Тепловий баланс горіння

Головна | Про нас | Зворотній зв'язок

Тепловим ефектом реакції називається кількість теплоти, що виділяється або поглинається системою в ході реакції [2].

де. - стехіометричні коефіцієнти продуктів реакції і вихідних речовин; . - стандартні ентальпії утворення продуктів реакції і вихідних речовин. Теплота освіти. Тут індекс означає formation (освіта), а нуль, що величина відноситься до стандартного стану речовини.

Теплота утворення речовин визначається за довідниками або розраховується виходячи зі структури речовини.

Теплотою згоряння називається кількість тепла, що виділяється при повному згорянні одиниці кількості речовини за умови, що початкові і кінцеві продукти знаходяться в стандартних умовах.

· Молярну - для одного благаючи (кДж / моль),

· Масову - для одного кілограма (кДж / кг),

· Об'ємну - для одного кубічного метра речовини (кДж / м³) теплоту згоряння.

Залежно від агрегатного стану води, що утворилася в процесі горіння, розрізняють вищу і нижчу теплоту згоряння.

Вищої теплотою згоряння називається кількість тепла, яке виділяється при повному згорянні одиниці кількості горючої речовини, включаючи тепло конденсації водяної пари.

Нижчою теплотою згоряння називається кількість тепла, яке виділяється при повному згорянні одиниці кількості горючої речовини за умови, що вода в продуктах горіння знаходиться в газоподібному стані.

Молярну теплоту згоряння розраховують відповідно до закону Гесса. Для перерахунку молярної теплоти згорання в масову можна використовувати формулу:

де - молярна маса горючої речовини,.

Для речовин у газоподібному стані при перерахунку з стандартної теплоти згорання в об'ємну використовують формулу:

де - молярний об'єм газу, який при стандартних умовах дорівнює.

Досить точні результати для складних горючих речовин або сумішей дає формула Менделєєва для вищої теплоти згорання:

Для нижчої теплоти згорання

Розрахунок теплоти згорання горючих сумішей виконують за формулою

де - нижча теплота згоряння горючої суміші,; - об'ємна частка -ого пального в суміші; - нижча теплота згоряння -ого пального в суміші,.

Розрахунок теплоти згорання газо-повітряних сумішей проводять з використанням формули

де - нижча теплота згоряння горючої речовини,; - концентрація горючої речовини в газо-повітряної суміші, об'ємна частка; - теплота згоряння газо-повітряної суміші,.

Теплоємність тіла називається фізична величина, що визначає ставлення нескінченно малу кількість теплоти. отриманого тілом, до відповідного збільшенню його температури

Кількість теплоти, підведене до тіла або відведений від нього, завжди пропорційно кількості речовини.

Питомою теплоємністю називається теплоємність, віднесена до одиничного кількості речовини. Кількість речовини може бути виміряна в кілограмах, кубічних метрах і молях. Тому розрізняють масову, об'ємну і молярну теплоємність.

· - молярна теплоємність. . Це кількість теплоти, яке потрібно підвісить до 1 молю речовини, що його температура підвищилася на 1 Кельвін;

· - масова теплоємність. . Це кількість теплоти, яке потрібно підвісить до 1 кілограму речовини, що його температура підвищилася на 1 Кельвін;

· - об'ємна теплоємність. . Це кількість теплоти, яке потрібно підвісить до 1 кубічному метру речовини, що його температура підвищилася на 1 Кельвін.

Зв'язок між молярною і масової теплоємності виражається формулою

де - молярна маса речовини. Об'ємна теплоємність виражається через молярну наступним чином

де - молярний об'єм газу при нормальних умовах.

Теплоємність тіла залежить від процесу, в ході якого здійснюється підведення теплоти.

Теплоємністю тіла при постійному тиску називають відношення питомої (на 1 моль речовини) кількості теплоти, підведеної в изобарном процесі, до зміни температури тіла.

Теплоємністю тіла при постійному обсязі називають відношення питомої (на 1 моль речовини) кількості теплоти, підведеної в Ізохоричний процесі, до зміни температури тіла.

Теплоємність ідеальних газів дорівнює

де універсальна газова стала.

Теплоємність речовин у твердій фазі для умов близьких до нормальних за законом Дюлонга-Пті дорівнює

Внаслідок того що теплоємність залежить від температури, витрата теплоти для однакового підвищення температури мене-ється (рис. 3.1).

Справжньою теплоємністю називають теплоємність, яка при певному термодинамическом процесі, виражається наступною формулою

де - позначає процес, при якому вимірюється теплоємність. Параметр може приймати значення. та ін.

Мал. 3.1. Залежність теплоємності від температури

Середній теплоємністю називається відношення кількості теплоти, що повідомляється тілу в заданому процесі, до зміни температури за умови, що різниця температур є кінцевою величиною. При відомій залежності істинної теплоємності від температури середню теплоємність на інтервалі температур від до можна знайти за допомогою теореми про середнє значення

де - середня теплоємність, -Істинна теплоємність.

В експериментальних дослідженнях теплоємності речовин часто знаходять середню теплоємність як функцію верхньої межі, при фіксованому значенні нижньої межі, який приймають рівним

Залежності середніх теплоємностей газів від температури верхньої межі наведені в таблиці 3.1.

Теплоємність газової суміші залежить від складу суміші і теплоємність компонент. Позначимо: - молярна частка компонента в суміші; - об'ємна частка; - масова частка. Тут - кількість -ого компонента в благаючи, м 3. кг відповідно. Теплоємність газової суміші можна визначити за формулами

де. . - середні молярна, масова і об'ємна теплоємності -ого компонента суміші.

Формули для визначення середніх мольних теплоємностей окремих газів при постійному обсязі, Дж / (моль · град), для температур, 0 С

У теплових машинах і двигунах, спочатку кожного циклу в камеру згоряння подається порція свіжої суміші, яку називають свіжим зарядом. Однак, як правило, в камері згоряння залишаються відпрацьовані гази від попереднього циклу.

Коефіцієнтом залишкових газів називається відношення

де - кількість моль залишкових газів, - кількість моль свіжого заряду. Суміш в камері згоряння залишкових газів зі свіжим зарядом називається робочою сумішшю. Теплоємність робочої суміші розраховується по формулі

де. - середні теплоємності свіжого заряду і залишкових газів при температурі робочої суміші; - коефіцієнт залишкових газів.

Тепло, що виділяється в зоні горіння, витрачається на нагрів продуктів згоряння і тепло втрати (до останніх відносяться попереднє нагрівання горючої речовини і випромінювання із зони горіння в навколишнє середовище). Максимальна температура, до якої нагріваються продукти горіння, називається температурою горіння.

Залежно від умов, в яких протікає процес горіння розрізняють калориметричну. адіабатичну, теоретичну. і дійсну температури горіння [12].

Під калориметричній температурою горіння розуміють температуру, до якої нагріваються продукти горіння при дотриманні наступних умов:

· Все тепло, що виділилося в процесі реакції, йде на нагрівання продуктів горіння;

· Відбувається повне згоряння стехиометрической горючої суміші ();

· В процесі утворення продуктів горіння не відбувається їх дисоціація;

· Горюча суміш знаходиться при початковій температурі 273К і тиску 101,3 кПа.

Адіабатична температура горіння визначається для НЕ стехиометрической горючої суміші ().

Теоретична температура горіння відрізняється від калориметричній тим, що в розрахунках враховуються втрати тепла в слідстві дисоціації продуктів горіння.

Дійсна температура горіння - це температура, до якої нагріваються продукти горіння в реальних умовах.

Розглянемо розрахунок тільки калориметричній і адіабатичній температури горіння з невеликою поправкою. Будемо вважати, що початкова температура вихідної суміші відрізняється від. Позначимо і кількості моль робочої суміші і суміші продуктів горіння. Тоді тепловий баланс горіння при постійному тиску можна записати таким чином

де. - середні теплоємності вихідної суміші і продуктів горіння; - теплота, що виділяється при згорянні 1 моль робочої суміші,; і - температури робочої суміші і продуктів горіння відповідно. По відношенню до одного молю робочої суміші формулу (3.20) можна представити у вигляді

де - коефіцієнт молекулярного зміни складу суміші. З рівняння теплового балансу знаходять калориметричну і адіабатичну температури горіння.

Під час вибуху обсяг вихідної суміші можна вважати незмінним. Для розрахунку температури вибуху досить визначити температуру згоряння в процесі з постійним об'ємом

Тиск під час вибуху можна знайти за допомогою рівняння Клайперона-Менделєєва, враховуючи, що обсяг в процесі не змінюється.

Практична робота №3

«Розрахунок теплоти згорання речовин»

Мета: Засвоїти основні поняття енергетичного балансу процесів горіння. Навчитися робити розрахунок теплоти згорання для різного типу горючої речовини (індивідуальні речовини і суміші; складні речовини, представлені елементарним складом).

Розрахункові формули і алгоритми

1. Для розрахунку теплоти згорання індивідуальних речовин використовується формула (3.1). Спочатку складають рівняння реакції горіння, за допомогою якого визначають стехіометричні коефіцієнти і продукти. Потім по таблиці (див. Таблицю 3.1) знаходять стандартних ентальпії утворення вихідних речовин і продуктів реакції. Знайдені параметри, підставляються в формулу (3.1) і обчислюється теплота згоряння горючої речовини.

2. Тепло згоряння складних речовин знаходять за формулами Д. І. Менделєєва (3.4) і (3.5). Для виконання розрахунку необхідно знати тільки масові частки елементів у відсотках. Теплота згоряння обчислюється в кДж / кг.

3. Для розрахунку горючих сумішей користуються формулами (3.1) - (3.6). Спочатку знаходять нижчу теплоту згоряння кожного горючого газу як індивідуального речовини за формулою (3.2) або як складного речовини за формулами (3.4), (3.5). Для переходу до об'ємної теплоти згорання застосовують формули (3.2), (3.3). Завершують розрахунок обчисленням нижчої теплоти згорання суміші горючих по формулі (3.6).

4. Для визначення теплоти згорання 1 м 3 газо-повітряної суміші обчислюють об'ємну частку горючих газів в присутності повітря, кількість якого залежить від. Потім за допомогою формули (3.7) обчислюють теплоту згоряння газо-повітряної суміші.

Приклад 3.1. Визначити нижчу теплоту згоряння ацетилену.

Рішення. Запишемо рівняння горіння ацетилену.

Відповідно до рівняння стехіометричні коефіцієнти рівні. . . . Використовуючи додаток 3.1 знаходимо стандартні ентальпії утворення речовин реакції:. . . . За формулою (3.1) обчислюємо нижчу теплоту згоряння ацетилену

Для розрахунку кількості тепла, що виділяється при горінні 1 м 3 ацетилену, необхідно отриману величину розділити на молярний об'єм в стандартних умови (3.3):

Приклад 3.2. Розрахувати нижчу теплоту згоряння органічної маси складу: - 62%, - 8%, - 28%, - 2%.

Рішення. За формулами Менделєєва (3.4) і (3.5) знаходимо

Приклад 3.3. Визначити теплоту згоряння газової суміші, що складається з - 40%, - 20%, - 15%, - 5%, - 10%, - 10%.

Рішення. З цих газів горючими є. . . . Випишемо для кожного пального рівняння реакції з киснем:

Стандартні ентальпії утворення речовин знаходимо за допомогою табличних даних таблиці 3.2.

За формулою (3.1) відповідно до рівняннями горіння (1) - (4) знаходимо теплоту згоряння,:

Для суміші горючих газів використовуємо формулу (3.6), враховуючи, що молярні і об'ємні частки збігаються. В результаті обчислень отримуємо нижчу теплоту згоряння суміші газів

При згорянні 1 м 3 такої суміші газів виділяється теплота рівна

Приклад 3.4. Розрахувати нижчу теплоту згоряння пропан-повітряної суміші, якщо коефіцієнт надлишку повітря.

Рішення. Записуємо рівняння горіння пропану

Відповідно в рівнянням реакції на 1 м 3 пропану має припадати м 3 повітря для стехиометрической суміші. З огляду на, що на 1 м 3 пропану фактично витрачається м 3 повітря. Таким чином, в 1 м 3 в пропан-повітряної суміші об'ємна частка пропану складе

Нижчу теплоту згоряння пропану знайдемо за формулою (3.1). Стандартна ентальпія освіти пропану може бути визначена по таблиці 3.2.

Теплота згоряння пропану дорівнює

Нижчу теплоту згоряння пропан-повітряної суміші можна визначити за формулою (3.7)

3.1. Розрахувати вищу і нижчу теплоту згоряння індивідуальних речовин. Параметри для розрахунку, в залежності від варіанту, наведені в таблиці 3.3.

3.2. Розрахувати нижчу теплоту згоряння речовин складного складу. Параметри для розрахунку, в залежності від варіанту, наведені в таблиці 3.4.

3.3. Яка кількість речовини кг можна нагріти від температури до 0 С при спалюванні м 3 горючої суміші. Параметри для розрахунку, в залежності від варіанту, наведені в таблиці 3.5. Теплоємність речовини знайти з використанням довідників.

Таблиця 3.2. Стандартна ентальпія освіти

Речовина і стан