Теплота сгорания дизтоплива. Теплотворная способность твердого топлива для котлов. Откуда берется энергия у топлива
Различные виды топлива (твёрдое, жидкое и газообразное) характеризуются общими и специфическими свойствами. К общим свойствам топлива относятся удельная теплота сгорания и влажность, к специфическим - зольность, сернистость (содержание серы), плотность, вязкость и другие свойства.
Удельная теплота сгорания топлива - это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании \(1\) кг твёрдого или жидкого топлива или \(1\) м³ газообразного топлива.
Энергетическая ценность топлива в первую очередь определяется его удельной теплотой сгорания.
Удельная теплота сгорания обозначается буквой \(q\). Единицей удельной теплоты сгорания является \(1\) Дж/кг для твёрдого и жидкого топлива и \(1\) Дж/м³ для газообразного топлива.
Удельную теплоту сгорания на опыте определяют довольно сложными методами.
Таблица 2. Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива.
Твёрдое топливо
Вещество | Удельная теплота сгорания, |
| Бурый уголь | |
| Древесный уголь | |
| Дрова сухие | |
| Древесные чурки | |
Каменный уголь | |
Каменный уголь марки А-II | |
| Кокс | |
| Порох | |
| Торф |
Жидкое топливо
Газообразное топливо
(при нормальных условиях)
Вещество | Удельная теплота сгорания, |
| Водород | |
| Генераторный газ | |
| Коксовый газ | |
| Природный газ | |
| Светильный газ |
Из этой таблицы видно, что наибольшей является удельная теплота сгорания водорода, она равна \(120\) МДж/м³. Это значит, что при полном сгорании водорода объёмом \(1\) м³ выделяется \(120\) МДж \(=\)\(120\) ⋅ 10 6 Дж энергии.
Водород - один из высокоэнергетических видов топлива. Кроме того, продуктом сгорания водорода является обычная вода, в отличие от других видов топлива, где продуктами сгорания являются углекислый и угарный газы, зола и топочные шлаки. Это делает водород экологически наиболее чистым топливом.
Однако газообразный водород взрывоопасен. К тому же он имеет самую малую плотность в сравнении с другими газами при равной температуре и давлении, что создаёт сложности со сжижением водорода и его транспортировкой.
Общее количество теплоты \(Q\), выделяемое при полном сгорании \(m\) кг твёрдого или жидкого топлива, вычисляется по формуле:
Общее количество теплоты \(Q\), выделяемое при полном сгорании \(V\) м³ газообразного топлива, вычисляется по формуле:
Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания, так как увеличивается расход теплоты на испарение влаги и увеличивается объём продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара).
Зольность - это количество золы, образующейся при сгорании минеральных веществ, содержащихся в топливе. Минеральные вещества, содержащиеся в топливе, понижают его теплоту сгорания, так как уменьшается содержание горючих компонентов (основная причина) и увеличивается расход тепла на нагрев и плавление минеральной массы.
Сернистость (содержание серы) относится к отрицательному фактору топлива, так как при его сгорании образуются сернистые газы, загрязняющие атмосферу и разрушающие металл. Кроме того, сера, содержащаяся в топливе, частично переходит в выплавляемый металл, сваренную стекломассу, снижая их качество. Например, для варки хрустальных, оптических и других стёкол нельзя использовать топливо, содержащее серу, так как сера значительно понижает оптические свойства и колер стекла.
5.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ГОРЕНИЯ
Рассмотрим методы расчета теплового баланса процесса горения газообразных, жидких и твердых топлив. Расчет сводится к решению следующих задач.
· Определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива.
· Определение теоретической температуры горения.
5.1. ТЕПЛОТА ГОРЕНИЯ
Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты. При выделении теплоты реакция называется экзотермической, а при поглощении – эндотермической. Все реакции горения являются экзотермическими, а продукты горения относятся к экзотермическим соединениям.
Выделяемая (или поглощаемая) при протекании химической реакции теплота называется теплотой реакции. В экзотермических реакциях она положительна, в эндотермических – отрицательна. Реакция горения всегда сопровождается выделением теплоты. Теплотой горения Q г (Дж/моль) называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества и превращении горючего вещества в продукты полного горения. Моль является основной единицей количества вещества в системе СИ. Один моль – это такое количество вещества, в котором находится столько же частиц (атомов, молекул и т.д.), сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода–12. Масса количества вещества, равного 1 молю (молекулярная или молярная масса) численно совпадает с относительной молекулярной массой данного вещества.
Например, относительная молекулярная масса кислорода (O 2) равна 32, углекислого газа (CO 2) равна 44, а соответствующие молекулярные массы будут равны M =32 г/моль и M =44 г/моль. Таким образом, в одном моле кислорода содержится 32 грамма этого вещества, а в одном моле CO 2 содержится 44 грамма углекислого газа.
В технических расчетах чаще используется не теплота горения Q г , а теплотворная способность топлива Q (Дж/кг или Дж/м 3). Теплотворной способностью вещества называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 вещества. Для жидких и твердых веществ расчет проводится на 1 кг, а для газообразных – на 1 м 3 .
Знание теплоты горения и теплотворной способности топлива необходимо для расчета температуры горения или взрыва, давления при взрыве, скорости распространения пламени и других характеристик. Теплотворная способность топлива определяется либо экспериментальным, либо расчетным способами. При экспериментальном определении теплотворной способности заданная масса твердого или жидкого топлива сжигается в калориметрической бомбе, а в случае газообразного топлива – в газовом калориметре. С помощью этих приборов измеряется суммарная теплота Q 0 , выделяющаяся при сгорании навески топлива массой m . Величина теплотворной способности Q г находится по формуле
Связь между теплотой горения и
теплотворной способностью топлива
Для установления связи между теплотой горения и теплотворной способностью вещества необходимо записать уравнение химической реакции горения.
Продуктом полного горения углерода является диоксид углерода:
С+О 2 →СО 2 .
Продуктом полного горения водорода является вода:
2Н 2 +О 2 →2Н 2 О.
Продуктом полного горения серы является диоксид серы:
S +О 2 →SO 2 .
При этом выделяются в свободном виде азот, галоиды и другие негорючие элементы.
Горючее вещество – газ
В качестве примера проведем расчет теплотворной способности метана CH 4 , для которого теплота горения равна Q г =882.6 .
· Определим молекулярную массу метана в соответствии с его химической формулой (СН 4):
М=1∙12+4∙1=16 г/моль.
· Определим теплотворную способность 1 кг метана:
· Найдем объем 1 кг метана, зная его плотность ρ=0.717 кг/м 3 при нормальных условиях:
.
· Определим теплотворную способность 1 м 3 метана:
Аналогично определяется теплотворная способность любых горючих газов. Для многих распространенных веществ значения теплоты горения и теплотворной способности были измерены с высокой точностью и приведены в соответствующей справочной литературе. Приведем таблицу значений теплотворной способности некоторых газообразных веществ (табл. 5.1). Величина Q в этой таблице приведена в МДж/м 3 и в ккал/м 3 , поскольку часто в качестве единицы теплоты используется 1 ккал = 4.1868 кДж.
Таблица 5.1
Теплотворная способность газообразных топлив
|
Вещество |
Ацетилен |
|||||
|
Q |
||||||
Горючее вещество – жидкость или твердое тело
В качестве примера проведем расчет теплотворной способности этилового спирта С 2 Н 5 ОН, для которого теплота горения Q г = 1373.3 кДж/моль.
· Определим молекулярную массу этилового спирта в соответствии с его химической формулой (С 2 Н 5 ОН):
М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 г/моль.
· Определим теплотворную способность 1 кг этилового спирта:
Аналогично определяется теплотворная способность любых жидких и твердых горючих. В табл. 5.2 и 5.3 приведены значения теплотворной способности Q (МДж/кг и ккал/кг) для некоторых жидких и твердых веществ.
Таблица 5.2
Теплотворная способность жидких топлив
|
Вещество |
Метиловый спирт |
Этиловый спирт |
Мазут, нефть |
||||
|
Q |
|||||||
Таблица 5.3
Теплотворная способность твердых топлив
|
Вещество |
Дерево свежее |
Дерево сухое |
Бурый уголь |
Торф сухой |
Антрацит, кокс |
||
|
Q |
|||||||
Формула Менделеева
Если теплотворная способность топлива неизвестна, то ее можно рассчитать с помощью эмпирической формулы, предложенной Д.И. Менделеевым. Для этого необходимо знать элементарный состав топлива (эквивалентную формулу топлива), то есть процентное содержание в нем следующих элементов:
Кислорода (О);
Водорода (Н);
Углерода (С);
Серы (S );
Золы (А);
Воды (W ).
В продуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.
Для расчета обычно применяется низшая теплотворная способность Q н топлива, которая учитывает тепловые потери с парами воды. Для твердых и жидких топлив величина Q н (МДж/кг) приближенно определяется по формуле Менделеева:
Q н =0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)
где в скобках указано процентное (масс. %) содержание соответствующих элементов в составе топлива.
В этой формуле учитывается теплота экзотермических реакций горения углерода, водорода и серы (со знаком «плюс»). Кислород, входящий в состав топлива, частично замещает кислород воздуха, поэтому соответствующий член в формуле (5.1) берется со знаком «минус». При испарении влаги теплота расходуется, поэтому соответствующий член, содержащий W , берется также со знаком «минус».
Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных топлив (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева (5.1) дает погрешность, не превышающую 10%.
Низшая теплотворная способность Q н (МДж/м 3) сухих горючих газов с достаточной точностью может быть рассчитана как сумма произведений теплотворной способности отдельных компонентов и их процентного содержания в 1 м 3 газообразного топлива.
Q н = 0.108[Н 2 ] + 0.126[СО] + 0.358[СН 4 ] + 0.5[С 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)
где в скобках указано процентное (объем. %) содержание соответствующих газов в составе смеси.
В среднем теплотворная способность природного газа составляет примерно 53.6 МДж/м 3 . В искусственно получаемых горючих газах содержание метана СН 4 незначительно. Основными горючими составляющими являются водород Н 2 и оксид углерода СО. В коксовальном газе, например, содержание Н 2 доходит до (55 ÷ 60)%, а низшая теплотворная способность такого газа достигает 17.6 МДж/м 3 . В генераторном газе содержание СО ~ 30% и Н 2 ~15%, при этом низшая теплотворная способность генераторного газа Q н = (5.2÷6.5) МДж/м 3 . В доменном газе содержание СО и Н 2 меньше; величина Q н = (4.0÷4.2) МДж/м 3 .
Рассмотрим примеры расчета теплотворной способности веществ по формуле Менделеева.
Определим теплотворную способность угля, элементный состав которого приведен в табл. 5.4.
Таблица 5.4
Элементный состав угля
· Подставим приведенные в табл. 5.4 данные в формулу Менделеева (5.1) (азот N и зола A в эту формулу не входят, поскольку являются инертными веществами и не участвуют в реакции горения):
Q н =0.339∙37.2+1.025∙2.6+0.1085∙0.6–0.1085∙12–0.025∙40=13.04 МДж/кг.
Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С, если на нагревание расходуется 5% теплоты, выделяемой при горении, а теплоемкость воды с =1 ккал/(кг∙град) или 4.1868 кДж/(кг∙град). Элементный состав дров приведен в табл. 5.5:
Таблица 5.5
Элементный состав дров
|
· Найдем теплотворную способность дров по формуле Менделеева (5.1): Q н =0.339∙43+1.025∙7–0.1085∙41–0.025∙7= 17.12 МДж/кг. · Определим количество теплоты, расходуемое на нагрев воды, при сгорании 1 кг дров (с учетом того, что на ее нагрев расходуется 5% теплоты (a =0.05), выделяемой при горении): Q 2 =a Q н =0.05·17.12=0.86 МДж/кг. · Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С:
Таким образом, для нагрева воды требуется около 22 кг дров. |
кг.
Последнее время, ввиду регулярного поднятия цены на природный газ, актуальным стал вопрос как монтажа так и перевода/модернизации систем отопления на альтернативные (возобновляемые) источники энергии, такие как: уголь, дрова, пеллеты, энергия солнца и ветра.
В данном разделе остановимся на котлах работающих на твердом топливе.
В зависимости от типа топлива их можно разделить на твердотопливные котлы (топливо – уголь, дрова) и пеллетные котлы (топливо – пеллеты). В свою очередь твердотопливные котлы бывают чугунные и стальные. Каждый из них предназначен для сжигания определенного вида топлива.
В чугунных котлах основным видом топлива является каменный уголь. Поэтому, номинальная мощность таких котлов по паспорту, как правило, указывается из расчета сжигания в чугунных котлах каменного угля. Но, кроме каменного угля чугунные котлы могут работать на дровах и брикетах. Но в этом случае нужно понимать, что номинальная мощность котла буте несколько меньше, чем заявленная в паспорте производителем.
Стальные котлы рассчитаны для сжигания бурого угля и древесины. Как правило, номинальная мощность таких котлов указывается из расчета использование в качестве топлива бурого угля. При использовании древесины, в зависимости от ее теплотворной способности, номинальная мощность стального котла может несколько отличаться. Бурый уголь в качестве топлива распространен, как правило, в Европе (Германия, Польша и др.) в виду достаточно больших его залежей на данной териитории. В виду того, что для Украины бурый уголь не актуален, то за основу нужно принимать дерево.
Раз уж мы заговорили о теплотворной способности твердого топлива, предлагаю рассмотреть это понятие и сравнить разные виды топлива по их теплотворной способности.
Удельная теплотворная способность топлива – это физическая величина, которая показывает какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг или объемом 1 м 3 . Измеряется удельная теплота сгорания в Дж/кг (Дж/м 3) или калория/кг (калория/м 3). Для экспериментального измерения этой величины используются методы калориметрии.
Чем больше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше удельный расход топлива при той же величине коэффициента полезного действия (КПД) котла.
В таблице ниже приведены основные виды используемого в быту котлового топлива, распространенного на территории Украины.
| Вид энергоносителя | Удельная теплотворная способность | Реализуемые системы | ||
| МДж |
Ккалории | кВт*ч | ||
| (1МДж=0,239006 калории) | (1МДж=0,278 кВт*ч) | |||
| Бурый уголь, брикет | 21 | 5019 | 5,84 |
Отопление, горячее водоснабжение (ГВС) |
| Бурый уголь необработанный | 14,7 | 3513 | 4,09 | |
| Ддревесный уголь | 31 | 7409 | 8,62 | |
| Дуб | 13 | 3108 | 3,61 | |
| Береза | 11,7 | 2804 | 3,25 | |
| Сосна | 8,90 | 2127 | 2,47 | |
| Ольха | 8,77 | 2097 | 2,43 | |
| Ель | 7,72 | 1846 | 2,15 | |
| Осина | 7,40 | 1768 | 2,06 | |
| Каменный уголь | 29,3 | 7003 | 8,14 | |
| Кокс | 29 | 6931 | 8,06 | |
| Торф сухой | 15 | 3585 | 4,17 | Отопление |
Данная таблица дает отличительное представление о максимально возможном уровне той энергии, которую часто называют удельной теплотой сгорания для сухих (когда об этом имеет смысл говорить) топлив.
Также из преведенных в таблице значений можно определить на сколько измениться номинальная мощность котла в зависимости от вида используемого топлива. Так, например, если номинальная мощность котла на необработанном буром угле составляет 20 кВт, то, если в качестве толива использовать дуб, номинальная мозность того же котла уменьшится до 17,7 кВт.
Различные виды топлива обладают разными характеристиками. Это зависит от теплотворной способности и количества тепла, выделяющегося при полном выгорании топлива. Например, относительная теплота сгорания водорода влияет на его расходование. Теплотворная способность определяется с помощью таблиц. В них указываются сравнительные анализы расхода разных энергоресурсов.
Горючих имеется огромное количество. каждое из которых имеет свои минусы и плюсы
Сравнительные таблицы
С помощью табличек сравнения возможно объяснить, почему разные энергоресурсы обладают различной теплотворной способностью. Например, такие как:
- электричество;
- метан;
- бутан;
- пропан-бутан;
- солярка;
- дрова;
- торф;
- каменный уголь;
- смеси сжиженных газов.
Пропан – один из популярных видов горючего
Таблицы могут продемонстрировать не только, например, удельную теплоту сгорания дизельного топлива. В сводки сравнительных анализов вписывают ещё и другие показатели: теплотворные способности, объёмные плотности веществ, цену за одну часть условного питания, коэффициент полезного действия отопительных систем, стоимость одного киловатта за час.
В этом видео вы узнаете о работе топлива:
Цены на топливо
Благодаря сводкам сравнительного анализа определяют перспективу использования метана или солярки. Цена газа в централизованном газопроводе имеет склонность к повышению . Она может оказаться выше даже дизельного топлива. Именно поэтому стоимость сжиженного углеводородного газа почти не поменяется, а его использование останется единственным решением при установке независимой системы газификации.
Существует несколько видов наименования горюче-смазочных материалов (ГСМ): твёрдого, жидкого, газообразного и некоторых других легковоспламеняющихся материалов, в которых при тепловыделяющей реакции закисления ГСМ его химическая теплоэнергия переходит в температурное излучение.
Выделяющаяся теплоэнергия называется теплотворностью различных видов топлива при полном выгорании любого легкогорючего вещества. Её зависимость от химсостава и влажности является основным показателем питания.
Термическая восприимчивость
Определение ОТС топлива производится экспериментальным способом или при помощи аналитического вычисления. Экспериментальное определение термической восприимчивости производится опытным путём установления объёма тепла, отделившегося при выгорании топлива в хранителе тепла с термостатом и бомбочкой для сжигания.
При необходимости определения по таблице удельной теплоты сгорания топлива сначала вычисления производят по формулам Менделеева . Существуют высшая и низшая степени ОТС топлива. При самой большой относительной теплоте выделяется большое количество тепла при выгорании любого топлива. При этом учитывается тепло, потраченное на выпаривание воды, находившейся в горючем.
При низшей степени выгорания ОТС составляет меньшее значение, чем в высшей степени, так как при этом испарина выделяется меньше. Испарение возникает из воды и водорода при горении топлива. Чтобы определить свойства топлива, в инженерных расчётах принимается во внимание низшая относительная теплота сгорания, являющаяся важным параметром горючего.
В таблицы удельной теплоты сгорания твёрдого горючего вносят следующие компоненты: уголь, дрова, торф, кокс. В них вносятся величины ОТС твёрдого легкогорючего материала. Названия топлива в таблицы вписывают по алфавиту. Из всех твёрдых форм ГСМ самой большой теплоотдающей способностью обладают коксующийся, каменный, бурый и древесный угли, а также антрацит. К топливу низкой продуктивности относятся:
- древесина;
- дрова;
- порох;
- торф;
- возгораемые сланцы.
В ведомости жидкого ГСМ заносят показатели спирта, бензина, керосина, нефти. Удельная теплота сгорания водорода, а также разных форм горючего выделяется при безусловном выгорании одного килограмма, одного метра кубического или одного литра. Чаще всего такие физические свойства измеряются в единицах измерения работы, энергии и количества выделяемой теплоты.
В зависимости от того, до какой степени высока ОТС ГСМ, таким будет его расходование. Такая правомочность имеет самый значимый параметр горючего, и это необходимо учитывать при проектировке бойлерных установок на топливе разных видов. Теплотворная способность зависит от влажности и зольности , а также от возгораемых ингредиентов, таких как углерод, водород, летучая горючая сера.
УТ (удельная теплота) выгорания спирта и ацетона намного ниже классического моторного ГСМ и она равняется 31,4 МДж/кг, у мазута этот показатель колеблется в пределах 39-41,7 МДж/кг. Показатель УТ сгорания природного газа 41-49 МДж/кг. Одна ккал (килокалория) равна 0,0041868 МДж. Калорийность горючего различных видов отличается друг от друга по УТ выгорания. Чем больше тепла отдаёт любое вещество, тем больше его теплообмен. Этот процесс называется ещё и теплоотдачей. В теплоотдаче принимают участие жидкости, газы и жёсткие частицы.
