Таблица за специфичен топлинен капацитет на горене. Специфична топлина на изгаряне на гориво и горими материали
Всяко гориво при изгаряне отделя топлина (енергия), количествено изразена в джаули или калории (4,3 J = 1 кал). На практика, за измерване на количеството топлина, отделена при изгарянето на гориво, те използват калориметри - сложни лабораторни устройства. Топлината на изгаряне се нарича още калоричност.
Количеството топлина, получено от изгарянето на гориво, зависи не само от неговата калоричност, но и от неговата маса.
За сравняване на веществата по количеството енергия, отделена по време на горенето, стойността на специфичната топлина на изгаряне е по-удобна. Той показва количеството топлина, генерирано при изгарянето на един килограм (масова специфична топлина на изгаряне) или един литър кубичен метър (обемна специфична топлина на изгаряне) гориво.
Единиците за специфична топлина на изгаряне на горивото, приети в системата SI, са kcal/kg, MJ/kg, kcal/m³, MJ/m³, както и техните производни.
Енергийната стойност на едно гориво се определя именно от стойността на неговата специфична топлина на изгаряне. Връзката между количеството топлина, генерирана по време на изгарянето на горивото, неговата маса и специфичната топлина на изгаряне се изразява с проста формула:
Q = q m, където Q е количеството топлина в J, q е специфичната топлина на изгаряне в J/kg, m е масата на веществото в kg.
За всички видове гориво и повечето горими вещества стойностите на специфичната топлина на изгаряне отдавна са определени и съставени в таблици, които се използват от специалисти при изчисляване на топлината, отделена при изгарянето на гориво или други материали. Възможно е да има леки несъответствия в различните таблици, които очевидно се обясняват с леко различни техники на измерване или различни калорични стойности на подобни горими материали, извлечени от различни находища.
С най-висока енергоемкост сред твърдите горива са въглищата – 27 MJ/kg (антрацитът – 28 MJ/kg). С подобни показатели (27 MJ/kg) са дървените въглища. Много по-ниска калоричност кафяви въглища- 13 MJ/kg. Освен това обикновено съдържа много влага (до 60%), която при изпаряване намалява общата топлина на изгаряне.
Торфът гори с топлина 14-17 MJ/kg (в зависимост от състоянието му - натрошен, пресован, брикетен). Дърва за огрев, изсушени до 20% влажност, отделят от 8 до 15 MJ/kg. В същото време количеството енергия, получено от трепетлика и бреза, може да варира почти два пъти. Приблизително същите показатели дават пелетите от различни материали- от 14 до 18 MJ/kg.
Много по-малко от твърдите вещества, те се различават по специфична топлина на изгаряне течни видовегориво. Така специфичната топлина на изгаряне на дизелово гориво е 43 MJ/l, бензин - 44 MJ/l, керосин - 43,5 MJ/l, мазут - 40,6 MJ/l.
Специфична топлинаизгарянето на природен газ е 33,5 MJ/m³, пропан - 45 MJ/m³. Най-енергоемкото газообразно гориво е водородният газ (120 MJ/m³). Той е много обещаващ за използване като гориво, но все още не е открит оптимални опциинеговото съхранение и транспортиране.
Сравнение на енергийната интензивност на различните видове горива
При сравнение енергийна стойностосновни видове твърди, течни и газообразни горива, може да се установи, че един литър бензин или дизелово гориво съответства на 1,3 m³ природен газ, един килограм въглища - 0,8 m³ газ, един кг дърва за огрев - 0,4 m³ газ.
Топлината на изгаряне на горивото е най-важният показател за ефективност, но широчината на разпределението му в областите човешка дейностзависи от технически възможностиИ икономически показателиизползване.
Различните видове горива (твърди, течни и газообразни) се характеризират с общи и специфични свойства. ДА СЕ общи свойствагоривата включват специфична топлина на изгаряне и влажност; специфичните включват съдържание на пепел, съдържание на сяра (съдържание на сяра), плътност, вискозитет и други свойства.
Специфичната топлина на изгаряне на горивото е количеството топлина, което се отделя при пълното изгаряне на \(1\) kg твърдо или течно горивоили \(1\) m³ газообразно гориво.
Енергийната стойност на едно гориво се определя преди всичко от неговата специфична топлина на изгаряне.
Специфичната топлина на изгаряне се обозначава с буквата \(q\). Единицата за специфична топлина на изгаряне е \(1\) J/kg за твърди и течни горива и \(1\) J/m³ за газообразни горива.
Специфичната топлина на изгаряне се определя експериментално с помощта на доста сложни методи.
Таблица 2. Специфична топлина на изгаряне на някои видове гориво.
Твърдо гориво
вещество | Специфична топлина на изгаряне, |
| Кафяви въглища | |
| дървени въглища | |
| Сухи дърва за огрев | |
| Подпори за дърво | |
Въглища | |
Въглища клас A-II | |
| Кока Кола | |
| Прах | |
| Торф |
Течно гориво
Газообразно гориво
(при нормални условия)
вещество | Специфична топлина на изгаряне, |
| Водород | |
| Производителен газ | |
| Коксов газ | |
| Природен газ | |
| Газ |
От тази таблица става ясно, че специфичната топлина на изгаряне на водорода е най-висока, тя е равна на \(120\) MJ/m³. Това означава, че при пълното изгаряне на водород с обем \(1\) m³ се отделя \(120\) MJ \(=\)\(120\) ⋅ 10 6 J енергия.
Водородът е едно от високоенергийните горива. В допълнение, продуктът от изгарянето на водород е чиста вода, за разлика от други видове гориво, където продуктите на горене са въглероден диоксид и въглероден окис, пепел и шлака от пещи. Това прави водорода най-екологичното гориво.
Водородният газ обаче е експлозивен. В допълнение, той има най-ниската плътност в сравнение с други газове при същата температура и налягане, което създава трудности при втечняването на водорода и неговото транспортиране.
Общото количество топлина \(Q\), отделено при пълното изгаряне на \(m\) kg твърдо или течно гориво, се изчислява по формулата:
Общото количество топлина \(Q\), отделено при пълното изгаряне на \(V\) m³ газообразно гориво, се изчислява по формулата:
Влажността (съдържанието на влага) на горивото намалява неговата калоричност, тъй като се увеличава консумацията на топлина за изпаряване на влагата и се увеличава обемът на продуктите от горенето (поради наличието на водна пара).
Съдържанието на пепел е количеството пепел, образувано при изгарянето на минерали, съдържащи се в горивото. Минералните вещества, съдържащи се в горивото, намаляват неговата калоричност, тъй като съдържанието на горими компоненти намалява (основната причина) и се увеличава консумацията на топлина за нагряване и топене на минералната маса.
Съдържанието на сяра (съдържание на сяра) се отнася до отрицателния фактор на горивото, тъй като при изгарянето му се образува серен диоксид, замърсяващи атмосферата и унищожаващи метала. В допълнение, сярата, съдържаща се в горивото, частично преминава в разтопения метал и заварената стъклена стопилка, намалявайки тяхното качество. Например, за топене на кристални, оптични и други стъкла не можете да използвате гориво, съдържащо сяра, тъй като сярата значително намалява оптичните свойства и цвета на стъклото.
Днес хората са изключително зависими от горивата. Отопление на жилища, готвене, експлоатация на оборудване и Превозно средство. Повечето от използваните горива са въглеводороди. За да се оцени тяхната ефективност, се използват стойности на специфичната топлина на изгаряне. Керосинът има относително впечатляващ показател. Поради това качество се използва в ракетни и авиационни двигатели.
Поради свойствата си керосинът се използва в ракетни двигатели
Свойства, производство и приложение
Историята на керосина датира от повече от 2 хиляди години и започва, когато арабски учени излязоха с метод за дестилиране на петрол в отделни компоненти. Официално е открит през 1853 г., когато канадският лекар Абрахам Геснер разработва и патентова метод за извличане на бистра запалима течност от битум и нефтени шисти.
След пробиването на първия петролен кладенец през 1859 г. нефтът става основната суровина за керосин. Поради широкото му използване в лампи, той се смяташе за основен продукт от рафинирането на петрол в продължение на десетилетия. Само появата на електричеството намали значението му за осветление. Производството на керосин също спадна, тъй като автомобилите станаха по-популярни.- това обстоятелство значително увеличи значението на бензина като петролен продукт. Въпреки това днес в много части на света керосинът се използва за отопление и осветление, а съвременното реактивно гориво е същият продукт, но с по-високо качество.
С увеличаването на употребата на автомобили, популярността на керосина намаля
Керосин - лек бистра течност, химически смес органични съединения. Съставът му до голяма степен зависи от суровината, но като правило се състои от дузина различни въглеводороди, като всяка молекула съдържа от 10 до 16 въглеродни атома. Керосинът е по-малко летлив от бензина. Сравнителните температури на горене на керосина и бензина, при които те отделят запалими пари близо до повърхността, са съответно 38 и -40°C.
Това свойство ни позволява да считаме керосина за относително безопасно гориво от гледна точка на съхранение, използване и транспортиране. Въз основа на точката си на кипене (150 до 350°C), той се класифицира като един от така наречените средни дестилати на суровия петрол.
Керосинът може да се произведе директно, тоест физически отделен от петрола, чрез дестилация или чрез химическо разлагане на по-тежки фракции в резултат на процеса на крекинг.
Характеристики на керосина като гориво
Горенето е процес на бурно окисление на вещества с отделяне на топлина. По правило реакцията включва кислород, съдържащ се във въздуха. При изгарянето на въглеводороди се образуват следните основни продукти на горене:
- въглероден двуокис;
- водна пара;
- сажди.
Количеството енергия, генерирано при изгарянето на гориво, зависи от неговия вид, условията на горене, масата или обема. Енергията се измерва в джаули или калории. Специфични (за единица измерване на количеството вещество) Калоричността е енергията, получена при изгаряне на единица гориво:
- молар (например J/mol);
- маса (например J/kg);
- обемни (например kcal/l).
В повечето случаи, за оценка на газообразни, течни и твърди горива, те работят с показателя за масова калоричност, изразена в J/kg.
Когато въглехидратът се изгаря, се образуват няколко елемента, като сажди Стойността на топлината на изгаряне ще зависи от това дали са взети предвид процесите, протичащи с водата по време на горенето. Изпаряването на влагата е енергоемък процес, и като се вземе предвид преносът на топлина по време на кондензацията на тези пари също може да повлияе на резултата.
Резултатът от измерванията, направени преди кондензираната пара да върне енергия на системата, се нарича по-ниска калорична стойност, а стойността, получена след като парата кондензира, се нарича по-висока топлина. Въглеводородните двигатели не могат да използват допълнителната енергия на водните пари в отработените газове, така че нетният индикатор е от значение за производителите на двигатели и се среща по-често в справочниците.
Често при посочване на калоричност не се уточнява кое от количествата се има предвид, което може да доведе до объркване. Помага да се знае, че в Руската федерация е традиционно да се посочва по-ниската.
По-ниската калоричност е важен показател
Трябва да се отбележи, че за някои горива разделянето на нетна и брутна енергия няма смисъл, тъй като те не произвеждат вода по време на изгаряне. Това не е от значение за керосина, тъй като съдържанието на въглеводороди е високо. С относително ниска плътност (между 780 kg/m³ и 810 kg/m³) неговият калорична стойностподобен на същия индикатор за дизелово горивои възлиза на:
- най-ниска - 43,1 MJ/kg;
- най-високата - 46,2 MJ/kg.
Сравнение с други видове гориво
Разглежданият индикатор е много удобен за оценка на потенциалното количество топлина, съдържащо се в горивото. Например, калоричността на бензина на единица маса е сравнима с тази на керосина, но първият е много по-плътен. Като следствие, при същото сравнение, един литър бензин съдържа по-малко енергия.
Специфичната топлина на изгаряне на нефта като смес от въглеводороди зависи от неговата плътност, която е променлива за различните находища (43-46 MJ/kg). Методите за изчисление позволяват да се определи тази стойност с висока точност, ако има първоначални данни за нейния състав.
Осреднените показатели за някои видове запалими течности, които съставляват масло, изглеждат така (в MJ/kg):
- дизелово гориво - 42-44;
- бензин - 43-45;
- керосин - 43-44.
Калоричното съдържание на твърдите горива, като торф и въглища, има по-голям диапазон. Това се дължи на факта, че техният състав може да варира значително както в съдържанието на незапалими вещества, така и в калоричното съдържание на въглеводороди. Например, калоричността на торфа различни видовеможе да варира между 8-24 MJ/kg, а въглищата - 13-36 MJ/kg. Сред обикновените газове водородът има висока калоричност - 120 MJ/kg. Следващата най-висока специфична топлина на изгаряне е метанът (50 MJ/kg).
Можем да кажем, че керосинът е гориво, издържало проверката на времето именно поради относително високата си енергоемкост на ниска цена. Използването му е не само икономически оправдано, но в някои случаи няма алтернатива.
Веществата от органичен произход включват горива, които при изгаряне отделят определено количество топлинна енергия. Производството на топлина трябва да се характеризира с висока ефективност и липса на странични ефекти, по-специално вещества, вредни за човешкото здраве и околната среда.
За по-лесно зареждане в горивната камера дървеният материал се нарязва на отделни елементи с дължина до 30 см. За да се увеличи ефективността на тяхното използване, дървата за огрев трябва да са възможно най-сухи и процесът на изгаряне трябва да бъде относително бавен. В много отношения дървесината от твърда дървесина като дъб и бреза, леска и ясен и глог са подходящи за отопление на помещения. Поради високо съдържание на смола, повишена скорост на горене и ниска калоричност иглолистни дърветав това отношение те значително отстъпват.
Трябва да се разбере, че стойността на калоричността се влияе от плътността на дървесината.
Това естествен материал растителен произход, извлечени от седиментни скали.
В тази форма твърдо горивосъдържат въглерод и други химически елементи. Съществува разделение на материала по видове в зависимост от неговата възраст. Кафявите въглища се считат за най-младите, следвани от каменните въглища, а антрацитът е по-стар от всички останали видове. Възрастта на едно горимо вещество също определя неговото съдържание на влага, което е по-присъстващо в младия материал.
При изгарянето на въглищата се получава замърсяване на околната среда, а върху решетките на котела се образува шлака, която до известна степен създава пречка за нормалното горене. Наличието на сяра в материала също е неблагоприятен фактор за атмосферата, тъй като във въздушното пространство този елемент се превръща в сярна киселина.
Потребителите обаче не трябва да се страхуват за здравето си. Производителите на този материал, като се грижат за частни клиенти, се стремят да намалят съдържанието на сяра в него. Топлинната стойност на въглищата може да варира дори в рамките на един и същи вид. Разликата зависи от характеристиките на подвида и неговото минерално съдържание, както и от географията на производство. Като твърдо гориво се срещат не само чисти въглища, но и нискообогатена въглищна шлака, пресована в брикети.
Пелетите (горивни гранули) са твърди горива, създадени промишлено от дървесни и растителни отпадъци: талаш, кора, картон, слама.
Натрошената на прах суровина се изсушава и изсипва в гранулатор, откъдето излиза под формата на гранули с определена форма. За добавяне на вискозитет към масата се използва растителен полимер, лигнин. Сложността на производствения процес и голямото търсене определят цената на пелетите. Материалът се използва в специално оборудвани котли.
Видовете гориво се определят в зависимост от материала, от който се обработват:
- объл дървен материал от дървета от всякакъв вид;
- слама;
- торф;
- слънчогледова кора.
Сред предимствата, които имат горивни пелети, заслужава да се отбележат следните качества:
- екологичност;
- невъзможност за деформиране и устойчивост на гъбички;
- лесно съхранение дори на открито;
- равномерност и продължителност на горене;
- относително ниска цена;
- Възможност за използване за различни отоплителни уреди;
- подходящ размер на гранулите за автоматично зареждане в специално оборудван котел.
Брикети
Брикетите са твърди горива, които в много отношения са подобни на пелетите. За производството им се използват идентични материали: дървени стърготини, стърготини, торф, люспи и слама. По време на производствения процес суровините се раздробяват и се оформят в брикети чрез пресоване. Този материал също е екологично чисто гориво. Удобен е за съхранение дори на на открито. Гладка, равномерна и бавно горенеТова гориво може да се наблюдава както в камини и печки, така и в отоплителни котли.
Разгледаните по-горе видове екологично чисто твърдо гориво са добра алтернатива за генериране на топлина. В сравнение с изкопаемите източници на топлинна енергия, които имат неблагоприятен ефект върху горенето заобикаляща средаи в допълнение, като невъзобновяеми, алтернативните горива имат ясни предимства и относително ниска цена, което е важно за определени категории потребители.
В същото време опасността от пожар на такива горива е много по-висока. Ето защо е необходимо да се вземат някои мерки за безопасност по отношение на тяхното съхранение и използването на огнеупорни материали за стени.
Течни и газообразни горива
Що се отнася до течните и газообразни запалими вещества, ситуацията тук е следната.
Известно е, че източникът на енергия, който се използва в промишлеността, транспорта, селско стопанство, в ежедневието, е гориво. Това са въглища, нефт, торф, дърва за огрев, природен гази т.н. Когато горивото гори, се отделя енергия. Нека се опитаме да разберем как се освобождава енергия в този случай.
Нека си припомним структурата на водната молекула (фиг. 16, а). Състои се от един кислороден атом и два водородни атома. Ако една водна молекула е разделена на атоми, тогава е необходимо да се преодолеят силите на привличане между атомите, тоест трябва да се извърши работа и следователно трябва да се изразходва енергия. Обратно, ако атомите се комбинират, за да образуват молекула, се освобождава енергия.
Използването на гориво се основава именно на феномена на освобождаване на енергия при свързване на атоми. Например въглеродните атоми, съдържащи се в горивото, се свързват с два кислородни атома по време на горене (фиг. 16, b). В този случай се образува молекула въглероден оксид - въглероден диоксид - и се освобождава енергия.
Ориз. 16. Структура на молекулите:
вода; b - комбинацията от въглероден атом и два кислородни атома в молекула въглероден диоксид
Когато изчислява двигателите, инженерът трябва да знае точно колко топлина може да отдели изгореното гориво. За да направите това, е необходимо експериментално да се определи колко топлина ще се отдели по време на пълното изгаряне на една и съща маса гориво от различни видове.
Физическото количество, което показва колко топлина се отделя при пълното изгаряне на гориво с тегло 1 kg, се нарича специфична топлина на изгаряне на горивото.
Специфичната топлина на изгаряне се обозначава с буквата q. Единицата за специфична топлина на изгаряне е 1 J/kg.
Специфичната топлина на изгаряне се определя експериментално с помощта на доста сложни инструменти.
Резултатите от експерименталните данни са показани в таблица 2.
таблица 2
От тази таблица може да се види, че специфичната топлина на изгаряне, например, на бензин е 4,6 10 7 J / kg.
Това означава, че при пълното изгаряне на бензин с тегло 1 kg се отделя 4,6 10 7 J енергия.
Общото количество топлина Q, отделено при изгарянето на m kg гориво, се изчислява по формулата
Въпроси
- Каква е специфичната топлина на изгаряне на горивото?
- В какви единици се измерва специфичната топлина на изгаряне на горивото?
- Какво означава изразът „специфична топлина на изгаряне на гориво, равна на 1,4 10 7 J / kg“? Как се изчислява количеството топлина, отделена при изгаряне на гориво?
Упражнение 9
- Колко топлина се отделя при пълно изгаряне? дървени въглищас тегло 15 кг; алкохол с тегло 200 гр.?
- Колко топлина ще се отдели по време на пълното изгаряне на масло, чиято маса е 2,5 тона; керосин, чийто обем е 2 литра, а плътността е 800 kg / m 3?
- При пълното изгаряне на сухото дърво се отделят 50 000 kJ енергия. Каква маса дърва е изгоряла?
Упражнение
Използвайки таблица 2, изградете стълбовидна диаграма за специфичната топлина на изгаряне на дърва за огрев, алкохол, масло, водород, като изберете мащаба, както следва: ширината на правоъгълника е 1 клетка, височината от 2 mm съответства на 10 J.
