаленні на повітрі, а в SO3, що утворює з водою кислоту H2SO4. Крім того, азот палива згоряє в атмосфері кисню в присутності води до HNO3.При підрахунку вищої теплоти згорання QРВ із теплоти згоряння в бомбі Qб віднімають теплоту утворення сірчаної і азотної кислот. При згоранні вода, яка міститься в паливі та утворюється від згорання водню, перетворюється в пару. На пароутворення  води витрачається теплота. Теплоту Q згоряння називають вищою (Qв) у тому випадку, коли пари води конденсується і теплота, що затрачена на пароутворення звільнюється. Якщо ж пари води виносяться з димовими або відпрацьованими газами, частина теплоти втрачається і таку теплоту називають нижчою (Qн). Теплоту згорання визначають експериментальним шляхом у спеціальних приладах-калориметрах, і розрахунковими методами. Суть калориметричного методу визначення теплоти згорання палива полягає в тому, що при спалюванні певної кількості палива у спеціально закритих камерах калориметричних установок теплота продуктів згорання передається воді і при цьому її оцінюють за підвищенням температури в калориметрі. При визначенні теплоти згорання розрахунковими методами необхідно знати елементний склад палива. Найчастіше визначають теплоту згорання за законом Г.І. Гесса, згідно з яким вона залежить від складу початкових та кінцевих продуктів і не залежить від проміжних реакцій. Підрахована таким чином теплота згорання буде трохи відрізнятися від фактичної, оскільки горючі елементи у паливі перебувають не у вільному стані, а утворюють різні органічні сполуки, на руйнування яких витрачається частина теплоти. Тому згорання палива дає менший тепловий ефект, ніж згорання окремих елементів, які входять до його складу, що і враховується коефіцієнтами формул. У практиці найчастіше для визначення теплоти згорання застосовують формули Д.І. Менделєєва. Теплоту згорання робочої маси газоподібного палива, що містить вологу підраховують за формулами:

де 0,805 – маса 1м3 газу, кг.

Основний показник палива - питома теплота згорання. Для цілей порівняння видів палива введено поняття умовного палива.За одиницю умовного палива використовується паливо з питомою теплотою згорання 7000 ккал/кг. У нафтогазовій геології для підрахунку запасів родовища в умовному паливі прийнято 1 млрд м3 природного газу переводити в 1 млн т умовного палива. Для порівняння різних видів палива, а також для обліку загальних запасів палива і складання замовлень встановлений еталон – умовне паливо. Умовне паливо – це єдиний еквівалент всіх видів палива за теплотою згорання. Розрахункова теплота згорання умовного палива для твердого і рідкого палива дорівнює 29307 кДж/кг, а для газоподібного – 29308 кДж/кг. При порівнянні палив визначають їх теплові (калорійні) еквіваленти, які є відношенням теплоти згорання будь-якого палива до теплоти згорання умовного. Щоб перерахувати фактичне паливо в умовне потрібно його масову кількість помножити на тепловий еквівалент. Водень за теплотою згорання майже у 4 рази цінніший ніж вуглець. Враховуючи, що вміст водню в паливі складає до 25% - це друга за значимістю складова частини палива. Кисень, що входить в склад палива, не горить і тому фактично є внутрішнім баластом горючої частини. Вміст кисню становить від 0,5% до 43%. Чим більше в горючій частині кисню, тим менш цінне паливо. Азот, як і кисень, не горить, є внутрішнім баластом горючої частини. У твердому і рідкому паливі вміст азоту невеликий (0,5...1,5%) і тому вплив його на теплову цінність палива незначний. Однак, у деякому газоподібному паливі (наприклад, генераторному газі) вміст азоту становить біля 50%, що різко знижує його теплову цінність. Сірка є горючим елементом і, входячи до складу палива у вільному стані або у вигляді органічних і сульфідних сполук, бере участь у горінні. Але не зважаючи на це, сірка є дуже небажаною складовою палива тому, що під час горіння сірки утворюються сполуки SO2, SO3, які викликають газову корозію, а з’єднуючись з вологою, яка завжди є у паливі, перетворюються у сірчисту та сірчану кислоти, які викликають рідину корозію металів. Вміст сірки у твердому паливі коливається від 0,01 до 8%, а у нафтах – від 0,1 до 4%. При переробці палива намагаються вміст сірки за можливістю довести до мінімуму. Негорюча частина у твердому і рідкому паливі складається з мінеральних домішок (при згоранні утворюють золу А) і вологи W. Ця частина, зменшуючи об’єм горючої частини і відбираючи частину теплоти на своє нагрівання, знижує теплову цінність палива. Крім того зола прискорює абразивне спрацювання деталей циліндро-поршневої групи двигунів, а волога збільшує корозію та ускладнює експлуатацію установок взимку. Вміст мінеральних домішок у рідкому паливі вимірюється десятими частинами процента, а у твердому – десятками процентів. Мінеральні домішки і вологу розділяють на зовнішні та внутрішні. Перші – потрапляють у паливо з навколишнього середовища при його добуванні, транспортуванні, зберіганні, другі – входять до його хімічного складу. Залежно від фізичного стану палива, при якому визначають його елементарний склад, розглядають маси: робочу (р), аналітичну (повітряно-суху, лабораторну) (а), суху (с), горючу (г) і органічну (о). 
Паливо, яке надходить до споживачів у природному стані та містить, крім горючої частини, золу і вологу, називають робочим. Елементарний склад палива виражають рівнянням:

СР + НР + ОР + NР + SР + АР + WР = 100% (1.1) 

У тих випадках, коли паливо піддають лабораторному дослідженню, з нього готують аналітичну пробу, яку приводять для повітряно-сухого стану. При цьому паливо містить тільки внутрішню вологу. Суха маса не має вологи, оскільки вона одержана штучним сушінням при температурі 105 оС. 
Горюча маса – це паливо, що не має вологи і золи. А якщо з палива видалити ще і сірку, то отримують органічну масу.  Елементарний склад палива розраховують на горючу і суху маси, а всі теплові розрахунки ведуть на робочу (дійсну) масу, склад якої залежить від кількості золи і вологи. 
Горюча частина газоподібного палива включає: водень (Н), оксид вуглецю (СО), метан (СН4), та інші вуглеводні (СnНm) з числом атомів вуглецю до чотирьох. Негорюча частина – пари води і негорючі гази (СО2, N2, O2). Нижчу теплоту згорання використовують для підрахунку потреби в паливі і його вартості, при складанні теплових балансів і визначенні ККД установок, що використовують паливо. Для порівняння різних видів палива і підрахунку потреби в пальному введене поняття про умовне паливо та нафтовий еквівалент. Умовне паливо характеризується нижчою теплотою згорання.

Таблиця питомої теплоти згоряння палива (в кДж/кг)

Внутрішньокотлові процеси

Циркуляція води

Циркуляція – це безперервний рух речовини (рідини, газу) по замкненому шляху. Такий рух води –природна циркуляція – відбувається у водотрубному котлі під час його роботи внаслідок різниці густин пароводяної суміші в грійних трубах і води в ненагріваних.

На рис. 1.1 показано схему найпростішого циркуляційного контуру, що складається з верхнього і нижнього барабанів, лівої грійної і правої ненагрівної труб. При роботі такого контура в усталеному стані в нагріваній трубі відбувається кипіння води, і труба на дільниці  Нпар заповнена пароводяною сумішшю. При цьому утворюється рушійний напір Р , що дорівнює різниці тисків:

Нпар r¢ – Нпар rсум = Нпар (r¢ – rсум ),

де r¢ і rсум – відповідно густини води й пароводяної суміші.

Рис. 1.1  Схема контура природної циркуляції та структури потоку

 Діаграма природної циркуляції в контурах: простому (а) и складному (б).

    Цей напір при усталеному  режимі дорівнює сумі опорів, що виникають під час руху  води в контурі. Вода з верхнього барабана по ненагріваній трубі надходить у нижній барабан, а з нього–в грійну трубу. Після виходу суміші з труби у верхній барабан пара йде в паровий простір, а вода знов надходить у праву опускну трубу і т.д.

Джерелом енергії, що витрачається на перекачування води під час природної циркуляції води в замкненому контурі, є робота розширення парових бульбашок, що утворюються в кип'ятильній трубі при більш високому тиску, ніж тиск у паровому просторі – верхнього барабана котла.

При нормальному режимі циркуляції від стінок теплосприймальних поверхонь нагріву, що обмиваються водою, інтенсивно відводиться теплота. Коефіцієнт тепловіддачі при цьому від стінок до води дуже великий (обчислюється тисячами і десятками тисяч вт/м 2 × град), тому температура стінок мало відрізняється від температури води і утворювані парові і виділювані газові бульбашки не можуть затримуватися на стінках: температура металу в різних частинах котла при змінних режимах швидко вирівнюється; від температурної нерівномірності не виникають помітні термічні напруги.

Режим циркуляції характеризується багатьма величинами: швидкістю циркуляції w 0 м/сек називається швидкість води на вході в підйомну трубу, кратністю циркуляції К– відношення кількості води Gц , що надходить в грійну трубу, до кількості пари D , що утворюється в цій трубі за цей самий час,   кг/кг. Ця величина зворотна ваговому паровмістові суміші на виході з кип'ятильної труби.

У котлах з природною циркуляцією кратність циркуляції більша від одиниці. У сучасних котлах значення  К  коливається від 6 до 12. У прямотокових котлах вода не циркулює (К = 1).

Кипіти циркулююча вода починає не у вхідному перерізі труби, а на певній відстані від входу на висоті точки кипіння hт. з . Це пояснюється тим, що коли вода у верхньому барабані навіть повністю нагріта до температури кипіння, то в нижньому барабані вона буде недогрітою, бо тиск тут вищий, ніж у верхньому барабані, і воді треба надати якусь кількість теплоти для нагрівання її до температури кипіння, що й відбувається на дільниці нагріваної труби висотою hт.з.

На паротвірній дільниці підйомної труби пара й вода рухаються з різними швидкостями, середня абсолютна швидкість пари  w n  більша від середньої абсолютної швидкості води w b , різниця між ними називається відносною швидкістю пари  w r = w n – w b .  Зведеною швидкістю пари w 0 називають швидкість пари, віднесену до всього перерізу труби, тобто ту швидкість, яку вона мала б, якби займала не частину перерізу труби (як це в дійсності має місце), а весь її переріз. Цією величиною, як і раніше наведеними, користуються при розрахунках циркуляції.

У парових котлах до колекторів і барабанів приєднується не одна, а багато паралельно діючих труб, в яких може бути порушений нормальний режим циркуляції. Найчастіші і найнебезпечніші порушення циркуляції бувають у вертикальних і круто нахилених грійних трубах через утворення вільного рівня (застою циркуляції) і перекидання циркуляції.

При утворенні вільного рівня води верхня частина труби буде заповнена парою; оскільки коефіцієнт тепловіддачі до майже нерухомої пари у багато разів менший від коефіцієнта тепловіддачі до води, то температура стінки труби сильно зросте, що може призвести до розриву труби. Це порушення циркуляції може статися не тільки при виводі пароводяної суміші з труби до парового простору барабана, а й при підведенні її під рівень води, хоча такий режим з утворенням парової пробки у верхній частині труби має менш стійкий характер.

Перекидання циркуляції полягає в тому, що вода в підйомній трубі рухається не знизу вгору, як при нормальному режимі, а зверху вниз – назустріч парі. При цьому через гальмування пари можуть утворюватись скупчення парових бульбашок, що повільно рухаються вздовж стінок, стінки гірше охолоджуються їх температура зростає, вони перегріваються, труби деформуються, інтенсивно розвивається корозія, що з часом призводить до розриву труб.

Причина цих порушень циркуляції – нерівномірне нагрівання паралельно включених труб і зменшення теплового навантаження труби до небезпечної величини через шлакування, занос леткою золою, тепловий перекіс (нерівномірність обігріву по ширині агрегату), затінення сусідніми трубами (при розведенні екранних труб у місцях пальникових амбразур) тощо.

Тому під час проектування і експлуатації котельних агрегатів намагаються забезпечити якомога рівномірніше обігрівання паралельно включених труб циркуляційного контура. Зокрема з цією метою екранні труби виділяють в окремі секції, розміщені по кутках топки.

Ненормальним вважається такий режим циркуляції, коли труба працює з граничною, близькою до одиниці, кратністю циркуляції. Цей режим небезпечний тому, що на вихідній ділянці труби інтенсивно відкладаються солі, що може призвести до швидкого перепалу. Щоб запобігти цьому, циркуляційні контури підбирають так, щоб загальна кратність циркуляції їх була не менше від трьох.

У горизонтальних і мало похилених грійних трубах може відбуватись розшарування пароводяної суміші і рух води в нижній частині, а пари – у верхній, що призведе до перегрівання стінки і т.д. При досить високих швидкостях води й пари розшарування не буває (сума зведених швидкостей води й пари повинна бути більшою за певну величину, що залежить від тиску). В опускних трубах для надійності циркуляції не можна допускати пароутворення.

У сучасних агрегатах, якщо не розглядати нестаціонарний режим, що супроводжується спадом тиску в котлі, ця умова витримується, бо опускні труби не обігріваються. Проте треба стежити, щоб у них не виникало кавітації – утворення пари на вхідній ділянці опускних труб через спад тиску в цьому місці, що зумовлюється втратою напору на створення вхідної швидкості.

Розрахунок циркуляції грунтується на тому, що при усталеному режимі рушійний напір дорівнює сумі опорів, що виникають при рухові води й пароводяної суміші. Загальна схема його може бути показана на прикладі найпростішого контура, опір якого складається з опорів підйомної DРпід і опускної DРоп труб (опори, що виникають при рухові води в барабанах, дуже малі). Тому

Р = DРпід + DРоп кг/м 2 .

Різницю між рушійним напором і опором підйомної труби називають корисним напором Р – Рпід =Ркор . 

Отже,

Ркор = DРоп кг/м 2 .

Ркор і DРоп – функції кількості циркулюючої води, Ркор =  (Gц ) і DРоп = (Gц ). Мета першого етапу розрахунку циркуляції – визначити корисний напір, при якому працює даний контур. Це завдання зручно розв'язати графоаналітичним способом, взявши кілька значень Gц і побудувавши криві Ркор =(Gц ) і DРоп =(Gц ).

Визначивши корисний напір, при якому працює контур, що складається з великої кількості паралельно включених нагрівальних труб, порівнюють його з величинами корисних напорів застою і перекидання, знайденими в припущенні погіршеного обігрівання якоїсь труби розрахункового контура. Ці величини (як питомі напори, віднесені до 1 м висоти труби) дістають з номограм, приведених у нормах розрахунку циркуляції води в парових котлах. Якщо робочий корисний напір менший від корисних напорів застою і перекидання, то контур можна вважати надійним. Він витримає перевірку на неможливість утворення вільного рівня і перекидання циркуляції.

ГІДРОДИНАМІЧНІ ПРОЦЕСИ.

Основні закони гідростатики і гідродинаміки.

Переважна більшість технологічних процесів у хімічній промисловості пов’язана з рухом рідин, газів або пари, перемішуванням у рідинах, а також з розділенням неоднорідних сумішей за допомогою відстоювання, фільтрування і центрифугування. Швидкість усіх цих процесів визначається законами гідромеханіки і вони називаються гідромеханічними. Закони гідромеханіки і практичне застосування їх вивчає гідравліка, яка складається з двох розділів:

• гідростатики (закони рівноваги в стані спокою);

• гідродинаміки (закони руху рідин і газів).

Гідродинамічні закономірності значною мірою визначають характер самих процесів, а також тепла і масопередачі хімічних процесів у промислових апаратах. Закони гідродинаміки найпростіші для ідеальних рідин, в яких рух відбувається без тертя, а об’єм або густина стала. Хоч жодна реальна рідина не задовольняє цим вимогам, проте багато з них при певних умовах можна розглядати як ідеальні.

           Гидродинамічні характеристики для       екрана с підйомно-відпускними панелями                                           водонагрівного  котла типа ПТВМ-100

Висновок

Простіше кажучи, умовне паливо - це визначення кількості енергії в заданому виді палива,за допомогою якого можна розрахувати і спланувати сумарний енергетичний баланс і сумарний паливний баланс, як окремої галузі, так і країни і навіть всього світу в цілому .В роботі показано зростання ролі енергетики у зв'язку з прогресуючим виснаженням звичайних енергетичних ресурсів (нафти, газу, вугілля тощо) і з усе більш помітною, іноді вже необоротною, зміною («забрудненням») навколишнього середовища, що супроводжує роботу енергоустановок. Природно, що ощадливе та екологічно чисте використання енергії стає однією з основних задач інженерної діяльності в будь-якій галузі і будь-якої спеціальності.

Список літератури

1.     Паливо і ефективність його використання. Равич М.Б. Видав-во «Наука» 1997-c.358. 
2. Мановян А.К. Технологія переробки природних енергоносіїв. – М.: Хімія, Колос, 2004 – 456 с.: іл. – (підручники і навчальні посібники для студентів-ВУЗ) 
3. Основи хімічної технології: підручник для студентів вузів / Мухленов І.П.,Горштейн А.Є., Тумаркина Є.С., Тамбовцева В.Д. под редакцією Мухленова І.П. – 3-е вид., перероб. і доп. – М.: Вища школа, 1983 – 335 с., іл. 
4.Посилання на електронні джерела інформації: 
  http://ru.wikipedia.org//  сайт вільної енциклопедії «Вікіпедія». 5.Геологический словарь: в 2 т. / гол. ред. К. Н. Паффенгольц. — 2-е изд., испр.-М.:«Недра»,-1978.                                                                             6.Саранчук В.І., Ільяшов М.О., Ошовський В.В., Білецький В.С. Основи хімії і фізики горючих копалин. - Донецьк: Східний видавничий дім, 2008. – с. 640.             7.Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред.  В.  С.  Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.