Удельная теплота сгорания 1 м3 природного газа. Удельная теплота сгорания. Топливо в широком смысле слова - это вещество, способное выделять тепловую энергию при сгорании

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.

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: кг. Таким образом, для нагрева воды требуется около 22 кг дров.

Сравнительные характеристики различных видов топлива, используемых в отопительных, нагревательных аппаратах (котлах).

Вид топлива	Низшая теплота сгорания
Природный газ (содержание метана CH4 = 82%)	8400 ккал/кубометр
Древесина	3818 ккал/куб
Бурый уголь	5250 ккал/куб
Каменный уголь	7636 ккал/куб
Печное топливо	9333 ккал/куб
	860.5 кВт/час

Применяя приведенные ниже данные можно рассчитать, какое количество различных видов топлива необходимо применить, чтобы получить количества тепла, эквивалентное 1 кубометру природного газа при его использовании.

Вид топлива	Количество
Древесина	2.2 кг
Бурый уголь	1.6 кг
Каменный уголь	1.1 кг
Кокс	1.2 кг
Мазут (печное топливо)	0.9 кг
Торф	2.5 кг
Электричество (при применении ТЭН -ов по 100 кВт)	9 кВт/час

Топливо в широком смысле слова - это вещество, способное выделять тепловую энергию при сгорании

Каждый продукт имеет свою удельную теплоту сгорания и выделения определенного тепла.

Виды топлива	Удельная теплота сгорания
	ккал/кг	кДж/кг
Древесина	2960	12400
Торф	2900	12100
Бурый уголь	3100	13000
Каменный уголь	6450	27000
Антрацит	6700	28000
Кокс	7000	29300
Сланец эстонский	2300	9600
Бензин	10500	44000
Керосин	10400	43500
Дизельное топливо	10300	43000
Мазут	9700	40600
Сланцевый мазут	9100	38000
Сжиженный газ	10800	45200
Природный газ*	8000	33500
Сланцевый газ*	3460	14500

соответственно ккал/куб. Метр и кДж/куб. Метр

Теплота сгорания, основная теплотехническая характеристика любого топлива, - количество теплоты, выделяемой при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива и 1 н.м3 газообразного топлива.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшая теплота сгорания топлива включает всю выделившуюся теплоту, включая теплоту конденсации водяного пара, образовавшегося при окислении водорода и испарении влаги топлива.

В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной обработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан (не менее 93% С3 P8 + С3 Н6), технический бутан (не менее 93% С4 Н10 + С4 Н8) и их смеси.

Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 триллионов м³.

Твердое и жидкое топливо состоит из горючей и негорючей частей.

К горючей части топлива относят углерод, водород, кислород, азот и серу. Кислород и азот не горят; их включают в состав горючей массы условно. Поэтому горючую часть топлива называют условно горючей массой. Негорючая часть топлива - балласт - состоит из влаги и золы. Органическую массу топлива составляют углерод, кислород и азот.

Правильная теплота сгорания топлива:

Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания вследствие увеличенного расхода теплоты на испарение влаги и увеличения объема продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара).

Внимание: Топливо опасное горючее вещество, будьте предельно осторожны в использовании!

Энергоемкость топлив

Важнейшей характеристикой топлива является его энерго­емкость, или теплота сгорания. Под энергоемкостью (или тепло­той сгорания) следует понимать количество теплоты, выделив­шейся при полном сгорании единицы массы или объема топлива и замеренной при постоянных давлении и температуре (обычно при 25 °С).

В технике пользуются значением низшей теплоты сгорания 1 кг (весовой) или 1 л (объемной) топлива. Низшая теплота сгорания топлива (расчетная) получается уменьшением значе­ния высшей теплоты сгорания (экспериментальной) на количе­ство тепла, затраченного для испарения некоторых продуктов сгорания, которые при нормальной температуре являются жид­костями. В основном - это вода, которая выводится из двигателя с продуктами сгорания в парообразном состоянии. При этом ис­ходят из того, что тепло образования водяных паров теряется безвозвратно.

В том случае, когда среди продуктов сгорания топлива не оказывается соединений, конденсирующихся при нормальной температуре, например при сжигании СО в СО 2 , высшая и низшая теплоты сгорания равны.

Для работы современных карбюраторных, дизельных и ра­кетных двигателей важно знать также теплоту сгорания рабо­чей смеси, состоящей из горючего и окислителя, в количестве, достаточном для полного сгорания горючего. При этом наи­большая теплота сгорания будет у рабочей.смеси, в которой стехиометрическое соотношение топливо: окислитель? равно 1.

Значение низшей теплоты сгорания рабочих смесей, состоящих из паров углеводородов с воздухом, приближается к 667- 674 ккал/кг.

Углеводородные топлива характеризуются высокой теплотой сгорания. Продуктами их полного сгорания являются, главным образом, двуокись углерода и вода. Лишь водород, бериллий и бор имеют большие теплоты сгорания, чем углеводороды. Одна­ко при их использовании в качестве топлив возникают весьма сложные проблемы, которые здесь не рассматриваются. По эк­сплуатационным свойствам углеводороды как топлива отличаются значительными преимуществами.

Теплоту сгорания определяют сжиганием навески топлива в калориметрической бомбе, заполненной кислородом под давле­нием. Метод этот сложен, и для его осуществления требуются специальные условия.

Для определения теплоты сгорания при помощи расчетов широко пользуются эмпирическими формулами, точность кото­рых составляет ±2-3%.

В основу эмпирических расчетных формул, составленных раз­личными авторами, положены следующие данные.

1. Элементарный состав топлива. В этом случае исходят из того, что теплота сгорания топлива равна сумме теплот сгорания отдельных элементов его составляющих.

2. Количество кислорода (воздуха), необходимого для сгора­ния топлива. В основу эмпирических формул положено количе­ство кислорода, необходимое для полного сгорания элементов, составляющих топливо. Наибольшей точностью из формул этого типа отличается формула Коновалова:

Q н = 3050 К

Где Q н - низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг; К - количе­ство кислорода, необходимого для сгорания единицы массы то­плива, рассчитываемое по формуле:

где С, Н, О - содержание углерода, водорода и кислорода в то­пливе, вес. %.

3. Теплота образования. Эмпирические формулы основаны на законе Гесса, из которого следует, что теплота сгорания топли­ва соответствует разности между теплотой образования сжигае­мого топлива и суммой теплот образования конечных продуктов его сгорания (воды, двуокиси углерода и др.).

4. Физико-химические характеристики топлива. Для углево­дородных жидких топлив, состоящих в основном из двух эле­ментов-углерода и водорода, устанавливается определенная зависимость между отношением этих элементов, температурой их выкипания, анилиновой точкой, плотностью, строением углеводо­родов и другими физико-химическими показателями, с одной стороны, и теплотой сгорания - с другой.

Для углеводородных топлив, имеющих плотность от 0,510 до 0,990, весовая теплота сгорания может быть определена с точ­ностью до 3-5% (для фракций алканового основания до 1 - 1,5%) по формулам Крагоэ:

где?-плотность топлива при 15°С; Q в - высшая теплота сго­рания, ккал/кг; О н - низшая теплота сгорания, ккал/кг.

Установлено, что при использовании этой формулы наимень­шая погрешность составляет 40 ккал/кг; для смесси ароматичес­ких углеводородов с алканами наибольшая погрешность дости­гает 400-530 ккал/кг.

Лаврентьев предложил эмпирическую формулу для расчета низшей весовой теплоты сгорания по значению показателя пре­ломления:

Для товарных реактивных топлив максимальное отклонение вычисленных данных, определенных экспериментально, со­ставляет ±95 ккал/кг при среднем отклонении ±1,4 ккал/кг. Не­удовлетворительные результаты получаются для узких нефтяных фракций, индивидуальных углеводородов, особенно ароматиче­ских углеводородов, для которых величина отклонения превос­ходит 400 ккал/кг.

Более точные результаты (отклонение ±20-25 ккал/кг), в том числе для ароматических углеводородов, дает формула, в которой используется показатель преломления и анилиновая точка:

где t A - анилиновая точка, °С.

Для среднедистиллятных нефтяных топлив можно достаточно точно рассчитать низшую весовую теплоту сгорания, зная содер­жание водорода, по формуле:

где Н - содержание водорода, вес. %.

Многие авторы считают, что наибольшая точность достигает­ся при использовании расчетных формул, в которых представлена зависимость между теплотой сгорания, плотностью и анилиновой точкой среднедистиллятных топлив. Результаты расчета при использовании такой зависимости приняты во всех спецификаци­ях США и других стран на реактивные топлива наравне со зна­чениями, определенными экспериментально. Для керосинов отклонения от экспериментальных данных составляют 12- 14 ккал/кг, максимальные отклонения ± 45 ккал/кг. Неболь­шое содержание олефинов в керосинах существенно не влияет на результаты. Для алкилатов и индивидуальных углеводородов, кипящих в пределах керосиновых фракций, этот метод мало пригоден.

В спецификациях на реактивные топлива приводится коэффи­циент теплопроводности, представляющий собой произведение плотности, выраженной в °АРI (АSТМ D 287-55), и анилино­вой точки в °F (АSТМ D 611-55Т), изменяющейся с тепло­той сгорания топлива по линейной зависимости. В результате проверки этого метода на многочисленных образцах реактивных топлив нашей страны была предложена формула:

где К - коэффициент теплотворности топлива, численно равный произведению плотности топлива в °АРI и анилиновой точки в °F. Плотность определяется при 15,6 °С по ГОСТ 3900-47, а ани­линовая точка - методом равных объемов (ОСТ 17872 М. И. 20К-40). Для получения плотности в °АРI, а анилиновой точки в °F пользуются переводными таблицами, приведенными в рабо­тах.

При использовании этой формулы можно получить результа­ты с точностью до 0,12% и максимальным отклонением 0,43% для нефтепродуктов плотностью? 5.16 15.6 =0,8448-0,7585 (36- 55°АРI), имеющих анилиновую точку 51-78,3 °С (124-173°F) и коэффициенты теплотворности в пределах от 4414 до 8969.

Некоторая ошибка получается при наличии в топливе серы. Так, при 1 % серы значение теплоты сгорания для керосина мо­жет быть завышено приблизительно на 60 ккал/кг. Поэтому для расчета низшей теплоты сгорания предлагается формула, учи­тывающая содержание серы:

где Q н -теплота сгорания топлива, содержащего серу, ккал/кг;

Q н - теплота сгорания, рассчитанная для топлива по анилиновой точке и плотности без учета содержания серы, ккал/кг; %S- содержание серы в топливе, вес. %.

Зная плотность? 15.6 15.6 и вязкость топлива (в сст) при 37,8 °С, по номограмме (рис. 18) можно определить анилиновую точку в °С, а затем перевести в °F. Отклонения для керосинов от данных, полученных стандартным методом, не превышают ± 2%.

Ниже приведены коэффициенты теплотворности и значения низшей весовой теплоты сгорания для различных реактивных топлив, рассчитанные по формуле.

Для упрощения расчетов предложены номограммы, состав­ленные на основании зависимости между физико-химическими и энергетическими характеристиками нефтяных фракций. Ниже в качестве примера представлена одна из подобных номограмм,

построенная на основе зависимости между плотностью, молеку­лярным весом, псевдокритическим давлением, анилиновой точ­кой, средней температурой кипения, теплотой испарения и выс­шей теплотой сгорания для нефтяных фракций (рис. 19).

Зная две какие либо характеристики из названных, можно по номо­грамме определить остальные. При работе с номограммой среднюю температуру кипения фракции можно принять равной температуре выкипания 50 объемн. % этой фракции в условиях стандартной разгонки.

Поскольку на номограмме приведены значения высшей тепло­ты сгорания, значение низшей теплоты сгорания можно рассчи­тать по формуле:

где К - содержание в топливе воды, вес. %.

Отклонения данных, полученных по номограмме, от фактиче­ских данных составляют 1%.

На рис. 20 приведена номограмма зависимости между низ­шей объемной теплотой сгорания, плотностью, вязкостью и сред­ней температурой выкипания дизельных топлив.

По такой номограмме при помощи известных характеристик можно легко определить объемную теплоту сгорания дизельных топлив.

Теплота сгорания зависит от элементарного состава углеводо­родов топлива, что подтверждается следующими данными:

Весовая теплота сгорания водорода в 3,5 раза больше весовой теплоты сгорания углерода. Чем выше содержание водорода, тем выше теплота сгорания углеводородного топлива.

Для алканов среднедистиллятных фракций содержание угле­рода изменяется незначительно - в пределах 84-85%, для цикланов эта величина постоянна и составляет приблизительно 85,75%, для ароматических углеводородов она изменяется в ши­роких пределах - от 91 до 87,5% и зависит от длины боковых цепей.

Весовые теплоты сгорания топлива изменяются в соответст­вии с содержанием углерода: для алканов и цикланов незначи­тельно, а для ароматических углеводородов с числом углеродных атомов от 6 до 20 - до 700 ккал (рис. 21). Плотность ? 4 20 углеводородов, составляющих товарные топлива и выкипающих в пределах 80-300°С, изменяется следующим образом :

Плотность в пределах одного класса углеводородов изменя­ется значительно. Она определяется не только молекулярным весом, но и структурой углеводородов. Вследствие этого объем­ные теплоты сгорания углеводородов существенно различаются.

Для углеводородов промышленных фракций, однотипных по строению и выкипающих в пределах 100-300°С, разница меж­ду максимальной и минимальной величинами весовой теплоты сгорания составляет от 30 до 350 ккал/кг, объемной- от 30 до 1100 ккол/л. Особенно велика разница объемной теплоты сгора­ния у цикланов - 700-1100 ккал/л (табл. 19).

Объемную теплоту сгорания можно значительно увеличить, одновременно сохраняя на достаточно высоком уровне весовую теплоту сгорания, вовлечением в состав топлив цикланов опре­деленного строения.

Нефтяные топлива характеризуются теплотой сгорания, близ­кой к верхнему возможному пределу. Однако для дальнейшего увеличения теплоты сгорания углеводородных топлив остаются некоторые резервы. Все больше синтезируется, а также выделя­ется из нефти углеводородов такого строения, теплоты сгорания (весовые и объемные) которых существенно превышают тепло­ты сгорания товарных нефтяных фракций. На основе таких угле­водородов предлагаются новые композиции высокоэнергетичес­ких топлив, столь необходимых для реактивных и ракетных дви­гателей.

Применение топлива с повышенной теплотой сгорания для карбюраторных и дизельных двигателей приведет к снижению его удельного расхода (поскольку теплота сгорания рабочей смеси должна быть постоянной); к уменьшению объема топлив­ных баков при том же радиусе действия машин; к некоторому изменению сечения жиклеров в соответствии с количеством по­ступающего топлива. Мощность карбюраторных и дизельных двигателей не зависит от теплоты сгорания топлива и, следова­тельно, остается неизменной.

Для реактивных и ракетных двигателей, в которых сила тяги создается только за счет сил реакции газов, вытекающих из со­пла, теплота сгорания топлива играет большую роль. Сила тяги воздушно-реактивного двигателя представляет равнодействую­щую сил воздушного и газового потоков, оказывающую влияние на элементы "Проточной части и наружной поверхности двигате­ля. Она прямо пропорциональна количеству воздуха, проходяще­го через реактивный двигатель, и скорости истечения газов через его сопло. Весовой расход топлива составляет 1,5-2% от весового расхода воздуха. Топливо, сгорая, нагревает воздух и тем самым увеличи­вает его кинетическую энергию, расхо­дуемую на полезную работу и компенса­цию потерь. Поэтому чем выше теплота сгорания топлива, тем большую полез­ную работу сможет дать двигатель.

Увеличение теплоты сгорания топли­ва приведет к увеличению объема газов, проходящих через двигатель, и, следова­тельно, к увеличению скорости их исте­чения, что повысит к. п. д. двигателя. Авиационные топлива, выделяющие при сгорании большее количество тепла, поз­воляют увеличить дальность полета или грузоподъемность самолета. О зависимо­сти между энергоемкостью авиационно­го реактивного топлива и дальностью по­лета самолета можно судить по формуле Брегэ:

где К - дальность оолета; Q н - весовая низшая теплота сгорания топлива; ? - суммарный к. п. д. двигателя; L / D - отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению; W 0 - вес самолета при старте; W f - вес залитого в баки само­лета топлива.

Из приведенной формулы следует, что дальность полета самолета изменяется (прямо пропорционально теплоте, выде­ляющейся при сгорании топлива. Таким образом, при постоянном весе топлива повышение его весовой теплоты сгорания позволит в реактивном двигателе не только достичь преимуществ, указанных для карбюраторных двигателей, но и увеличить мощность двигателя, скорость м дальность полета самолета или умень­шить удельный расход топлива.

Увеличение объемной теплоты сгора­ния топлива, связанное с обязательным возрастанием его плотности, даст преи­мущества лишь в том случае, если при­рост теплоты сгорания превзойдет потери энергии, которую необходимо будет дополнительно затратить вследствие увеличения полетного веса самолета, загруженного та­ким же объемом топлива, но имеющего большую плотность. Кри­терием энергетической оценки топлива будет являться удельная теплота сгорания загруженного топлива, отнесенная к единице по­летного веса летательного аппарата.

Весьма желательно равенство значений весовой и объемной теплоты сгорания топлив; к такому равенству можно прибли­зиться, увеличивая плотность углеводородной смеси до единицы.

Выполнить это условие пока трудно, хотя мето­дом синтеза удается по­лучить насыщенные угле­водороды, плотность кото­рых превышает 0,9 г/см 3 .

На рис. 22 показано влияние теплоты сгорания и плотности топлива на дальность полета самоле­та при различных высо­тах. Как видно из рисун­ка, энергетические преи­мущества топлива с по­вышенной плотностью наиболее ощутимы при большой скорости полета (2,5-4 Маха).

При необходимости увеличения дальности по­лета топливо с большей весовой теплотой сгорания в сравнимых условиях будет обладать (преимуществом перед топливом с большей объемной теплотой сго­рания (большей плотностью). На дальних расстояниях при использовании последних будет расходоваться дополнительная энергия на их перевозку.

Для ракетного двигателя значение топлива с высокой тепло­той сгорания еще более возрастает. Высота взлета ракетного двигателя увеличивается во столько раз, во сколько увеличива­ется теплота сгорания топлива. Таким образом, при использова­нии для ракетных двигателей топлив с более высокой теплотой сгорания достигаются преимущества, указанные для воздушно-ракетных двигателей, и увеличивается высота взлета ракеты.

Исследователи стремятся получить такое углеводородное то­пливо, которое возможно полнее отвечало бы требованиям реак­тивных сверхзвуковых и тем более ракетных двигателей. Такие топлива должны характеризоваться высокой весовой и объемной теплотой сгорания при минимальном различии их значений. Кро­ме того, углеводороды, составляющие топлива, должны обладать удовлетворительными низкотемпературными свойствами, высо­кой химической стабильностью при повышенных температурах, пределами кипения и др. Предпринимаются попытки получения таких топлив не только на основе соответствующих нефтяных фракций и однотипных по химическому строению групп углево­дородов, но и на основе сложного синтеза индивидуальных соединений, хотя этот путь намного дороже. В табл. 20 приведены сведения о некоторых синтезированных для этой цели в США индивидуальных углеводородах по данным патентной литерату­ры, опубликованной в основном в 1964 г.

Как видно из данных табл. 20, осуществлен синтез углеводо­родов сложных и интересных структур. Исследование их свойств свидетельствует об известных возможностях, обнаруженных на этом пути. Большинство углеводородов являются би- и трицикланами с очень высокой плотностью, а следовательно, высокой объемной теплотой сгорания.

По-видимому, циклановые углеводороды в целом отвечают требованиям, предъявляемым к топливу, ;В большей мере, чем углеводороды иного строения. Можно предвидеть, что изоалка- новые углеводороды определенного строения также окажутся благоприятным материалом для этой цели.

Поскольку для реактивных топлив сверхзвуковых самолетов наиболее подходящим и доступным в настоящее время материалом являются циклановые углеводороды, характеризующиеся доста­точно высокой весовой теплотой сгорания и плотностью, значения низшей весовой теплоты сгорания цикланов различного строения при 25°С (в ккал/кг).

Наряду с цикланами большое внимание заслуживают с точки зрения использования в качестве высокоэнергетических топлив изоалкановые углеводороды, характеризующиеся максимальным содержанием водорода, а следовательно, максимальной весовой теплотой сгорания. Сложность заключается в "Подборе таких структур изоалканов, низкотемпературная характеристика кото­рых (температура застывания, кристаллизации, вязкость и ее из­менение с температурой) была бы удовлетворительной, а плот­ность максимальной.

К числу таких углеводородов относятся, по-видимому, алканы гребенчатого строения с компактно и симметрично расположенны­ми короткими боковыми цепями, имеющими один или два угле­родных атома. Предстоит изыскать наиболее экономически це­лесообразный путь получения алканов," отвечающих такому строению.

Известна еще одна группа углеводородов, энергоемкость ко­торых складывается не только из теплот сгорания элементов, но и из энергии, выделяющейся при разрушении их кратных связей и напряженных циклов. К ним относятся производные ацетилена и углеводороды, в структуре которых имеются циклопропановые кольца. Энергия ацетиленовой связи -С=С- составляет около

195 ккал/моль, т. е. более чем в два раза больше энергии свя­зи (84 ккалімоль). Однако реализовать эту дополнительную энергию весьма сложно из-за склонности ацетилено­вых углеводородов полимеризоваться по месту ненасыщенных связей. При сгорании циклопропана и его гомологов также вы­деляется дополнительная энергия, которая в отличие от энергии ацетиленовой связи может быть использована. В табл. 21 при­ведены теплоты образования и сгорания некоторых углеводоро­дов с простыми и кратными связями, а также напряженными ци­клами.

Как видно из данных табл. 21, циклопропан и ацетиленовые углеводороды характеризуются весьма высокими теплотами сго­рания, намного превышающими теплоты сгорания насыщенных углеводородов с таким же числом углеродных атомов в молеку­ле, но не имеющих столь напряженных связей. Наибольшую те­плоту сгорания имеет циклопропан. Гомологи циклопропана ха­рактеризуются несколько меньшей теплотой сгорания. Так, низ­шая весовая теплота сгорания фенилциклопропана равна 10 280 ккал/кг, циклогексилциклопропана 10 610 ккал/кг. Гомологи циклопропана имеют следующие весьма важные преиму­щества по сравнению с ацетиленами: хорошую стабильность при хранении, низкотемпературные свойства, невзрываемость и др.

Очевидно, ди- и трициклопропаны будут представлять собой топлива, отличающиеся наибольшей энергоемкостью среди угле­водородов иного строения, в том числе алканов.

В табл. 22 приводятся значения удельных импульсов для ракет­ных топливных систем при использовании в качестве горючего ацетилена или циклопропана.

Циклопропилуглеводороды могут быть получены в процессе довольно сложного синтеза, проходящего в несколько стадий. Ацетиленовые углеводороды могут быть получены в из­вестных промышленных процессах.

В отличие от циклопропанов, которые являются довольно ста­бильными, ацетилены нуждаются в специальных стабилизирующих добавках и с ними надо обращаться, как со взрывчатыми вещест­вами.

Таким образом, возможность получения углеводородов с бо­лее высокой энергоемкостью нельзя считать исчерпанной.

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.