Теплота не может самопроизвольно переходит от более холодного тела к более нагретому.

Помимо макрофизической формы передачи энергии - работы существует также и микрофизическая, т. е. осуществляемая на молекулярном уровне форма обмена энергией между системой и окружающей средой. В этом случае энергия может быть передана системе без совершения работы. Мерой количества энергии, переданной микрофизическим путем, служит теплота.

Тела, участвующие при протекании термодинамического процесса, обмениваются энергией. Передача энергии от одного тела к другому происходит двумя способами.

Первый способ реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел либо лучистым переносом внутренней энергии излучающих тел путем электромагнитных волн. При этом энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому.

Количество энергии, переданной первым способом от одного тела к другому, называется количеством теплоты - Q [Дж], а способ - передача энергии в форме теплоты.

Второй способ связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления, то есть передача энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. При этом количество переданной энергии называется работой - L [Дж], а способ передачи энергии в форме работы.

Количество энергии, полученное телом в форме работы называется работой совершенной над телом, а отданную энергию – затраченной телом работой.
Количество теплоты, полученное (отданное) телом и работа, совершенная (затраченная) над телом, зависят от условий перехода тела из начального состояния в конечное, т.е. зависят от характера т/д процесса.

2.2 Внутренняя энергия

Внутренняя энергия - это свойство самой системы, она характеризует состояние системы. Теплота и работа - это энергетические характеристики процессов механического и теплового взаимодействий системы с окружающей средой.Они характеризуют те количества энергии, которые переданы системе или отданы ею через ее границы в определенном процессе.

В общем случае внутренней энергией называется совокупность всех видов энергий, заключенных в теле или системе тел. Эту энергию можно представить как сумму отдельных видов энергий: кинетической энергии молекул (поступательного и вращательного движения молекул); колебательного движения атомов в самой молекуле; энергии электронов; внутриядерной энергии; энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами; потенциальной энергии молекул.

В технической термодинамике рассматриваются только такие процессы, в которых изменяются кинетическая и потенциальная составляющие внутренней энергии. Поэтому внутренней энергией для идеальных газов называют кинетическую энергию движения молекул и энергию колебательных движений атомов в молекуле, а для реальных газов дополнительно включают

потенциальную энергию молекул.

Внутренняя энергия (U) является функцией двух основных параметров состояния газа, т.е. U = f (P,T), U = f (υ ,T) U= f (P,υ). Κаждому состоянию рабочего тела (системы) соответствует вполне определенное значение параметров состояния, для каждого состояния газа будет характерна своя однозначная, вполне определенная величина внутренней энергии U. То есть U является функцией состояния газа.

2.3 Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям.

Закон сохранения и превращения энергии является фундаментальным законом природы, который получен на основе обобщения огромного количества экспериментальных данных и применим ко всем явлениям природы.

Этот закон является законом сохранения и превращения энергии. Он утверждает:
"Энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит
из одного вида в другой в различных физических процессах".

Или по другому: «Энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую, причем убыль энергии одного вида дает эквивалентное количество энергии другого вида».

Для термодинамических процессов закон устанавливает взаимосвязь между теплотой, работой и изменением внутренней энергии термодинамической системы:

"Теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение энергии системы и совершение работы".

Уравнение первого закона термодинамики имеет следующий вид:

Q = (U₂ – U₁) + L, (2.1)

где Q - количества теплоты подведенная (отведенная) к системе;
L - работа, совершенная системой (над системой);
(U₂ – U₁) - изменение внутренней энергии в данном процессе. Если:
- Q > 0 – теплота подводится к системе;
- Q < 0 – теплота отводится от системы;
- L > 0 – работа совершается системой;
- L < 0 – работа совершается над системой.
Уравнение первого закона термодинамики для единицы массы вещества:

q = Q /m = (u₂ – u₁) + l. (2.2)

Первый закон т/д указывает, что для получения полезной работы (L) в непрерывно действующем тепловом двигателе необходимо подводить (затрачивать) теплоту (Q).

3 Второй закон термодинамики.

3.1 Основные положения второго закона термодинамики

Первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту и не устанавливает условий, при которых возможны эти превращения.

Превращение работы в теплоту происходит всегда полностью и безусловно. Обратный процесс превращения теплоты в работу при непрерывном её переходе возможен только при определенных условиях и не полностью. Теплота сама собой может переходит от более нагретых тел к холодным. Переход теплоты от холодных тел к нагретым сам собой не происходит. Для этого нужно затратить дополнительную энергию.

Таким образом для полного анализа явления и процессов необходимо иметь кроме первого закона термодинамики еще дополнительную закономерность. Этим законом является второй закон термодинамики. Он устанавливает, возможен или невозможен тот или иной процесс, в каком направлении протекает процесс, когда достигается термодинамическое равновесие и при каких условиях можно получить максимальную работу.

Формулировки второго закона термодинамики: Для существования теплового двигателя необходимы 2 источника – горячий источник и холодный источник (окружающая среда). Если тепловой двигатель работает только от одного источника, то он называется вечным двигателем 2-го рода.

Первая формулировка (Оствальда):"Вечный двигатель 2-го рода невозможен".
Вечный двигатель 1-го рода это тепловой двигатель, у которого L > Q₁, где Q₁ - подведенная теплота. Первый закон термодинамики "позволяет" создать тепло-вой двигатель полностью превращающий подведенную теплоту Q₁в работу L, т.е. L = Q₁. Второй закон накладывает более жесткие ограничения и утверждает, что работа должна быть меньше подведенной теплоты (L < Q₁) на величину отведенной теплоты – Q₂, т.е. L = Q₁ - Q₂.

Вечный двигатель 2-го рода можно осуществить, если теплоту Q₂ передать от холодного источника к горячему. Но для этого теплота самопроизвольно должна перейти от холодного тела к горячему, что невозможно. Отсюда следует 2-я формулировка (Клаузиуса):

"Теплота не может самопроизвольно переходит от более холодного тела к более нагретому".

Для работы теплового двигателя необходимы 2 источника – горячий и холодный. 3-я формулировка (Карно):

"Там где есть разница температур, возможно совершение работы".
Все эти формулировки взаимосвязаны, из одной формулировки можно получить другую.

4 Основы теории теплообмена

Теплопередача - это процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку.

Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах

Сложный процесс переноса теплоты разбивают на ряд более простых. Такой прием упрощает его изучение. Кроме того, каждый простой процесс переноса теплоты подчиняется своим законам. Существует три простейших способа передачи теплоты:

теплопроводностью;
конвекцией;
излучением (радиацией).

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты микрочастицами (молекулами, атомами, электронами и т.п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур.

Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии.

Конвективный теплоперенос (конвекция) наблюдается лишь в жидкостях и газах. Конвекция - это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Следует иметь ввиду, что одновременно с конвекцией всегда существует и теплопроводность. Однако конвекция обычно является определяющей, т.к. она интенсивнее теплопроводности.

Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Конвекцией можно передавать теплоту на очень большие расстояния (например, при движении газа по трубам). Движущаяся среда (жидкость или газ), используемая для переноса теплоты, называется теплоносителем.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией). За счет излучения теплота передается во всех лучепрозрачных средах, в том числе и в вакууме. Носителями энергии при теплообмене излучением являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами, участвующими в теплообмене.

Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение электромагнитных волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом.

В большинстве случаев перенос тепла осуществляется несколькими способами одновременно. Например, конвективная теплопередача от газа к стенке практически всегда сопровождается параллельным переносом теплоты излучением.

Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно-кондуктивным теплообменом. Совокупность всех трех видов теплообмена называется сложным теплообменом. Процессы теплообмена могут происходит в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д. В зависимости от этого теплообмен протекает по разному и описывается различными уравнениями.

4.1 Основные понятия и определения

Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока. Плотность теплового потока - это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единичную плотность поверхности, q [Вт/м²].

Мощность теплового потока (тепловой поток) - это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность F, [Вт].

Q = Q/F, Вт/м²_.

Поверхность теплообмена F - это поверхность, через которую происходит передача тепла. Например, при остывании теплоносителя в трубе диаметром d и длиной l, тепло передается от горячего теплоносителя к окружающей среде через цилиндрическую поверхность трубы. В этом случае .

Перенос теплоты зависит от распределения температуры по объему тела или пространства. Температурным полем называется совокупность мгновенных значений температуры во всех точках тела или системы тел в данный момент времени. Математическое описание температурного поля имеет вид:

t = f(x,y,z,t),

где t - температура;

x,y,z - пространственные координаты;

- время.

Температурное поле, описываемое приведенным уравнением, называется нестационарным. В этом случае температуры зависят от времени.

В том случае, когда распределение температуры в теле не изменяется со временем, температурное поле называется стационарным: t = f(x,y,z,),

если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле называется соответственно одно - и двухмерным: t = f(x,t),

Поверхность, во всех точках которой температура одинакова, называется изотермической. Изотермические поверхности могут быть замкнутыми, но не могут пересекаться. Быстрее всего температура изменяется при движении в направлении, перпендикулярном изотермической поверхности. Скорость изменения температуры по нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры.

Градиент температуры (grad t) - есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности и численно равный производной от температуры по этому направлению:

где - единичный вектор, направленный в сторону возрастания температур нормально к изотермической поверхности.

4.2 Конвективный теплообмен

Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью. В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей. Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи является природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки.
Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция).

Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).

4.3 Закон Ньютона - Рихмана

Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой описывается законом Ньютона-Рихмана, которая гласит, что количество теплоты, передаваемая конвективным теплообменом прямо пропорционально разности температур поверхности тела (t_'ст) и окружающей среды (t_'ж):

Q = α · (t_'ст - t_'ж)·F ,

или

q = α · (t_'ст - t_'ж) ,

где α - коэффициент теплоотдачи [Вт/(м²К)], характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.
Факторы, которые влияют на процесс конвективного теплообмена, включают в этот коэффициент теплоотдачи. Тогда коэффициент теплоотдачи является функцией этих параметров и можно записать эту зависимость в виде следующего уравнения:

α = f₁(Х; Ф; l_o; x_c; y_c; z_c; w_o; θ; λ; а; с_р; ρ; ν; β),

где Х – характер движения среды (свободная, вынужденная);
Ф – форма поверхности;
l_o – характерный размер поверхности (длина, высота, диаметр и т.д.);
x_c; y_c; z_c – координаты;
w_o – скорость среды (жидкость, газ);
θ = (t_'ст - t_'ж) – температурный напор;
λ – коэффициент теплопроводности среды;
а – коэффициент температуропроводности среды;
с_р – изобарная удельная теплоемкость среды;
ρ – плотность среды;
ν – коэффициент кинематической вязкости среды;
β – температурный коэффициент объемного расширения среды.

Уравнение (10.3) показывает, что коэффициент теплоотдачи величина сложная и для её определения невозможно дать общую формулу. Поэтому для определения коэффициента теплоотдачи применяют экспериментальный метод исследования.
Достоинством экспериментального метода является: достоверность получаемых результатов; основное внимание можно сосредоточить на изучении величин, представляющих наибольший практический интерес. Основным недостатком этого метода является, что результаты данного эксперимента не могут быть использованы, применительно к другому явлению, которое в деталях отличается от изученного.

4.4 Теплопередача

Теплопередачей называется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители.
Примерами теплопередачи являются: передача теплоты от греющей воды нагревательных элементов (отопительных систем) к воздуху помещения; передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах; передача теплоты от раскаленных газов к охлаждающей воде (жидкости) через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания; передача теплоты от внутреннего воздуха помещения к наружному воздуху и т.д. При этом ограждающая стенка является проводником теплоты, через которую теплота передается теплопроводностью, а от стенки к окружающей среде конвекцией и излучением. Поэтому процесс теплопередачи является сложным процессом теплообмена. При передаче теплоты от стенки к окружающей среде в основном преобладает конвективный теплообмен.

4.4.1 Теплопередача через плоскую стенку

Рассмотрим однослойную плоскую стенку толщиной d и теплопроводностью l (рис12.1).

Температура горячей жидкости (среды) t^'_ж, холодной жидкости (среды) t^''_ж. Количество теплоты, переданной от горячей жидкости (среды) к стенке по закону Ньютона-Рихмана имеет вид:

Q = a₁ · (t^'_ж – t₁)·F,

где a₁ – коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой t^'_ж к поверхности стенки• с температурой t₁;

F – расчетная поверхность плоской стенки.

Тепловой поток, переданный через стенку определяется по уравнению:

Q = l/d · (t₁ – t₂) · F.

Тепловой поток от второй поверхности стенки к холодной среде определяется по формуле:

Q = a₂ · (t₂ - t^''_ж) · F,

где a₂ – коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой t^''_ж.

Решая эти три уравнения получаем:

Q = (t^'_ж – t^''_ж) ∙ F ∙ К,

где К = 1 / (1/a₁ + d/ l + 1/a₂) – коэффициент теплопередачи, или R₀ = 1/К = (1/a₁ + d/l + 1/a₂) – полное термическое сопротивление теплопередачи через однослойную плоскую стенку.

1/a₁, 1/a₂ – термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки;

d/l - термическое сопротивление стенки.

Для многослойной плоской стенки полное термическое сопротивление будет определяться по следующей формуле:

R₀ = (1/a₁ + d₁/l₁ + d₂/l₂ + … + d_n/l_n +1/a₂),

а коэффициент теплопередачи:

К = 1 / (1/a₁ + d₁/l₁ + d₂/l₂ + … + d_n/l_n +1/a₂),

5 Энергетическое топливо

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках.
В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота из топлива, различают органическое и ядерное топливо.

В органических топливах теплота выделяется в результате химической реакции окисления его горючих частей при участии кислорода, а в ядерных топливах – в результате распада деления ядер тяжелых элементов (урана, плутония и т.д.).

5.1 Состав топлива

Твердые и жидкие топлива состоят из горючих (углерода - С, водорода - Н, летучей серы - S_л = S_ор + S_к) и негорючих (азота - N и кислорода - О) элементов и балласта (золы - А, влаги - W).

Элементарный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах к массе 1 кг топлива. При этом различают рабочую, сухую, горючую и органическую массу топлива.

Рабочая масса – это масса и состав топливо, в котором поступает к потребителю и подвергается сжиганию.

Состав рабочей, горючей, сухой и органической массы обозначается соответственно индексами "р", "с", "г" и "о" и выражаются следующими равенствами:

С^р+ Н^р+ S^р_л+ N^р + O^р+ A^р+ W^р = 100 % ;
С^с+ Н^с+ S^с_л+ N^с + O^с+ A^с= 100 % .
С^г+ Н^г+ S^г_л + N^г + O^г = 100 % ;
С^о+ Н^о+ S^о_орг+ N^о + O^о= 100 % .

Органическая масса топлива в отличии от горючей массы содержит только органическую серу и не включает колчеданную:

S^о_орг = S^о_л - S^о_к .

Для сланцев состава (С^р, Н^р, S^р_л, N^р, O^р, A^р, W^р) пересчет с рабочей
массы на горючую осуществляется с помощью коэффициента:

К = 100 / [100 - A^р_и - W^р - (СО₂)^р_к],

где A^р_и - истинная зольность рабочей массы, %·,

W^р - влажность рабочей массы, %,

(СО₂)^р_к - содержание углекислоты карбонатов, %.

Истинная зольность рабочей массы определяется по формуле:

A^р_и = A^р - [2,5(S^р_а - S^р_с ) +0,375S^р_к] [(100 - W^р) / 100],

где S^р_а - содержание серы в лабораторной золе в процентах к массе топлива;

S^р_с - содержание сульфатной серы в топливе, %.
Величина [2,5(S^р_а - S^р_с) +0,375S^р_к] для ленинградских и эстонских сланцев может быть принята равной 2,0, для кашпирских - 4,1.

Пересчет состава (%) рабочей массы топлива при изменении влажности производится по формулам:

      С^р₂ = С^р₁(100 - W^р₂) / (100 - W^р₁) ö
      H^р₂ = H^р₁(100 - W^р₂) / (100 - W^р₁) ý ,
      ................................................. . ø

где W^р₁- начальная влажность топлива, %,

W^р₂- конечная влажность топлива, %.

Средний состав (%) смеси двух твердых или жидких топлив, заданных массовыми долями, - первого (С^р₂, H^р₂ ....)и второго (С^р₁, H^р...) - определяется по уравнениям:

С^р_см= b₁ C^р₁ + (1 - b₁) C^р₂ , ö H^р_см= b₁ H^р₁ + (1 - b₁) H^р₂ , ý ,
......................................... . ø

где массовая доля b₁ одного из топлив в смеси находится по формуле:

b₁ = В₁/(В₁ + В₂),

где В₁ и В₂ - массы топлив, входящих в смесь, кг.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючая часть состоит из предельных (С_nH_2n+2) и непредельных (С_nH_2n) углеводородов, водорода Н₂, окиси углерода СО, и сернистого водорода (Н₂S). В состав негорючих элементов входит азот (N₂) , углекислый газ (СO₂) и кислород (О₂). Составы природного и искусственного газообразных топлив различны. Природный газ характеризуется высоким содержанием метана (СH₄), а также небольшого количества других углеводородов: этана (С₂H₆), пропана (С₃H₈), бутана (С₄H₁₀), этилена (С₂H₄), и пропилена (С₃H₆). В искусственных газах содержание горючих составляющих (водорода и окиси углерода) достигает 25-45%, в балласте преобладают азот и углекислота – 55-75%. Состав газообразного топлива задается в объемных долях и в общем виде можно записать следующим образом:

SС_nH_2n+2 + SС_nH_2n + Н₂ + СО + Н₂S + О₂ + N₂ + CО₂ = 100% ,

где SС_nH_2n+2 – предельные углеводороды;
SС_nH_2n – непредельные угловодороды;
Н₂S – сернистый водород.
СО – окись углерода;
CО₂ - углекислый газ.

5.2 Характеристика топлива

Влажность воздуха. Средняя влажность топлива в рабочем состоянии составляет в %: для торфа 50; сланцев 13-17; каменного угля 5-14 и антрацита 5-8. Бурые угли в зависимости от влажности делят на 3 группы:

группа Б1 – более 40% влажности;

группа Б2 – 30 - 40%;

группа Б3 – менее 30%.

Зола топлива. В состав золы входят преимущественно соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы железа, алюминия, а также сульфатная сера. Минеральные остатки, образующиеся после сгорания топлива, имеют вид либо сыпучей массы (зола), либо сплавленных кусков (шлак). При высоких температурах зола размягчается, а затем плавится. Размягченная зола и шлак прилипают к стенкам обмуровки топки, уменьшая сечение газоходов откладываются на поверхностях нагрева, увеличивая тем самым термическое сопротивление в процессе теплопередачи о газов к нагреваемой среде, забивают отверстия для прохода воздуха в колосниковой решетке, обволакивают частицы топлива, затрудняя их сжигание.

Различные виды топлива содержат разное количества золы. Например, в %: древесина - 1; торф - 10; кузнецкий уголь - 10-20; подмосковный бурый уголь - 30; сланцы - 60. Жидкое топливо (мазут) содержит 0,2 - 1% минеральных примесей.
Летучие вещества. При нагревании твердого топлива до 870-1100 К без доступа окислителя, выделяются парогазообразные вещества, которые называются летучими. Они являются продуктами распада сложных органических веществ, содержащихся в органической массе топлива. В состав летучих веществ входят: азот N₂, кислород О₂, водород Н₂, окись углерода СО, углеводородные газы СH₄, С₂H₄ и т.д, а также водяные пары.
Кокс. Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих веществ. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. При низких температурах в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (C, H, S_л, N). Тогда твердый остаток называется полукоксом. По своим механическим свойствам кокс может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся.

В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный - Д, газовый - Г, газовый жирный – ГЖ, жирный – Ж, коксовый жирный = КЖ, коксовый - К, коксовый второй – К₂, отощенный спекающийся – ОС, слабоспекающийся – СС, тощий – Т.

Теплота сгорания. Одной из основных характеристик любого вида топлива является теплота сгорания, т.е. то количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Полным сгоранием называется такое, при котором горючие компоненты топлива С, Н и S полностью окисляются кислородом. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива относят к 1 кг, а газового – к 1 м³ при нормальных условиях.
Различают низшую и высшую теплоту сгорания. В высшую теплоту сгорания входит количество теплоты, которое может быть выделено при конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания топлива. При известном элементарном составе твердого и жидкого топлив теплоту их сгорания (кДж/кг) определяют по эмпирическим формулам, предложенной Д.И. Менделеевым:

Q^p_н = 340С^р + 1035Н^р – 109(О^р - S^р_л) – 25W^р .
Q^p_в = 340С^р + 1260Н^р – 109(О^р - S^р_л) ;

Теплота сгорания сухого газа (кДж/м³) определяют по объемному составу, %, и известной теплоте сгорания компонентов:

Q^p_н = 358СН₄ + 640С₂Н₆ + 915С₃Н₈ + 1190С₄Н₁₀ +
+ 1465 С₅Н₁₂ + 126,5 СО + 107,5Н₂ + 234Н₂S;
Q^p_н = 398СН₄ + 700С₂Н₆ + 995С₃Н₈ + 1285 С₄Н₁₀ +
+ 1575 С₅Н₁₂ + 126,5 СО + 127,5Н₂ + 257Н₂S.

Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту вводят понятие условного топлива, теплота сгорания которого равна 29300 кДж/кг.
Отношение Q^p_н данного топлива к Q_у.т. условного топлива называется топливным эквивалентом – Э. Тогда для расчета расхода натурального топлива В_н в условное В_у.т., достаточно величину В_н умножить на эквивалент Э, т.е.:

В_у.т. = В_у.т∙Э = В_у.т.∙(Q^p_н / Q_у.т.)

5.3 жидкие топлива

Практически все жидкие топлива пока получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300-370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре : сжиженный газ (выход около 1 %), бензиновую (около 15%, = 30…80°С), керосиновую (около 17%, = 120…135°С), дизельную (около 18%, = 180…350 °С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330-350 °С называется мазутом. Указанные фракции служат исходным сырьем для получения смазочных материалов и топлив для двигателей внутреннего сго-рания и газотурбинных установок - бензина, керосина, дизельных топлив и т. д.

Мазутная фракция может подвергаться дальнейшей переработке на светлые нефтепродукты путем крекинга - расщепления тяжелых молекул на более легкие.

Мазут, как и моторные топлива, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят в основном углерод (C' = 84 - 86%) и водород (Н' = 10 - 12%).

Мазуты, получаемые из нефти ряда месторождений, могут содержать много серы (до 4,3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при их сжигании.

Зольность мазута не должна превышать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому ее часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия.

5.4 Газообразные топлива

К газообразным топливам относится, прежде всего, природный газ, огромными запасами которого располагает РФ. Основным его компонентом является метан СН₄, кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N₂, высших углеводородов С_nН_m, диоксида углерода СO₂. В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться. Кроме того, в бытовой газ для обнаружения утечек добавляют так называемые одоризаторы, придающие газу специфический запах; они тоже содержат соединения серы. Принято считать, что концентрация водяного пара в природном газе соответствует состоянию насыщения при температуре газа в трубопроводе.

6 Топочные устройства

Топка – один из основных элементов котельного агрегата. В ней происходит процесс горения, при котором химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, передаваемую далее жидкости и пару, находящимся в котле.

Существующие топочные устройства можно разделить на слоевыеи камерные.
Слоевые топкипредназначены для сжигания твердого топлива в слое на колосниковой решетке. В камерных топкахсжигается твердое топливо во взвешенном состоянии в виде пыли и дробленых частиц, а также жидкое, распыляемое с помощью форсунок, и газообразное. Камерные топки подразделяются на факельные и вихревые.

При факельном способе сжигания твердое топливо предварительно размалывается в мельницах и пыль вместе с воздухом (аэросмесь) попадает в топку. Время пребывания газа и пыли в объеме топки незначительно (1,5-2 с).
Вихревой способ сжигания основан на использовании закрученных топливовоздушных потоков. Транспорт топлива осуществляется воздухом. Топливные частицы циркулируют по определенным траекториям в течение времени, необходимого для завершения их сгорания. Под действием центробежных сил частицы движутся в виде уплотненного пристенного слоя, интенсивно перемешиваясь с воздухом. Время пребывания частиц в циклонной камере выбирается достаточным для выгорания грубой пыли (размер частиц – 200 мкм) или дробленого топлива (размер частиц до 5 мм).
Слоевые топки.По способу механизации операций обслуживания (подача топлива, шировка слоя, удаление золы и шлака) слоевые топки делятся на ручные (немеханизированные), полумеханические и механические.В полумеханических топках механизирована часть операций. В механических топках механизированы все операции.

В зависимости от способа организации процесса сжигания топлива слоевые топки можно разделить на три группы:

1) с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижным слоем топлива;
2) с неподвижной колосниковой решеткой и перемещением топлива по решетке;
3) с подвижной колосниковой решеткой и движущимся вместе с ней слоем топлива.
Камерные топки для сжигания твердого топливаиспользуют в котельных агрегатах средней (10 - 42 кг/с) и большой (42 кг/с) производительности.
Основные преимущества камерных топок заключаются в следующем:
1) возможность экономичного использования практически всех сортов угля, в том числе и низкокачественных, которые трудно сжигать в слое;

2) хорошее перемешивание топлива с воздухом, что позволяет работать с небольшим избытком воздуха (а = 1,2 - 1,25);

3) возможность повышения единичной мощности котельного агрегата:
4) относительная простота регулирования режима работы и, следовательно, возможность полной автоматизации топочного процесса.

6.1 Физический процесс горения топлива

Горениетоплива – химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя используют кислород воздуха.

Процессы горения разделяют на 2 группы:

1) гомогенное горение – гор

⇐ Предыдущая 12