Les gens d'aujourd'hui sont extrêmement dépendants du carburant. Chauffage des habitations, cuisson, fonctionnement des équipements et Véhicule... La plupart des carburants utilisés sont des hydrocarbures. Pour évaluer leur efficacité, les valeurs des chaleurs spécifiques de combustion sont utilisées. Le kérosène a une performance relativement impressionnante. En raison de cette qualité, il est utilisé dans les moteurs de fusée et d'avion.

En raison de ses propriétés, le kérosène est utilisé dans les moteurs de fusée

Propriétés, reçu et application

L'histoire du kérosène a plus de 2 000 ans et commence à l'époque où les scientifiques arabes ont mis au point une méthode de distillation du pétrole en composants individuels. Il a été officiellement ouvert en 1853 lorsque le médecin canadien Abraham Gesner a développé et breveté une méthode d'extraction de transparents liquide inflammableà partir de bitume et de schiste bitumineux.

Après avoir percé le premier puits de pétrole en 1859, le pétrole est devenu la principale matière première du kérosène. En raison de son utilisation omniprésente dans les lampes, il est considéré depuis des décennies comme un produit raffiné de base. Seul l'avènement de l'électricité a réduit son importance pour l'éclairage. La production de kérosène a chuté à mesure que la popularité des voitures augmentait.- cette circonstance a considérablement accru l'importance de l'essence en tant que produit pétrolier. Néanmoins, le kérosène est encore utilisé aujourd'hui dans de nombreuses régions du monde pour le chauffage et l'éclairage, et le carburéacteur moderne est le même produit, mais de meilleure qualité.

Avec l'augmentation de l'utilisation des voitures - la popularité du kérosène a chuté

Kérosène - léger liquide transparent, qui est chimiquement un mélange composés organiques... Sa composition dépend en grande partie de la matière première, mais, en règle générale, il se compose d'une douzaine d'hydrocarbures différents, chaque molécule contenant de 10 à 16 atomes de carbone. Le kérosène est moins volatil que l'essence. Les températures d'inflammation relatives du kérosène et de l'essence, auxquelles ils émettent des vapeurs inflammables près de la surface, sont respectivement de 38 et -40°C.

Cette propriété permet de considérer le kérosène comme un carburant relativement sûr en termes de stockage, d'utilisation et de transport. Sur la base de son point d'ébullition (150 à 350 °C), il est classé parmi les distillats moyens du pétrole brut.

Le kérosène peut être obtenu directement, c'est-à-dire physiquement séparé du pétrole, par distillation ou en utilisant décomposition chimique fractions plus lourdes en raison du processus de craquage.

Caractérisation du kérosène comme carburant

La combustion est le processus d'oxydation violente de substances avec dégagement de chaleur. En règle générale, l'oxygène de l'air est impliqué dans la réaction. Lors de la combustion des hydrocarbures, les principaux produits de combustion suivants se forment :

• gaz carbonique;
• vapeur d'eau;
• suie.

La quantité d'énergie générée lors de la combustion du carburant dépend de son type, des conditions de combustion, de la masse ou du volume. L'énergie est mesurée en joules ou en calories. Spécifique (par unité de mesure de la quantité de substance) la chaleur de combustion est l'énergie obtenue à partir de la combustion d'une unité de combustible :

• molaire (par exemple, J / mol);
• masse (par exemple, J / kg);
• volumétrique (par exemple, kcal / l).

Dans la plupart des cas, pour évaluer les combustibles gazeux, liquides et solides, la chaleur massique de combustion, exprimée en J/kg, est utilisée.

La valeur du pouvoir calorifique dépendra de la prise en compte ou non des processus se produisant avec l'eau lors de la combustion. L'évaporation de l'humidité est un processus énergivore, et la prise en compte du transfert de chaleur lors de la condensation de ces vapeurs peut également affecter le résultat.

Le résultat des mesures prises avant que la vapeur condensée ne restitue de l'énergie au système s'appelle le pouvoir calorifique net, et la valeur obtenue après la condensation des vapeurs s'appelle la chaleur brute. Les moteurs à hydrocarbures ne peuvent pas utiliser l'énergie supplémentaire de la vapeur d'eau dans les gaz d'échappement, le chiffre net est donc pertinent pour les constructeurs de moteurs et se trouve plus souvent dans les ouvrages de référence.

Souvent, lors de la spécification de la valeur calorifique, ils ne précisent pas de quelle valeur il s'agit, ce qui peut prêter à confusion. Cela aide à comprendre que dans la Fédération de Russie, il est de coutume d'indiquer le plus bas.

Pouvoir calorifique net - indicateur important

Il est à noter que pour certains combustibles, la division en énergie nette et brute n'a pas de sens, car ils ne forment pas d'eau lors de la combustion. En ce qui concerne le kérosène, cela n'a pas d'importance, car la teneur en hydrocarbures est élevée. Avec une densité relativement faible (entre 780 kg/m³ et 810 kg/m³) son pouvoir calorifique est similaire à celui du gazole et est :

• le plus bas - 43,1 MJ / kg;
• le plus élevé - 46,2 MJ / kg.

Comparaison avec d'autres carburants

Cet indicateur est très pratique pour évaluer la quantité potentielle de chaleur contenue dans le carburant. Par exemple, la chaleur de combustion de l'essence par unité de masse est comparable à celle du kérosène, mais la première est beaucoup plus dense. En conséquence, dans la même comparaison, un litre d'essence contient moins d'énergie.

Chaleur spécifique la combustion du pétrole sous forme de mélange d'hydrocarbures dépend de sa densité, qui est variable selon les différents gisements (43-46 MJ/kg). Les méthodes de calcul permettent avec haute précision déterminer cette valeur s'il existe des données initiales sur sa composition.

Les indicateurs moyens pour certains types de liquides inflammables qui composent l'huile ressemblent à ceci (en MJ/kg) :

• carburant diesel - 42-44;
• essence - 43-45;
• kérosène - 43-44.

La valeur calorifique des combustibles solides, tels que la tourbe et le charbon, a une plus grande montée en puissance. Cela est dû au fait que leur composition peut différer considérablement à la fois dans la teneur en substances non combustibles et dans la teneur calorique des hydrocarbures. Par exemple, le pouvoir calorifique de la tourbe différents types peut fluctuer entre 8 et 24 MJ / kg et le charbon entre 13 et 36 MJ / kg. Parmi les gaz courants, l'hydrogène a un pouvoir calorifique élevé - 120 MJ / kg. Vient ensuite en termes de chaleur spécifique de combustion le méthane (50 MJ/kg).

On peut dire que le kérosène est un carburant qui a résisté à l'épreuve du temps précisément en raison de son intensité énergétique relativement élevée à un prix bas. Son utilisation est non seulement économiquement justifiée, mais dans certains cas, il n'y a pas d'alternative.

Assez souvent, le pouvoir calorifique du carburant est pris en compte lors du choix appareils de chauffage pour les maisons et les chalets d'été, lors du choix des systèmes de chauffage pour un appartement. Ce paramètre est également important lors du choix des systèmes de carburant pour les voitures (lors du passage du carburant liquide au gaz ou à l'électricité).

Il est à noter qu'à l'heure actuelle de nombreux organismes scientifiques, instituts de recherche, laboratoires et même entreprises spécialisées développent des systèmes pouvant augmenter ce paramètre et permettre une utilisation plus optimale de l'énergie libérée lors de la combustion. Ceci est généralement réalisé en augmentant l'efficacité de l'installation.

La présence d'un tel paramètre est due au fait que différents types allouer montant différent chaleur (énergie) dans le processus de combustion, ce qui est particulièrement important pour les installations industrielles et les chaufferies, car la sélection vue optimale permettra d'économiser des ressources financières importantes pour l'exploitation des installations industrielles.

Ci-dessous sera donnée la définition du pouvoir calorifique du combustible, il sera considéré ce que la chaleur spécifique de combustion du combustible et les valeurs de certaines ressources énergétiques (chaleur spécifique de combustion du bois, du charbon, des produits pétroliers).

Sous pouvoir calorifique différents types les ressources énergétiques comprennent la quantité d'énergie thermique (kilocalories) qui sera produite lorsqu'une unité de matériau combustible est brûlée. Pour déterminer ce paramètre, un appareil spécial est utilisé, appelé calorimètre. Il existe également un autre appareil - une bombe calorimétrique.

Dans les appareils de mesure, une unité de matériau combustible chauffe l'eau, ce qui produit de la vapeur d'eau. Ensuite, la vapeur se condense, se transformant complètement en un état liquide, appelé condensation. Dans ce cas, la vapeur cède totalement l'énergie thermique au dispositif de mesure. Cependant, l'inconvénient d'une telle instruments de mesure est-ce l'énérgie thermique pas tout ce qui sort pendant la combustion du carburant. Cela est dû au fait que lors de la vaporisation la quantité d'énergie thermique est plus importante que lors de la condensation. Il est donc impossible de mesurer toute l'énergie libérée. Les inconvénients des appareils incluent la conductivité thermique pas idéale des matériaux à partir desquels ils sont fabriqués, ce qui réduit également le taux de combustion réel. Ces critères sont suffisamment importants pour la recherche en laboratoire, mais ils sont négligés dans les mesures à des fins pratiques. Lors du fonctionnement des installations industrielles, ces pertes augmentent en raison de l'efficacité (pas 100 %).

Dans ce cas, les indicateurs obtenus dans la bombe calorimétrique (où le processus de mesure est plus précis que dans le calorimètre) sont appelés la valeur la plus élevée du pouvoir calorifique du matériau combustible.

Les indicateurs calorimétriques sont la chaleur de combustion la plus faible du carburant, qui diffère de la valeur la plus élevée de 600x (9H + W) / 100, où H et W sont la quantité d'hydrogène et d'humidité contenue dans une unité d'un matériau combustible spécifique. Rappelons que selon les normes américaines, la valeur la plus élevée est utilisée pour les calculs, et pour les pays ayant le système métrique, la valeur la plus faible. En ce moment, il y a une question sur la transition système métriqueà l'indicateur le plus élevé, car il est reconnu par un certain nombre de scientifiques comme le plus optimal.

Valeurs pour différents types de matériaux combustibles

Souvent, de nombreuses personnes s'intéressent à la valeur de la chaleur spécifique de combustion du combustible pour un type particulier de vecteur d'énergie, alors que très souvent, les gens s'intéressent à la valeur calorifique du bois de chauffage. Cela est devenu particulièrement pertinent dans Ces derniers temps, quand la mode des poêles classiques dans les maisons est passée. Pouvoir calorifique du bois de chauffage différentes races le bois est différent, la valeur moyenne est souvent donnée. Vous trouverez ci-dessous les valeurs pour les types de combustibles suivants :

1. Le pouvoir calorifique du bois de chauffage (bouleau, conifère) est en moyenne de 14,5-15,5 MJ/kg. Le lignite a le même taux de transfert de chaleur.
2. Le transfert de chaleur du charbon est de 22 MJ/kg.
3. Cette valeur pour la tourbe varie de 8 à 15 MJ/kg.
4. La valeur pour briquettes de combustible est de l'ordre de 18,5-21 MJ / kg.
5. Le gaz fourni à bâtiments résidentiels, a un indicateur de 45,5 MJ / kg.
6. Pour le gaz en bouteille (propane-butane), l'indicateur est de 36 MJ/kg.
7. Le carburant diesel a un indicateur de 42,8 MJ / kg.
8. Pour différentes marques la valeur de l'essence varie de 42 à 45 MJ / kg.

Valeurs spécifiques

Des valeurs de combustion spécifiques ont été calculées pour un certain nombre de matériaux combustibles. Ce sont des grandeurs physiques qui montrent la quantité d'énergie thermique générée à la suite de la combustion d'une unité. Habituellement mesuré en joules par kilogramme (ou mètre cube). Aux États-Unis, les valeurs sont données en calories par kilogramme. Ces coefficients sont des transferts de chaleur. Ils sont mesurés en laboratoire, après quoi les données sont saisies dans des tableaux spéciaux accessibles au public. Plus le transfert de chaleur d'une ressource énergétique (la chaleur qui est fournie par la combustion du carburant) est élevé, plus le carburant est considéré comme efficace. C'est-à-dire que dans la même installation avec une efficacité, la consommation sera plus faible pour le combustible qui a une valeur de transfert de chaleur plus élevée.

La chaleur spécifique de combustion du carburant est presque toujours utilisée dans les calculs de conception (lors de la conception divers équipements), ainsi que pour déterminer systèmes de chauffage et équipements pour maisons, appartements, chalets d'été, etc.

5. BALANCE THERMIQUE DE LA COMBUSTION

Considérons les méthodes de calcul du bilan thermique du processus de combustion des gaz, liquides et combustibles solides... Le calcul se réduit à résoudre les problèmes suivants.

· Détermination de la chaleur de combustion (pouvoir calorifique) du combustible.

· Détermination de la température théorique de combustion.

5.1. CHALEUR DE COMBUSTION

Les réactions chimiques s'accompagnent d'un dégagement ou d'une absorption de chaleur. Lorsque la chaleur est libérée, la réaction est dite exothermique et lorsqu'elle est absorbée, elle est dite endothermique. Toutes les réactions de combustion sont exothermiques et les produits de combustion sont exothermiques.

La chaleur dégagée (ou absorbée) lors d'une réaction chimique est appelée chaleur de réaction. Dans les réactions exothermiques, il est positif, dans les réactions endothermiques, il est négatif. La réaction de combustion s'accompagne toujours d'un dégagement de chaleur. Par la chaleur de la combustion Qg(J / mol) est la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion complète d'une mole d'une substance et de la conversion d'une substance combustible en produits de combustion complète. La mole est l'unité SI de base de la quantité de matière. Une mole est la quantité d'une substance dans laquelle il y a autant de particules (atomes, molécules, etc.) qu'il y a d'atomes dans 12 g de l'isotope du carbone 12. La masse d'une quantité d'une substance égale à 1 mol (moléculaire ou masse molaire) coïncide numériquement avec le poids moléculaire relatif d'une substance donnée.

Par exemple, le poids moléculaire relatif de l'oxygène (O 2) est de 32, gaz carbonique(CO 2) est de 44, et les poids moléculaires correspondants seront M = 32 g/mol et M = 44 g/mol. Ainsi, une mole d'oxygène contient 32 grammes de cette substance et une mole de CO 2 contient 44 grammes de dioxyde de carbone.

V calculs techniques le plus souvent, la chaleur de combustion n'est pas utilisée Qg, et le pouvoir calorifique du carburant Q(J/kg ou J/m3). Le pouvoir calorifique d'une substance est la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion complète de 1 kg ou 1 m 3 d'une substance. Pour liquide et solides le calcul est effectué pour 1 kg et pour gazeux - pour 1 m 3.

La connaissance de la chaleur de combustion et du pouvoir calorifique du combustible est nécessaire pour calculer la température de combustion ou d'explosion, la pression lors de l'explosion, la vitesse de propagation de la flamme et d'autres caractéristiques. Le pouvoir calorifique du combustible est déterminé soit expérimentalement, soit par calcul. Dans la détermination expérimentale du pouvoir calorifique, une masse donnée de combustible solide ou liquide est brûlée dans une bombe calorimétrique, et dans le cas du combustible gazeux, dans un calorimètre à gaz. À l'aide de ces appareils, la chaleur totale est mesurée Q 0, libéré lors de la combustion d'un échantillon de carburant de masse m... Valeur calorifique Qg se trouve par la formule

La relation entre la chaleur de combustion et
pouvoir calorifique du carburant

Pour établir une relation entre la chaleur de combustion et le pouvoir calorifique d'une substance, il est nécessaire d'écrire l'équation de la réaction chimique de combustion.

Le produit de la combustion complète du carbone est le dioxyde de carbone :

C + O 2 → CO 2.

Le produit de la combustion complète de l'hydrogène est l'eau :

2H 2 + O 2 → 2H 2 O.

Le produit de la combustion complète du soufre est le dioxyde de soufre :

S + O 2 → SO 2.

Dans le même temps, de l'azote, des halogènes et d'autres éléments non combustibles sont libérés sous forme libre.

Substance combustible - gaz

A titre d'exemple, calculons le pouvoir calorifique du CH 4 méthane, pour lequel la chaleur de combustion est Qg=882.6 .

Déterminer le poids moléculaire du méthane en fonction de sa formule chimique(CH 4) :

M = 1 12 + 4 1 = 16 g / mol.

· Définir Valeur calorifique 1 kg de méthane :

Trouvons le volume de 1 kg de méthane, connaissant sa densité ρ = 0,717 kg/m 3 dans des conditions normales :

.

· Déterminons le pouvoir calorifique de 1 m 3 de méthane :

Le pouvoir calorifique de tout gaz combustible est déterminé de la même manière. Pour de nombreuses substances courantes, les valeurs calorifiques et les valeurs calorifiques ont été mesurées avec une grande précision et sont répertoriées dans la littérature de référence pertinente. Voici un tableau du pouvoir calorifique de certaines substances gazeuses (tableau 5.1). La magnitude Q dans ce tableau est donné en MJ / m 3 et en kcal / m 3, car souvent 1 kcal = 4,1868 kJ est utilisé comme unité de chaleur.

Tableau 5.1

Pouvoir calorifique des échanges gazeux différents carburants

Substance inflammable - liquide ou solide

A titre d'exemple, calculons le pouvoir calorifique de l'alcool éthylique C 2 H 5 OH, pour lequel la chaleur de combustion est Qg= 1373,3 kJ / mol.

On détermine le poids moléculaire de l'alcool éthylique selon sa formule chimique (C 2 H 5 OH) :

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

Déterminer le pouvoir calorifique de 1 kg d'alcool éthylique :

Le pouvoir calorifique de tout combustible liquide et solide est déterminé de la même manière. Table 5.2 et 5.3 montrent la valeur calorifique Q(MJ/kg et kcal/kg) pour certaines substances liquides et solides.

Tableau 5.2

Pouvoir calorifique des combustibles liquides

Tableau 5.3

Pouvoir calorifique des combustibles solides

la formule de Mendeleïev

Si le pouvoir calorifique du carburant est inconnu, alors il peut être calculé en utilisant la formule empirique proposée par D.I. Mendeleïev. Pour ce faire, vous devez connaître la composition élémentaire du carburant (formule équivalente du carburant), c'est-à-dire le pourcentage qu'il contient les éléments suivants:

Oxygène (O);

Hydrogène (H);

Carbone (C);

Soufre (S);

Frêne (A) ;

Eau (W).

Les produits de combustion des combustibles contiennent toujours vapeur d'eau, formé à la fois en raison de la présence d'humidité dans le carburant et lors de la combustion de l'hydrogène. Les déchets de combustion quittent l'installation industrielle à des températures supérieures à la température du point de rosée. Par conséquent, la chaleur dégagée lors de la condensation de la vapeur d'eau ne peut être utilement utilisée et ne doit pas être prise en compte dans les calculs thermiques.

La valeur calorifique nette est généralement utilisée pour le calcul. Qn carburant, qui prend en compte les pertes de chaleur avec la vapeur d'eau. Pour les combustibles solides et liquides, la valeur Qn(MJ/kg) est approximativement déterminé par la formule de Mendeleev :

Qn=0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)

où la teneur en pourcentage (% en poids) des éléments correspondants dans la composition du carburant est indiquée entre parenthèses.

Cette formule prend en compte la chaleur des réactions exothermiques de combustion du carbone, de l'hydrogène et du soufre (avec un signe plus). L'oxygène, qui fait partie du carburant, remplace partiellement l'oxygène de l'air, c'est pourquoi le terme correspondant dans la formule (5.1) est pris avec un signe moins. Lorsque l'humidité s'évapore, la chaleur est consommée, de sorte que le terme correspondant contenant W est également pris avec un signe moins.

La comparaison des données calculées et expérimentales sur le pouvoir calorifique de différents combustibles (bois, tourbe, charbon, pétrole) a montré que le calcul par la formule de Mendeleev (5.1) donne une erreur ne dépassant pas 10 %.

Valeur calorifique nette Qn(MJ / m 3) les gaz combustibles secs avec une précision suffisante peuvent être calculés comme la somme des produits du pouvoir calorifique des composants individuels et de leur pourcentage dans 1 m 3 de combustible gazeux.

Qn= 0,108 [Н 2] + 0,126 [СО] + 0,358 [СН 4] + 0,5 [С 2 Н 2] + 0,234 [Н 2 S] ..., (5,2)

où la teneur en pourcentage (% en volume) des gaz correspondants dans le mélange est indiquée entre parenthèses.

Le pouvoir calorifique moyen du gaz naturel est d'environ 53,6 MJ/m3. Dans les gaz combustibles produits artificiellement, la teneur en méthane CH 4 est insignifiante. Les principaux composants combustibles sont l'hydrogène H 2 et le monoxyde de carbone CO. Dans le gaz de cokerie, par exemple, la teneur en H 2 atteint (55 60)% et le pouvoir calorifique net de ce gaz atteint 17,6 MJ / m 3. Dans le gaz générateur, la teneur en CO est d'environ 30 % et de H2 d'environ 15 %, tandis que le pouvoir calorifique inférieur du gaz générateur est Qn= (5,2 6,5) MJ / m3. Dans les gaz de haut fourneau, la teneur en CO et H 2 est moindre ; ordre de grandeur Qn= (4,0 4,2) MJ / m3.

Considérons des exemples de calcul de la valeur calorifique de substances selon la formule de Mendeleev.

Déterminons le pouvoir calorifique du charbon, dont la composition élémentaire est donnée dans le tableau. 5.4.

Tableau 5.4

Composition élémentaire du charbon

· Substitut donné dans le tableau. 5.4 données dans la formule de Mendeleev (5.1) (l'azote N et les cendres A ne sont pas inclus dans cette formule, car ce sont des substances inertes et ne participent pas à la réaction de combustion) :

Qn= 0,339 37,2 + 1,025 2,6 + 0,1085 0,6–0,1085 ∙ 12–0,025 ∙ 40 = 13,04 MJ / kg.

Déterminer la quantité de bois de chauffage nécessaire pour chauffer 50 litres d'eau de 10°C à 100°C, si le chauffage consomme 5% de la chaleur dégagée lors de la combustion, et la capacité calorifique de l'eau avec= 1 kcal / (kg deg) ou 4,1868 kJ / (kg deg). La composition élémentaire du bois de chauffage est donnée dans le tableau. 5.5 :

Tableau 5.5

Composition élémentaire du bois de chauffage