Днес хората са изключително зависими от горивото. Отопление на жилища, готвене, експлоатация на оборудването и превозно средство... Повечето от използваните горива са въглеводороди. За оценка на ефективността им се използват стойностите на специфичната топлина на горене. Керосинът има относително впечатляващо представяне. Поради това си качество се използва в ракетни и самолетни двигатели.

Поради своите свойства, керосинът се използва в ракетни двигатели

Свойства, разписка и заявление

Историята на керосина датира от повече от 2 хиляди години и започва с времето, когато арабските учени измислят метод за дестилация на петрол в отделни компоненти. Официално е открит през 1853 г., когато канадският лекар Абрахам Геснер разработва и патентова метод за извличане на прозрачни запалима течност от битум и маслени шисти.

След пробиване на първата нефтен кладенец през 1859 г. петролът се превръща в основна суровина за керосина. Поради повсеместното му използване в лампите, той от десетилетия се счита за основен рафиниран продукт. Само появата на електричество намалява значението му за осветлението. Производството на керосин спада, тъй като популярността на автомобилите нараства. - това обстоятелство значително е увеличило значението на бензина като петролен продукт. Въпреки това, керосинът се използва и до днес в много части на света за отопление и осветление, а съвременното реактивно гориво е същият продукт, но с по-високо качество.

С увеличаването на използването на автомобили - популярността на керосина е паднала

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

Това свойство дава възможност да се разглежда керосинът като относително безопасно гориво от гледна точка на съхранение, употреба и транспортиране. Въз основа на точката му на кипене (150 до 350 ° C), той се класифицира като един от така наречените средни дестилати на суров нефт.

Керосинът може да бъде получен директно, т.е. физически отделен от нефт, чрез дестилация или използване химично разлагане по-тежки фракции в резултат на процеса на напукване.

Характеризиране на керосина като гориво

Изгарянето е процес на бурно окисляване на вещества с отделяне на топлина. Като правило, съдържащият се във въздуха кислород участва в реакцията. По време на горенето на въглеводороди се образуват следните основни продукти на горене:

• въглероден двуокис;
• водна пара;
• сажди.

Количеството енергия, генерирано по време на изгарянето на горивото, 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:

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

В повечето случаи за оценка на газообразни, течни и твърди горива се използва масовата топлина на горене, изразена в J / kg.

Стойността на калоричността зависи от това дали са взети предвид процесите, протичащи с вода по време на горенето. Изпарението на влагата е енергоемък процес, а отчитането на топлопредаването по време на кондензацията на тези пари също може да повлияе на резултата.

Резултатът от измерванията, направени преди кондензираната пара да върне енергия в системата, се нарича нетна калоричност, а стойността, получена след кондензацията на парите, се нарича брутна топлина. Въглеводородните двигатели не могат да използват допълнителната енергия на водни пари в отработените газове, така че нетната цифра е от значение за производителите на двигатели и се среща по-често в справочниците.

Често, когато посочват калоричността, те не посочват коя стойност се има предвид, което може да доведе до объркване. Помага да се ориентирате в знанието, че в Руската федерация е обичайно да се посочва най-ниското.

Нетна калоричност - важен показател

Трябва да се отбележи, че за някои горива разделението на нетна и брутна енергия няма смисъл, тъй като те не образуват вода по време на горенето. По отношение на керосина това е без значение, тъй като съдържанието на въглеводороди в него 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-ниската - 43,1 MJ / kg;
• най-високата - 46,2 MJ / kg.

Сравнение с други горива

Този показател е много удобен за оценка на потенциалното количество топлина, съдържащо се в горивото. Например калоричността на бензина за единица маса е сравнима с тази на керосина, но първият е много по-плътен. В резултат на това в същото сравнение литър бензин съдържа по-малко енергия.

Специфична топлина изгарянето на нефт като смес от въглеводороди зависи от неговата плътност, която е променлива за различните полета (43-46 MJ / kg). Методите за изчисление позволяват с висока прецизност определете тази стойност, ако има първоначални данни за нейния състав.

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

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

Калоричната стойност на твърдите горива, като торф и въглища, има по-голямо натрупване. Това се дължи на факта, че съставът им може да се различава значително както по съдържанието на негорими вещества, така и по калоричността на въглеводородите. Например калоричността на торфа различни видове може да варира в рамките на 8-24 MJ / kg, а въглищата - 13-36 MJ / kg. Сред обикновените газове водородът има висока калоричност - 120 MJ / kg. Следващ по отношение на специфичната топлина на горене е метанът (50 MJ / kg).

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

Доста често калоричността на горивото се взема предвид при избора отоплителни уреди за 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).

Трябва 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, отделяна по време на горенето. Това обикновено се постига чрез увеличаване на ефективността на инсталацията.

Наличието на такъв параметър се дължи на факта, че различни видове разпределя различна сума топлина (енергия) в процеса на изгаряне, което е особено важно за промишлените централи и котелните централи, тъй като селекцията оптимален изглед ще спести значително количество финансови ресурси за експлоатацията на промишлени инсталации.

По-долу ще бъде дадено определението за калоричността на горивото, ще бъде разгледано каква е специфичната топлина на изгаряне на горивото и са дадени стойностите на някои енергийни ресурси (специфична топлина на изгаряне на дърва за огрев, въглища, петролни продукти) .

Под отоплителна стойност различни видове енергийните ресурси разбират колко топлинна енергия (килокалории) ще се отдели при изгаряне на една единица горивен материал. За определяне на този параметър се използва специално устройство, което се нарича калориметър. Има и друго устройство - калориметрична бомба.

В измервателните устройства водата се нагрява с една единица горивен материал, в резултат на което се получават водни пари. Тогава парите се кондензират, превръщайки се напълно в течно състояние, което се нарича кондензация. В този случай парата напълно отдава топлинна енергия на измервателното устройство. Недостатъкът на такива обаче измервателни уреди е това термална енергияне всичко, което излиза по време на изгарянето на горивото. Това се дължи на факта, че количеството топлинна енергия по време на изпаряването е по-голямо, отколкото по време на кондензация. Това прави невъзможно измерването на цялата освободена енергия. Недостатъците на устройствата включват не идеалната топлопроводимост на материалите, от които са направени, което също намалява действителната скорост на горене. Тези критерии са достатъчно важни за лабораторни изследвания, но при измерване за практически цели те се пренебрегват. По време на експлоатацията на промишлени предприятия тези загуби се увеличават поради ефективността (не 100%).

В този случай показателите, получени в калориметричната бомба (където процесът на измерване е по-точен, отколкото в калориметъра), се наричат \u200b\u200bнай-високата стойност на калоричността на горивния материал.

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

Стойности за различни видове горивни материали

Често много хора се интересуват от стойността на специфичната топлина на изгаряне на гориво за един или друг вид енергоносител, докато доста често хората се интересуват от калоричността на дървата за огрев. Това стана особено актуално през отскоро, когато отиде модата за класически печки в къщи. Калоричната стойност на дърва за огрев различни породи дървото е различно, често се дава средната стойност. По-долу са посочени стойностите за следните видове горивни материали:

1. Калоричността на дърва за огрев (бреза, иглолистна дървесина) е средно 14,5-15,5 MJ / kg. Кафявите въглища имат същата скорост на пренос на топлина.
2. Топлопредаването на въглища е 22 MJ / kg.
3. Тази стойност за торф варира от 8-15 MJ / kg.
4. Стойност за горивни брикети е в диапазона 18,5-21 MJ / kg.
5. Газ, към който се подава жилищни къщи, има показател 45,5 MJ / kg.
6. За бутилирания газ (пропан-бутан) показателят е 36 MJ / kg.
7. Дизеловото гориво има показател 42,8 MJ / kg.
8. За различни марки стойността на бензина варира от 42-45 MJ / kg.

Специфични стойности

За редица горивни материали са изчислени специфични стойности на горене. Това са физически величини, които показват количеството топлинна енергия, генерирана в резултат на изгарянето на една единица. Обикновено се измерва в джаули на килограм (или кубичен метър). В САЩ стойностите се дават в калории на килограм. Тези коефициенти са пренос на топлина. Те се измерват в лабораторията, след което данните се въвеждат в специални таблици, които са публично достъпни. Колкото по-висок е топлопреносът на енергийния ресурс (топлината, генерирана от изгарянето на горивото), толкова по-ефективно е горивото. Тоест при една и съща инсталация с една ефективност разходът ще бъде по-малък за горивото, което има по-висока стойност на топлопреминаване.

Специфичната топлина на изгаряне на горивото се използва почти винаги при конструктивни изчисления (при проектиране различно оборудване), както и при определяне отоплителни системи и оборудване за къща, апартамент, лятна резиденция и др.

5. ТЕРМИЧЕН БАЛАНС НА ГОРЕНЕ

Нека разгледаме методи за изчисляване на топлинния баланс на горивния процес на газообразни, течни и твърди горива... Изчислението се свежда до решаване на следните проблеми.

· Определяне на топлината на горене (калоричност) на горивото.

· Определяне на теоретичната температура на горене.

5.1. ТОПЛИНА НА ГОРЕНЕ

Химичните реакции са придружени от отделяне или абсорбиране на топлина. Когато се отделя топлина, реакцията се нарича екзотермична, а когато се абсорбира, се нарича ендотермична. Всички реакции на горене са екзотермични, а продуктите от горенето са екзотермични.

Топлината, отделена (или погълната) по време на химична реакция, се нарича топлина на реакцията. При екзотермични реакции е положителен, при ендотермични реакции е отрицателен. Реакцията на горене винаги е придружена от отделяне на топлина. От топлината на изгаряне Q g (J / mol) е количеството топлина, което се отделя при пълното изгаряне на един мол вещество и превръщането на горимо вещество в продукти с пълно изгаряне. Бенката е основната SI единица за количеството вещество. Един мол е количеството вещество, в което има толкова частици (атоми, молекули и т.н.), колкото има атоми в 12 g от изотопа въглерод-12. Масата на количество вещество, равно на 1 мол (молекулно или моларна маса) числено съвпада с относителното молекулно тегло на дадено вещество.

Например относителното молекулно тегло на кислорода (O 2) е 32, въглероден двуокис (CO 2) е 44 и съответните молекулни тегла ще бъдат M \u003d 32 g / mol и M \u003d 44 g / mol. По този начин един мол кислород съдържа 32 грама от това вещество, а един мол CO 2 съдържа 44 грама въглероден диоксид.

IN технически изчисления по-често не се използва топлината на горене Q gи калоричността на горивото Въпрос:(J / kg или J / m 3). Калоричната стойност на веществото е количеството топлина, което се отделя при пълното изгаряне на 1 kg или 1 m 3 от веществото. За течност и твърди вещества изчислението се извършва за 1 kg, а за газообразно - за 1 m 3.

Познаването на топлината на горене и калоричността на горивото е необходимо за изчисляване на температурата на горене или експлозия, налягането по време на експлозия, скоростта на разпространение на пламъка и други характеристики. Калоричността на горивото се определя или експериментално, или чрез изчисление. При експерименталното определяне на калоричността определена маса твърдо или течно гориво се изгаря в калориметрична бомба, а в случай на газообразно гориво - в газов калориметър. С помощта на тези устройства се измерва общата топлина Въпрос: 0, отделен при горенето на проба гориво с маса м... Калорична стойност Q g се намира по формулата

Връзката между топлината на горене и
калоричност на горивото

За да се установи връзка между топлината на горене и калоричността на дадено вещество, е необходимо да се запише уравнението на химичната реакция на горене.

Продуктът на пълно изгаряне на въглерод е въглероден диоксид:

C + O 2 → CO 2.

Продуктът на пълно изгаряне на водорода е вода:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O.

Продуктът на пълно изгаряне на сярата е серен диоксид:

S + O 2 → SO 2.

В същото време азотът, халогените и други негорими елементи се освобождават в свободна форма.

Запалимо вещество - газ

Като пример нека изчислим калоричността на метан СН 4, за който е топлината на горене Q g=882.6 .

Определете молекулното тегло на метана в съответствие с неговото химична формула (СН 4):

М \u003d 1 ∙ 12 + 4 ∙ 1 \u003d 16 g / mol.

· Определете калорична стойност 1 кг метан:

Нека намерим обема на 1 кг метан, знаейки неговата плътност ρ \u003d 0,717 кг / м 3 при нормални условия:

.

Определяме калоричността на 1 m 3 метан:

Калоричността на всички горими газове се определя по подобен начин. За много често срещани вещества калоричността и калоричността са измерени с висока точност и са изброени в съответната референтна литература. Ето таблица на стойностите на калоричността на някои газообразни вещества (Таблица 5.1). Количеството Въпрос:в тази таблица е дадено в MJ / m 3 и в kcal / m 3, тъй като често 1 kcal \u003d 4.1868 kJ се използва като единица топлина.

Таблица 5.1

Калорична стойност на газообмена различни горива

Запалимо вещество - течност или твърдо

Като пример нека изчислим калоричността на етилов алкохол C 2 H 5 OH, за който топлината на горене е Q g \u003d 1373,3 kJ / mol.

Определяме молекулното тегло на етилов алкохол в съответствие с неговата химическа формула (C 2 H 5 OH):

М \u003d 2 ∙ 12 + 5 ∙ 1 + 1 ∙ 16 + 1 ∙ 1 \u003d 46 g / mol.

Определете калоричността на 1 кг етилов алкохол:

Калоричната стойност на всякакви течни и твърди горива се определя по подобен начин. Таблица 5.2 и 5.3 показват калоричността Въпрос:(MJ / kg и kcal / kg) за някои течни и твърди вещества.

Таблица 5.2

Калорийна стойност на течните горива

Таблица 5.3

Калорична стойност на твърдите горива

Формулата на Менделеев

Ако калоричността на горивото е неизвестна, то тя може да бъде изчислена 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), т.е. процента в него следните елементи:

Кислород (О);

Водород (Н);

Въглерод (С);

Сяра (S);

Пепел (A);

Вода (W).

Продуктите от горенето на горивата винаги съдържат водна пара, образувани както поради наличието на влага в горивото, така и по време на изгарянето на водорода. Отпадъчните продукти от горенето напускат промишленото предприятие над температурата на оросяване. Следователно топлината, която се отделя по време на кондензацията на водни пари, не може да се използва полезно и не трябва да се взема предвид при топлинните изчисления.

За изчислението обикновено се използва нетната калоричност. Q н гориво, което отчита топлинните загуби с водни пари. За твърди и течни горива стойността Q н (MJ / kg) се определя приблизително по формулата на Менделеев:

Q н=0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)

където в скоби е посочено процентното (тегловни%) съдържание на съответните елементи в горивния състав.

Тази формула отчита топлината на екзотермичните реакции на изгаряне на въглерод, водород и сяра (със знак плюс). Кислородът в горивото частично замества кислорода във въздуха, поради което съответният термин във формула (5.1) се приема със знак минус. Когато влагата се изпарява, топлината се изразходва, поради което съответният термин, съдържащ W, също се приема със знак минус.

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

Нетна калоричност Q н (MJ / m 3) сухи горими газове с достатъчна точност могат да бъдат изчислени като сбор от продуктите от калоричността на отделните компоненти и техния процент в 1 m 3 газообразно гориво.

Q н\u003d 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.

Средната калоричност на природния газ е приблизително 53,6 MJ / m 3. В изкуствено произведените горими газове съдържанието на CH 4 метан е незначително. Основните горими компоненти са водород H 2 и въглероден оксид CO. Например в коксовия газ, съдържанието на H2 достига (55 ÷ 60)%, а нетната калоричност на такъв газ достига 17,6 MJ / m 3. В генераторния газ съдържанието на CO ~ 30% и H 2 ~ 15%, докато по-ниската отоплителна стойност на генераторния газ е Q н \u003d (5,2 ÷ 6,5) MJ / m 3. В доменния газ съдържанието на CO и H 2 е по-малко; величина Q н \u003d (4,0 ÷ 4,2) MJ / m 3.

Нека разгледаме примери за изчисляване на калоричността на веществата по формулата на Менделеев.

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

Таблица 5.4

Елементен състав на въглищата

· Заместител, даден в табл. 5.4 данни във формулата на Менделеев (5.1) (азотът N и пепелта A не са включени в тази формула, тъй като те са инертни вещества и не участват в реакцията на горене):

Q н\u003d 0,339 ∙ 37,2 + 1,025 ∙ 2,6 + 0,1085 ∙ 0,6–0,1085 ∙ 12–0,025 ∙ 40 \u003d 13,04 MJ / kg.

Нека определим количеството дърва за огрев, необходимо за загряване на 50 литра вода от 10 ° C до 100 ° C, ако отоплението консумира 5% от топлината, отделена по време на горенето, и топлинния капацитет на вода от\u003d 1 kcal / (kg ∙ °) или 4.1868 kJ / (kg ∙ deg). Елементният състав на дърва за огрев е даден в табл. 5.5:

Таблица 5.5

Елементен състав на дърва за огрев