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 «Тепло
энергетика 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 ма
териальной 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 полно
стью 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 получе
ния 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 ком
мерческих 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 преобразо
вания 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, вклю
чающий 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 промышлен
ных 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 превра
щение 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 яв
ляется фактором, определяющим эффективность теплотехнологии 
и производительность оборудования.

В химической технологии исходное технологическое сырье пре
терпевает 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 реализу
ются 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 специ
фики реализуемых процессов, является использование в качестве источника энергии преимущественно промежуточных теплоносителей, 
таких как водяной пар, нагретый газ, горячая вода, органические теплоносители.

1 . 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 од
ним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов. 
Так, в промышленности потребляется около 60 % производимой энергии, более 30 % добываемого органического топлива.

Наиболее крупным потребителем топливно-энергетических ресур
сов в промышленности являются черная и цветная металлургия, химическая, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая отрасли, машиностроение, металлообработка, производство строительных материалов.

В табл. 1.1 приведены данные, характеризующие удельное энер
гопотребление 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 од
ним 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 яв
ляется 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: