Danas su ljudi izuzetno ovisni o gorivu. Grijanje domova, kuhanje, rad opreme i Vozilo. Većina korištenih goriva su ugljikovodici. Za procjenu njihove učinkovitosti koriste se vrijednosti specifične topline izgaranja. Kerozin ima relativno impresivan pokazatelj. Zbog te kvalitete koristi se u raketnim i zrakoplovnim motorima.

Zbog svojih svojstava kerozin se koristi u raketnim motorima

Svojstva, proizvodnja i primjena

Povijest kerozina seže više od 2 tisuće godina unatrag i počinje kada su arapski znanstvenici došli do metode za destilaciju nafte u pojedinačne komponente. Službeno je otkriven 1853. godine, kada je kanadski liječnik Abraham Gesner razvio i patentirao metodu za ekstrakciju prozirnih zapaljiva tekućina od bitumena i uljnog škriljevca.

Nakon bušenja prvog naftna bušotina 1859. godine nafta je postala glavna sirovina za kerozin. Zbog široke upotrebe u svjetiljkama, desetljećima se smatrao glavnim proizvodom rafiniranja nafte. Tek je pojava električne energije smanjila njen značaj za rasvjetu. Proizvodnja kerozina također je pala kako su automobili postali popularniji.- ova je okolnost značajno povećala važnost benzina kao naftnog derivata. Međutim, danas se u mnogim dijelovima svijeta kerozin koristi za grijanje i rasvjetu, a moderno mlazno gorivo isti je proizvod, ali više kvalitete.

S povećanjem korištenja automobila, popularnost kerozina je pala

Kerozin - svjetlo bistra tekućina, kemijski smjesa organski spojevi. Njegov sastav uvelike ovisi o sirovini, ali se u pravilu sastoji od desetak različitih ugljikovodika, a svaka molekula sadrži od 10 do 16 atoma ugljika. Kerozin je manje isparljiv od benzina. Usporedne temperature izgaranja kerozina i benzina, pri kojima ispuštaju zapaljive pare blizu površine, iznose 38 odnosno -40°C.

Ovo svojstvo nam omogućuje da kerozin smatramo relativno sigurnim gorivom sa stajališta skladištenja, upotrebe i transporta. Na temelju vrelišta (150 do 350°C) svrstava se u takozvane srednje destilate sirove nafte.

Kerozin se može dobiti izravnom metodom, odnosno fizički odvojiti od nafte, destilacijom ili korištenjem kemijska razgradnja teže frakcije kao rezultat procesa krekiranja.

Karakteristike kerozina kao goriva

Izgaranje je proces burne oksidacije tvari uz oslobađanje topline. U pravilu, reakcija uključuje kisik sadržan u zraku. Tijekom izgaranja ugljikovodika nastaju sljedeći glavni produkti izgaranja:

• ugljični dioksid;
• vodena para;
• čađ.

Količina energije koja nastaje pri izgaranju goriva ovisi o njegovoj vrsti, uvjetima izgaranja, masi ili volumenu. Energija se mjeri u džulima ili kalorijama. Specifično (po jedinici mjere količine tvari) Kalorijska vrijednost je energija dobivena izgaranjem jedinice goriva:

• molar (na primjer, J/mol);
• masa (na primjer, J/kg);
• volumetrijski (na primjer, kcal/l).

U većini slučajeva, za ocjenu plinovitih, tekućih i krutih goriva, operiraju s pokazateljem masene kalorične vrijednosti, izražene u J/kg.

Vrijednost topline izgaranja ovisit će o tome jesu li uzeti u obzir procesi koji se odvijaju s vodom tijekom izgaranja. Isparavanje vlage je energetski intenzivan proces, a uzimanje u obzir prijenosa topline tijekom kondenzacije tih para također može utjecati na rezultat.

Rezultat mjerenja prije nego što kondenzirana para vrati energiju sustavu naziva se niža kalorička vrijednost, a vrijednost dobivena nakon kondenzacije pare naziva se viša toplina. Motori na ugljikovodike ne mogu koristiti dodatnu energiju vodene pare u ispušnim plinovima, pa je neto pokazatelj relevantan za proizvođače motora i češće se nalazi u referentnim knjigama.

Često se kod označavanja kalorijske vrijednosti ne navodi na koju se od veličina misli, što može dovesti do zabune. Pomaže znati da je u Ruskoj Federaciji tradicionalno označavati niži.

Neto kalorična vrijednost - važan pokazatelj

Treba napomenuti da za neka goriva podjela na neto i bruto energiju nema smisla, budući da pri izgaranju ne proizvode vodu. Ovo nije relevantno za kerozin, jer je njegov sadržaj ugljikovodika visok. S relativno malom gustoćom (između 780 kg/m³ i 810 kg/m³) njegova kalorična vrijednost je slična onoj dizelskog goriva i iznosi:

• najniža - 43,1 MJ/kg;
• najveća - 46,2 MJ/kg.

Usporedba s drugim vrstama goriva

Indikator koji se razmatra vrlo je prikladan za procjenu potencijalne količine topline sadržane u gorivu. Na primjer, kalorična vrijednost benzina po jedinici mase usporediva je s onom kerozina, ali prvi je mnogo gušći. Kao posljedica toga, u istoj usporedbi, litra benzina sadrži manje energije.

Određena toplina Izgaranje nafte kao smjese ugljikovodika ovisi o njezinoj gustoći koja je promjenjiva za različita polja (43-46 MJ/kg). Metode proračuna dopuštaju visoka točnost odrediti ovu vrijednost ako postoje početni podaci o njenom sastavu.

Prosječni pokazatelji za neke vrste zapaljivih tekućina koje čine ulje izgledaju ovako (u MJ/kg):

• dizelsko gorivo - 42-44;
• benzin - 43-45;
• kerozin - 43-44.

Kalorični sadržaj krutih goriva, poput treseta i ugljena, ima veći raspon. To je zbog činjenice da njihov sastav može uvelike varirati iu sadržaju nezapaljivih tvari iu kalorijskom sadržaju ugljikovodika. Na primjer, kalorična vrijednost treseta različite vrste može varirati između 8-24 MJ/kg, a ugljen - 13-36 MJ/kg. Među uobičajenim plinovima, vodik ima visoku kaloričnu vrijednost - 120 MJ/kg. Sljedeća najveća specifična toplina izgaranja je metan (50 MJ/kg).

Možemo reći da je kerozin gorivo koje je odoljelo zubu vremena upravo zbog svoje relativno visoke energetske intenzivnosti uz nisku cijenu. Njegova uporaba ne samo da je ekonomski opravdana, već u nekim slučajevima nema alternative.

Često se pri odabiru uzima u obzir kalorijska vrijednost goriva uređaji za grijanje za kuće i vikendice, pri odabiru sustava grijanja za stan. Ovaj je parametar također važan pri odabiru sustava goriva za automobile (pri prelasku s tekućeg goriva na plin ili struju).

Važno je napomenuti da u ovom trenutku mnoge znanstvene organizacije, istraživački instituti, laboratoriji, pa čak i specijalizirane tvrtke razvijaju sustave koji mogu povećati ovaj parametar i omogućiti optimalnije korištenje energije koja se oslobađa tijekom izgaranja. To se obično postiže povećanjem učinkovitosti instalacije.

Prisutnost takvog parametra je zbog činjenice da različiti tipovi dodijeliti različite količine topline (energije) tijekom procesa izgaranja, što je posebno važno za industrijske instalacije i kotlovnice, budući da odabir optimalan tip uštedjet će znatnu količinu financijskih sredstava na radu industrijskih pogona.

U nastavku ćemo dati definiciju kalorijske vrijednosti goriva, raspraviti što je specifična toplina izgaranja goriva i dati vrijednosti nekih energenata (specifična toplina izgaranja drva za ogrjev, ugljena, naftnih derivata).

Ispod kalorijske vrijednosti različite vrste izvori energije razumiju koliko će toplinske energije (kilokalorija) biti proizvedeno kada jedna jedinica goriva bude spaljena. Za određivanje ovog parametra koristi se poseban uređaj koji se naziva kalorimetar. Postoji još jedan uređaj - kalorimetrijska bomba.

U mjernim instrumentima jedna jedinica goriva zagrijava vodu, pri čemu nastaje vodena para. Zatim se para kondenzira, potpuno prelazeći u tekuće stanje, što se naziva kondenzacija. U tom slučaju para u potpunosti predaje toplinsku energiju mjernom uređaju. Međutim, nedostatak takvog mjerni instrumenti je li to Termalna energija, koji izlazi tijekom izgaranja goriva, nije sve izmjereno. To je zbog činjenice da je tijekom isparavanja količina toplinske energije veća nego tijekom kondenzacije. Zbog toga je nemoguće izmjeriti svu oslobođenu energiju. Nedostaci uređaja uključuju nižu od idealne toplinske vodljivosti materijala od kojih su izrađeni, što također smanjuje stvarnu brzinu izgaranja. Ovi kriteriji su vrlo važni za laboratorijska istraživanja, ali se zanemaruju prilikom mjerenja u praktične svrhe. Pri radu industrijskih postrojenja ti se gubici povećavaju zbog učinkovitosti (ne 100%).

U ovom slučaju, pokazatelji dobiveni u kalorimetrijskoj bombi (gdje je postupak mjerenja točniji nego u kalorimetru) nazivaju se najvećom kalorijskom vrijednošću goriva.

Kalorimetarski pokazatelji su najniža kalorijska vrijednost goriva, koja se razlikuje od najviše vrijednosti 600x(9H+W)/100, gdje su H i W količina vodika i vlage sadržana u jedinici određenog goriva. Treba imati na umu da se prema američkim standardima za izračune koristi najveća vrijednost, a za zemlje s metričkim sustavom koristi se najniža vrijednost. Trenutno se postavlja pitanje prijelaza metrički sustav na najviši pokazatelj, budući da ga brojni znanstvenici prepoznaju kao optimalniji.

Vrijednosti za različite vrste goriva

Često su mnogi ljudi zainteresirani za vrijednost specifične topline izgaranja goriva za određenu vrstu nositelja energije, a vrlo često ljudi su zainteresirani za ogrjevnu vrijednost drva za ogrjev. Ovo je postalo posebno važno u U zadnje vrijeme kada je počela moda klasičnih štednjaka u domovima. Kalorična vrijednost ogrjevnog drveta je različite pasmine drvo varira, često se daje prosječna vrijednost. Ispod su vrijednosti za sljedeće vrste goriva:

1. Kalorična vrijednost ogrjevnog drva (breza, crnogorica) u prosjeku je 14,5-15,5 MJ/kg. Smeđi ugljen ima istu brzinu prijenosa topline.
2. Prolaz topline ugljena je 22 MJ/kg.
3. Ova vrijednost za treset kreće se od 8-15 MJ/kg.
4. Značenje za briketi za gorivo je u rasponu od 18,5-21 MJ/kg.
5. Plin koji se isporučuje u stambene zgrade, ima pokazatelj od 45,5 MJ/kg.
6. Za plin u bocama (propan-butan) brojka je 36 MJ/kg.
7. Dizelsko gorivo ima pokazatelj od 42,8 MJ/kg.
8. Za različite marke vrijednost benzina kreće se od 42-45 MJ/kg.

Specifične vrijednosti

Specifične vrijednosti izgaranja izračunate su za niz goriva. To su fizikalne veličine koje pokazuju količinu toplinske energije koja nastaje kao rezultat izgaranja jedne jedinice. Obično se mjeri u džulima po kilogramu (ili kubnom metru). U SAD-u su vrijednosti dane u kalorijama po kilogramu. Ovi koeficijenti su prijenos topline. Mjere se u laboratoriju, nakon čega se podaci unose u posebne tablice koje su javno dostupne. Što je veći prijenos topline izvora energije (toplina proizvedena izgaranjem goriva), to se gorivo smatra učinkovitijim. Odnosno, u istoj instalaciji s istom učinkovitošću potrošnja će biti manja za gorivo koje ima veću vrijednost prijenosa topline.

Specifična toplina izgaranja goriva gotovo se uvijek koristi u projektnim proračunima (pri projektiranju razne opreme), kao i kod određivanja sustavi grijanja i oprema za dom, stan, vikendicu i dr.

5. TOPLINSKA BILANSA IZGARANJA

Razmotrimo metode za izračunavanje toplinske bilance procesa izgaranja plinovitih, tekućih i kruta goriva. Proračun se svodi na rješavanje sljedećih problema.

· Određivanje topline izgaranja (kalorične vrijednosti) goriva.

· Određivanje teorijske temperature izgaranja.

5.1. TOPLINA IZGARANJA

Kemijske reakcije popraćene su oslobađanjem ili apsorpcijom topline. Kada se toplina oslobađa, reakcija se naziva egzotermna, a kada se toplina apsorbira, endotermna. Sve reakcije izgaranja su egzotermne, a produkti izgaranja su egzotermni spojevi.

Toplina koja se oslobađa (ili apsorbira) tijekom kemijske reakcije naziva se toplina reakcije. U egzotermnim reakcijama je pozitivan, u endotermnim reakcijama je negativan. Reakcija izgaranja uvijek je popraćena oslobađanjem topline. Toplina izgaranja Q g(J/mol) je količina topline koja se oslobađa pri potpunom izgaranju jednog mola tvari i pretvaranju zapaljive tvari u produkte potpunog izgaranja. Mol je osnovna SI jedinica količine tvari. Jedan mol je količina tvari koja sadrži isti broj čestica (atoma, molekula itd.) koliko ima atoma u 12 g izotopa ugljika-12. Masa količine tvari jednaka 1 molu (molekularna ili molekulska masa) numerički se podudara s relativnom molekulskom masom dane tvari.

Na primjer, relativna molekularna težina kisika (O 2) je 32, ugljični dioksid(CO 2 ) je 44, a odgovarajuće molekulske težine bit će M = 32 g/mol i M = 44 g/mol. Tako jedan mol kisika sadrži 32 grama ove tvari, a jedan mol CO 2 sadrži 44 grama ugljičnog dioksida.

U tehnički proračuni Najčešće se ne koristi toplina izgaranja Q g, i kalorična vrijednost goriva Q(J/kg ili J/m 3). Kalorijska vrijednost tvari je količina topline koja se oslobodi pri potpunom izgaranju 1 kg ili 1 m 3 tvari. Za tekućinu i čvrste tvari obračun se vrši po 1 kg, a za plinovite - po 1 m 3.

Poznavanje topline izgaranja i kalorične vrijednosti goriva potrebno je za izračunavanje temperature izgaranja ili eksplozije, tlaka eksplozije, brzine širenja plamena i drugih karakteristika. Kalorična vrijednost goriva određuje se eksperimentalno ili računski. Pri eksperimentalnom određivanju kalorične vrijednosti zadana masa krutog ili tekućeg goriva spaljuje se u kalorimetrijskoj bombi, a kod plinovitog goriva u plinskom kalorimetru. Ovi instrumenti mjere ukupnu toplinu Q 0 koji se oslobađa tijekom izgaranja uzorka goriva vaganja m. Kalorijska vrijednost Q g nalazi se formulom

Odnos između topline izgaranja i
kalorična vrijednost goriva

Za uspostavljanje veze između topline izgaranja i kalorične vrijednosti tvari potrebno je napisati jednadžbu kemijske reakcije izgaranja.

Produkt potpunog izgaranja ugljika je ugljični dioksid:

C+O2 → CO2.

Produkt potpunog izgaranja vodika je voda:

2H 2 +O 2 → 2H 2 O.

Produkt potpunog izgaranja sumpora je sumporni dioksid:

S +O 2 → SO 2.

U ovom slučaju, dušik, halogeni i drugi nezapaljivi elementi oslobađaju se u slobodnom obliku.

Zapaljiva tvar – plin

Kao primjer, izračunajmo ogrjevnu vrijednost metana CH 4, za koji je toplina izgaranja jednaka Q g=882.6 .

· Odredimo molekulsku masu metana u skladu s njegovom kemijska formula(CH 4):

M=1∙12+4∙1=16 g/mol.

· Utvrdimo kalorijska vrijednost 1 kg metana:

· Nađimo volumen 1 kg metana, znajući njegovu gustoću ρ=0,717 kg/m3 u normalnim uvjetima:

.

· Odredimo ogrjevnu vrijednost 1 m 3 metana:

Kalorična vrijednost svih zapaljivih plinova određuje se na sličan način. Za mnoge uobičajene tvari, toplina izgaranja i kalorijske vrijednosti izmjerene su s visokom točnošću i navedene su u relevantnoj referentnoj literaturi. Evo tablice kalorijskih vrijednosti nekih plinovitih tvari (tablica 5.1). Veličina Q u ovoj tablici dano je u MJ/m 3 iu kcal/m 3, budući da se 1 kcal = 4,1868 kJ često koristi kao jedinica za toplinu.

Tablica 5.1

Kalorična vrijednost plina različita goriva

Zapaljiva tvar je tekućina ili čvrsta

Kao primjer, izračunajmo ogrjevnu vrijednost etilnog alkohola C 2 H 5 OH, za koji je toplina izgaranja Q g= 1373,3 kJ/mol.

· Odredimo molekulsku težinu etilnog alkohola prema njegovoj kemijskoj formuli (C 2 H 5 OH):

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

Odredimo kaloričnu vrijednost 1 kg etilnog alkohola:

Kalorijska vrijednost svih tekućih i krutih zapaljivih tvari određuje se na sličan način. U tablici 5.2 i 5.3 prikazuju kalorične vrijednosti Q(MJ/kg i kcal/kg) za neke tekućine i čvrste tvari.

Tablica 5.2

Kalorična vrijednost tekućih goriva

Tablica 5.3

Kalorijska vrijednost krutih goriva

Mendeljejeva formula

Ako je kalorična vrijednost goriva nepoznata, tada se može izračunati pomoću empirijske formule koju je predložio D.I. Mendeljejev. Da biste to učinili, morate znati elementarni sastav goriva (ekvivalentna formula goriva), odnosno postotni sadržaj u njemu sljedeće elemente:

kisik (O);

vodik (H);

Ugljik (C);

Sumpor (S);

Pepeo (A);

Voda (W).

Proizvodi izgaranja goriva uvijek sadrže vodena para, nastaju i zbog prisutnosti vlage u gorivu i tijekom izgaranja vodika. Produkti izgaranja otpada napuštaju industrijsko postrojenje na temperaturi iznad točke rosišta. Stoga se toplina koja se oslobađa pri kondenzaciji vodene pare ne može korisno iskoristiti i ne treba je uzimati u obzir u toplinskim proračunima.

Za izračun se obično koristi donja ogrjevna vrijednost Q n gorivo, koje uzima u obzir gubitke topline s vodenom parom. Za kruta i tekuća goriva vrijednost Q n(MJ/kg) približno se određuje Mendeljejevom formulom:

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

gdje je u zagradama naveden postotak (tež.%) sadržaja odgovarajućih elemenata u sastavu goriva.

Ova formula uzima u obzir toplinu egzotermnih reakcija izgaranja ugljika, vodika i sumpora (s predznakom plus). Kisik sadržan u gorivu djelomično zamjenjuje kisik u zraku, pa se odgovarajući član u formuli (5.1) uzima s predznakom minus. Kada vlaga isparava, troši se toplina, pa se i odgovarajući član koji sadrži W uzima s predznakom minus.

Usporedba izračunatih i eksperimentalnih podataka o kaloričnoj vrijednosti različitih goriva (drvo, treset, ugljen, nafta) pokazala je da izračun pomoću formule Mendelejeva (5.1) daje pogrešku ne veću od 10%.

Donja ogrjevna vrijednost Q n(MJ/m3) suhih zapaljivih plinova može se s dovoljnom točnošću izračunati kao zbroj umnožaka ogrjevne vrijednosti pojedinih komponenti i njihova postotnog sadržaja u 1 m3 plinovitog goriva.

Q n= 0,108[N 2 ] + 0,126 [SO] + 0,358 [SN 4 ] + 0,5 [S 2 N 2 ] + 0,234 [N 2 S ]…, (5.2)

gdje je u zagradama naveden postotak (volumni %) udjela odgovarajućih plinova u smjesi.

U prosjeku je ogrjevna vrijednost prirodnog plina približno 53,6 MJ/m 3 . U umjetno proizvedenim zapaljivim plinovima sadržaj metana CH4 je neznatan. Glavne zapaljive komponente su vodik H2 i ugljikov monoksid CO. U koksnom plinu, primjerice, sadržaj H2 doseže (55 ÷ 60)%, a donja ogrjevna vrijednost takvog plina doseže 17,6 MJ/m3. Generatorski plin sadrži CO ~ 30% i H 2 ~ 15%, dok je niža kalorična vrijednost generatorskog plina Q n= (5,2÷6,5) MJ/m3. Sadržaj CO i H 2 u plinu visoke peći je manji; veličina Q n= (4,0÷4,2) MJ/m3.

Pogledajmo primjere izračuna kalorijske vrijednosti tvari pomoću formule Mendelejeva.

Odredimo ogrjevnu vrijednost ugljena čiji je elementarni sastav dan u tablici. 5.4.

Tablica 5.4

Elementarni sastav ugljena

· Zamijenimo one dane u tablici. Podaci 5.4 u Mendelejevovoj formuli (5.1) (dušik N i pepeo A nisu uključeni u ovu formulu, jer su inertne tvari i ne sudjeluju u reakciji izgaranja):

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

Odredimo količinu drva za ogrjev potrebnu za zagrijavanje 50 litara vode od 10°C do 100°C, ako se 5% topline oslobođene izgaranjem troši za grijanje, te toplinski kapacitet vode. S=1 kcal/(kg∙deg) ili 4,1868 kJ/(kg∙deg). Elementni sastav ogrjevnog drveta dat je u tablici. 5.5:

Tablica 5.5

Elementarni sastav ogrjevnog drveta