Файл: Термодинамические основы теории тепловых машин учеб. пособие.pdf

Г л а в а II

РЕАКЦИИ СГОРАНИЯ И ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТОПЛИВ

§ 1. РЕАКЦИИ СГОРАНИЯ

Источником энергии в большинстве тепловых двигателей явля­ ются химические реакции сгорания, в которые вступают два раз­ личных вещества: горючее и окислитель. В общем случае любые два вещества (компонента), используемые для такой экзотермиче­ ской реакции, называют топливом.

Таким образом, под термином «топливо» следует понимать го­ рючее и окислитель.

Горючим называют вещество, содержащее главным образом атомы с восстановительными свойствами. Такими элементами мо­ гут быть углерод, водород, а также металлы — алюминий, магний, бор и т. д.

Окислитель — вещество, содержащее главным образом атомы с окислительными свойствами: кислород, фтор, хлор и их соедине­ ния.

Вдвигателях внутреннего сгорания силовых установок боевых

итранспортных машин в качестве горючего применяются углево­ дородные соединения, полученные в результате перегонки нефти (бензин, керосин, дизельное топливо).

Вкачестве окислителя в этих двигателях используется исклю­ чительно кислород, содержащийся в воздухе. При этом термин «топливо» отождествляется с понятием «горючее». Поэтому в даль­ нейшем под термином «топливо» будем подразумевать горючее, как это принято в теории тепловых двигателей наземных машин.

Смесь топлива с воздухом в таких двигателях принято назы­ вать горючей смесью. При горении смеси образуются продукты сгорания и выделяется тепловая энергия, которая затрачивается на нагревание продуктов реакции. Продукты сгорания представляют собой смесь газов, которая в дальнейшем рассматривается как ра­

26

рания газы между собой не реагируют и вся высвобождаемая при реакции энергия идет на нагревание рабочего тела. При этих усло­ виях расчеты процесса сгорания могут основываться на простых стехиометрических соотношений вида:

С -f- Oj —С 0 2;

2На+ О а = 2НаО.

Однако такие соотношения не характеризуют всей сложности процессов, происходящих при горении смеси, а характеризуют толь­ ко итоговые результаты процесса.

Представления о механизме простых реакций в ряде случаев противоречат накопленным экспериментальным данным. В действи­ тельности продукты сгорания топлив представляют собой смесь химических веществ, между которыми могут протекать химические реакции.

При высоких температурах продукты сгорания состоят не толь­ ко из конечных продуктов С 02 и Н20, но и из продуктов неполного сгорания: ионов СО, ОН, О, Н, которые образуются в результате расщепления конечных продуктов реакции или в результате их взаимодействия. Это явление носит название диссоциации про­ дуктов сгорания.

Диссоциация продуктов сгорания приводит к неполному преоб­ разованию химической энергии; часть ее, остающаяся в продуктах сгорания, может оказаться значительной, что необходимо учиты­ вать при расчете процессов сгорания. Поэтому в общем случае ре­ акции сгорания следует записывать в виде:

1 Л -f В~ЛАВ.

Реакции диссоциации, например углекислого газа и водяных па­ ров, протекающие с затратой энергии, записываются следующим образом:

С 0 2“ ! С 0 + 0;

н 2о ^ : н 2-ь О.

Расчеты процессов сгорания с учетом диссоциации весьма тру­ доемки и в данном пособии не рассматриваются.

Для расчета процесса сгорания в двигателях внутреннего сго­ рания (поршневых, газотурбинных и других) и различных теплотех­ нических устройствах необходимо знать ряд величин, характери­ зующих топлива. К этим величинам относятся элементарный со­ став топлива и запас химической энергии. В результате расчета процесса сгорания определяются состав продуктов сгорания, тео­ ретическая температура сгорания и расход воздуха (окислителя) для осуществления процесса сгорания. Рассмотрим сгорание угле­ водородных топлив с кислородом, содержащимся в воздухе.

27

Состав топлива

Элементарный состав воздуха может быть задан объемными или массовыми долями. При этом учитывается только содержание

Состав жидких углеводородных топлив задается или химиче­ ской формулой или массовыми долями основных элементов.

Основными элементами топлива являются: углерод С, водо­ род Н2, а в некоторых составах небольшое количество кислорода 0 2.

Если топливо представляет собой вполне определенное углево­ дородное соединение, то его элементарный состав выражается фор­ мулой вида

с т н , А ,

где т, п, г — числа атомов соответствующих элементов, входящих в молекулу топлива. Например, СШ—метан, С2НбО— спирт.

Большинство жидких топлив, применяемых в тепловых двигате­ лях, представляет собой смесь различных углеводородов. Элемен­ тарный состав таких топлив определяется методом химического анализа и может быть условно выражен формулой того же вида.

Массовые доли соответствующих элементов могут быть опреде­ лены по условной химической формуле:

В этих уравнениях т т= 12т + п + 16г — относительная моле­ кулярная масса топлива.

Если топливо представляет собой смесь различных компонентов, то элементарный состав такого сложного топлива определяется сле­ дующим образом.

28

где 12 т + п — т т;

I2m/ + n' = m^ — относительные молекулярные массы компо-

нентов топлива.

Массовые доли элементов в сложном топливе определяются но уравнениям:

Теоретически необходимые количества кислорода и воздуха

Теоретически необходимым количеством кислорода (воздуха) называется наименьшее его количество, необходимое для полного окисления одного килограмма топлива.

Теоретически необходимое количество воздуха может быть вы­ ражено в килограммах 10 [кг возд./кг топл.] или в киломолях L0 [кмоль возд./кгг топл.].

Определим количественные соотношения для данных реакций в расчете на 1 кг топлива, состав которого задан массовыми долями

£с- 8н, и gor

29

1 кг Н.-+-—- кмоля О* = —— кмоля Н„0.

4' 2

Врасчете на 1 кг топлива, в составе которого содержится gr кг углерода и g"Ha водорода, получим:

Последние два уравнения позволяют определить теоретически необходимое количество кислорода О0. Это количество кислорода

складывается из кислорода -у|-, необходимого для полного окисле-

ния углерода, и кислорода-^-, необходимого для полного окисле­

ния водорода. Таким образом,

в составе которого по объему содержится 21% кислорода, получим

Для применяемых жидких топлив значения L0 и /0 имеют сле­ дующие примерные значения:

30