Свойства топлив, используемых в жизненных циклах объектов транспорта

Понятие о горении углеводородных топлив. Материальные балансы. Механизмы горения

Для определения количественных показателей образования и потреблениявсех веществ, участвующих в процессе получения энергии сжигания топлива и из окружающей среды, используются уравнения материального баланса топлив.

Основным источником теплоты при сгорании топлив является окисление содержащихся атомов углерода С и водорода Н. Кроме того, в топливах могут содержаться в незначительном количестве сера, соединения азота, кислородсодержащие соединения (спирты, эфиры и др.), тяжелые металлы (табл. 1).

Таблица 1

Топливо	Элементный состав, % (по массе)	l0	Hu
wc	wH	w0	wN	ws
Водород Сжатый природный газ Сжиженный нефтяной газ Метанол СН3ОН Диметилэфир СН3ОСН3 Бензин Дизтопливо Мазут Каменный уголь	-   71,0   84,0 37,5   52,2 85,5 86,5 85,6 80,5	23,2   16,0 12,5   13,0 14,5 13,3 11,3 6,0	-   0,4   - 50,0   34,8 - - 0,5 11,5	-   5,3   - -   - - 0,02 0,3 1,5	-   0,1   0,01 -   - 0,02 0,2 2,3 0, 5	34,34   13,63   15,1 6,5   9,0 14,8 14,5 13,8 10,8	119,6   46,9   45,5 19,6   28,8 44,0 41,3 40,9 32,3

Условная «молекула» имеет вид СхНуОz: (для азотсодержащих топлив — СхНуОzNg, для серосодержащих СxНyОzNgSk).

Материальный баланс формируется по элементному составу топлива, выражающему относительное массовое содержание отдельных элементов при полном и неполном сгорании топлива. Рабочая масса топлива, содержащего примеси азота, серы, золы, влаги, определяется по формуле:

w_c+w_H+w₀+w_N+w_s+w_A+w_w=1 (8)

Для приведенных в табл. 1 топлив содержание в мазуте и каменном угле золы (А) и влаги (У) доходит соответственно до 0,2 и 9 % (мазут малосернистый), 10-40 и 4—15% (каменный уголь).

Массовые доли w отдельных элементов в 1 кг топлива СхНyОz находят по известным соотношениям:

Wc=12x/(12х+y+16z)=12x/M_T (9)

Wн=у/(12х+у+16z)=e/M_T (10)

W0=16z/(12x+y+16z)=16z/M_T (11)

где M_T - молярная масса «условной» молекулы топлива; 12х, у, 16z - масса углерода, водорода, кислорода в молекуле топлива; wc+wH+w0=1.

В большинстве товарных сортов бензина и дизельных топлив наличием кислорода можно пренебречь (условная «молекула» топлива СхНу, M_T=12х+у).

Смесь газовых топлив состава ∑СхНуОz+N₂ с объемной (молярной) долей каждого газа (φ) имеет следующий элементный состав для 1 кмоль (1 м³):

молярная масса смеси газов

(12)

и массовые доли газов

(13)

Полное окисление топлива. Соотношение между количеством исходных продуктов (топливо плюс воздух) и продуктов сгорания определяется из уравнений химической реакции при следующих допущениях: все химические соединения состоят из атомов отдельных элементов, связанных между собой в определенных числовых соотношениях; при химических реакциях атомы сохраняют свою индивидуальность и происходит только их перегруппировка. Полное окисление (сгорание) молекулы СхНу до конечных продуктов (диоксида углерода СО₂ и водяного пара Н₂О) описывается уравнением (исходные и конечные продукты реакции даны в киломолях)

(2.14)

атомов С в 1 кмоль СхНу дают х кмоль С0₂, Nсо₂=x;

у атомов Н в 1 кмоль СxНy> дают y/ 2 кмоль Н₂0, N_Н2О=y/2.

Состав продуктов сгорания в пересчете на 1 кг топлива (1/М_T кмоль)

будет:

и через элементный состав с учетом уравнений (9)—(11)

В реакции участвует х+у /4 кмоль 0₂, N₀₂=х+у/4.

Если в состав топлива входит кислород (СxНуОz), то правая часть уравнения (14) останется неизменной, а необходимое для сгоранияколичество кислорода воздуха (кмоль) уменьшается соответственно на z:/2, Nо₂=х+у/4—z/2. Количество кислорода (кмоль), необходимое для полного сгорания топлива и определяемое на основании уравнения (14), называют стехиометрическими.

Стехиометрическое количество N₀₂ равно:

количество (кмоль) 0₂ на 1 кмоль топлива:

количество (кмоль) 0₂ на 1 кг топлива:

масса (кг) 0₂ на 1 кг топлива:

Теплота сгорания топлива Нu (МДж/кг топлива), т. е. тепловой
эффект реакций, идущих с образованием СО₂ и Н₂0, определяется по формуле Д. И. Менделеева

(15)

Масса кислорода, потребляемая из атмосферы для полного сгорания топлива (кг/кг топлива),

(16)

где l₀— стехиометрическое число. Принимая объемную долю кислорода в воздухе 21 % и массовую 23,2%, найдем стехиометрическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива:

количество (кмоль) воздуха на 1 кг топлива:

Lo=Ló/0,21=1/0,21(x+y/4)/(12x+y)=1/0,21(Wc/12+W_H/4),

масса (кг) воздуха на 1 кг топлива:

l₀=l₀́/0,232=138(x+y/4)(12x+y)=138(Wc/12+W_H/4).

Для газовых топлив, представляющих смесь углеводородов cсостава СхНуОz с объемной долей φ_i углеводорода, Lo :

(17)

В формуле (2.16) α - коэффициент избытка воздуха - отношение количества воздуха, содержащегося в топливовоздушной смеси Gв к его минимальному количеству, которое теоретически необходимо для полного сгорания всего находящегося в ней топлива G_Т:

(18)

где G_Т - часовой расход топлива, кг/ч; G_Тl₀ - минимальное, теоретически необходимое для полного сгорания топлива количество воздуха, кг/ч. Если α=1, то смесь стехиометрического (теоретического) состава; α>1,0, — смесь бедная; α<1,0, - смесь богатая. Для дизелей α=1,4-2,2 (номинальный режим) и 4-5 - холостой ход, карбюраторных ДВС α=0,8—1,2.

В табл. 2 приведены данные о потреблении кислорода и выделении диоксида углерода, паров воды в результате полного сгорания топлив.

Таблица 2

Дата добавления: 2014-01-13