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.
В данном уроке мы научимся рассчитывать количество теплоты, которое выделяет топливо при сгорании. Кроме того, рассмотрим характеристику топлива - удельную теплоту сгорания.
Поскольку вся наша жизнь основана на движении, а движение в большинстве своем основано на сгорании топлива, то изучение данной темы весьма важно для понимания темы «Тепловые явления».
После изучения вопросов, связанных с количеством теплоты и удельной теплоемкостью, перейдем к рассмотрению количества теплоты, выделяемого при сжигании топлива .
Определение
Топливо - вещество, которое в некоторых процессах (горение, ядерные реакции) выделяет тепло. Является источником энергии.
Топливо бывает твердым, жидким и газообразным (рис. 1).
Рис. 1. Виды топлива
- К твердым видам топлива относят уголь и торф .
- К жидким видам топлива относят нефть, бензин и другие нефтепродукты .
- К газообразным видам топлива относят природный газ .
- Отдельно можно выделить очень распространенное в последнее время ядерное топливо .
Сгорание топлива - это химический процесс, который является окислительным. При сгорании атомы углерода соединяются с атомами кислорода , образуя молекулы. В результате этого выделяется энергия, которую и использует человек в своих целях (рис. 2).
Рис. 2. Образование углекислого газа
Для характеристики топлива используется такая характеристика, как теплотворность . Теплотворность показывает, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива (рис. 3). В физике теплотворности соответствует понятие удельной теплоты сгорания вещества .
Рис. 3. Удельная теплота сгорания
Определение
Удельная теплота сгорания - физическая величина, характеризующая топливо, численно равна количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива.
Удельную теплоту сгорания принято обозначать буквой . Единицы измерения:
В единицах измерения отсутствует , так как сгорание топлива происходит практически при неизменной температуре.
Удельная теплота сгорания определяется опытным путем с помощью сложных приборов. Однако для решения задач существуют специальные таблицы. Ниже приведем значения удельной теплоты сгорания для некоторых видов топлива.
|
Вещество |
|
Таблица 4. Удельная теплота сгорания некоторых веществ
Из приведенных величин видно, что при сгорании выделяется огромное количество теплоты, поэтому используются единицы измерения (мегаджоули) и (гигаджоули).
Для вычисления количества теплоты, которое выделяется при сгорании топлива, используется следующая формула:
Здесь: - масса топлива (кг), - удельная теплота сгорания топлива ().
В заключении заметим, что большая часть топлива, которое используется человечеством, запасена с помощью солнечной энергии. Уголь, нефть, газ - все это образовалось на Земле благодаря воздействию Солнца (рис. 4).
Рис. 4. Образование топлива
На следующем уроке мы поговорим о законе сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Интернет-портал «festival.1september.ru» ()
- Интернет-портал «school.xvatit.com» ()
- Интернет-портал «stringer46.narod.ru» ()
Домашнее задание
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.
Тепловые машины в термодинамике — это периодически действующие тепловые двигатели и холодильные машины (термокомпрессоры). Разновидностью холодильных машин являются тепловые насосы.
Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми машинами (тепловыми двигателями). Для функционирования тепловой машины необходимы следующие составляющие: 1) источник тепла с более высоким температурным уровнем t1, 2) источник тепла с более низким температурным уровнем t2, 3) рабочее тело. Иначе сказать: любые тепловые машины (тепловые двигатели) состоят из нагревателя, холодильника и рабочего тела .
В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты (Q1), и его внутренняя энергия увеличивается, за счёт этой внутренней энергии совершается механическая работа (А), затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику (Q2) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.
Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы (А) к количеству теплоты, полученному им от нагревателя (Q1):
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный . В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая смесь готовится в самом двигателе.
ДВС состоит из цилиндра
, в котором перемещается поршень
; в цилиндре имеются два клапана
, через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма
соединяется с коленчатым валом
, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой.
Цикл работы ДВС включает четыре такта : впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт. В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.
Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются. При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300- 350 °С, а воздух в дизельном двигателе - до 500-600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.
При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. Это приводит к тому, что газ охлаждается.
Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа. В конце этого такта клапан закрывается.
Паровая турбина
Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.
При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива .
Удельная теплота сгорания топлива - физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.
Что такое топливо?
Это один компонент либо смесь веществ, которые способны к химическим превращениям, связанным с выделением тепла. Разные виды топлива отличаются количественным содержанием в них окислителя, который применяется для выделения тепловой энергии.
В широком смысле топливо является энергоносителем, то есть, потенциальным видов потенциальной энергии.
Классификация
В настоящее время виды топлива подразделяют по агрегатному состоянию на жидкое, твердое, газообразное.
К твердому природному виду причисляют каменный и дрова, антрацит. Брикеты, кокс, термоантрацит это разновидности искусственного твердого топлива.
К жидкостям причисляются вещества, имеющие в составе вещества органического происхождения. Основными их компонентами являются: кислород, углерод, азот, водород, сера. Искусственным жидким топливом будут разнообразные смолы, мазут.
Является смесью разнообразных газов: этилена, метана, пропана, бутана. Помимо них в составе газообразного топлива есть углекислый и угарный газы, сероводород, азот, водяной пар, кислород.
Показатели топлива
Основной показатель сгорания. Формула для определения теплотворной способности рассматривается в термохимии. выделяют «условного топлива», которое подразумевает теплоту сгорания 1 килограмма антрацита.
Бытовое печное топливо предназначается для сжигания в отопительных устройствах незначительной мощности, которые находятся в жилых помещениях, теплогенераторах, применяемых в сельском хозяйстве для сушки кормов, консервирования.
Удельная теплота сгорания топлива - это такая величина, что демонстрирует количество теплоты, которое образуется при полном сгорании топлива объемом 1 м 3 либо массой один килограмм.
Для измерения этой величины используют Дж/кг, Дж/м 3 , калория/м 3 . Чтобы определить теплоту сгорания, используют метода калориметрии.
При увеличении удельной теплоты сгорания топлива, снижается удельный расход топлива, а коэффициент полезного действия остается неизменной величиной.
Теплота сгорания веществ является количеством энергии, выделяющейся при окислении твердого, жидкого, газообразного вещества.
Она определяется химическим составом, а также агрегатным состоянием сгораемого вещества.
Особенности продуктов сгорания
Высшая и низшая теплота сгорания связана с агрегатным состоянием воды в получаемых после сгорания топлива веществах.
Высшая теплота сгорания это количество теплоты, выделяемое при полном сгорании вещества. В эту величину включают и теплоту конденсации водяного пара.
Низшая рабочая теплота сгорания является той величиной, что соответствует выделению тепла при сгорании без учета теплоты конденсации водяных паров.
Скрытой теплотой конденсации считают величину энергии конденсации водяного пара.
Математическая взаимосвязь
Высшая и низшая теплота сгорания связаны следующим соотношением:
Q B = Q H + k(W + 9H)
где W - количество по массе (в %) воды в горючем веществе;
H-количество водорода (% по массе) в горючем веществе;
k - коэффициент, составляющий величину 6 ккал/кг
Способы проведения вычислений
Высшая и низшая теплота сгорания определяется двумя основными методами: расчетным и экспериментальным.
Для проведения экспериментальных вычислений применяют калориметры. Сначала сжигают в нем навеску топлива. Теплота, которая будет при этом выделяться, полностью поглощается водой. Имея представление о массе воды, можно определить по изменению ее температуры, величину ее теплоты сгорания.
Данная методика считается простой и эффективной, она предполагает только владение информацией о данных технического анализа.
В расчетной методике высшая и низшая теплота сгорания вычисляется по формуле Менделеева.
Q p H = 339C p +1030H p -109(O p -S p) - 25 W p (кДж/ кг)
Оно учитывает содержание углерода, кислорода, водорода, водяного пара, серы в рабочем составе (в процентах). Количество теплоты при сгорании определяется с учетом условного топлива.
Теплота сгорания газа позволяет проводить предварительные расчеты, выявлять эффективность применения определенного вида топлива.
Особенности происхождения
Для того чтобы понять, сколько теплоты выделяется при сгорании определенного топлива, необходимо иметь представление об его происхождении.
В природе есть разные варианты твердого топлива, которые отличаются между собой составом и свойствами.
Его образование осуществляется через несколько стадий. Сначала образуется торф, затем получается бурый и каменный уголь, потом формируется антрацит. В качестве основных источников образования твердого топлива выступают листья, древесина, хвоя. Отмирая, части растений при воздействии воздуха, разрушаются грибками, образуют торф. Его скопление превращается в бурую массу, потом получается бурый газ.
При высоком давлении и температуре, бурый газ переходит в каменный уголь, потом топливо накапливается в виде антрацита.
Помимо органической массы, в топливе есть дополнительный балласт. Органической считают ту часть, что образовалась из органических веществ: водорода, углерода, азота, кислорода. Помимо этих химических элементов, в его составе есть балласта: влага, зола.
Топочная техника предполагает выделение рабочей, сухой, а также горючей массы сжигаемого топлива. Рабочей массой называют топливо в исходном виде, поступающем к потребителю. Сухая масса - это состав, в котором отсутствует вода.
Состав
Самыми ценными компонентами считаются углерод и водород.
Эти элементы содержатся в любом виде топлива. В торфе и древесине процентное содержание углерода достигает 58 процентов, в каменном и буром угле - 80%, а в антраците оно достигает 95 процентов по массе. В зависимости от этого показателя меняется количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Водород это второй по важности элемент любого топлива. Связываясь с кислородом, он образует влагу, которая существенно снижает тепловую ценность любого топлива.
Его процентное содержание колеблется от 3,8 в горючих сланцах до 11 в мазуте. В качестве балласта выступает кислород, входящий в состав топлива.
Он не является теплообразующим химическим элементом, поэтому негативно отражается на величине теплоты его сгорания. Сгорание азота, содержащегося в свободном либо связанном виде в продуктах сгорания, считается вредными примесями, поэтому его количество четко лимитируется.
Сера входит в состав топлива в виде сульфатов, сульфидов, а также в качестве сернистых газов. При гидратации оксиды серы образуют серную кислоту, которая разрушает котельное оборудование, негативно воздействует на растительность и живые организмы.
Именно поэтому сера является тем химическим элементом, присутствие которого в природном топливе является крайне нежелательным. При попадании внутрь рабочего помещения, сернистые соединения вызывают существенные отравления обслуживающего персонала.
Выделяют три вида золы в зависимости от ее происхождения:
- первичную;
- вторичную;
- третичную.
Первичный вид формируется из минеральных веществ, которые содержатся в растениях. Вторичная зола образуется как результат попадания во время пластообразования растительных остатков песком и землей.
Третичная зола оказывается в составе топлива в процессе добычи, хранения, а также его транспортировки. При существенном отложении золы происходит уменьшение теплопередачи на поверхности нагрева котельного агрегата, снижает величину теплопередачи к воде от газов. Огромное количество золы негативно отражается на процессе эксплуатации котла.
В заключение
Существенное влияние на процесс горения любого вида топлива оказывают летучие вещества. Чем больше их выход, тем объемнее будет объем фронта пламени. Например, каменный уголь, торф, легко загораются, процесс сопровождается незначительными потерями тепла. Кокс, который остается после удаления летучих примесей, в своем составе имеет только минеральные и углеродные соединения. В зависимости от особенностей топлива, величина количества теплоты существенно изменяется.
В зависимости от химического состава выделяют три стадии формирования твердого топлива: торфяную, буроугольную, каменноугольную.
Натуральную древесину применяют в небольших котельных установках. В основном используют щепу, опилки, горбыли, кору, сами дрова применяют в незначительных количествах. В зависимости от породы древесины величина выделяемой теплоты существенно изменяется.
По мере снижения теплоты сгорания, дрова приобретают определенные преимущества: быструю воспламеняемость, минимальную зольность, отсутствие следов серы.
Достоверная информация о составе природного либо синтетического топлива, его теплотворной способности, является отличным способом проведения термохимических вычислений.
В настоящее время появляется реальная возможность выявления тех основных вариантов твердого, газообразного, жидкого топлива, которые станут самыми эффективными и недорогими в использовании в определенной ситуации.