Opracował: dr inż. Jerzy Kuś

Teoria maszyn cieplnych

03. Spalanie - streszczenie

Materiały, z których przy spalaniu uwalnia się energia nazywane są paliwami, a reakcja che-miczna, podczas której paliwo jest utleniane, a utlenianiu towarzyszy uwalnianie duża ilość energii nazywana jest spalaniem. Utleniaczem najczęściej stosowanym w procesach spalania jest powietrze. Przybliżony objętościowy (molowy) skład powietrza to 21% tlenu i 79% azo-tu. Dlatego,

1kmol O2 + 3,76kmol N2 = 4,76kmol powietrza

Podczas procesu spalania, składniki, które występują przed reakcją nazywamy substrata-mi, a składniki, które występują po reakcji nazywamy produktami. Równania rekcji chemi-cznych bilansowane są na podstawie zasady zachowania masy, która stanowi, że podczas reakcji chemicznej masa całkowita każdego pierwiastka jest zachowana. Stosunek masy powietrza do masy paliwa, podczas procesu spalania, nazywany jest współczynnikiem powietrze-paliwo AF:

m

m

powietrza

pow

AF =

=

m

m

paliwa

pal

gdzie mpow = (nM)pow i mpal = S (niMi)pal.

Proces spalania jest zupełny, gdy cały węgiel zawarty w paliwie spali się do CO2, cały wodór spali się do H2O i cała siarka (o ile występuje w paliwie) spali się do SO2. Minimalna ilość powietrza niezbędna do całkowitego spalenia paliwa nazywana jest stechiometrycznym lub teoretycznym powietrzem. Idealny proces spalania, podczas którego paliwo spala się zupełnie z teoretyczną ilością powietrza nazywamy stechiometrycznym lub teoretycznym spalaniem tego paliwa. Nadmiar powietrza względem teoretycznego powietrza nazywamy nadmiarowym powietrzem. Ilość nadmiarowego powietrza jest zazwyczaj określana wzglę-

dem stechiometrycznego (teoretycznego) powietrza jako procent nadmiaru powietrza lub współczynnik nadmiaru powietrza l zdefiniowany jako

mpow

l = mteoretycznego . pow

gdzie mpow – masa powietrza doprowadzonego, mteoretycznego pow. – masa teoretycznego powietrza.

Podczas reakcji chemicznej niektóre wiązania są rozrywane a inne powstają. Dlatego w procesie, w którym występują reakcje chemiczne występują również zmiany w energii chemicznej. Z powodu zmiany składu chemicznego, konieczne jest określenie standardowego stanu odniesienia dla wszystkich substancji i jest nim stan przy 25°C i 1atm.

Różnica pomiędzy entalpią produktów przy określonym stanie, a entalpią substratów przy tym samym stanie, dla zupełnej reakcji chemicznej, nazywana jest entalpią reakcji iR. W

procesach spalania, entalpia reakcji jest zazwyczaj nazywana entalpią spalania iS i repre-zentuje ilość ciepła uwalnianego podczas ustalonego procesu spalania wtedy, gdy 1kmol (lub 1kg) paliwa spalany jest zupełnie przy określonej temperaturze i ciśnieniu. Entalpia substancji przy określonym stanie związana z jej składem chemicznym nazywana jest entalpią tworzenia i . Entalpii tworzenia wszystkich stabilnych pierwiastków przypisujemy wartość zero T

przy standardowym stanie odniesienia (25°C i 1atm). Wartość opałowa paliwa definiowana jest jako ilość ciepła uwalnianego wtedy, gdy paliwo spala się zupełnie w procesie ustalonym, a produkty po procesie spalania powracają do stanu substratów. Wartość opałowa paliwa jest równa bezwzględnej wartości entalpii spalania paliwa,

Opracował: dr inż. Jerzy Kuś

Teoria maszyn cieplnych

Wartość opałowa = ½ iS½

(kJ/kgpaliwa)

Wartość opałowa nazywana jest górna wartością opałową Hg, gdy H2O zawarta w produktach jest w postaci cieczy, a dolną wartością opałową Hd, gdy H2O zawarta w produktach jest w postaci pary wodnej. Te dwie wartości opałowe związane są zależnością g

d

H = H + ( m × i )

(kJ/kg

cg H O

paliwa)

2

gdzie m jest masą H2O zawartej w produktach, przypadającą na jednostkę masy paliwa, a icg jest entalpią parowania wody przy 25°C.

2/03