Приложение Б (обязательное). Расчет высшей теплоты сгорания при постоянном давлении, низшей теплоты сгорания при постоянном объеме и постоянном давлении

Приложение Б
(обязательное)

Расчет
высшей теплоты сгорания при постоянном давлении, низшей теплоты сгорания при постоянном объеме и постоянном давлении

При сжигании топлива в калориметрической бомбе объем газообразных продуктов горения является величиной постоянной. При сжигании топлива в топке объем газов изменяется, а давление оказывается постоянным.

Б.1 Расчет высшей теплоты сгорания при постоянном давлении

Высшая теплота сгорания при постоянном давлении (3.2) является величиной условной, так как подразумевает такое сочетание продуктов сгорания, которого в действительности быть не может, и потому ее нельзя определить экспериментально.

Представляют, что конечными продуктами горения являются вода в виде жидкости, а также газообразные диоксид углерода, азот и диоксид серы.

При этом происходит изменение объема газовой фазы. Водород топлива взаимодействует с газообразным кислородом и образует жидкую воду, уменьшая при этом объем системы. Углерод топлива реагирует с газообразным кислородом, образуя равный объем газообразного диоксида углерода. То же самое происходит с серой топлива, т.е. за счет углерода и серы объем системы не изменяется. За счет кислорода и азота топлива объем газообразной фазы увеличивается.

Изменение объема газообразной фазы, , выраженное в моль/г пробы, можно рассчитать по формуле:

= 0,01 [-(0,5H/2,016 + O/31,999 + N/28,013)]

(Б.1)

где Н, О, N - массовые доли общего водорода, кислорода и азота в угле, находящемся в состоянии, для которого производят пересчет высшей теплоты сгорания при постоянном объеме на высшую теплоту сгорания при постоянном давлении, %.

Разницу между высшей теплотой сгорания при постоянном объеме и при постоянном давлении можно оценить работой (энергией), которую производит среда для сохранения постоянства давления. Для того, чтобы определить эту работу, величину следует умножить на RT, заменяя изменение объема (моль/г пробы) на изменение энергии (Дж/г пробы). Здесь R - универсальная газовая постоянная, равная работе расширения 1 моля газа с сохранением постоянного давления при нагревании на 1 К (R = 8,315 ); T - стандартная температура при определении теплоты сгорания углей, равная 298,15 К или 25°С.

Величина, получаемая при умножении на RT, представляет собой поправку на постоянство давления, которая относится к высшей теплоте сгорания. Процессы парообразования в топке этой поправкой не учитываются, поэтому пересчет с одной высшей теплоты сгорания на другую целесообразно проводить, используя величины, рассчитанные на сухое состояние топлива.

Соотношение между высшей теплотой сгорания при постоянном объеме (, Дж/г) и высшей теплотой сгорания при постоянном давлении (, Дж/г) выражается уравнением:

,

(Б.2)

где , , - массовые доли водорода, кислорода и азота в сухом топливе, %.

определяют экспериментально по ГОСТ 2408.1. () рассчитывают по формуле:

(Б.3)

Как видно из уравнения (Б.2), величина отличается от незначительно.

Б.2 Расчет низшей теплоты сгорания при постоянном объеме

Низшая теплота сгорания при постоянном объеме (3.3) является величиной условной, так как подразумевает такое сочетание продуктов сгорания, которого в действительности быть не может, и потому ее нельзя определить экспериментально.

Представляют, что конечными продуктами горения являются вода в виде водяного пара, находящегося при гипотетическом давлении 0,1 МПа, а также газообразные диоксид углерода, азот и диоксид серы.

Значение низшей теплоты сгорания при постоянном объеме меньше высшей теплоты сгорания при постоянном объеме на величину теплоты конденсации пара, который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду, а затем в пар.

Теплота испарения воды при постоянном объеме при 25°С составляет 41,53 кДж/моль. Это соответствует величине 206,0 Дж/г в расчете на 1% водорода в пробе топлива или 23,05 Дж/г в расчете на 1% воды.

Низшую теплоту сгорания сухой пробы топлива при постоянном объеме (, Дж/г), исходя из высшей теплоты сгорания сухого топлива при постоянном объеме (, Дж/г), рассчитывают по формуле:

(Б.4)

Низшую теплоту сгорания рабочего топлива с общей влагой при постоянном объеме (, Дж/г) рассчитывают по формуле:

или

(Б.5)

где - массовая доля общего водорода (включая водород гидратной влаги) в сухом топливе, определяемая экспериментально, %;

- массовая доля общей влаги рабочего топлива, %.

Б.3 Расчет низшей теплоты сгорания при постоянном давлении

Низшая теплота сгорания при постоянном давлении характеризует реальную энергетическую ценность топлива. Эта величина является расчетной, но не условной, так как имеет физический смысл.

Конечными продуктами горения являются водяной пар при давлении 0,1 МПа, а также газообразные диоксид углерода, азот и диоксид серы.

Теплота испарения воды при постоянном давлении при 25°С составляет 44,01 кДж/моль. Это соответствует величине 218,3 Дж/г в расчете на 1% водорода в пробе топлива или 24,43 Дж/г в расчете на 1% воды.

Соотношение между высшей и низшей теплотой сгорания сухого топлива при постоянном давлении такое же, как между высшей и низшей теплотой сгорания сухого топлива при постоянном объеме (см. формулу Б.4):

(Б.6)

Вводя в это уравнение формулу Б.2, получают:

(Б.7)

Низшую теплоту сгорания рабочего топлива с общей влагой при постоянном давлении (, Дж/г) рассчитывают по формуле:

или

или

(Б.8)

где () - массовая доля кислорода и азота в сухом топливе, рассчитанная по формуле Б.3, %;

- массовая доля общего водорода (включая водород гидратной влаги) в сухом топливе, определяемая экспериментально, %;

- массовая доля общей влаги рабочего топлива, %.