Днес хората са изключително зависими от горивата. Отопление на жилища, готвене, експлоатация на оборудване и превозни средства. Повечето от използваните горива са въглеводороди. За да се оцени тяхната ефективност, се използват стойности на специфичната топлина на изгаряне. Керосинът има относително впечатляващ показател. Поради това качество се използва в ракетни и авиационни двигатели.

Поради свойствата си керосинът се използва в ракетни двигатели

Свойства, производство и приложение

Историята на керосина датира от повече от 2 хиляди години и започва, когато арабските учени излязоха с метод за дестилиране на петрол в отделни компоненти. Официално е открито през 1853 г., когато канадският лекар Абрахам Геснер разработва и патентова метод за извличане на прозрачни запалима течностот битум и нефтени шисти.

След пробиване на първия маслен кладенецпрез 1859 г. петролът става основната суровина за керосин. Поради широкото му използване в лампи, той се смяташе за основен продукт от рафинирането на петрол в продължение на десетилетия. Само появата на електричеството намали значението му за осветление. Производството на керосин също спадна, тъй като автомобилите станаха по-популярни.- това обстоятелство значително увеличи значението на бензина като петролен продукт. Въпреки това днес в много части на света керосинът се използва за отопление и осветление, а съвременното реактивно гориво е същият продукт, но с по-високо качество.

С увеличаването на употребата на автомобили, популярността на керосина намаля

Керосин - лек бистра течност, химически смес органични съединения. Съставът му до голяма степен зависи от суровината, но като правило се състои от дузина различни въглеводороди, като всяка молекула съдържа от 10 до 16 въглеродни атома. Керосинът е по-малко летлив от бензина. Сравнителните температури на горене на керосина и бензина, при които те отделят запалими пари близо до повърхността, са съответно 38 и -40°C.

Това свойство ни позволява да считаме керосина за относително безопасно гориво от гледна точка на съхранение, използване и транспортиране. Въз основа на точката си на кипене (150 до 350°C), той се класифицира като един от така наречените средни дестилати на суровия петрол.

Керосинът може да бъде получен чрез метод на пряка дестилация, тоест физически отделен от нефта, чрез дестилация или използване химично разлаганепо-тежки фракции в резултат на процеса на крекинг.

Характеристики на керосина като гориво

Горенето е процес на бързо окисляване на вещества с отделяне на топлина. По правило реакцията включва кислород, съдържащ се във въздуха. При изгарянето на въглеводороди се образуват следните основни продукти на горене:

• въглероден диоксид;
• водна пара;
• сажди.

Количеството енергия, генерирано при изгарянето на гориво, зависи от неговия вид, условията на горене, масата или обема. Енергията се измерва в джаули или калории. Специфични (за единица измерване на количеството вещество) Калоричността е енергията, получена при изгаряне на единица гориво:

• молар (например J/mol);
• маса (например J/kg);
• обемни (например kcal/l).

В повечето случаи, за оценка на газообразни, течни и твърди горива, те работят с показателя за масова калоричност, изразена в J/kg.

Стойността на топлината на изгаряне ще зависи от това дали са взети предвид процесите, протичащи с водата по време на горенето. Изпаряването на влагата е енергоемък процес, и като се вземе предвид преносът на топлина по време на кондензация на тези пари също може да повлияе на резултата.

Резултатът от измерванията, направени преди кондензираната пара да върне енергия на системата, се нарича по-ниска калорична стойност, а стойността, получена след като парата кондензира, се нарича по-висока топлина. Въглеводородните двигатели не могат да използват допълнителната енергия на водните пари в отработените газове, така че нетният индикатор е от значение за производителите на двигатели и се среща по-често в справочниците.

Често при посочване на калоричност не се уточнява кое от количествата се има предвид, което може да доведе до объркване. Помага да се знае, че в Руската федерация е традиционно да се посочва по-ниската.

По-ниска калоричност – важен показател

Трябва да се отбележи, че за някои горива разделянето на нетна и брутна енергия няма смисъл, тъй като те не произвеждат вода по време на изгаряне. Това не е от значение за керосина, тъй като съдържанието на въглеводороди е високо. С относително ниска плътност (между 780 kg/m³ и 810 kg/m³) неговата калоричност е подобна на тази на дизеловото гориво и е:

• най-ниска - 43,1 MJ/kg;
• най-високата - 46,2 MJ/kg.

Сравнение с други видове гориво

Разглежданият индикатор е много удобен за оценка на потенциалното количество топлина, съдържащо се в горивото. Например, калоричността на бензина на единица маса е сравнима с тази на керосина, но първият е много по-плътен. Като следствие, при същото сравнение, един литър бензин съдържа по-малко енергия.

Специфична топлинаИзгарянето на нефта като смес от въглеводороди зависи от неговата плътност, която е различна за различните находища (43-46 MJ/kg). Изчислителните методи позволяват висока точностопределете тази стойност, ако има първоначални данни за нейния състав.

Осреднените показатели за някои видове запалими течности, които съставляват масло, изглеждат така (в MJ/kg):

• дизелово гориво - 42-44;
• бензин - 43-45;
• керосин - 43-44.

Калорийното съдържание на твърдите горива, като торф и въглища, има по-голям диапазон. Това се дължи на факта, че техният състав може да варира значително както в съдържанието на незапалими вещества, така и в калоричното съдържание на въглеводороди. Например калоричността на торфа различни видовеможе да варира между 8-24 MJ/kg, а въглищата - 13-36 MJ/kg. Сред обикновените газове водородът има висока калоричност - 120 MJ/kg. Следващата най-висока специфична топлина на изгаряне е метанът (50 MJ/kg).

Можем да кажем, че керосинът е гориво, издържало проверката на времето именно поради относително високата си енергоемкост на ниска цена. Използването му е не само икономически оправдано, но в някои случаи няма алтернатива.

Доста често при избора се взема предвид калоричността на горивото отоплителни уредиза къщи и вили, при избора на отоплителни системи за апартамент. Този параметър е важен и при избора на горивни системи за автомобили (при преминаване от течно гориво към газ или електричество).

Заслужава да се отбележи, че в момента много научни организации, изследователски институти, лаборатории и дори специализирани компании разработват системи, които могат да увеличат този параметър и да позволят по-оптимално използване на енергията, освободена по време на горенето. Обикновено това се постига чрез повишаване на ефективността на инсталацията.

Наличието на такъв параметър се дължи на факта, че различни видоверазпределя различни количестватоплина (енергия) по време на горивния процес, което е особено важно за промишлени инсталации и котелни, тъй като изборът оптимален типще спести значително количество финансови ресурси за експлоатацията на промишлени предприятия.

По-долу ще дадем дефиниция на калоричността на горивото, ще обсъдим каква е специфичната топлина на изгаряне на горивото и ще дадем стойностите на някои енергийни ресурси (специфична топлина на изгаряне на дърва за огрев, въглища, петролни продукти).

Под калоричност различни видовеенергийните ресурси разбират колко топлинна енергия (килокалории) ще бъде произведена, когато се изгори една единица горивен материал. За да се определи този параметър, се използва специално устройство, което се нарича калориметър. Има още едно устройство – калориметрична бомба.

В измервателните уреди една единица горивен материал загрява вода, което води до водна пара. След това парата се кондензира, преминавайки напълно в течно състояние, което се нарича кондензация. В този случай парата напълно предава топлинна енергия на измервателното устройство. Въпреки това, недостатъкът на такива измервателни уредие това топлинна енергия, което излиза при изгаряне на горивото, не е цялото измерено. Това се дължи на факта, че при изпаряване количеството топлинна енергия е по-голямо, отколкото при кондензация. Това прави невъзможно измерването на цялата освободена енергия. Недостатъците на устройствата включват по-ниската от идеалната топлопроводимост на материалите, от които са направени, което също намалява действителната скорост на горене. Тези критерии са доста важни за лабораторни изследвания, но се пренебрегват при измерване за практически цели. При работа на промишлени инсталации тези загуби се увеличават поради ефективност (не 100%).

В този случай показателите, получени в калориметрична бомба (където процесът на измерване е по-точен, отколкото в калориметър), се наричат ​​най-високата калоричност на горивния материал.

Калориметричните показатели са най-ниската калоричност на горивото, която се различава от най-високата стойност 600x(9H+W)/100, където H и W са количеството водород и влага, съдържащи се в единица конкретен горивен материал. Трябва да се помни, че според американските стандарти за изчисления се използва най-високата стойност, а за страните с метричната система се използва най-ниската стойност. В момента има въпрос за прехода метрична системадо най-високия показател, тъй като той е признат от редица учени за по-оптимален.

Стойности за различни видове горивен материал

Често много хора се интересуват от стойността на специфичната топлина на изгаряне на горивото за определен вид енергоносител и доста често хората се интересуват от калоричността на дървата за огрев. Това стана особено важно в напоследъккогато започна модата на класическите печки в домовете. Калоричността на дървата за огрев е различни породидървесината варира, често се дава средната стойност. По-долу са дадени стойностите за следните видове горивен материал:

1. Калоричността на дървата за огрев (бреза, иглолистни дървета) е средно 14,5-15,5 MJ / kg. Кафявите въглища имат същата скорост на топлообмен.
2. Топлопреминаването на въглищата е 22 MJ/kg.
3. Тази стойност за торфа варира от 8-15 MJ/kg.
4. Значение за горивни брикетие в границите 18,5-21 MJ/kg.
5. Газът, доставен на жилищни сгради, е с показател 45,5 MJ/kg.
6. За газ в бутилки (пропан-бутан) цифрата е 36 MJ/kg.
7. Дизеловото гориво е с показател 42,8 MJ/kg.
8. За различни маркистойността на бензина варира от 42-45 MJ/kg.

Конкретни стойности

Специфичните стойности на изгаряне бяха изчислени за редица горивни материали. Това са физични величини, които показват количеството топлинна енергия, генерирана в резултат на изгарянето на един агрегат. Обикновено се измерва в джаули на килограм (или кубичен метър). В САЩ стойностите са дадени в калории на килограм. Тези коефициенти са топлопреминаване. Те се измерват в лаборатория, след което данните се въвеждат в специални таблици, които са общодостъпни. Колкото по-висок е топлопредаването на енергиен ресурс (топлината, произведена от изгарянето на гориво), толкова по-ефективно се счита горивото. Тоест при една и съща инсталация със същата ефективност разходът ще бъде по-нисък за горивото, което има по-висока стойност на топлопреминаване.

Специфичната топлина на изгаряне на горивото почти винаги се използва в проектните изчисления (при проектиране различно оборудване), както и при определяне отоплителни системии оборудване за дома, апартамента, вилата и др.

5. ТОПЛИНЕН БАЛАНС НА ГОРЕНЕ

Нека разгледаме методите за изчисляване на топлинния баланс на процеса на горене на газообразни, течни и твърди горива. Изчислението се свежда до решаване на следните задачи.

· Определяне на топлината на изгаряне (калоричността) на горивото.

· Определяне на теоретичната температура на горене.

5.1. ТОПЛИНА НА ГОРЕНЕ

Химичните реакции са придружени от отделяне или поглъщане на топлина. При отделяне на топлина реакцията се нарича екзотермична, а при поглъщане – ендотермична. Всички реакции на горене са екзотермични, а продуктите от горенето са екзотермични съединения.

Топлината, отделена (или абсорбирана) по време на химическа реакция, се нарича топлина на реакцията. При екзотермичните реакции той е положителен, при ендотермичните е отрицателен. Реакцията на горене винаги е придружена от отделяне на топлина. Топлина на изгаряне Q g(J/mol) е количеството топлина, което се отделя по време на пълното изгаряне на един мол вещество и превръщането на горимото вещество в продукти на пълно изгаряне. Молът е основната единица SI за количество на вещество. Един мол е количеството вещество, което съдържа същия брой частици (атоми, молекули и т.н.), колкото има атоми в 12 g от изотопа въглерод-12. Масата на количество вещество, равно на 1 мол (молекулярно или моларна маса) числено съвпада с относителната молекулна маса на дадено вещество.

Например, относителното молекулно тегло на кислорода (O 2) е 32, въглероден диоксид(CO 2 ) е 44 и съответните молекулни тегла ще бъдат M = 32 g/mol и M = 44 g/mol. Така един мол кислород съдържа 32 грама от това вещество, а един мол CO 2 съдържа 44 грама въглероден диоксид.

IN технически изчисленияНай-често не се използва топлината на изгаряне Q g, и калоричността на горивото Q(J/kg или J/m 3). Калоричността на дадено вещество е количеството топлина, което се отделя при пълното изгаряне на 1 kg или 1 m 3 вещество. За течност и твърди веществаизчислението се извършва на 1 kg, а за газообразни - на 1 m 3.

Познаването на топлината на изгаряне и калоричността на горивото е необходимо за изчисляване на температурата на горене или експлозия, налягането на експлозията, скоростта на разпространение на пламъка и други характеристики. QКалоричността на горивото се определя експериментално или изчислително. При експериментално определяне на калоричността дадена маса твърдо или течно гориво се изгаря в калориметрична бомба, а при газообразно гориво - в газов калориметър. Тези инструменти измерват общата топлина 0, освободен по време на изгаряне на проба от теглото на горивотом . Калоричност Q g

се намира по формулата
Връзката между топлината на изгаряне и

калоричност на горивото

За да се установи връзката между топлината на изгаряне и калоричността на дадено вещество, е необходимо да се напише уравнението за химическата реакция на горене.

Продуктът от пълното изгаряне на въглерода е въглероден диоксид:

C+O2 →CO2.

Продуктът от пълното изгаряне на водорода е вода:

2H 2 +O 2 → 2H 2 O.

Продуктът от пълното изгаряне на сярата е серен диоксид:

S +O 2 → SO 2.

В този случай азотът, халогените и други незапалими елементи се освобождават в свободна форма.

Горимо вещество - газ . Калоричност=882.6 .

Като пример, нека изчислим калоричността на метан CH 4, за който топлината на изгаряне е равна на · Да определим молекулното тегло на метана в съответствие с неговотохимическа формула

(СН 4):

M=1∙12+4∙1=16 g/mol. · Да определимкалоричност

1 кг метан:

.

· Да намерим обема на 1 kg метан, като знаем неговата плътност ρ=0,717 kg/m3 при нормални условия:

· Да определим калоричността на 1 m 3 метан: газообразни вещества(Таблица 5.1). величина Qв тази таблица е даден в MJ/m 3 и в kcal/m 3, тъй като 1 kcal = 4,1868 kJ често се използва като единица за топлина.

Таблица 5.1

Калоричност на газа различни горива

Запалимо вещество е течност или твърдо

Като пример, нека изчислим калоричността на етилов алкохол C 2 H 5 OH, за който топлината на изгаряне е . Калоричност= 1373,3 kJ/mol.

· Да определим молекулното тегло на етилов алкохол в съответствие с неговата химична формула (C 2 H 5 OH):

M = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 g/mol.

Нека да определим калоричността на 1 kg етилов алкохол:

Калоричността на всички течни и твърди горими вещества се определя по подобен начин. В табл 5.2 и 5.3 показват калоричността Q(MJ/kg и kcal/kg) за някои течности и твърди вещества.

Таблица 5.2

Калоричност на течните горива

Таблица 5.3

Калоричност на твърдите горива

Формулата на Менделеев

Ако калоричността на горивото е неизвестна, тогава тя може да се изчисли с помощта на емпиричната формула, предложена от D.I. Менделеев. За да направите това, трябва да знаете елементарния състав на горивото (еквивалентна формула на горивото), тоест процентното съдържание в него:

следните елементи

Кислород (О);

Водород (H);

Въглерод (C);

Сяра (S);

Пепел (A);

Вода (W). Продуктите от изгарянето на гориво винаги съдържатводна пара

, образувани както поради наличието на влага в горивото, така и при изгарянето на водорода. Отпадъчните продукти от горенето напускат промишлено предприятие при температура над точката на оросяване. Следователно топлината, която се отделя при кондензацията на водната пара, не може да бъде използвана полезно и не трябва да се взема предвид при термичните изчисления. Обикновено за изчисление се използва нетната калоричност Q n гориво, което отчита топлинните загуби с водни пари. За твърди и течни горива стойността Q n

гориво, което отчита топлинните загуби с водни пари. За твърди и течни горива стойността=0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)

(MJ/kg) се определя приблизително по формулата на Менделеев:

Тази формула отчита топлината на екзотермичните реакции на горене на въглерод, водород и сяра (със знак плюс). Кислородът, включен в горивото, частично замества кислорода във въздуха, така че съответният член във формула (5.1) се приема със знак минус. Когато влагата се изпарява, се изразходва топлина, така че съответният член, съдържащ W, също се приема със знак минус.

Сравнението на изчислените и експериментални данни за калоричността на различни горива (дърво, торф, въглища, масло) показа, че изчислението по формулата на Менделеев (5.1) дава грешка, която не надвишава 10%.

Долна калоричност гориво, което отчита топлинните загуби с водни пари. За твърди и течни горива стойността(MJ/m3) сухи горими газове може да се изчисли с достатъчна точност като сбор от произведенията на калоричността на отделните компоненти и тяхното процентно съдържание в 1 m3 газообразно гориво.

гориво, което отчита топлинните загуби с водни пари. За твърди и течни горива стойността= 0,108[Н 2 ] + 0,126[СО] + 0,358[СН 4 ] + 0,5[С 2 Н 2 ] + 0,234[Н 2 S ]…, (5.2)

където процентното (обемно %) съдържание на съответните газове в сместа е посочено в скоби.

Средно калоричността на природния газ е приблизително 53,6 MJ/m 3 . В изкуствено получените горими газове съдържанието на метан CH4 е незначително. Основните запалими компоненти са водород H2 и въглероден окис CO. В коксовия газ, например, съдържанието на H2 достига (55 ÷ 60)%, а долната калоричност на такъв газ достига 17,6 MJ/m3. Генераторният газ съдържа CO ~ 30% и H 2 ~ 15%, докато по-ниската калоричност на генераторния газ е гориво, което отчита топлинните загуби с водни пари. За твърди и течни горива стойността= (5,2÷6,5) MJ/m3. Съдържанието на CO и H 2 в доменния газ е по-ниско; величина гориво, което отчита топлинните загуби с водни пари. За твърди и течни горива стойността= (4,0÷4,2) MJ/m 3.

Нека да разгледаме примери за изчисляване на калоричността на веществата, използвайки формулата на Менделеев.

Нека определим калоричността на въглищата, чийто елементен състав е даден в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Елементарен състав на въглищата

· Нека заместим дадените в таблицата. 5.4 данни във формулата на Менделеев (5.1) (азот N и пепел А не са включени в тази формула, тъй като те са инертни вещества и не участват в реакцията на горене):

гориво, което отчита топлинните загуби с водни пари. За твърди и течни горива стойността=0,339∙37,2+1,025∙2,6+0,1085∙0,6–0,1085∙12–0,025∙40=13,04 MJ/kg.

Нека определим количеството дърва за огрев, необходимо за загряване на 50 литра вода от 10 ° C до 100 ° C, ако 5% от топлината, отделена при горенето, се изразходва за отопление и топлинния капацитет на водата с=1 kcal/(kg∙deg) или 4,1868 kJ/(kg∙deg). Елементният състав на дървата за огрев е даден в табл. 5.5:

Таблица 5.5

Елементен състав на дърва за огрев