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 O

2

+ 3,76kmol N

2

= 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 re-
akcji chemicznej masa całkowita każdego pierwiastka jest zachowana. Stosunek masy powie-
trza do masy paliwa, podczas procesu spalania, nazywany jest współczynnikiem powietrze-
paliwo AF:

pal

pow

paliwa

powietrza

m

m

m

m

AF

=

=

gdzie m

pow

= (nM)

pow

i m

pal

=

S(n

i

M

i

)

pal

.

Proces spalania jest zupełny, gdy cały węgiel zawarty w paliwie spali się do CO

2

, cały

wodór spali się do H

2

O i cała siarka (o ile występuje w paliwie) spali się do SO

2

. 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

.

pow

ego

teoretyczn

pow

m

m

=

l

gdzie m

pow

– masa powietrza doprowadzonego, m

teoretycznego pow.

– masa teoretycznego powie-

trza.

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 i

R

. W

procesach spalania, entalpia reakcji jest zazwyczaj nazywana entalpią spalania i

S

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 two-
rzenia

T

i

. Entalpii tworzenia wszystkich stabilnych pierwiastków przypisujemy wartość zero

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

2/03

Wartość opałowa =

½i

S

½

(kJ/kg

paliwa

)

Wartość opałowa nazywana jest górna wartością opałową H

g

, gdy H

2

O zawarta w pro-

duktach jest w postaci cieczy, a dolną wartością opałową H

d

, gdy H

2

O zawarta w produktach

jest w postaci pary wodnej. Te dwie wartości opałowe związane są zależnością

O

H

cg

d

g

i

m

H

H

2

)

(

×

+

=

(kJ/kg

paliwa

)

gdzie m jest masą H

2

O zawartej w produktach, przypadającą na jednostkę masy paliwa, a i

cg

jest entalpią parowania wody przy 25

°C.