Теплота сгорания топлива и горючей смеси

Теплотой сгорания называют количество тепла, кото­рое выделяется при полном сгорании единицы массы топлива — 1 кг жидкого и твердого, 1 м³ газообразного. По Международной системе единиц СИ все виды энергии
измеряются в джоулях (Дж). Джоуль — работа силы в
1 ньютон (Н) на пути в 1 м, это небольшая величина, чаше пользуются килоджоулем (кДж), который в 1000 раз больше джоуля. Раньше теплоту сгорания измеряли в калориях (кал) и килокалориях (ккал). 1 кал = = 4, 1868 Дж, 1 ккал =α 4, 1868 кДж.

Существуют различные опытные и расчетные методы определения теплоты сгорания (Q). Наиболее распрост­раненными и точными являются опытные. Топливо сжи­гают в специальных приборах, называемых калоримет­рами. Выделившееся тепло улавливают с помощью во­ды. Зная массу сожженного топлива, количество залитой в калориметр воды, разность ее температуры до и после сжигания топлива, подсчитывают теплоту сгорания.

Жидкие виды топлива (дизельное, бензин) при пол­ном сгорании выделяют близкое для различных марок количество тепла Их полезная, или низшая, теплота сго­рания Q_низ=10200-10500 ккал/кг, или 42500 - 43 800 кДж/кг. Но в двигатель поступает не топливо, а горючая смесь, состоящая из топлива и воздуха. Ее теплота сгорания будет увеличиваться с ростом тепловой ценности топлива, и уменьшаться при увеличении поступ­ления воздуха для сгорания.

Обычно сгорание в двигателях осуществляется на обедненных или бедных горючих смесях, их теплоту сго­рания можно подсчитать по формуле:

 

Q_{гор. см} = Q_{низш.топл.},

1 + α L_теор

где Q_{низш.топл} — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; α — коэффициент избытка воздуха; L_теор — рас­четное количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг топлива, кг.

По этой формуле можно подсчитать теплоту сгорания горючей смеси, т. е. той, которая поступает в камеру сго­рания (карбюраторный двигатель) или образуется в ней (дизели), Горючую смесь, перемешавшуюся с остаточ­ными газами от предыдущего цикла, называют рабочей. Если нужно определить ее теплоту сгорания, то вносят поправку на коэффициент остаточных газов. Для практи­ческих целей поправкой можно пренебречь. В табл. 1 приведены значения теплоты сгорания некоторых видов топлива и горючих смесей.

Как видно из данных, приведенных в табл. 1, теплота сгорания нормальных горючих смесей различных видов топлива примерно одинакова. Это объясняется тем, что чем теплота сгорания топлива выше, тем больше требу­ется воздуха для его сжигания, т. е. в формуле для под­счета Q_гop.cм числитель и знаменатель дроби меняются пропорционально.

 

Таблица 1. Теплота сгорания топлива и горючих смесей

Топливо	Расчётное кол-во воздуха, кг/кг	Теплота сгорания
топлива	горючей смеси
кДж/кг (ккал/кг)	кДж/кг (ккал/кг)
Спирт этиловый	8, 4	25958 (6200)	2763 (660)
Бензол	13, 2	39356 (9400)	2771 (662)
Автомобильный бензин	14, 8	43961 (10500)	2780 (664)
Авиационый бензин	14, 9	44380 (10600)	2788 (666)
Дизельное топливо	14, 4	42705 (10200)	2771 (662)

Тем не менее, сжигать в двигателях высококалорийное топливо выгоднее, так как при этом требуются баки меньшей вместимости, и увеличивается грузоподъемность машины. Иными словами, для совер­шения одной и той же работы высококалорийного топли­ва потребуется меньше, чем обычного. Понятно, что чем меньше коэффициент избытка воздуха α, тем выше зна­чение Q_гop.cм и эффективнее работа.

Рассмотрим такой пример. На определенном режиме дизельный двигатель должен работать с α = 1, 2. Однако топливная аппаратура отрегулирована неправильно, и сгорание происходит с α =1, 5. К чему это приведет?

Подсчитаем теплоту сгорания горючей смеси обоих режимов.

__ 42500 __

В первом случае Q_гop.cм = 1+1, 2*14, 7 = 2280 кДж/кг

 

 

__ 42500 __

Во втором случае Q_гop.cм = 1+1, 5*14, 7 = 1843 кДж/кг

 

Таким образом, при увеличении на 25% коэффициента избытка воздуха теплота сгорания смеси снизилась на 20%. Следовательно, будет уменьшаться мощность и уве­личиваться расход топлива.

Не любая смесь паров топлива с воздухом может воспламениться и сгореть в двигателе. Различают выс­ший и низший пределы воспламеняемос­ти смесей. Высший предел будет при таком содержании паров топлива в воздухе, когда дальнейшее обогаще­ние смеси делает ее невоспламеняемой. Низший предел воспламеняемости будет при недостатке паров топлива в воздухе, если дальнейшее обеднение смеси делает ее негорючей. Так, высший предел воспламеняемости бен­зинов будет при α = 0, 45÷ 0, 5, а низший - при α =1, 35÷ 1, 40. При возрастании давления и температуры эти пределы несколько расширяются.

Пределы воспламеняемости бензина, керосина, ди­зельного топлива различаются незначительно высший и низший пределы составляют соответственно 6, 0 и 1, 7% паров топлива в воздухе по объему. Следовательно, жид­кие топлива горят и взрываются при сравнительно невы­соких концентрациях их паров в воздухе. Из топлива, широко используемого в сельском хозяйстве, наиболее легко воспламеняется и взрывается бензин. Высокие пре­делы воспламеняемости имеют горючие газы (водород, метан, окись углерода). Так, для водорода низший пре­дел воспламеняемости составляет 9, 4, а высший — 66, 5% по объему.

 

ТОПЛИВО ДЛЯ КАРБЮРАТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ