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 тепло-
технологий», 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 теплотех-
нологические 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, теплотех-
нологической, 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:

1) продукты переработки органического топлива: 
– кокс, полукокс;
– жидкие топлива, получаемые из нефти; 
– генераторные газы;
– искусственное жидкое топливо.
2) горючие газы: 
– доменный газ;
– коксовый газ;
– конверторный газ;
– газы нефтепереработки.
3) ядерное топливо: плутоний-239.
4) электроэнергия.
Возобновляемые источники энергии:
1) биомасса:
– древесина;
– торф.
2) лучистая энергия солнца.
3) механическая энергия: 
– рек; 
– морских приливов и отливов; 
– ветра. 
4) тепловая энергия: 
– недр земли; 
– океанская. 
Доля органического топлива в структуре мирового производства 

энергии в настоящее время не превышает 87 %. Увеличение мирового 
производства энергии будет происходить при снижении доли органических 
топлив. В табл. 1.2 приведена оценка земных ресурсов энергии. Как 
видно из табл. 1.2, термоядерная энергия является практически неисчерпаемым 
источником энергоснабжения. Прогнозные оценки говорят в то 
же время о том, что в первые десятилетия XXΙ в. не произойдет коренной 
технологической перестройки в структуре производства энергетических 
ресурсов, новые технологии начнут только внедряться.

В ближайшей перспективе лучистая энергия солнца найдет широ-

кое применение лишь для нужд отопления и горячего водоснабжения. 
Развертываются работы по созданию солнечных электростанций, основанных 
на применении солнечных концентраторов совместно с паротурбинным 
циклом либо на использовании технологии прямого преобразования 
лучистой энергии солнца в электричество.

Таблица 1.2

Оценка земных ресурсов энергии

Наименование ресурсов
Количество энергии, МВт/ч

Невозобновляемые источники
энергии (общие запасы):

термоядерное топливо
100000·1012

ядерное топливо
547·1012

органическое топливо
55·1012

Возобновляемые источники
энергии (период возобновления – один год):

энергия солнечных лучей, достигающих
земной поверхности
580·1012

энергия морских приливов и отливов
70·1012

энергия ветра
1,7·1012

энергия рек
0,018·1012

Потенциальные ресурсы энергии ветра могут быть эффективно 

использованы лишь в ограниченных районах.

Общее количество геотермальной энергии, содержащейся 

в недрах земли на глубине до 10 км, на порядок превышает ресурсы 
всех видов органического топлива, вместе взятых. При современном 
развитии науки и техники практическое применение может получить 
лишь незначительная часть этих ресурсов, содержащаяся в подземной 
горячей воде и паре. Основная же часть этих ресурсов имеет слишком 
низкий потенциал и может быть использована лишь в качестве источника 
теплоты для нужд теплоснабжения. Таким образом, органическое 
топливо является наиболее распространенным первичным источником 
энергии теплотехнологических процессов. 

1 . 4 .  Э ф ф е к т и в н о с т ь  и с т о ч н и к о в  э н е р г и и .  К р и т е р и и  

с р а в н и т е л ь н о й  о ц е н к и  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

Эффективность источников энергии определяется величиной за-

пасов на земле, их возобновляемостью, энергоемкостью, способностью 
сохраняться и транспортироваться, токсичностью источника энергии