Тепловую ценность газообразного топлива представляют метан и более тяжелые углеводороды. Окись углерода при сгорании выделяет незначительное количество теплоты.

Балластную часть газообразных топлив составляют негорючие газы - азот N, углекислый СО₂ и сернистый SО₂, кислород О₂ и пары воды Н₂O.

1.2. Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания топлива является его основной качественной характеристикой.

Для характеристики различных видов топлив служит удельная теплота сгорания, которая представляет собой количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг) или объёма (кДж/м³) при нормальных условиях. Различают теплоту высшую Q_В и низшую Q_Н. В высшею теплоту сгорания топлива входит количество теплоты, которое может быть выделено при конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания, а в низшую теплоту это количество не входит.

Теплоту сгорания жидкого и твердого топлива вычисляют по формуле Д.И. Менделеева. Высшее рабочее удельное количество теплоты сгорания определяют по формуле:

Q_B=339C+1256H-109(O-S). (1)

Низшее рабочее удельное количество теплоты сгорания топлива определяется выражением:

Q_H=Q_B-25(9H+W). (2)

В указанных формулах содержание химических элементов выражается в процентах.

Вычитаемое 25(9H+W) представляет собой удельное количество теплоты, которое затрачивается на превращение в пар влаги, выделяющейся при сгорании топлива.

Высшее объемное количество теплоты сгорания газообразного топлива в расчете

на сухую массу может быть определенно по формуле:

Q^Св=398СН₄+700С₂Н₆+995С₃Н₈+1285С₄Н₁₀+1575С₅Н₁₂+126,5СО+127,5Н₂+257Н₂S, (3)

а ее низшее объемное количество:

Q^Сн=358СН₄+640С₂Н₆+915С₃Н₈+1190С₄Н₁₀+1465С₅Н₁₂+126,5СО++107,5Н₂+234Н₂S. (4)

Теплоту сгорания определяют также опытным путем, сжигая определенное количество топлива в специальных приборах (калориметрах). Теплоту сгорания оценивают по повышению температуры воды в калориметре.

Для сравнения топлив введено понятие «условное топливо». За единицу такого топлива принято топливо, которое при полном сгорании 1 кг или 1м³ выделяет 29307,6 кДж. Чтобы перевести любое топливо в условное и потом сравнить его с другими, нужно теплоту сгорания данного топлива разделить на теплоту сгорания условного топлива.

Полученное число представляет собой калорийный (топливный) эквивалент данного топлива и показывает, во сколько раз реальное топливо выделяет больше или меньше теплоты по сравнению с условным (табл 2).

Таблица 2

Теплота сгорания и калорийные эквиваленты различных видов топлива

Для анализа топлива отбирают среднюю пробу в соответствии с требованиями специальных ГОСТ. У газообразного топлива среднюю пробу отбирают аспираторами. Пробы жидкого топлива берут специальными пробоотборниками при его приеме, отпуске, хранении из резервуара или бочки, при работе транспорта из топливного бака. Среднюю пробу приготавливают путем смешивания индивидуальных проб, число которых зависит от объема, формы и числа емкостей. Например, для горизонтального резервуара среднюю пробу определяют из индивидуальных проб, взятых с трех уровней: верхнего- с глубины 200 мм от поверхности нефтепродукта (1 часть), среднего - из середины объема (3 части ) и нижнего- на расстоянии 250 - 300 мм от дна резервуара (1часть). Затем эти пробы сливают в одну емкость, хорошо перемешивают и отбирают среднюю пробу для исследования. Берут также пробу со дна резервуара для обнаружения воды. Уровень воды можно определить также, опуская в резервуар измерительную рейку, нижняя часть которой покрыта специальной водочувствительной пастой. По высоте растворения пасты судят об уровне воды в емкости.

1.3 Определение количества воздуха, необходимого для горения топлива

Горение - это химический процесс соединения горючего вещества и окислителя. Практически оно представляет собой окисление топлива кислородом воздуха. В результате горения выделяется определенное количество тепловой энергии и резко повышается температура. Характерной особенностью горения является высокая скорость протекания окислительных реакций, при которых выделяемая теплота не успевает рассеиваться.

Горение - сложный процесс, при котором химические реакции сопровождаются процессами тепломассообмена. Различают гомогенное, гетерогенное и взрывное горения. В первом случае топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии, во втором вступающие в реакцию вещества находятся в различном агрегатном состоянии.

Процесс горения топлива может протекать как при недостатке, так и при избытке окислителя. Полное сгорание топлива происходит при таком стехиометрическом соотношении топлива и окислителя, которые соответствуют химическим реакциям полного окисления горючих элементов.

Количество кислорода, теоретически необходимое для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива может быть подсчитано на основании уравнений реакций окисления элементов горючей массы топлива. Углерод реагирует с кислородом по уравнению С+О₂=СО₂ (12 кг С+32 кг О₂= 44 кг СО₂), то есть для сгорания 1 кг углерода необходимо 32/12=2,67 кг кислорода.

Водород реагирует с кислородом в соответствии с уравнением 2Н₂+О₂=2Н₂О (4 кг Н₂+32 кг О₂ =36 кг Н₂О). Значит, для сгорания 1 кг водорода необходимо 32/4=8 кг кислорода.

Сера реагирует с кислородом по уравнению S+О₂=SO₂ (32 кг S+32 кг О₂=64 кг SО₂), то есть для сгорания 1 кг серы требуется 32/32=1 кг кислорода. Значит, для полного сгорания 1кгтоплива рассматриваемого элементного состава (в массовых процентах) потребуется кислорода (кг):

O₂ = (2,67C+8H+S-O)/100 . (5)

Предполагается, что содержащийся в топливе кислород полностью затрачивается

на горение. На практике при сжигании топлива подводится не чистый кислород, а воздух, в котором содержится лишь 23,2% кислорода по массе. В этом случае теоретически необходимое для полного сгорания 1кг топлива количество воздуха (кг) может быть определено по выражению:

L_ТВ = (2,67С+8Н+S-О)/23,2. (6)

В случае, когда количество воздуха определяют в объемных единицах, то выражение (1.8) нужно разделить на плотность воздуха, равную 1,293 кг/м³ при нормальных условиях. Тогда теоретически необходимое количество воздуха(м ³) выразится так:

L_ТВ= (2,67C+8H+S-O)/30. (7)

Теоретически необходимое количество воздуха (м³) для сжигания газообразного

топлива можно определить по известному объемному составу (%) газа:

L_ТВ = 0,0476[0,5(СО+Н₂)+2СН₄+1,5Н₂S+å (m+n/4)С_mН_n-O₂], (8)

где m - число атомов углерода; n - число атомов водорода.

В реальных условиях невозможно добиться полного сгорания топлива при подаче теоретически необходимого количества воздуха. Поэтому в двигателях внутреннего сгорания подают несколько большее по сравнению с теоретической раскладкой количество воздуха. Действительное количество воздуха при сгорании топлива подсчитывают с учетом коэффициента избытка воздуха a

L_ДВ = L_ТВa. (9)

называется отношение количества воздуха L_ДВ, действительно израсходованного на сгорание топлива, к количеству воздуха L_TB, теоретически необходимого для полного сгорания топлива. Значение коэффициента избытка воздуха зависит от вида топлива, условий сжигания, конструкции двигателя и может составлять 0,85 - 1,5. Снижение подачи воздуха по сравнению с оптимальной приводит к повышенному расходу топлива за счет неполного его сгорания. При чрезмерном увеличении подачи воздуха процесс сгорания также будет не оптимальным из-за потерь теплоты на нагревание избыточного воздуха и снижении температуры горения.

Температурой горения топлива называют температуру, которую приобретают газообразные продукты сгорания в результате действия теплоты, выделяемой в процессе горения. Практический интерес представляет действительная температура горения, которая ниже теоретической в связи с отдачей газами части теплоты поверхности нагрева, а также из-за неполного сгорания самого топлива.

Характер процесса горения определяют по составу продуктов сгорания топлив. Наличие в продуктах сгорания окиси углерода СО и водорода Н₂ указывает на неполное сгорание топлива. Анализируя состав продуктов сгорания, можно судить о характере процесса горения.

Тема 2. Общие сведения о получении топлива и смазочных материалов

2.1 Химический состав нефти и его влияние на свойства нефтепродуктов

Нефть представляет собой сложную смесь различных соединений углерода с водородом. В ней содержится 83 - 87% углерода; 11 - 14% водорода; 0,1 - 1,2% кислорода; 0,02 - 1,7% азота и 0,01 - 5,5% серы. По внешнему виду нефть - маслянистая жидкость от темно-коричневого до желтого цветов, плотностью 0,75 - 1,03 г/см^.3. Исходными веществами для образования этой жидкости послужили органические соединения, представляющие собой продукты распада растительных и животных организмов.

Основную массу вещества нефти составляют углеводороды 3-х главных групп: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (арены), которые как по количеству, так и по свойствам различаются для нефтей разного происхождения. Также в ней содержатся незначительные количества кислородных и азотистых соединений.

У парафиновых углеводородов общая эмпирическая формула С_nН_2n+2 объединяет газообразные углеводороды, начиная с метана СH₄, жидкие, начиная с пентана C₅H₁₂, и твердые (Н-парафины), начиная с гексадекана С₁₆Н₃₄. Газообразные и твердые углеводороды способны растворяться в жидких, из которых, могут вновь выделятся газообразные (при повышении температуру или увеличении давления) и твердые (при понижении температуры).

Молекулы парафиновых углеводородов имеют неразветвленные цепи атомов углерода. Сами углеводороды носят название нормальных. Указанные углеводороды устойчивы к реакциям окисления. Однако с увеличением температуры выше 250 -300°С окислительные процессы у Н- парафинов значительно интенсифицируются.

Кроме Н-парафинов, в нефтепродуктах находятся также изомерные углеводороды (И-парафины), которые имеют иное пространственное расположение атомов. И- парафины при умеренной температуре проявляют более высокую способность вступать в окислительные реакции, но с увеличением температуры эта способность

замедляется, и в области высоких температур И-парафины оказываются более стойкими, чем Н-парафины. Для обеспечения мягкой работы дизельного двигателя важны Н-парафины, а для создания высоких противодетонационных свойств бензинов для карбюраторных двигателей важное значение имеют И-парафины.

Парафиновые углеводороды имеют высокую температуру застывания, поэтому их присутствие в зимних сортах дизельных топлив и смазочных масел допускается в незначительных количествах. Общее содержание парафиновых углеводородов в нефти и продуктах ее переработки составляет около 50 - 60%, причем наиболее высокое их содержание приходится на фракции, выкипающие до 150°С.

Нафтеновые углеводороды имеют цикличное строение, поскольку в их молекулы

входят замкнутые кольца атомов углерода, соединенные между собой простыми валентными связями. В легких топливных фракциях нефти содержатся моноциклические нафтеновые углеводороды, молекулы которых включают в себя по одному кольцу из пяти или шести атомов углерода. Общая эмпирическая формула моноцикланов С_nН_2n. Представители моноцикланов - циклопентан C₅H₁₀ и циклогексан C₆H₁₂. У более сложных нафтеновых углеводородов в молекулы входят, кроме циклического ядра, одна или несколько боковых цепей, представляющих собой радикалы парафиновых цепных углеводородов. Имея одно и то же число атомов в молекулах, нафтены могут содержать большое количество изомерных структур, которые различаются между собой расположением и строением боковых цепей. Нафтеновые углеводороды в сравнении с парафиновыми при одинаковой молекулярной массе в области невысоких температур устойчивее к реакциям окисления, но несколько уступают алканам. При повышении температуры (около 400°С и выше) цикланы превосходят Н-парафины по стойкости к окислительным реакциям и приближаются к И-парафинам. Нафтеновые углеводороды обладают низкими температурами застывания, являются ценным компонентом зимних сортов топлив и масел. Хорошая устойчивость к окислению при высоких температурах делает эти углеводороды необходимой составной частью топлив для карбюраторных двигателей, улучшая их противодетонационные качества. Содержание нафтеновых углеводородов в нефти составляет 20 - 30% и может быть несколько большим.

Ароматические углеводороды (арены) имеют шестичленное циклическое ядро. Молекула ароматического углеводорода бензола имеет вид С₆Н₆. В легкие фракции нефтей и нефтепродуктов входят моноциклические углеводороды с общей эмпирической формулой C_nH_2n-₆, в составе которых одна или несколько боковых парафиновых цепей. Арены в зависимости от количества и расположения боковых цепей образуют изомерные соединения.

В более тяжелых фракциях наряду с вышеуказанными содержатся бициклические

и полициклические ароматические углеводороды, в молекулы которых входят несколько взаимоконденсированных колец или же кольца, соединенные между собой промежуточными цепями. Ароматические углеводороды обладают высокой термической устойчивостью к реакциям окисления, но вступают в реакцию замещения с сохранением бензольного ядра. Ароматические углеводороды обладают большей вязкостью, плотностью и температурой кипения в сравнении с цикланами и алканами при той же молекулярной массе. С понижением температуры вязкость аренов резко возрастает, что отрицательно сказывается на свойствах смазочных материалов. Ароматические углеводороды устойчивы к реакциям образования перекисей, что повышает противодетонационные свойства карбюраторных топлив. Арены вызывают увеличение периода задержки самовоспламенения дизельного топлива, что способствует жесткой работе дизельного двигателя. В нефти содержание ароматических углеводородов составляет 10 - 30%. Количество ароматических углеводородов возрастает по мере повышения температуры кипения отдельных фракций нефти, доходя до 30 - 35% во фракциях с температурой 250 - 300°С.

В процессе термической переработки нефти образуются также непредельные углеводороды, которые характеризуются наличием двойных или тройных связей между углеродными атомами. Наиболее часто встречаются в нефтепродуктах олефиновые углеводороды (алкены) со структурной формулой С_nН_2n с одной двойной связью (например, этилен С₂H₄). Распространены также и диолефиновые углеводороды (алкадиены) со структурной формулой С_nН_2n-2, которые имеют две двойные связи (бутадиен С₄H₆).