Capacitatea termică specifică a mesei de ardere. Căldura specifică de ardere a combustibilului și a materialelor combustibile
Orice combustibil, atunci când este ars, eliberează căldură (energie), cuantificată în jouli sau calorii (4,3J = 1cal). În practică, pentru a măsura cantitatea de căldură care este eliberată în timpul arderii combustibilului, se folosesc calorimetre - dispozitive complexe pentru uz în laborator. Căldura de ardere se mai numește și putere calorică.
Cantitatea de căldură obținută din arderea combustibilului depinde nu numai de puterea calorică a acestuia, ci și de masa acestuia.
Pentru a compara substanțele în ceea ce privește cantitatea de energie eliberată în timpul arderii, valoarea căldurii specifice de ardere este mai convenabilă. Indică cantitatea de căldură generată în timpul arderii unui kilogram (căldura specifică de combustie în masă) sau a unui litru, metru cub (căldura specifică a volumului de ardere) de combustibil.
Unitățile de căldură specifică de ardere a combustibilului acceptate în sistemul SI sunt kcal/kg, MJ/kg, kcal/m³, MJ/m³, precum și derivații acestora.
Valoarea energetică a combustibilului este determinată tocmai de valoarea căldurii sale specifice de ardere. Relația dintre cantitatea de căldură generată în timpul arderii combustibilului, masa acestuia și căldura specifică de ardere este exprimată printr-o formulă simplă:
Q = qm, unde Q este cantitatea de căldură în J, q este căldura specifică de ardere în J/kg, m este masa substanței în kg.
Pentru toate tipurile de combustibil și pentru majoritatea substanțelor combustibile, valorile căldurii specifice de ardere au fost mult timp determinate și tabulate, care sunt utilizate de specialiști la calcularea căldurii degajate în timpul arderii combustibilului sau a altor materiale. În diferite tabele sunt posibile ușoare discrepanțe, explicate evident prin metode de măsurare ușor diferite sau putere calorică diferită a aceluiași tip de materiale combustibile extrase din depozite diferite.
Dintre combustibilii solizi, cărbunele are cea mai mare intensitate energetică - 27 MJ/kg (antracit - 28 MJ/kg). Cărbunele are indicatori similari (27 MJ/kg). Mult mai puțin caloric cărbune brun- 13 MJ/kg. În plus, conține de obicei multă umiditate (până la 60%), care, evaporându-se, reduce valoarea puterii calorice totale.
Turba arde cu o căldură de 14-17 MJ/kg (în funcție de starea ei - pesmet, presat, brichetă). Lemnul de foc uscat la 20% umiditate emite de la 8 la 15 MJ/kg. În același timp, cantitatea de energie primită de la aspen și de la mesteacăn aproape se poate dubla. Aproximativ aceiași indicatori dau pelete din materiale diferite- de la 14 la 18 MJ/kg.
Mult mai puțin decât cele solide, ele diferă prin valorile căldurii specifice de ardere tipuri lichide combustibil. Astfel, căldura specifică de ardere a motorinei este de 43 MJ/l, benzină - 44 MJ/l, kerosen - 43,5 MJ/l, păcură - 40,6 MJ/l.
Căldura specifică arderea gazelor naturale este de 33,5 MJ/m³, propan - 45 MJ/m³. Combustibilul gazos cu cel mai mare consum energetic este hidrogenul gazos (120 MJ/m³). Este foarte promițător pentru utilizare ca combustibil, dar nu a fost încă găsit. cele mai bune opțiuni depozitarea și transportul acestuia.
Compararea intensității energetice a diferitelor tipuri de combustibil
La comparare valoare energetică Principalele tipuri de combustibili solizi, lichizi și gazoși, se poate stabili că unui litru de benzină sau motorină corespunde 1,3 m³ de gaz natural, un kilogram de cărbune - 0,8 m³ de gaz, un kg de lemn de foc - 0,4 m³ de gaz. .
Puterea calorică a combustibilului este cel mai important indicator al eficienței, cu toate acestea, amploarea distribuției acestuia în zone activitate umana depinde de capabilități tehniceȘi indicatori economici utilizare.
Diferite tipuri de combustibil (solid, lichid și gazos) se caracterizează prin proprietăți generale și specifice. LA proprietăți generale combustibilii includ căldura specifică de ardere și umiditatea, unele specifice - conținutul de cenuşă, conținutul de sulf (conținutul de sulf), densitatea, vâscozitatea și alte proprietăți.
Căldura specifică de ardere a combustibilului este cantitatea de căldură care este eliberată în timpul arderii complete a \(1\) kg de solid sau combustibil lichid sau \(1\) m³ de combustibil gazos.
Valoarea energetică a combustibilului este determinată în primul rând de căldura sa specifică de ardere.
Căldura specifică de ardere este notată cu litera \(q\). Unitatea de căldură specifică de ardere este \(1\) J/kg pentru combustibilii solizi și lichizi și \(1\) J/m³ pentru combustibilii gazoși.
Căldura specifică de ardere este determinată experimental prin metode destul de complexe.
Tabelul 2. Căldura specifică de ardere a unor tipuri de combustibil.
combustibil solid
Substanţă | Căldura specifică de ardere, |
| Cărbune brun | |
| Cărbune | |
| Lemn de foc uscat | |
| calce de lemn | |
Cărbune | |
Cărbune clasele A-II | |
| Coca-Cola | |
| Pudra | |
| Turbă |
Combustibil lichid
combustibil gazos
(in conditii normale)
Substanţă | Căldura specifică de ardere, |
| Hidrogen | |
| gaz generator | |
| gaz de cuptor de cocs | |
| Gaz natural | |
| Gaz |
Din acest tabel se poate observa că cea mai mare este căldura specifică de ardere a hidrogenului, aceasta este \(120\) MJ / m³. Aceasta înseamnă că arderea completă a hidrogenului cu un volum \(1\) m³ eliberează \(120\) MJ \(=\)\(120\) ⋅ 10 6 J de energie.
Hidrogenul este unul dintre combustibilii cu o mare energie. În plus, produsul de ardere al hidrogenului este apă obișnuită, spre deosebire de alți combustibili, în care produsele arderii sunt dioxid de carbon și monoxid de carbon, cenusa si zgura de cuptor. Acest lucru face ca hidrogenul să fie cel mai ecologic combustibil.
Cu toate acestea, hidrogenul gazos este exploziv. În plus, are cea mai mică densitate în comparație cu alte gaze la aceeași temperatură și presiune, ceea ce face dificilă lichefierea hidrogenului și transportul acestuia.
Cantitatea totală de căldură \(Q\) eliberată în timpul arderii complete \(m\) kg de combustibil solid sau lichid se calculează prin formula:
Cantitatea totală de căldură \(Q\) eliberată în timpul arderii complete \(V\) m³ a combustibilului gazos se calculează prin formula:
Umiditatea (conținutul de umiditate) al combustibilului își reduce puterea calorică, pe măsură ce consumul de căldură pentru evaporarea umidității crește și volumul produselor de ardere crește (datorită prezenței vaporilor de apă).
Conținutul de cenușă este cantitatea de cenușă produsă în timpul arderii substanțelor minerale conținute în combustibil. Substanțele minerale conținute în combustibil scad puterea calorică a acestuia, deoarece conținutul de componente combustibile scade (motivul principal), iar consumul de căldură pentru încălzirea și topirea masei minerale crește.
Conținutul de sulf (conținutul de sulf) se referă la factorul negativ al combustibilului, deoarece atunci când este ars, gaze sulfuroase poluând atmosfera și distrugând metalul. În plus, sulful conținut în combustibil trece parțial în metalul topit, masa de sticlă sudată, reducând calitatea acestora. De exemplu, pentru topirea cristalului, sticlelor optice și a altor sticle, combustibilul care conține sulf nu poate fi utilizat, deoarece sulful reduce semnificativ proprietățile optice și culoarea sticlei.
Astăzi, oamenii sunt extrem de dependenți de combustibil. Fără ea, încălzirea locuințelor, gătitul, funcționarea echipamentelor și Vehicul. Majoritatea combustibililor utilizați sunt hidrocarburi. Pentru a evalua eficacitatea lor, se folosesc valorile căldurii specifice de ardere. Kerosenul are un indicator relativ impresionant. Datorită acestei calități, este utilizat în motoarele de rachete și avioane.
Datorită proprietăților sale, kerosenul este utilizat în motoarele de rachete.
Proprietăți, obținere și aplicare
Istoria kerosenului datează de mai bine de 2 mii de ani și începe atunci când oamenii de știință arabi au venit cu o metodă de distilare a uleiului în componente individuale. A fost deschis oficial în 1853, când medicul canadian Abraham Gesner a dezvoltat și brevetat o metodă pentru extragerea unui lichid inflamabil limpede din bitum și șisturi bituminoase.
După forarea primului puț de petrol în 1859, petrolul a devenit principala materie primă pentru kerosen. Datorită utilizării sale omniprezente în lămpi, a fost considerat de zeci de ani un element de bază al industriei de rafinare a petrolului. Doar apariția electricității i-a redus importanța pentru iluminat. Producția de kerosen a scăzut, de asemenea, pe măsură ce popularitatea automobilelor a crescut.- această împrejurare a crescut semnificativ importanța benzinei ca produs petrolier. Cu toate acestea, astăzi, în multe părți ale lumii, kerosenul este folosit pentru încălzire și iluminat, iar combustibilul modern pentru avioane este același produs, dar de o calitate superioară.
Odată cu creșterea utilizării mașinilor, popularitatea kerosenului a scăzut
Kerosen - ușor lichid limpede, care din punct de vedere chimic este un amestec compusi organici. Compoziția sa depinde în mare măsură de materia primă, dar, de regulă, constă dintr-o duzină de hidrocarburi diferite, fiecare dintre acestea conținând de la 10 la 16 atomi de carbon. Kerosenul este mai puțin volatil decât benzina. Temperatura comparativă de aprindere a kerosenului și a benzinei, la care emit vapori inflamabili în apropierea suprafeței, este de 38, respectiv -40°C.
Această proprietate face posibil să se considere kerosenul ca un combustibil relativ sigur în ceea ce privește depozitarea, utilizarea și transportul. Pe baza punctului său de fierbere (150 până la 350 ° C), este clasificat ca unul dintre așa-numitele distilate medii de țiței.
Kerosenul poate fi obținut direct, adică separat fizic de ulei, prin distilare sau prin descompunerea chimică a fracțiilor mai grele ca urmare a unui proces de cracare.
Caracteristicile kerosenului ca combustibil
Arderea este procesul de oxidare rapidă a substanțelor cu degajare de căldură. De regulă, oxigenul conținut în aer participă la reacție. În timpul arderii hidrocarburilor se formează următoarele produse principale de ardere:
- dioxid de carbon;
- vapor de apă;
- funingine.
Cantitatea de energie generată în timpul arderii unui combustibil depinde de tipul acestuia, de condițiile de ardere, de masă sau de volum. Energia se măsoară în jouli sau calorii. Specific (pe unitate de măsură a cantității de substanță) puterea calorică este energia obținută prin arderea unei unități de combustibil:
- molar (de exemplu, J / mol);
- masa (de exemplu, J / kg);
- volumetrice (de exemplu, kcal / l).
În majoritatea cazurilor, pentru a evalua combustibilii gazoși, lichizi și solizi, aceștia funcționează cu un indicator al căldurii de ardere în masă, exprimată în J / kg.
În timpul arderii carbohidraților, se formează mai multe elemente, de exemplu, funingine Valoarea puterii calorice va depinde dacă s-au luat în considerare procesele care au loc cu apa în timpul arderii. Evaporarea umezelii este un proces consumator de energie, iar luarea în considerare a transferului de căldură în timpul condensării acestor vapori poate afecta și rezultatul.
Rezultatul măsurătorilor efectuate înainte ca aburul condensat să returneze energie sistemului se numește putere calorică inferioară, iar cifra obținută după condensarea vaporilor se numește putere calorică superioară. Motoarele cu hidrocarburi nu pot folosi energia suplimentară a vaporilor de apă din evacuare, astfel încât cifra netă este relevantă pentru producătorii de motoare și se găsește mai des în cărțile de referință.
Adesea, atunci când se precizează puterea calorică, acestea nu precizează care dintre cantități se referă, ceea ce poate duce la confuzie. Știind că în Federația Rusă se obișnuiește în mod tradițional să se indice cel mai mic ajută la navigare.
Puterea calorică mai mică este un indicator important
Trebuie remarcat faptul că pentru unele tipuri de combustibil, împărțirea în energie netă și brută nu are sens, deoarece nu formează apă în timpul arderii. În ceea ce privește kerosenul, acest lucru este irelevant, deoarece conținutul de hidrocarburi din acesta este ridicat. Cu densitate relativ scăzută (între 780 kg/m³ și 810 kg/m³) a lui valoare calorica similar cu cel al combustibil diesel si este:
- cel mai mic - 43,1 MJ / kg;
- cel mai mare - 46,2 MJ / kg.
Comparație cu alte tipuri de combustibil
Acest indicator este foarte convenabil pentru estimarea cantității potențiale de căldură conținută în combustibil. De exemplu, puterea calorică a benzinei pe unitatea de masă este comparabilă cu cea a kerosenului, dar prima este mult mai densă. În consecință, în aceeași comparație, un litru de benzină conține mai puțină energie.
Căldura specifică de ardere a petrolului sub formă de amestec de hidrocarburi depinde de densitatea acestuia, care nu este constantă pentru diferite câmpuri (43-46 MJ/kg). Metodele de calcul fac posibilă determinarea acestei valori cu o precizie ridicată, dacă există date inițiale despre compoziția sa.
Indicatorii medii pentru unele tipuri de lichide combustibile care alcătuiesc uleiul arată astfel (în MJ / kg):
- motorină - 42-44;
- benzină - 43-45;
- kerosen - 43-44.
Conținutul caloric al combustibililor solizi, cum ar fi turba și cărbunele, are o gamă mai mare. Acest lucru se datorează faptului că compoziția lor poate varia foarte mult atât în ceea ce privește conținutul de substanțe incombustibile, cât și puterea calorică a hidrocarburilor. De exemplu, valoarea calorică a turbei tipuri variate poate fluctua între 8-24 MJ/kg, iar cărbunele - 13-36 MJ/kg. Dintre gazele comune, hidrogenul are o putere calorică ridicată - 120 MJ/kg. Următorul în ceea ce privește căldura specifică de ardere este metanul (50 MJ/kg).
Putem spune că kerosenul este un combustibil care a trecut testul timpului tocmai datorită intensității sale energetice relativ ridicate la un preț scăzut. Utilizarea sa nu este doar justificată din punct de vedere economic, dar în unele cazuri nu există nicio alternativă.
Substanțele de origine organică includ combustibilul care, atunci când este ars, eliberează o anumită cantitate de energie termică. Generarea de căldură ar trebui să fie caracterizată prin eficiență ridicată și absența efecte secundareîn special, substanțele dăunătoare sănătății umane și mediului.
Pentru ușurința încărcării în cuptor, materialul lemnos este tăiat în elemente individuale de până la 30 cm lungime.Pentru a crește eficiența utilizării lor, lemnul de foc trebuie să fie cât mai uscat posibil, iar procesul de ardere ar trebui să fie relativ lent. În multe privințe, lemnul de foc din lemn de esență tare precum stejarul și mesteacănul, alunul și frasinul, păducelul este potrivit pentru încălzirea spațiului. Datorită conținutului ridicat de rășină, viteză crescută de ardere și putere calorică scăzută conifere sunt semnificativ inferioare în acest sens.
Trebuie înțeles că densitatea lemnului afectează valoarea puterii calorice.
Acest material natural origine vegetală extras din roca sedimentară.
În această formă combustibil solid conţine carbon şi altele elemente chimice. Există o împărțire a materialului în tipuri în funcție de vârsta acestuia. Cărbunele brun este considerat cel mai tânăr, urmat de cărbunele tare, iar antracitul este cel mai vechi dintre toate celelalte tipuri. Vârsta substanței combustibile determină și conținutul de umiditate al acesteia, care este mai prezent în materialul tânăr.
În timpul arderii cărbunelui, mediul este poluat, iar pe grătarul cazanului se formează zgură care, într-o anumită măsură, creează un obstacol în calea arderii normale. Prezența sulfului în material este, de asemenea, un factor nefavorabil pentru atmosferă, deoarece acest element este transformat în acid sulfuric în spațiul aerian.
Cu toate acestea, consumatorii nu ar trebui să se teamă pentru sănătatea lor. Producătorii acestui material, având grijă de clienții privați, caută să reducă conținutul de sulf din acesta. Puterea calorică a cărbunelui poate diferi chiar și în cadrul aceluiași tip. Diferența depinde de caracteristicile subspeciei și de conținutul de minerale din aceasta, precum și de geografia producției. Ca combustibil solid, se găsește nu numai cărbune pur, ci și zgură de cărbune slab îmbogățită presată în brichete.
Peleții (pelete de combustibil) sunt un combustibil solid creat industrial din lemn și deșeuri vegetale: așchii, scoarță, carton, paie.
Materia primă zdrobită până la starea de praf este uscată și turnată în granulator, de unde deja iese sub formă de granule de o anumită formă. Pentru a adăuga vâscozitate masei, se folosește un polimer vegetal, lignina. Complexitatea procesului de producție și cererea mare formează costul peleților. Materialul este utilizat în cazane special echipate.
Tipurile de combustibil sunt determinate în funcție de materialul din care sunt prelucrate:
- cherestea rotundă de copaci de orice specie;
- paie;
- turbă;
- coajă de floarea soarelui.
Printre avantajele pe care pelete de combustibil, este de remarcat următoarele calități:
- prietenos cu mediul;
- incapacitatea de a se deforma și rezistență la ciuperci;
- ușurință de depozitare chiar și în aer liber;
- uniformitatea și durata arderii;
- cost relativ scăzut;
- posibilitatea de utilizare pentru diverse dispozitive de încălzire;
- dimensiune adecvată a peleților pentru încărcarea automată într-un cazan special echipat.
Brichete
Brichetele sunt numite combustibil solid, în multe privințe similare cu peleții. Pentru fabricarea lor se folosesc materiale identice: așchii de lemn, așchii, turbă, coji și paie. În timpul procesului de producție, materia primă este zdrobită și formată în brichete prin compresie. Acest material aparține și combustibilului ecologic. Este convenabil de depozitat chiar și în aer liber. netedă, uniformă și ardere lenta al acestui combustibil poate fi observat atât în seminee și sobe, cât și în cazanele de încălzire.
Varietățile de combustibili solizi ecologici discutați mai sus sunt o alternativă bună la generarea de căldură. În comparație cu sursele fosile de energie termică, care afectează negativ arderea mediu inconjurator si fiind, in plus, neregenerabili, combustibilii alternativi au avantaje clare si cost relativ scazut, ceea ce este important pentru anumite categorii de consumatori.
În același timp, riscul de incendiu al unor astfel de combustibili este mult mai mare. Prin urmare, trebuie luate unele precauții în ceea ce privește depozitarea acestora și utilizarea materialelor de perete rezistente la foc.
Combustibili lichizi și gazoși
În ceea ce privește substanțele combustibile lichide și gazoase, situația este următoarea.
Este cunoscut faptul că sursa de energie utilizată în industrie, transport, agricultură, în viața de zi cu zi, este combustibilul. Acestea sunt cărbune, ulei, turbă, lemn de foc, gaz natural si altele.In timpul arderii combustibilului se elibereaza energie. Să încercăm să ne dăm seama cum se eliberează energia în acest caz.
Să ne amintim structura moleculei de apă (Fig. 16, a). Este format dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen. Dacă o moleculă de apă este împărțită în atomi, atunci este necesar să depășești forțele de atracție dintre atomi, adică să lucrezi și, prin urmare, să consumi energie. În schimb, dacă atomii se combină pentru a forma o moleculă, se eliberează energie.
Utilizarea combustibilului se bazează tocmai pe fenomenul de eliberare a energiei atunci când atomii se combină. De exemplu, atomii de carbon conținuți în combustibil sunt combinați cu doi atomi de oxigen în timpul arderii (Fig. 16, b). În acest caz, se formează o moleculă de monoxid de carbon - dioxid de carbon - și se eliberează energie.
Orez. 16. Structura moleculelor:
o apă; b - conectarea unui atom de carbon și a doi atomi de oxigen într-o moleculă de dioxid de carbon
Când proiectează motoare, un inginer trebuie să știe exact câtă căldură poate elibera combustibilul ars. Pentru a face acest lucru, este necesar să se determine experimental câtă căldură va fi eliberată în timpul arderii complete a aceleiași mase de combustibil de diferite tipuri.
Mărimea fizică care arată cât de multă căldură este eliberată în timpul arderii complete a unui combustibil care cântărește 1 kg se numește căldură specifică de ardere a combustibilului.
Căldura specifică de ardere este notă cu litera q. Unitatea de căldură specifică de ardere este 1 J/kg.
Căldura specifică de ardere este determinată experimental folosind instrumente destul de complexe.
Rezultatele datelor experimentale sunt prezentate în Tabelul 2.
masa 2
Acest tabel arată că căldura specifică de ardere, de exemplu, a benzinei este de 4,6 10 7 J / kg.
Aceasta înseamnă că odată cu arderea completă a benzinei cu o greutate de 1 kg, se eliberează 4,6 10 7 J de energie.
Cantitatea totală de căldură Q eliberată în timpul arderii a m kg de combustibil se calculează prin formula
Întrebări
- Care este căldura specifică de ardere a combustibilului?
- În ce unități se măsoară căldura specifică de ardere a combustibilului?
- Ce înseamnă expresia „căldura specifică de ardere a combustibilului egală cu 1,4 10 7 J/kg”? Cum se calculează cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii combustibilului?
Exercițiul 9
- Câtă căldură este eliberată în timpul arderii complete cărbune greutate 15 kg; alcool cu greutatea de 200 g?
- Câtă căldură va fi eliberată în timpul arderii complete a uleiului, a cărui masă este de 2,5 tone; kerosen, al cărui volum este de 2 litri, iar densitatea este de 800 kg / m 3?
- Odată cu arderea completă a lemnului de foc uscat, s-au eliberat 50.000 kJ de energie. Cât lemn de foc a ars?
Exercițiu
Folosind Tabelul 2, construiți o diagramă cu bare pentru căldura specifică de ardere a lemnului de foc, alcoolului, uleiului, hidrogenului, alegând scara după cum urmează: lățimea dreptunghiului este de 1 celulă, înălțimea de 2 mm corespunde cu 10 J.
