Источники энергии и устройства генерации теплоты

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
А. А. Мухамадиев, С. В. Мазанов
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ 
И УСТРОЙСТВА ГЕНЕРАЦИИ
ТЕПЛОТЫ
Учебное пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

УДК 620.9(075) 
ББК 31.15я7 
М92 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
д-р. техн. наук, проф. Т. Р. Билалов 
канд. хим. наук Т. Н. Куликова 
М92 
Мухамадиев А. А. 
Источники энергии и устройства генерации теплоты : учебное пособие / А. А. Мухамадиев, С. В. Мазанов; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 156 с. 
ISBN 978-5-7882-3156-3 
Рассмотрены теоретические и физико-химические основы теории горения 
топлив и устройства генерации теплоты. Приведены расчеты горелочных 
устройств, топливных форсунок, а также способы преобразования электрической 
энергии в теплоту. 
Предназначено для бакалавров направления подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», изучающих дисциплину «Источники энергии теплотехнологий», а также направлений, ведущих подготовку в области традиционных 
и альтернативных источников энергии. 
Подготовлено на кафедре теоретических основ теплотехники. 
ISBN 978-5-7882-3156-3 
© Мухамадиев А. А., Мазанов С. В., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 
УДК 620.9(075) 
ББК 31.15я7 
2

О г л а в л е н и е
Введение ......................................................................................................................... 5 
Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ .................................................................... 7 
1.1. Физические и химические теплотехнологические процессы ............................ 7 
1.2. Проблемы энергетики теплотехнологии ............................................................. 9 
1.3. Классификация источников энергии теплотехнологии ................................... 10 
1.4. Эффективность источников энергии. Критерии сравнительной оценки 
источников энергии теплотехнологии ...................................................................... 12 
1.5. Общие сведения об органическом топливе и его классификация .................. 14 
1.6. Основные теплотехнические характеристики органического топлива. 
Состав топлива ............................................................................................................ 16 
1.7. Влияние состава на качество топлива ................................................................ 21 
1.8. Зола топлива и характеристики плавления золы .............................................. 23 
1.9. Влага топлива ....................................................................................................... 24 
1.10. Летучие вещества и кокс твердого топлива .................................................... 25 
1.11. Теплота сгорания топлива ................................................................................. 27 
1.12. Теплота сгорания смеси топлив ........................................................................ 31 
1.13. Условное топливо. Приведенные характеристики топлива .......................... 32 
1.14. Плотность топлива ............................................................................................. 33 
1.15. Теплоемкость топлива ....................................................................................... 35 
1.16. Основные показатели процесса полного горения .......................................... 36 
1.16.1. Теоретический расход топлива и технологический кислород ............ 37 
1.16.2. Продукты сгорания топлива.  Теоретический выход продуктов 
сгорания ................................................................................................................. 42 
1.16.3. Действительный выход продуктов сгорания ........................................ 44 
1.16.4. Энтальпия продуктов сгорания.  H-t-диаграмма продуктов 
сгорания ................................................................................................................. 46 
1.16.5. Температура горения ............................................................................... 48 
1.17. Основное уравнение горения ............................................................................ 52 
1.18. Коэффициент избытка воздуха. Азотная и кислородная формула ............... 56 
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА .. 59 
2.1. Кинетика химических реакций горения ............................................................ 59 
2.2. Химическое равновесие реакций горения. Закон действующих масс ........... 60 
2.3. Зависимость равновесий химических реакций горения от температуры. 
Подвижность равновесия химических реакций. Принцип Ле-Шателье ............... 62 
2.4. Скорость химических реакций ........................................................................... 64 
2.5. Зависимость скорости химической реакции от температуры. Закон 
Аррениуса. Энергия активации ................................................................................. 65 

2.6. Влияние давления на скорость химической реакции при постоянной 
температуре .................................................................................................................. 67 
2.7. Зависимость скорости химической реакции от состава газовой смеси 
при постоянных давлении и температуре ................................................................. 69 
2.8. Физические основы теории горения топлива .................................................... 72 
2.9. Самовоспламенение  и зажигание горючей смеси ........................................... 74 
2.10. Нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения ................. 76 
Глава 3. ТЕХНИКА ГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ В ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ 
УСТАНОВКАХ ............................................................................................................ 80 
3.1. Газовые горелки и основные требования, предъявляемые к ним ................... 80 
3.2. Основные типы газовых горелок теплотехнических установок ..................... 81 
3.2.1. Горелки с полным предварительным смешением .................................. 81 
3.2.2. Диффузионные горелки ............................................................................. 87 
3.2.3. Горелки с неполным предварительным смешением .............................. 89 
3.2.4. Высокоскоростные горелки ...................................................................... 90 
3.2.5. Горелки с регулируемой длиной и светимостью факела ....................... 91 
3.3. Основы расчета газовых горелок ....................................................................... 92 
3.3.1. Расчет инжекционных горелок ................................................................. 94 
3.3.2. Расчет дутьевых горелок ........................................................................... 99 
3.4. Форсунки для сжигания жидкого топлива ...................................................... 109 
3.5. Основы расчета топливных форсунок ............................................................. 113 
3.5.1. Расчет механических центробежных форсунок .................................... 114 
3.5.2. Расчет пневматических и паровых форсунок ....................................... 120 
3.6. Способы преобразования электрической энергии в теплоту ........................ 122 
3.6.1. Способы прямого и дугового нагрева .................................................... 123 
3.6.2. Способы плазменного нагрева ................................................................ 130 
3.6.3. Способы обработки электронным лучом .............................................. 133 
3.6.4. Способы индукционного нагрева ........................................................... 141 
3.7. Основы расчета теплотехнологических реакторов, использующих 
преобразованную в теплоту электрическую энергию ........................................... 147 
3.8. Выбор источника энергии для теплотехнологического процесса ................ 152 
Литература ................................................................................................................. 155 
4 

В В Е Д Е Н И Е  
Сейчас ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что уровень материальной культуры человечества определяется в первую очередь созданием и использованием источников энергии. Именно энергия многократно увеличивает могущество людей. Так, в наиболее развитых 
странах приходится в расчете на одного человека до 10 кВт энергии 
всех видов. Отсюда следует, какую важность представляет познание 
процессов получения, хранения, преобразования и передачи энергии. Но 
при всем разнообразии задач и подходов к их решению определяющим 
здесь остается фундаментальный закон сохранения энергии. Опираясь 
на него, не надо быть большим специалистом, чтобы предсказать: ресурсы ныне широко используемых источников энергии – угля, нефти, 
природного газа – практически невосполнимы. Энергия в них накапливалась миллионы лет, а расходуется за считанные годы. 
Опасность глобального энергетического кризиса сейчас полностью осознана, и энергетическая проблема для техники и науки стала 
проблемой номер один. Поэтому следует более бережно относиться 
к использованию энергетических ресурсов. Но в конечном счете истощение невозобновляемых топливных ресурсов будет продолжаться, 
если не принять соответствующих мер. 
Это, разумеется, и меры по повышению рентабельности получения энергии из восполнимых источников (солнце, ветер, геотермальные 
воды и т. д.) и их практического использования для нужд «малой» энергетики. Но уже становится очевидным, что надежда на решение глобальных энергетических проблем связывается с использованием ядерной энергетики, а также и с мерами по внедрению в различные отрасли 
народного хозяйства энергосберегающих технологий. 
Выполнение программы энергосбережения в России позволит 
получить значительную экономию энергоресурсов, а также капитальных вложений, поскольку затраты на развитие добычи топлива и производство тепловой и электрической энергии в 4–6 раз больше, чем 
в энергосбережении.  
Согласно общепринятой классификация источники первичной 
энергии подразделяет на коммерческие и некоммерческие.  
Коммерческие источники энергии включают в себя: 
– твердые (каменный уголь, бурый уголь, торф, горючие сланцы, 
битуминозные пески) виды топлива; 

– жидкие (нефть, газовый конденсат) виды топлива;
– газообразные (природный газ) виды топлива;
– первичное электричество (электроэнергия, произведенная на
ядерных, гидро-, ветровых, геотермальных, солнечных, приливных 
и волновых станциях). 
К некоммерческим источникам энергии относят все остальные 
источники энергии (дрова, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила и др.). 
Мировая энергетика в целом основана преимущественно на коммерческих энергоресурсах (свыше 90 % общего потребления энергии).  
Целью данного пособия является формирование представлений 
о существующих традиционно используемых в промышленности источниках энергии, способах расчета их потребного количества для процесса горения, а также наглядная демонстрация различных конструкций устройств генерации теплоты с подробным описанием принципа их 
действия. 
6 

Г л а в а  1 .  О С Н О В Ы  Т Е О Р И И  Г О Р Е Н И Я  
Теплотехнологией называется совокупность методов преобразования исходного сырья, материалов, полуфабрикатов в заданный товарный продукт на основе изменения теплового состояния их вещества. 
Теплотехнологические процессы, основанные на изменении теплового 
состояния исходных материалов, занимают одно из ведущих мест 
в сфере промышленного производства. 
Теплотехнологический процесс – это элемент технологии, включающий совокупность элементарных (теплофизических, физических, 
химических, механических и др.) процессов, обеспечивающих конкретное, технологически регламентированное тепловое воздействие на сырье, материалы, полуфабрикаты на отдельных этапах производственного цикла. Например, технологические процессы в печах химической, 
металлургической или известковой промышленности. 
Теплотехнологические процессы являются основой промышленных технологий получения целевого продукта из исходного сырьевого 
материала (нефть, угли, сланцы, известь, газ и др.) в процессе его тепловой обработки. К ним относятся: 
 
– физические; 
 
– химические; 
 
– массообменные процессы, обеспечивающие заданное превращение исходного сырья. 
1 . 1 .  Ф и з и ч е с к и е  и  х и м и ч е с к и е  
т е п л о т е х н о л о г и ч е с к и е  п р о ц е с с ы  
Одним из способов получения целевого конечного продукта или 
полупродукта для смежных технологий являются физические теплотехнологические процессы (подогрев, испарение, термообработка, тепловая активация, рафинирование и др.) обеспечивающие только изменение физических свойств исходного сырья. 
Длительность физического теплотехнологического процесса является фактором, определяющим эффективность теплотехнологии 
и производительность оборудования. 

В химической технологии исходное технологическое сырье претерпевает химические изменения (деструктивная переработка нефти, 
мазута, газойлей и др.). Различают при этом следующие типы реакций: 
термическое разложение, соединение, обмен и окислительно-восстановительные. 
Как и в физическом теплотехнологическом процессе, основной 
характеристикой здесь могут служить время и скорость протекания 
процесса. Длительность процесса складывается из времени предварительной обработки сырья и времени основной обработки и дообработки. Все технологические переходы (подготовка, основная обработка 
и дообработка) выполняются в соответствующих технологических зонах установки. 
Скорость химических технологических процессов характеризует 
количество получаемого целевого продукта или количество прореагировавших исходных сырьевых материалов в объеме за единицу времени. 
Широкий спектр теплотехнологических процессов по уровню 
температур и виду используемого источника энергии может быть разделен на две группы:   
– высокотемпературные теплотехнологические процессы; 
– средне- и низкотемпературные теплотехнологические процессы. 
Высокотемпературные теплотехнологические процессы реализуются в различных промышленных печах, в аппаратах химической 
и нефтехимической промышленности, в газогенераторах, конверторах, 
в котельных агрегатах, работающих на органическом топливе. Отличительным признаком высокотемпературных теплотехнологических процессов, установок и систем вне зависимости от технологической основы 
является использование в качестве источника энергии органического топлива, электроэнергии, низкотемпературной плазмы, а в перспективе, 
и высокотемпературных теплоносителей от атомных реакторов. 
Средне- и низкотемпературные теплотехнологические процессы 
реализуются в сушильных, ректификационных, дистилляционных, сублимационных установках, в выпарных и опреснительных станциях. 
Одной из особенностей этих установок и систем, кроме специфики реализуемых процессов, является использование в качестве источника энергии преимущественно промежуточных теплоносителей, 
таких как водяной пар, нагретый газ, горячая вода, органические теплоносители. 

. 2 .  П р о б л е м ы  э н е р г е т и к и  т е п л о т е х н о л о г и и  
Промышленный теплотехнологический комплекс является одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов. 
Так, в промышленности потребляется около 60 % производимой энергии, более 30 % добываемого органического топлива. 
Наиболее крупным потребителем топливно-энергетических ресурсов в промышленности являются черная и цветная металлургия, химическая, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая отрасли, машиностроение, металлообработка, производство строительных материалов. 
В табл. 1.1 приведены данные, характеризующие удельное энергопотребление ряда технологических производств. 
 
Таблица 1.1 
Удельные расходы топлива на производство отдельных видов 
продукции 
Виды продукции 
Удельный расход условного  
топлива, кг/т 
Аммиак 
Чугун 
Стекло листовое 
Обжиг цементного клинкера 
Термообработка металлов 
Переработка нефти 
1420 
643 
513 
219 
111 
55 
 
Потребление органического топлива высокотемпературными 
теплотехнологическими установками соизмеримо с потреблением топлива при производстве электроэнергии на тепловых электрических 
станциях. Однако промышленным печам, являющимся основным технологическим звеном высокотемпературных систем, свойственны КПД 
топливоиспользования в 2,5–6 раз меньше котельных установок теплоэлектростанций (ТЭС). 
Повышение КПД теплотехнологических установок является одним из основных путей решения проблемы по повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов. Так, повышение КПД только на 1 % приведет к экономии 24 млн т условного топлива в промышленности. Необходимо отметить, что затраты на реализацию мероприятий по экономии энергии в 2–3 раза меньше затрат на 

развитие топливно-энергетической базы для получения эквивалентного 
количества энергии. 
Одним из важных направлений подъема энергоэкономичности 
теплотехнологических систем является создание энергосберегающих 
теплотехнологических установок. Экономия топливно-энергетических 
затрат в теплотехнологии приводит одновременно к уменьшению выбросов продуктов сгорания и содержащихся в них вредных веществ 
в окружающую среду. 
Одним из основных требований, предъявляемых к современным 
теплотехнологическим установкам, является уменьшение загрязнения 
окружающей среды вредными веществами, содержащимися в продуктах сгорания и промышленных отходах. 
Анализ источников энергии теплотехнологических процессов является одним из важнейших элементов комплексного подхода к проблемам энергетики теплотехнологии. Анализ включает в себя классификацию источников энергии, проведение технологической, теплотехнологической, экономической и экологической их оценки, определение 
областей и условий эффективного использования отдельных источников энергии в данном теплотехнологическом процессе. 
1 . 3 .  К л а с с и ф и к а ц и я  и с т о ч н и к о в  э н е р г и и  
т е п л о т е х н о л о г и и  
В настоящее время по признаку образования источники энергии 
делятся на невозобновляемые и возобновляемые. В свою очередь по 
признаку получения невозобновляемые источники энергии могут классифицироваться на первичные и вторичные.  
Первичные невозобновляемые источники энергии: 
1) органическое топливо:  
– уголь;   
– нефть;  
– горючие сланцы.  
2) ядерное топливо:  
– уран-235; 
– торий. 
3) термоядерное топливо: дейтерий. 
Вторичные невозобновляемые источники энергии: