Методика расчета термодинамических характеристик

Теплота сгорания вещества (Q) – тепловой эффект реакции окисления кислородом элементов, входящих в состав этого вещества до образования высших оксидов (CO_2(г), H₂O_(ж)). Теплоту сгорания обычно относят к стандартному состоянию (р=101,3 кПа; Т=298 К), одному молю топлива и называют стандартной теплотой сгорания (кДж/моль).

Для углеводородов продуктами сгорания являются СО_{2 (газ)} и Н₂О_(ж). Азот, входящий в состав сжигаемого соединения, превращается в N₂; галогены – в HCl, HBr, HJ; сера – в SO₂.

Сгорание топлива – быстрая реакция взаимодействия углеводородов и примесей топлива с кислородом воздуха. При сгорании происходит превращение химической энергии топлива в тепловую и далее в механическую.

При сгорании топлива выделяется тепло, количество которого зависит от состава горючей смеси и свойств самого топлива.

Способность топлива выделять при полном сгорании то или иное количество тепла обусловливается его теплотой сгорания (теплотворной способностью).

Высшая теплота сгорания топлива –количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

Низшая теплота сгорания топлива – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, но без учета теплоты конденсации водяного пара.

В двигателях внутреннего сгорания температура выходящих газов выше температуры конденсации водяных паров, поэтому при расчетах пользуются значениемнизшей теплоты сгорания.

Реакция сгорания может быть выражена следующим уравнением:

С_nН_mO_r + ×(O₂ + 3,75 N₂)

n CO₂(г) + H₂O(ж) + ×3,75 N₂, (1)

где n, m, r – число атомов углерода, водорода и кислорода, соответственно, в соединении (топливо); (О + 3,75N₂) – состав воздуха, моль.

Расчет теплоты сгорания, как любого теплового эффекта, проводится с использованием закона Гесса [1, 2].

Высшая энтальпия сгорания топлива рассчитывается в соответствии с уравнением реакции (1), (кДж/моль топлива):

,

где – стандартная энтальпия сгорания исходных органических веществ, кДж/моль; – стандартная энтальпия сгорания конечных продуктов, кДж/моль.

Энтальпии сгорания H₂O_(ж), CO_2(г) и N_2(г) принимаются равными нулю, так как они являются конечными продуктами сгорания.

Тогда высшая энтальпия сгорания может быть рассчитана по уравнению:

.

Высшая теплота сгорания топлива (теплотворная способность топлива) Q_В (кДж/кг, МДж/кг топлива) рассчитывается по уравнению:

Q_В

где М – масса моля топлива, г/моль.

Для сравнения различных топлив по теплотворной способности в качестве базы принята единица условного топлива (у.т.), имеющего теплоту сгорания, равную 29,3 МДж/кг твердого и жидкого топлива и 29,3 МДж/м³ газообразного топлива.

Низшая энтальпия сгорания топлива (кДж/моль топлива) рассчитывается по уравнению реакции (2):

С_nН_mO_r + ×(O₂+3,75 N₂)

n CO₂(г) + H₂O(г)+ ×3,75 N₂, (2)

.

Низшая энтальпия сгорания топлива отличается от высшей на энтальпию конденсации водяного пара ( =−44,01 кДж/моль). Поэтому

.

Низшая теплота сгорания топлива Q_Н (кДж/ кг, МДж/кг топлива)

QH

где М − масса моля топлива, г/моль.

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым.