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, МДж/кг |
| Бурый уголь |
(9,3) |
| Древесный уголь |
(29,7) |
| Дрова сухие |
(8,3) |
| Древесные чурки |
(15,0) |
|
Каменный уголь марки А-(I) |
(20,5) |
|
Каменный уголь марки А-(II) |
(30,3) |
| Кокс |
(30,3) |
| Порох |
(3,0) |
| Торф |
(15,0) |
Жидкое топливо
|
Вещество |
Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
| Бензин, нефть |
(46,0) |
| Дизельное топливо |
(42,0) |
| Керосин |
(43,0) |
| Мазут |
(40,0) |
| Спирт этиловый |
(27,0) |
Газообразное топливо
(при нормальных условиях)
|
Вещество |
Удельная теплота сгорания, МДж/м³ |
| Водород |
(120,8) |
| Генераторный газ |
(5,5) |
| Коксовый газ |
(16,4) |
| Природный газ |
(35,5) |
| Светильный газ |
(21,0) |
Из этой таблицы видно, что наибольшей является удельная теплота сгорания водорода, она равна (120,8) МДж/м³. Это значит, что при полном сгорании водорода объёмом (1) м³ выделяется (120,8) МДж (=) (120,8)
⋅106
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.
Из предыдущих уроков вы усвоили такие темы, как «Удельная теплоемкость«, «Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении«, «Сгорание топлива. Удельная теплота сгорания«. Теперь мы можем перейти к решению задач на сгорание топлива, но при этом вам понадобятся знания из перечисленных выше уроков.
Также при решении задач вам могут понадобиться определенные справочные материалы для разных веществ: значения удельной теплоемкости, удельной теплоты сгорания и плотности.
Формулы, которые мы будем использовать в этом уроке:
- $Q = qm$, где $q$ — удельная теплота сгорания
- $Q = cm(t_2 — t_1)$, где $c$ — удельная теплоемкость
- $eta = frac{A_п}{A_з} = frac{Q_п}{Q_з}$ или $eta = frac{Q_п}{Q_з} cdot 100 %$, где $Q_п$ — количество теплоты, необходимое для нагревания тела, $Q_з$ — количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива и направленное на нагревание тела
Задача №1
Какое количество теплоты выделится при сгорании керосина массой $300 space г$?
Дано:
$m = 300 space г$
$q = 4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$
СИ:
$m = 0.3 space кг$
$Q — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Формула для расчета количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива:
$Q = qm$.
Подставим в формулу известные величины и рассчитаем количество теплоты:
$Q = 4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} cdot 0.3 space кг = 1.38 cdot 10^7 space Дж = 13.8 cdot 10^6 space Дж = 13.8 space МДж$.
В таких простых задачах обращайте внимание на размерность исходных величин, не забывайте переводить их в СИ (как мы перевели $г$ в $кг$). При простом решении можно получить неправильный ответ, пропустив размерность используемых величин.
Ответ: $Q = 13.8 space MДж$.
Задача №2
Заряд пороха в патроне пулемета имеет массу $3.2 space г$. Теплота сгорания пороха равна $3.8 frac{МДж}{кг}$. Сколько выделяется тепла при каждом выстреле?
Дано:
$q = 3.8 frac{МДж}{кг}$
$m = 3.2 space г$
СИ:
$q = 3.8 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$
$m = 3.2 cdot 10^{-3} space кг$
$Q — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Формула для расчета количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива:
$Q = qm$.
Подставим в формулу известные величины и рассчитаем количество теплоты:
$Q = 3.8 cdot 10^6 frac{Дж}{кг} cdot 3.2 cdot 10^{-3} space кг = 12.16 cdot 10^3 space Дж approx 12.16 space кДж$.
Такое количество теплоты выделяется при каждом выстреле.
Ответ: $Q approx 12.16 space кДж$.
Задача №3
Какая масса древесного угля при сгорании дает столько же энергии, сколько выделяется при сгорании четырех литров бензина?
Дано:
$V_б = 4 space л$
$rho_б = 710 frac{кг}{м^3}$
$q_б = 4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$
$q_у = 3.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$
СИ:
$V_б = 4 cdot 10^{-3} space м^3$
$m_у — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Некоторая масса древесного угля при сгорании даст столько же энергии, сколько выделяется при сгорании данного объема бензина: $Q_у = Q_б$.
Формула для расчета количества теплоты, выделившегося при сгорании древесного угля:
$Q_у = q_у m_у$.
Формула для расчета количества теплоты, выделившегося при сгорании бензина:
$Q_б = q_б m_б$.
Масса бензина нам неизвестна, но известна его плотность и объем. Плотность по определению: $rho_б = frac{m_б}{V_б}$.
Тогда масса бензина будет равна: $m_б = rho_б V_б$.
Подставим в формулу для расчета количеста теплоты, выделившегося при сгорании бензина:
$Q_б = q_б rho_б V_б$.
Теперь приравняем эти две формулы для нахождения количества теплоты (для бензина и для древесного угля):
$q_у m_у = q_б rho_б V_б$.
Выразим отсюда массу древесного угля:
$m_у = frac{q_б rho_б V_б}{q_у}$.
Рассчитаем ее:
$m_у = frac{4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} cdot 710 frac{кг}{м^3} cdot 4 cdot 10^{-3} space м^3}{3.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}} = frac{13 space 064 cdot 10^4 space Дж}{3.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}} approx 3 space 842 cdot 10^{-3} space кг approx 3.8 space кг$.
Ответ: $m_у approx 3.8 space кг$.
Задача №4
Начальная температура двух литров воды составляет $20 degree C$. До какой температуры можно было бы нагреть эту воду при сжигании $10 space г$ спирта? (Считать, что теплота сгорания спирта целиком пошла на нагревание воды).
При записи условий задачи, обозначим все величины, связанные с водой, нижним индексом “в”, а со спиртом — “с”.
Дано:
$V_в = 2 space л$
$m_с = 10 space г$
$t_1 = 20 degree C$
$rho_в = 1000 frac{кг}{м^3}$
$c_в = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$q_с = 2.7 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$
СИ:
$ V_в = 2 cdot 10^{-3} space м^3$
$m_с = 0.01 space кг$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Рассчитаем количество теплоты, которое выделится при сгорании указанной массы спирта:
$Q_с = q_с m_с$,
$Q_с = 2.7 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} cdot 0.01 space кг = 2.7 cdot 10^5 space Дж$.
Это же количество теплоты пошло на нагревание воды: $Q_с = Q_в$.
Формула для расчета количества теплоты, необходимого для нагревания воды:
$Q_в = c_в m_в (t_2 — t_1)$.
Масса воды нам неизвестна, поэтому выразим ее через плотность и объем:
$m_в = rho_в V_в$.
Подставим в формулу:
$Q_в = c_в rho_в V_в (t_2 — t_1)$.
Выразим отсюда конечную температуру $t_2$, до которой нагреется вода, если ей сообщили количество теплоты $Q_с$, выделившееся при сжигании спирта:
$Q_с = c_в rho_в V_в t_2 — c_в rho_в V_в t_1$,
$t_2 = frac{Q_с + c_в rho_в V_в t_1}{c_в rho_в V_в}$.
Рассчитаем эту температуру:
$t_2 = frac{2.7 cdot 10^5 space Дж + 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C} cdot 1000 frac{кг}{м^3} cdot 2 cdot 10^{-3} space м^3 cdot 20 degree C}{4200 frac{Дж}{кг cdot degree C} cdot 1000 frac{кг}{м^3} cdot 2 cdot 10^{-3} space м^3} = frac{2.7 cdot 10^5 space Дж + 1.68 cdot 10^5 space Дж}{8.4 cdot 10^{-3} frac{Дж}{degree C}} = frac{4.38 cdot 10^5 space Дж}{8.4 cdot 10^{-3} frac{Дж}{degree C}} approx 52 degree C$.
Ответ: $t_2 approx 52 degree C$.
Задача №5
При сжигании смеси, состоящей из бурого угля и каменного угля, выделилось количество теплоты, равное $78.2 space МДж$. Какая масса бурого угля содержалась в смеси, если известно, что она была в 2 раза больше, чем масса каменного? Удельная теплота сгорания бурого угля составляет $1.5 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$.
Дано:
$Q = 78.2 space МДж$
$m_1 = 2m_2$
$q_1 = 1.5 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$
$q_2 = 2.7 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$
СИ:
$Q = 7.82 cdot 10^7 space Дж$
$m_1 — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
При сгорании бурого угля, содержащегося в смеси, выделилось количество теплоты:
$Q_1 = q_1 m_1$.
При сгорании каменного угля, содержащегося в смеси, выделилось количество теплоты:
$Q_2 = q_2 m_2$.
Эти величины составляют общее количество теплоты $Q$, которое выделяется при сгорании смеси:
$Q = Q_1 +Q_2$.
$Q = q_1 m_1 + q_2 m_2$.
Выразим массу каменного угля через массу бурого и подставим в формулу:
$m_2 = frac{m_1}{2}$,
$Q = q_1 m_1 + frac{q_2 m_1}{2}$.
Выразим отсюда искомую массу бурого угля:
$Q = m_1 cdot (q_1 + frac{q_2}{2})$,
$m_1 = frac{Q}{q_1 + frac{q_2}{2}}$.
Рассчитаем эту массу:
$m_1 = frac{7.82 cdot 10^7 space Дж}{1.5 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} + frac{2.7 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}}{2}} = frac{7.82 cdot 10^7 space Дж}{2.85 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}} approx 2.7 space кг$.
Ответ: $m_1 approx 2.7 space кг$.
Задача №6
Какой объем природного газа сгорает в газовой горелке кухонной плиты при нагревании $10 space л$ воды от температуры $10 degree C$ до температуры $100 degree C$, если на нагревание воды идет $r = 60 %$ выделяющейся при сгорании энергии?
При записи условий задачи, обозначим все величины, связанные с водой, нижним индексом “в”, а с природным газом — “г”.
Дано:
$V_в = 10 space л$
$rho_в = 1000 frac{кг}{м^3}$
$t_1 = 10 degree C$
$t_2 = 100 degree C$
$c_в = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree}$
$q_г = 4.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$
$rho_г = 0.8 frac{кг}{м^3}$
$r = 60 %$
СИ:
$V_в = 10^{-2} space м^3$
$V_г — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Сначала нам нужно рассчитать количество теплоты, которое необходимо сообщить воде, чтобы нагреть ее от $10 degree C$ до $100 degree C$:
$Q_в = c_в m_в (t_2 — t_1)$.
Выразим массу воды через ее плотность и объем:
$m_в = rho_в V_в$.
Подставим ее в формулу и рассчитаем количество теплоты:
$Q_в = c_в rho_в V_в (t_2 — t_1)$,
$Q_в = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree} cdot 1000 frac{кг}{м^3} cdot 10^{-2} space м^3 cdot (100 degree C — 10 degree C) = 42 space 000 frac{Дж}{degree C} cdot 90 degree C = 3.78 cdot 10^6 space Дж$.
Количество теплоты, выделяемой при сгорании природного газа, вычисляется по формуле:
$Q_г = q_г m_г$.
Выразим массу через плотность и объем и подставим в эту формулу:
$m_г = rho_г V_г$,
$Q_г = q_г rho_г V_г$.
В условии задача сказано, что на нагревание идет всего $60 %$ энергии, выделяемой при сгорании газа:
$Q_г cdot 60 % = Q_в$.
Подставим сюда выражение для количества теплоты, выделяемого при сгорании природного газа:
$q_г rho_г V_г cdot 60 % = Q_в$.
Выразим отсюда объем природного газа:
$V_г = frac{Q_в}{q_г rho_г cdot 60 %}$.
Рассчитаем его:
$V_г = frac{3.78 cdot 10^6 space Дж}{4.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} cdot 0.8 frac{кг}{м^3} cdot 60 %} = frac{3.78 cdot 10^6 space Дж}{2.112 cdot 10^7 frac{Дж}{м^3}} = frac{0.378 cdot 10^7 space Дж}{2.112 cdot 10^7 frac{Дж}{м^3}} approx 0.18 space м^3$.
Ответ: $V_г approx 0.18 space м^3$.
Задача №7
Используя графики зависимости количества теплоты, выделяющегося при полном сгорании топлива, от массы топлива (рисунок 1), определите для каких видов топлива построены эти графики, и вычислите количество теплоты, которое выделяется при сгорании $2.2 space кг$ каждого вида топлива.
Для того чтобы записать условия задачи, давайте получим нужную нам информацию из представленных графиков.
Посмотрим на графики и выберем удобные для нас точки, чтобы соотнести точное количество теплоты и массу топлива. Для графика №1: при массе топлива $5 space кг$ выделяется $150 space МДж$ энергии. У графика №2: при массе топлива $3.5 space кг$ выделяется $50 space МДж$ энергии.
Для того чтобы определить вид топлива, нам нужно найти его удельную теплоту сгорания. Значит, их мы и будем искать для ответа на первый вопрос задачи. Теперь можно записать условия задачи.
Дано:
$Q_1 = 150 space МДж$
$Q_2 = 50 space МДж$
$m_1 = 5 space кг$
$m_2 = 3.5 space кг$
$m = 2.2 space кг$
СИ:
$Q_1 = 15 cdot 10^7 space Дж$
$Q_2 = 5 cdot 10^7 space Дж$
$q_1 — ?$
$q_2 — ?$
$Q_{11} — ?$
$Q_{22} — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Формула для расчета количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива:
$Q = qm$.
Выразим отсюда удельную теплоту сгорания:
$q = frac{Q}{m}$.
Найдем удельную теплоту сгорания для топлива, соответствующего графику №1:
$q_1 = frac{Q_1}{m_1} = frac{15 cdot 10^7 space Дж}{5 space кг} = 3 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$.
Пользуясь таблицей из урока «Энергия топлива. Удельная теплота сгорания», определяем, что такая величина удельной теплоты сгорания соответствует антрациту.
Рассчитаем, какое количество теплоты выделится при сгорании $2.2 space кг$ антрацита:
$Q_{11} = q_1m = 3 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} cdot 2.2 space кг = 6.6 cdot 10^7 space Дж = 66 space МДж$.
Найдем удельную теплоту сгорания для топлива, соответствующего графику №2:
$q_2 = frac{Q_2}{m_2} = frac{5 cdot 10^7 space Дж}{3.5 space кг} approx 1.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$.
Такая величина удельной теплоты сгорания соответствует торфу.
Рассчитаем, какое количество теплоты выделится при сгорании $2.2 space кг$ торфа:
$Q_{22} = q_2m = 1.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} cdot 2.2 space кг = 3.08 cdot 10^7 space Дж approx 31 space МДж$.
Ответ: антрацит, $Q_{11} = 66 space МДж$; торф, $Q_{22} approx 31 space МДж$.
Найдите КПД примуса, в котором при нагревании $4 space л$ воды от $20 degree C$ до $75 degree C$ сгорело $50 space г$ керосина.
Дано:
$V_в = 4 space л$
$m_к = 50 space г$
$t_1 = 20 degree C$
$t_2 = 75 degree C$
$c_в = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$rho_в = 1000 frac{кг}{м^3}$
$q_к = 4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$
СИ:
$V_в = 4 cdot 10^{-3} м^3$
$m_к = 0.05 space кг$
$eta — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
КПД определяется по формуле:
$eta = frac{Q _п}{Q_з} cdot 100%$.
В нашем случае полезное количество теплоты — это количество теплоты, которое требуется для нагревании воды, а затраченное количество теплоты — это та энергия, которая выделялась при сгорании керосина.
Тогда формула для КПД примет вид:
$eta = frac{Q _в}{Q_к} cdot 100%$.
Рассчитаем отдельно величины $Q_в$ и $Q_к$.
Количество теплоты, необходимое для нагревания воды:
$Q_в = = c_в m_в (t_2 — t_1)$.
Выразим массу воды через ее плотность и объем: $m_в = rho_в V_в$.
Подставим ее в формулу и рассчитаем количество теплоты:
$Q_в = c_в rho_в V_в (t_2 — t_1)$,
$Q_в = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree} cdot 1000 frac{кг}{м^3} cdot 4 cdot 10^{-3} space м^3 cdot (75 degree C — 20 degree C) = 16 space 800 frac{Дж}{degree C} cdot 55 degree C = 924 space 000 space Дж = 0.0924 cdot 10^7 space Дж$.
Теперь рассчитаем количество теплоты, которое выделится при сгорании керосина:
$Q_к = q_к m_к$,
$Q_к = 4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} cdot 0.05 space кг = 0.23 cdot 10^7 space Дж$.
Подставим найденные значения в формулу для расчета КПД:
$eta = frac{0.0924 cdot 10^7 space Дж}{0.23 cdot 10^7 space Дж} cdot 100% approx 0.402 cdot 100 % approx 40.2 %$.
Ответ: $eta approx 40.2 %$.
Задача №9
КПД шахтной печи составляет $60 %$. Сколько надо древесного угля, чтобы нагреть $10 space 000 space кг$ чугуна от $20 degree C$ до $1100 degree C$?
Дано:
$eta = 60 % = 0.6$
$m_ч = 10 space 000 space кг$
$c_ч = 540 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$t_1 = 20 degree C$
$t_2 = 1100 degree C$
$q_у = 3.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$
$m_у — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Формула для КПД шахтной печи:
$eta = frac{Q _ч}{Q_у}$, где $Q_ч$ — количество теплоты, которое необходимо сообщить чугуну, чтобы нагреть его, $Q_у$ — количество теплоты, которое выделится при сгорании древесного угля неизвестной массы.
Выразим отсюда $Q_у$:
$Q_у = frac{Q_ч}{eta}$.
Количество тепла, которое выделится при сгорании древесного угля, определяется по формуле:
$Q_у = q_у m_у$.
Выразим отсюда массу древесного угля:
$m_у = frac{Q_у}{m_у}$.
Подставим сюда найденное выражение для $Q_у$:
$m_у = frac{frac{Q_ч}{eta}}{q_у} = frac{Q_ч}{eta cdot q_у}$.
Рассчитаем отдельно величинe $Q_ч$.
Количество теплоты, необходимое для нагревания чугуна:
$Q_ч = = c_ч m_ч (t_2 — t_1)$.
Рассчитаем его:
$Q_ч = 540 frac{Дж}{кг cdot degree C} cdot 10 space 000 space кг cdot (1100 degree C — 20 degree C) = 0.54 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} cdot 1080 degree C = 583.2 cdot 10^7 space Дж$.
Теперь мы можем рассчитать необходимую массу древесного угля:
$m_у = frac{583.2 cdot 10^7 space Дж}{0.6 cdot 3.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}} = frac{583.2 space кг}{2.04} approx 286 space кг$.
Ответ: $m_у approx 286 space кг$.
Задача №10
Легковой автомобиль прошел путь, равный $320 space км$ со средней скоростью $80 frac{км}{ч}$. При этом было израсходовано $20 space л$ бензина. Определите среднюю мощность автомобиля на этом пути, если только третья часть теплоты, полученной при сгорании топлива, использовалась полезно.
Дано:
$upsilon_{ср} = 80 frac{км}{ч}$
$s = 320 space км$
$V = 20 space л$
$rho = 710 frac{кг}{м^3}$
$q = 4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$
$eta = frac{1}{3}$
СИ:
$upsilon_{ср} approx 22.2 frac{м}{c}$
$s = 320 space 000 space м$
$V = 20 cdot 10^{-3 }space м^3$
$N_{ср} — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
По определению средняя мощность определяется следующим образом:
$N_{ср} = frac{A}{t}$.
Время мы моем определить, используя известные среднюю скорость и путь:
$t = frac{s}{ upsilon_{ср}}$.
Когда речь идет о мощности, то под величиной $A$ понимается полезная работа. Ее мы можем определить, используя формулу КПД:
$eta = frac{A_п}{A_з} = frac{A}{Q}$, где $Q$ — это количество теплоты, которое выделилось при сгорании бензина.
Найти эту величину мы можем по формуле:
$Q = qm = q rho V$.
Тогда полезная работа будет рассчитываться по формуле:
$A = Q cdot eta = q rho V cdot eta$.
Подставим выражения для времени и работы в формулу для мощности:
$N_{ср} = frac{q rho V cdot eta}{frac{s}{upsilon_{ср}}} = frac{q rho V cdot eta cdot upsilon_{ср}}{s}$.
Рассчитаем ее:
$N_{ср} = frac{4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} cdot 710 frac{кг}{м^3} cdot 20 cdot 10^{-3} space м^3 cdot frac{1}{3} cdot 22.2 frac{м}{с}}{320 space 000 space м} approx frac{4834 cdot 10^6}{0.32 cdot 10^6} cdot frac{Дж}{с} approx 15 space 106 space Вт approx 15 space кВт$.
Ответ: $N_{ср} approx 15 space кВт$.
Что такое удельная теплота сгорания?
Удельная теплота сгорания q — это физическая величина равная количеству тепла, выделяющегося при полном сгорания 1 кг топлива.
Формула удельной теплоты сгорания выглядит так:
q=Q/m
где:
Q — количество теплоты выделевшееся при сгорании топлива, Дж;
m — масса топлива, кг.
Единицей измерения q в интернациональной системе единиц СИ является Дж/кг.
q=Дж/кг
Для обозначения больших величин q часто используются внесистемные единицы энергии: килоджоули (кДж), мегаджоули (МДж) и гигаджоули (ГДж).
Значения q для разных веществ определяют экспериментально.
Зная q, можно вычислить количество тепла Q, которое получится в результате сжигания топлива массой m:
Q=q * m
Мы уже знаем, что при горении выделяется теплота (тепловая энергия).
Количество теплоты, которое мы получим при сгорании, будет отличаться для разных видов топлива. Одно топливо будет выделять больше энергии, другое – меньше.
Чтобы сравнивать горючие вещества между собой, удобно сжигать 1 килограмм топлива и измерять выделяемое количество теплоты.
Примечание: Не путайте теплоту и температуру. Теплота – это тепловая энергия. Любую энергию измеряют в Джоулях. А температуру измеряют в градусах.
Тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания. Ее обозначают маленькой латинской буквой q.
Примечание: Удельная теплота сгорания — это тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг. топлива. Ранее мы уже сталкивались с удельными величинами (ссылка).
Удельную теплоту сгорания некоторых веществ можно найти в справочнике физики.
Как измеряют удельную теплоту сгорания
Для измерения q используют приборы, которые называются калориметрами (calor – тепло, metreo – измеряю).
Контейнер с порцией топлива сжигается внутри прибора. Контейнер помещен в воду с известной массой. В результате горения выделившееся тепло нагревает воду. Величина массы воды и изменение ее температуры позволяют вычислить теплоту сгорания. Далее q определяется по вышеприведенной формуле.
Где можно найти значения q
Информацию о величинах удельной теплоты сгорания для конкретных видов топлива можно найти в технических справочниках или в их электронных версиях на интернет-ресурсах. Обычно они приводятся в виде такой таблицы:
Удельная теплота сгорания, q
| Вещество | МДж/кг | Вещество | МДж/кг |
| Торф | 8,1 | Дизельное топливо | 42,7 |
| Дрова | 10,2 | Керосин | 44,0 |
| Уголь бурый | 15,0 | Бензин | 48,0 |
| Уголь каменный | 29,3 | Пропан | 47,5 |
| Нефть | 41,3 | Метан | 50,11 |
Ресурсы разведанных, современных видов топлива ограничены. Поэтому в будущем на смену им придут другие источники энергии:
- атомные, использующие энергию ядерных реакций;
- солнечные, преобразовывающие энергию солнечных лучей в тепло и электричество;
- ветряные;
- геотермальные, использующие тепло природных горячих источников.
Как связаны количество теплоты и удельная теплота сгорания — формула
Мы можем посчитать количество теплоты, выделенной при сгорании, когда нам известны:
- удельная теплота сгорания топлива и
- количество килограммов вещества.
Примечание: Если умножить удельную теплоту сгорания (large q ) на количество килограммов m сгоревшего вещества, то можно вычислить общее количество теплоты (large Q ), выделившейся при сгорании топлива.
Откуда берется тепло в процессе горения?
Сам по себе процесс сгорания топлива — это химическая, окислительная реакция. Большинство видов топлива содержит большое количество углерода С, водорода H, серы S и других веществ. Во время горения атомы C, H, и S соединяется с атомами кислорода О2, в результате чего получается молекулы СО, СО2, Н2О, SO2. При этом происходит выделение большого количества тепловой энергии, которую люди научились использовать в своих целях.
Рис. 1. Виды топлива: уголь, торф, нефть, газ.
Основной вклад в выделение тепла дает углерод C. Второй по количеству тепла вклад вносит водород H.
Рис. 2. Атомы углерода вступают в реакцию с атомами кислорода.
Теплотворность твердых материалов
К этой категории относится древесина, торф, кокс, горючие сланцы, брикетное и пылевидное топливо. Основная составная часть твердого топлива — углерод.
Особенности разных пород дерева
Максимальная эффективность от использования дров достигается при условии соблюдения двух условий — сухости древесины и медленном процессе горения.
Куски дерева распиливают или рубят на отрезки длиной до 25-30 см, чтобы дрова удобно загружались в топку
Идеальными для дровяного печного отопления считаются дубовые, березовые, ясеневые бруски. Хорошими показателями характеризуется боярышник, лещина. А вот у хвойных пород теплотворность низкая, но высокая скорость горения.
Как горят разные породы:
- Бук, березу, ясень, лещину сложно растопить, но они способны гореть сырыми из-за низкого содержания влажности.
- Ольха с осиной не образуют сажи и «умеют» удалять ее из дымохода.
- Береза требует достаточного количества воздуха в топке, иначе будет дымить и оседать смолой на стенках трубы.
- Сосна содержит больше смолы, чем ель, поэтому искрит и горит жарче.
- Груша и яблоня легче других раскалывается и отлично горит.
- Кедр постепенно превращается в тлеющий уголь.
- Вишня и вяз дымит, а платан сложно расколоть.
- Липа с тополем быстро прогорают.
Показатели ТСТ разных пород сильно зависят от плотности конкретных пород. 1 кубометр дров эквивалентен примерно 200 литрам жидкого топлива и 200 м3 природного газа. Древесина и дрова относятся к категории с низкой энергоэффективностью.
Таблица объёмной теплотворности дров (удельная теплота сгорания объемная) при влажности древесины 20%
| Порода дерева | Объёмная удельная теплотворная способность дров. 1 дм3=1л | |||
| ккал/дм3 | кДж/дм3 | кВт*ч/дм3 | Градация теплотворности по ГОСТ 3243-88 | |
| Берёза | 1389-2240 | 5816-9379 | 1,62-2,61 | Первая группа по ГОСТ 3243-88: берёза, бук, ясень, граб, ильм, вяз, клён, дуб, лиственница |
| бук | 1258-2133 | 5276-8931 | 1,46-2,48 | |
| ясень | 1403-2194 | 5874-9186 | 1,63-2,55 | |
| граб | 1654-2148 | 6925-8994 | 1,92-2,5 | |
| ильм | 1282-2341 | 5368-9802 | 1,49-2,72 | |
| вяз | 1282-2341 | 5368-9802 | 1,49-2,72 | |
| клён | 1503-2277 | 6293-9534 | 1,75-2,65 | |
| дуб | 1538-2429 | 6400-10170 | 1,79-2,82 | |
| лиственница | 1084-2207 | 4539-9241 | 1,26-2,57 | |
| сосна | 1282-2130 | 5368-8918 | 1,49-2,48 | Вторая группа по ГОСТ 3243-88: сосна, ольха |
| ольха | 1122-1744 | 4698-7302 | 1,30-2,03 | |
| ель | 1068-1974 | 4472-8265 | 1,24-2,30 | Третья группа по ГОСТ 3243-88: ель, кедр, пихта, осина, липа, тополь, ива |
| кедр | 1312-2237 | 5493-9366 | 1,53-2,60 | |
| пихта | 1068-1974 | 4472-8265 | 1,24-2,30 | |
| осина | 1002-1729 | 4195-7239 | 1,17-2,01 | |
| липа | 1046-1775 | 4380-7432 | 1,22-2,06 | |
| тополь | 839-1370 | 3515-5736 | 0,98-1,59 | |
| ива | 1128-1840 | 4723-7704 | 1,31-2,14 |
Влияние возраста на свойства угля
Уголь является природным материалом растительного происхождения. Добывается он из осадочных пород. В этом топливе содержится углерод и другие химические элементы.
Кроме типа на теплоту сгорания угля оказывает влияние и возраст материала. Бурый относится к молодой категории, за ним следует каменный, а самым старшим считается антрацит.
По возрасту горючего определяется и влажность: чем моложе уголь, тем больше в нем содержание влаги. Которая также влияет на свойства этого типа топлива
Процесс горения угля сопровождается выделением веществ, загрязняющих окружающую среду, колосники котла при этом покрываются шлаком. Еще один неблагоприятный фактор для атмосферы — наличие серы в составе топлива. Этот элемент при соприкосновении с воздухом трансформируется в серную кислоту.
Производителям удается максимально снизить содержание серы в угле. В результате ТСТ отличается даже в пределах одного вида. Влияет на показатели и география добычи. Как твердое топливо может использоваться не только чистый уголь, но и брикетированный шлак.
Наибольшая топливная способность наблюдается у коксующегося угля. Хорошими характеристиками обладает и каменный, древесный, бурый уголь, антрацит.
Природный каменный материал
Этот вид топлива возник гораздо раньше, нежели бурый уголь. Большие пласты материала расположены под землёй на глубине 3 километра. В его составе содержится до 97% чистого углерода, а вот количество летучих примесей находится в пределах 35%. Что касается влажности, то в каменном угле её не больше чем 15%. А это положительно влияет на теплоэффективность ископаемого.
В идеальных условиях удельная теплота сгорания каменного угля находится в пределах 2100°C. Но в обычной отопительной печи такой материал сжигается максимум при 1000°C.
Уровень теплоотдачи варьируется в пределах 7 тыс. ккал/кг. Стоит отметить, что этот вид топлива плохо поддаётся разжиганию, так как для этих целей нужно нагреть печь до 400°C.
Этот материал не подойдет для разжигания
Как показывает практика, именно каменный уголь чаще всего используется обычными гражданами для обогрева домов, дач и зданий иного назначения.
Характеристика керосина как топлива
Горением называют процесс бурного окисления веществ с выделением тепла. Как правило, в реакции участвует кислород, содержащийся в воздухе. Во время сжигания углеводородов образуются такие основные продукты горения:
- углекислый газ;
- водяной пар;
- сажа.
Количество энергии, генерируемое во время сгорания топлива, зависит от его вида, условий сжигания, массы или объёма. Энергия измеряется в джоулях или калориях. Удельной (на единицу измерения количества вещества) теплотой сгорания называют энергию, полученную при сжигании единицы топлива:
- молярная (например, Дж/моль);
- массовая (например, Дж/кг);
- объёмная (например, ккал/л).
В большинстве случаев для оценки газообразных, жидких и твёрдых топлив оперируют показателем массовой теплоты сгорания, выраженной в Дж/кг.
Во время сжигания углевода образуется несколько элементов, например, сажа
Значение теплоты сгорания будет зависеть от того, брались ли в учёт процессы, происходящие с водой во время сгорания. Испарение влаги — энергоёмкий процесс, а учёт теплоотдачи при конденсации этих паров также способен повлиять на результат.
Результат замеров, производимых до того, как сконденсированный пар вернёт энергию в систему, называют низшей теплотой сгорания, а показатель, полученный после конденсации паров, называется высшей теплотой. Углеводородные двигатели не могут использовать дополнительную энергию водяного пара в выхлопе, поэтому показатель нетто актуален для производителей моторов и встречается в справочниках чаще.
Нередко при указании теплотворной способности не уточняют о том, какая из величин имеется в виду, что может привести к путанице. Сориентироваться помогает знание того, что в РФ традиционно принято указывать низшую.
Низшая теплота сгорания – важный показатель
Следует отметить, что для некоторых видов топлива разделение на энергию нетто и брутто не имеет смысла, так как они не образуют воду во время горения. В отношении керосина это неактуально, поскольку содержание углеводородов в нём велико. При сравнительно невысокой плотности (между 780 кг/м³ и 810 кг/м³) его теплотворная способность аналогична этому же показателю у дизельного топлива и составляет:
- низшая — 43,1 МДж/кг;
- высшая — 46,2 МДж/кг.
Сравнение с другими видами горючего
Рассматриваемый показатель очень удобен для оценки потенциального количества тепла, содержащегося в топливе. Например, теплота сгорания бензина на единицу массы сопоставима с таким же показателем у керосина, но первый значительно плотнее. Как следствие, в таком же сравнении литр бензина содержит меньше энергии.
Удельная теплота сгорания нефти как смеси углеводородов зависит от её плотности, которая непостоянна для различных месторождений (43-46 МДж/кг). Расчётные методы позволяют с высокой точностью определить это значение, если есть исходные данные о её составе.
Усреднённо показатели для некоторых видов горючих жидкостей, входящих в состав нефти, выглядят так (в МДж/кг):
- дизельное топливо — 42-44;
- бензин — 43-45;
- керосин — 43-44.
Калорийность твёрдых видов горючего, таких как торф и уголь, имеет больший разбег. Это связано с тем, что их состав может сильно отличаться как по содержанию несгораемых веществ, так и по калорийности углеводородов. Например, теплотворная способность торфа различных типов может колебаться в пределах 8-24 МДж/кг, а каменного угля — 13-36 МДж/кг. Среди распространённых газов большой теплотворностью отличается водород — 120 МДж/кг. Следующий по удельной теплоте сгорания — метан (50 МДж/кг).
Это интересно: торфяные брикеты для отопления.
Можно сказать, что керосин — топливо, выдержавшее испытание временем именно благодаря сравнительно высокой энергоёмкости при низкой цене. Его применение не только экономически оправдано, но и в некоторых случаях безальтернативно.
Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.
Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·106 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.
К топливам с низкой энергоэффективностью можно отнести древесину, дрова, порох, фрезторф, горючие сланцы. Например, удельная теплота сгорания дров составляет 8,4…12,5, а пороха — всего 3,8 МДж/кг.
Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)ТопливоУдельная теплота сгорания, МДж/кг
| Антрацит | 26,8…34,8 |
| Древесные гранулы (пиллеты) | 18,5 |
| Дрова сухие | 8,4…11 |
| Дрова березовые сухие | 12,5 |
| Кокс газовый | 26,9 |
| Кокс доменный | 30,4 |
| Полукокс | 27,3 |
| Порох | 3,8 |
| Сланец | 4,6…9 |
| Сланцы горючие | 5,9…15 |
| Твердое ракетное топливо | 4,2…10,5 |
| Торф | 16,3 |
| Торф волокнистый | 21,8 |
| Торф фрезерный | 8,1…10,5 |
| Торфяная крошка | 10,8 |
| Уголь бурый | 13…25 |
| Уголь бурый (брикеты) | 20,2 |
| Уголь бурый (пыль) | 25 |
| Уголь донецкий | 19,7…24 |
| Уголь древесный | 31,5…34,4 |
| Уголь каменный | 27 |
| Уголь коксующийся | 36,3 |
| Уголь кузнецкий | 22,8…25,1 |
| Уголь челябинский | 12,8 |
| Уголь экибастузский | 16,7 |
| Фрезторф | 8,1 |
| Шлак | 27,5 |
Бурый уголь
Бурый уголь — самая молодая твёрдая горная порода, которая образовалась около 50 млн лет назад из торфа или лигнита. По своей сути, это «недозревший» каменный уголь.
Это полезное ископаемое получило своё название из-за цвета – оттенки варьируются от буро-рыжего до чёрного. Бурый уголь считается топливом низкой степени углефикации (метаморфизма). Он содержит в себе от 50% углерода, но также много летучих веществ, минеральных примесей и влаги, поэтому гораздо легче горит и даёт больше дыма и запаха гари.
В зависимости от влажности, бурый уголь делят на марки 1Б (влажность более 40%), 2Б (30-40%) и 3Б (до 30%). Выход летучих веществ у бурых углей составляет до 50%.
При продолжительном контакте с воздухом бурый уголь имеет свойство терять структуру и растрескиваться. Среди всех видов угля он считается самым некачественным топливом, так как выделяет куда меньше тепла: теплота сгорания составляет всего 4000 — 5500 ккалкг.
Бурый уголь залегает на небольших глубинах (до 1 км), поэтому его гораздо легче и дешевле добывать. Однако в России как топливо он применяется намного реже, чем каменный уголь. Из-за низкой стоимости бурому углю всё же отдают предпочтение некоторые мелкие и частные котельные и ТЭЦ.
В России крупнейшие месторождения бурого угля располагаются в Канско-Ачинском бассейне (Красноярский край). В целом участок обладает запасами почти в 640 млрд т (около 140 млрд т пригодны для разработки открытыми способом).
Богато запасами бурого угля и единственное угольное месторождение в Алтае – Солтонское. Его прогнозируемые запасы составляют 250 млн т.
Около 2 трлн т бурого угля таит в себе Ленский угольный бассейн, расположенный на территории Якутии и Красноярского края. Кроме того, этот вид полезного ископаемого нередко залегает вместе с каменным углём – так, его также получают на месторождениях Минусинского и Кузнецкого угольных бассейнов.
Особенности печи, работающей на угле
Подобное устройство имеет конструктивные особенности, предполагает проведение реакции пиролиза угля. Древесный уголь не относится к полезным ископаемым, он стал продуктом человеческой деятельности.
Температура горения угля составляет 900 градусов, что сопровождается выделением достаточного количества тепловой энергии. Какова технология создания такого удивительного продукта? Суть заключается в определенной обработке древесины, благодаря чему происходит существенное изменение ее структуры, выделение из нее избыточной влаги. Осуществляется подобный процесс в специальных печах. Принцип действия таких устройств базируется на процессе пиролиза. Печь для получения древесного угля состоит из четырех базовых компонентов:
- камеры сгорания;
- укрепленного основания;
- дымохода;
- отсека вторичной переработки.
Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов (стройматериалы, древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.
Удельная теплота сгорания некоторых горючих материаловТопливоУдельная теплота сгорания, МДж/кг
| Бумага | 17,6 |
| Дерматин | 21,5 |
| Древесина (бруски влажностью 14 %) | 13,8 |
| Древесина в штабелях | 16,6 |
| Древесина дубовая | 19,9 |
| Древесина еловая | 20,3 |
| Древесина зеленая | 6,3 |
| Древесина сосновая | 20,9 |
| Капрон | 31,1 |
| Карболитовые изделия | 26,9 |
| Картон | 16,5 |
| Каучук бутадиенстирольный СКС-30АР | 43,9 |
| Каучук натуральный | 44,8 |
| Каучук синтетический | 40,2 |
| Каучук СКС | 43,9 |
| Каучук хлоропреновый | 28 |
| Линолеум поливинилхлоридный | 14,3 |
| Линолеум поливинилхлоридный двухслойный | 17,9 |
| Линолеум поливинилхлоридный на войлочной основе | 16,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на теплой основе | 17,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе | 20,3 |
| Линолеум резиновый (релин) | 27,2 |
| Парафин твердый | 11,2 |
| Пенопласт ПХВ-1 | 19,5 |
| Пенопласт ФС-7 | 24,4 |
| Пенопласт ФФ | 31,4 |
| Пенополистирол ПСБ-С | 41,6 |
| Пенополиуретан | 24,3 |
| Плита древесноволокнистая | 20,9 |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 20,7 |
| Поликарбонат | 31 |
| Полипропилен | 45,7 |
| Полистирол | 39 |
| Полиэтилен высокого давления | 47 |
| Полиэтилен низкого давления | 46,7 |
| Резина | 33,5 |
| Рубероид | 29,5 |
| Сажа канальная | 28,3 |
| Сено | 16,7 |
| Солома | 17 |
| Стекло органическое (оргстекло) | 27,7 |
| Текстолит | 20,9 |
| Толь | 16 |
| Тротил | 15 |
| Хлопок | 17,5 |
| Целлюлоза | 16,4 |
| Шерсть и шерстяные волокна | 23,1 |
Факторы, влияющие на температуру горения
Температура горения дров в печи зависит не только от породы древесины. Значимыми факторами также являются влажность дров и сила тяги, которая обусловлена конструкцией теплового агрегата.
Правила сжигания
Когда потребитель знакомится с температурой горения того или иного угля, ему нужно учитывать, что производители указывают только те цифры, которые являются актуальными для идеальных условий. Конечно, в обычном бытовом котле или печи воссоздать необходимые параметры просто невозможно. Современные теплогенераторы из металла или кирпича просто не рассчитаны на столь высокие температуры, так как основной теплоноситель в системе может быстро закипеть. Именно поэтому параметры сгорания того или иного топлива определяются режимом его сжигания.
Иными словами, все зависит от интенсивности подачи воздуха. Как ископаемый, так и древесный уголь хорошо нагревает помещение, если уровень поступления кислорода достигает 100%. Чтобы ограничить воздушный поток, можно использовать специальную заслонку/задвижку. Такой подход позволяет создать наиболее благоприятные условия сгорания заправленного топлива (до 950˚С).
Если уголь используется в твердотопливном котле, тогда нельзя допустить вскипание теплоносителя. Основная опасность связана с тем, что предохранительный клапан может просто не сработать, а это чревато большим взрывом. К тому же смесь воды и горячего пара плохо воздействует на функциональные способности циркуляционного насоса. Специалистами были разработаны два наиболее эффективных способа, которые позволяют контролировать процесс горения:
- Дроблённое или порошковое топливо должно поступать в котёл исключительно в дозированном объёме (действует та же схема, что и в пиллетных устройствах).
- Основной энергоноситель загружается в топку, после чего регулируется интенсивность подачи воздуха.
- https://mastack.ru/utilities/heating/udelnaya-teplota-sgoraniya-topliva-i-goryuchih-materialov-tablitsy-energii-topliva.html
- https://formulki.ru/molekulyarka/gorenie-energiya-topliva-i-udelnaya-teplota-sgoraniya
- https://obrazovaka.ru/fizika/udelnaya-teplota-sgoraniya-formula.html
- https://sovet-ingenera.com/otoplenie/o-drugoe/teplotvornost-razlichnyx-vidov-topliva.html
- https://dpva.ru/Guide/GuidePhysics/GuidePhysicsHeatAndTemperature/ComnustionEnergy/WoodWetDryCombustion/
- https://kaminguru.com/kotel/teplota-sgoranija-uglja.html
- https://kaminguru.com/kotel/opredelenie-teploty-sgoranija-kerosina.html
- https://uteplitel-minol.ru/pechi-kaminy/teplota-sgoraniya-drov.html
- https://drova-pil.ru/kaminy-i-pechi/temperatura-goreniya-topliva-tablica.html
- https://ProfiTeplo.com/toplivo/35-temperatura-goreniya-drov.html
- Распечатать
Оцените статью:
- 5
- 4
- 3
- 2
- 1
(0 голосов, среднее: 0 из 5)
Поделитесь с друзьями!
В таблицах представлена массовая удельная теплота сгорания топлива (жидкого, твердого и газообразного) и некоторых других горючих материалов. Рассмотрено такое топливо, как: уголь, дрова, кокс, торф, керосин, нефть, спирт, бензин, природный газ и т. д.
Перечень таблиц:
- Удельная теплота сгорания твердого топлива
- Удельная теплота сгорания жидкого топлива
- Удельная теплота сгорания газообразного топлива
- Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
При экзотермической реакции окисления топлива его химическая энергия переходит в тепловую с выделением определенного количества теплоты. Образующуюся тепловую энергию принято называть теплотой сгорания топлива. Она зависит от его химического состава, влажности и является основным показателем топлива. Теплота сгорания топлива, отнесенная на 1 кг массы или 1 м3 объема образует массовую или объемную удельную теплоты сгорания.
Удельной теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема твердого, жидкого или газообразного топлива. В Международной системе единиц эта величина измеряется в Дж/кг или Дж/м3.
Удельную теплоту сгорания топлива можно определить экспериментально или вычислить аналитически. Экспериментальные методы определения теплотворной способности основаны на практическом измерении количества теплоты, выделившейся при горении топлива, например в калориметре с термостатом и бомбой для сжигания. Для топлива с известным химическим составом удельную теплоту сгорания можно определить по формуле Менделеева.
Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания равна максимальному количеству теплоты, выделяемому при полном сгорании топлива, с учетом тепла затраченного на испарение влаги, содержащейся в топливе. Низшая теплота сгорания меньше значения высшей на величину теплоты конденсации водяного пара, который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду.
Для определения показателей качества топлива, а также в теплотехнических расчетах обычно используют низшую удельную теплоту сгорания, которая является важнейшей тепловой и эксплуатационной характеристикой топлива и приведена в таблицах ниже.
Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.
Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·106 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.
К топливам с низкой энергоэффективностью можно отнести древесину, дрова, порох, фрезторф, горючие сланцы. Например, удельная теплота сгорания дров составляет 8,4…12,5, а пороха — всего 3,8 МДж/кг.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Антрацит | 26,8…34,8 |
| Древесные гранулы (пиллеты) | 18,5 |
| Дрова сухие | 8,4…11 |
| Дрова березовые сухие | 12,5 |
| Кокс газовый | 26,9 |
| Кокс доменный | 30,4 |
| Полукокс | 27,3 |
| Порох | 3,8 |
| Сланец | 4,6…9 |
| Сланцы горючие | 5,9…15 |
| Твердое ракетное топливо | 4,2…10,5 |
| Торф | 16,3 |
| Торф волокнистый | 21,8 |
| Торф фрезерный | 8,1…10,5 |
| Торфяная крошка | 10,8 |
| Уголь бурый | 13…25 |
| Уголь бурый (брикеты) | 20,2 |
| Уголь бурый (пыль) | 25 |
| Уголь донецкий | 19,7…24 |
| Уголь древесный | 31,5…34,4 |
| Уголь каменный | 27 |
| Уголь коксующийся | 36,3 |
| Уголь кузнецкий | 22,8…25,1 |
| Уголь челябинский | 12,8 |
| Уголь экибастузский | 16,7 |
| Фрезторф | 8,1 |
| Шлак | 27,5 |
Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
Приведена таблица удельной теплоты сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что высоким тепловыделением при сгорании отличаются такие топлива, как: бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и нефть.
Удельная теплота сгорания спирта и ацетона существенно ниже традиционных моторных топлив. Кроме того, относительно низким значением теплоты сгорания обладает жидкое ракетное топливо и этиленгликоль — при полном сгорании 1 кг этих углеводородов выделится количество теплоты, равное 9,2 и 13,3 МДж, соответственно.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Ацетон | 31,4 |
| Бензин А-72 (ГОСТ 2084-67) | 44,2 |
| Бензин авиационный Б-70 (ГОСТ 1012-72) | 44,1 |
| Бензин АИ-93 (ГОСТ 2084-67) | 43,6 |
| Бензол | 40,6 |
| Дизельное топливо зимнее (ГОСТ 305-73) | 43,6 |
| Дизельное топливо летнее (ГОСТ 305-73) | 43,4 |
| Жидкое ракетное топливо (керосин + жидкий кислород) | 9,2 |
| Керосин авиационный | 42,9 |
| Керосин осветительный (ГОСТ 4753-68) | 43,7 |
| Ксилол | 43,2 |
| Мазут высокосернистый | 39 |
| Мазут малосернистый | 40,5 |
| Мазут низкосернистый | 41,7 |
| Мазут сернистый | 39,6 |
| Метиловый спирт (метанол) | 21,1 |
| н-Бутиловый спирт | 36,8 |
| Нефть | 43,5…46 |
| Нефть метановая | 21,5 |
| Толуол | 40,9 |
| Уайт-спирит (ГОСТ 313452) | 44 |
| Этиленгликоль | 13,3 |
| Этиловый спирт (этанол) | 30,6 |
Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов
Представлена таблица удельной теплоты сгорания газообразного топлива и некоторых других горючих газов в размерности МДж/кг. Из рассмотренных газов наибольшей массовой удельной теплотой сгорания отличается водород. При полном сгорании одного килограмма этого газа выделится 119,83 МДж тепла. Также высокой теплотворной способностью обладает такое топливо, как природный газ — удельная теплота сгорания природного газа равна 41…49 МДж/кг (у чистого метана 50 МДж/кг).
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| 1-Бутен | 45,3 |
| Аммиак | 18,6 |
| Ацетилен | 48,3 |
| Водород | 119,83 |
| Водород, смесь с метаном (50% H2 и 50% CH4 по массе) | 85 |
| Водород, смесь с метаном и оксидом углерода (33-33-33% по массе) | 60 |
| Водород, смесь с оксидом углерода (50% H2 50% CO2 по массе) | 65 |
| Газ доменных печей | 3 |
| Газ коксовых печей | 38,5 |
| Газ сжиженный углеводородный СУГ (пропан-бутан) | 43,8 |
| Изобутан | 45,6 |
| Метан | 50 |
| н-Бутан | 45,7 |
| н-Гексан | 45,1 |
| н-Пентан | 45,4 |
| Попутный газ | 40,6…43 |
| Природный газ | 41…49 |
| Пропадиен | 46,3 |
| Пропан | 46,3 |
| Пропилен | 45,8 |
| Пропилен, смесь с водородом и окисью углерода (90%-9%-1% по массе) | 52 |
| Этан | 47,5 |
| Этилен | 47,2 |
Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов (стройматериалы, древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Бумага | 17,6 |
| Дерматин | 21,5 |
| Древесина (бруски влажностью 14 %) | 13,8 |
| Древесина в штабелях | 16,6 |
| Древесина дубовая | 19,9 |
| Древесина еловая | 20,3 |
| Древесина зеленая | 6,3 |
| Древесина сосновая | 20,9 |
| Капрон | 31,1 |
| Карболитовые изделия | 26,9 |
| Картон | 16,5 |
| Каучук бутадиенстирольный СКС-30АР | 43,9 |
| Каучук натуральный | 44,8 |
| Каучук синтетический | 40,2 |
| Каучук СКС | 43,9 |
| Каучук хлоропреновый | 28 |
| Линолеум поливинилхлоридный | 14,3 |
| Линолеум поливинилхлоридный двухслойный | 17,9 |
| Линолеум поливинилхлоридный на войлочной основе | 16,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на теплой основе | 17,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе | 20,3 |
| Линолеум резиновый (релин) | 27,2 |
| Парафин твердый | 11,2 |
| Пенопласт ПХВ-1 | 19,5 |
| Пенопласт ФС-7 | 24,4 |
| Пенопласт ФФ | 31,4 |
| Пенополистирол ПСБ-С | 41,6 |
| Пенополиуретан | 24,3 |
| Плита древесноволокнистая | 20,9 |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 20,7 |
| Поликарбонат | 31 |
| Полипропилен | 45,7 |
| Полистирол | 39 |
| Полиэтилен высокого давления | 47 |
| Полиэтилен низкого давления | 46,7 |
| Резина | 33,5 |
| Рубероид | 29,5 |
| Сажа канальная | 28,3 |
| Сено | 16,7 |
| Солома | 17 |
| Стекло органическое (оргстекло) | 27,7 |
| Текстолит | 20,9 |
| Толь | 16 |
| Тротил | 15 |
| Хлопок | 17,5 |
| Целлюлоза | 16,4 |
| Шерсть и шерстяные волокна | 23,1 |
Источники:
- Абрютин А. А. и др. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод.
- ГОСТ 147-2013 Топливо твердое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и расчет низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 21261-91 Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 22667-82 Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе.
- ГОСТ 31369-2008 Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава.
- Земский Г. Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов: справочник М.: ВНИИПО, 2016 — 970 с.
Удельная теплота сгорания
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 312.
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 312.
Человечество в процессе своей эволюции научилось получать тепловую энергию с помощью сжигания разных видов топлива. Простейшим примером можем служить костер из дров, который разжигали первобытные люди, и с тех пор торф, уголь, бензин, нефть, природный газ — все это виды топлива, сжигая которые человек получает тепловую энергию. Так что же такое удельная теплота сгорания?
Откуда берется тепло в процессе горения?
Сам по себе процесс сгорания топлива — это химическая, окислительная реакция. Большинство видов топлива содержит большое количество углерода С, водорода H, серы S и других веществ. Во время горения атомы C, H, и S соединяется с атомами кислорода О2, в результате чего получается молекулы СО, СО2, Н2О, SO2. При этом происходит выделение большого количества тепловой энергии, которую люди научились использовать в своих целях.
Основной вклад в выделение тепла дает углерод C. Второй по количеству тепла вклад вносит водород H.
Что такое удельная теплота сгорания?
Удельная теплота сгорания q — это физическая величина равная количеству тепла, выделяющегося при полном сгорания 1 кг топлива.
Формула удельной теплоты сгорания выглядит так:
$$q={Q over m}$$
где:
Q — количество тепла, выделившееся в процессе горения топлива, Дж;
m — масса топлива, кг.
Единицей измерения q в интернациональной системе единиц СИ является Дж/кг.
$$[q]={Дж over кг}$$
Для обозначения больших величин q часто используются внесистемные единицы энергии: килоджоули (кДж), мегаджоули (МДж) и гигаджоули (ГДж).
Значения q для разных веществ определяют экспериментально.
Зная q, можно вычислить количество тепла Q, которое получится в результате сжигания топлива массой m:
$$Q={q * m}$$
Как измеряют удельную теплоту сгорания
Для измерения q используют приборы, которые называются калориметрами (calor – тепло, metreo – измеряю).
Контейнер с порцией топлива сжигается внутри прибора. Контейнер помещен в воду с известной массой. В результате горения выделившееся тепло нагревает воду. Величина массы воды и изменение ее температуры позволяют вычислить теплоту сгорания. Далее q определяется по вышеприведенной формуле.
Рис. 3. Измерение удельной теплоты сгорания.
Где можно найти значения q
Информацию о величинах удельной теплоты сгорания для конкретных видов топлива можно найти в технических справочниках или в их электронных версиях на интернет-ресурсах. Обычно они приводятся в виде такой таблицы:
Удельная теплота сгорания, q
|
Вещество |
МДж/кг |
Вещество |
МДж/кг |
|
Торф |
8,1 |
Дизельное топливо |
42,7 |
|
Дрова |
10,2 |
Керосин |
44,0 |
|
Уголь бурый |
15,0 |
Бензин |
48,0 |
|
Уголь каменный |
29,3 |
Пропан |
47,5 |
|
Нефть |
41,3 |
Метан |
50,11 |
Ресурсы разведанных, современных видов топлива ограничены. Поэтому в будущем на смену им придут другие источники энергии:
- атомные, использующие энергию ядерных реакций;
- солнечные, преобразовывающие энергию солнечных лучей в тепло и электричество;
- ветряные;
- геотермальные, использующие тепло природных горячих источников.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали почему выделяется много тепла при горении топлива. Для вычисления количества тепла, выделяемого при сгорании некоторой массы m топлива, необходимо знать величину q — удельную теплоту сгорания этого топлива. Значения q определены экспериментально методами калориметрии и приведены в справочниках.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
-
Айана Капсаргина
5/5
-
Камилла Бабаева
5/5
Оценка доклада
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 312.
А какая ваша оценка?