Теплота сгорания топлив и горючих смесей

Теплота сгорания топлива (ТСТ) (теплотворность, теплотворная способность) – количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы топлива. В системе СИ эта величина выражается в Дж/кг (или МДж/кг, что более удобно). Данный показатель является одной из важнейших характеристик горючего: величина ТСТ определяет энергетические возможности топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от его химического состава, причем наибольшей массовой теплотой сгорания обладает водород – 121,1 МДж/кг (высшая теплотворная способность). Для сравнения: теплота сгорания углерода составляет 34,1 МДж/кг. Следовательно, углеводороды, богатые водородом (например парафиновые), имеют большую массовую теплоту сгорания, чем углеводороды с меньшим содержанием водорода (например ароматические).

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. За высшую теплоту сгорания Q _в принимают всю теплоту, выделяющуюся при сгорании 1 кг топлива, включая количество теплоты, которое выделяется при конденсации паров воды, образовавшейся при сгорании содержащегося в топливе водорода, и воды, содержащейся в самом топливе. При определении низшей теплоты сгорания Q _н (или H _u) теплота, выделяющаяся при конденсации паров воды из продуктов сгорания, не учитывается. Оценивая теплоту сгорания топлива для двигателя, обычно пользуются значением Q _н, так как продукты сгорания, покидающие двигатель, имеют температуру значительно выше 100 °С, вследствие чего теплота конденсации паров влаги не может быть превращена в полезную работу.

Теплота сгорания отдельных видов топлива приближенно может быть определена на основе данных об элементарном составе по эмпирическим формулам, предложенным Д.И. Менделеевым:

, МДж/кг; (4)

, МДж/кг; тогда

, МДж/кг, (5)

где C, H, O, S – долевое по массе (C+H+O+S = 1) содержание в топливе элементарных углерода, водорода, кислорода и серы как в углеводородных молекулах, так и в свободном виде; W – массовая доля водяных паров, находящихся в продуктах сгорания 1 кг топлива; w – массовая доля воды, находящейся в исходном топливе в растворенном виде.

Следует обратить внимание, что коэффициенты, стоящие перед массовыми долями элементов, не равны теплоте сгорания этих элементов. Поэтому приведенные формулы для Q _в и Q _н не всегда позволяют получить точные данные, так как топливо представляет собой не механическую смесь горючих элементов, а совокупность сложных химических соединений. Кроме этого, ТСТ снижается пропорционально содержанию в нем негорючих примесей (табл. 4), в том числе и воды, что особенно актуально для топлив с высокими показателями ее растворимости.

Таблица 4. Возможное количество примесей в товарных топливах

Топливо	Примеси, %
Сера	Азот	Вода
Бензин	До 0,02…0,15	До 0,01…0,02	–
Дизельное	До 0,05…0,50	До 0,02…0,05	0,002…0,008
Тяжелое дизельное	До 0,5…5,0	До 0,5…2,0	До 1,5
Метанол, этанол	–	–	Без ограничения

Более точно теплота сгорания определяется экспериментально в калориметрах различных конструкций – при сжигании навески топлива в бомбе (ГОСТ 21261–91) и поглощении водой выделившейся теплоты при нормальных условиях испытаний: температуре 0 °С и давлении 0,1013 МПа. Теплоту сгорания находят по разности теплосодержания воды до и после сгорания навески топлива. Теплота сгорания всех видов углеводородных топлив нефтяного происхождения находится в достаточно узких пределах (табл. 5).

Теплоту сгорания горючей смеси определяют по формуле

(6)

которая справедлива при a ³ 1. Здесь 1 – доля топлива в смеси; a L ₀ – массовая доля воздуха. В данном случае считают, что топливо сгорает полностью. При a < 1 часть топлива не может сгореть по причине недостатка окислителя и его теплота сгорания частично не реализуется. При этом образуется большое количество продуктов неполного сгорания топлива (в частности угарного газа CO, теплота сгорания которого значительно выше, чем исходного топлива), а также некоторое количество водорода. Уменьшение выделившейся теплоты сгорания учитывается поправкой, которую вычитают из исходного значения Q _н:

(7)

где поправку D Q _н можно определить по уравнению [17]

(8)

в котором

массы соответствующих газов в продуктах неполного сгорания топлива;
k – коэффициент, определяющий соотношение образования угарного газа и свободного водорода в продуктах сгорания (k» 0,5). Для бензина с элементарным составом, представленным в табл. 2:

D Q _н = 57,77 (1 – a), МДж/кг. (9)

Следует иметь в виду, что для гомогенных смесей углеводородных топлив максимальная скорость сгорания наблюдается не при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице, а в диапазоне значений a = 0,8…0,9 (см. рис. 4), когда уменьшается влияние диссоциации продуктов сгорания. Это объясняет тот факт, что максимальная мощность бензинового двигателя достигается именно на богатой смеси, несмотря на неполное сгорание топлива.

Теплота сгорания некоторых топлив, а также их смесей при a = 1 приведена в табл. 5.

Таблица 5. Низшая теплота сгорания топлив и смесей

Стехиометрического состава

Топливо	Теплота сгорания топлива, МДж/кг	Теплота сгорания смеси, МДж/кг	Стехиометрическое соотношение L 0, кг/кг
Авиабензин	42,7…44,4	2,75…2,80	14,5…14,9
Автобензин	41,5…44,0	2,75…2,79	14,1…14,8
Дизельное	41,8…42,7	2,75…2,79	14,2…14,3
Тяжелое дизельное	39,6…41,8	2,65…2,75	14,0…14,3
Этиловый спирт	27,72	2,78	8,95
Метиловый спирт	19,95	2,67	6,46
Водород	103,0	2,88	34,5

Из данных, представленных в табл. 5, видно, что энергетическая ценность смесей углеводородных топлив практически одинакова. Это в значительной степени уравнивает их возможности по мощностным характеристикам двигателя. Однако применение топлива с более низкой ТСТ приводит к его повышенному массовому расходу, а также к повышению объемной доли смеси, занимаемой парами топлива (Приложение 1), в результате чего снижается наполнение цилиндра свежим зарядом (при внешнем смесеобразовании), а следовательно, и мощность двигателя. Однако аспекты применения топлива не ограничиваются только его теплотворной способностью, которая большинством современных стандартов не нормируется (исключая авиационные бензины и газовое топливо), поскольку обеспечение высоких значений теплотворной способности часто приходит в непреодолимое противоречие с другими более важными показателями качества топлива.