Danas su ljudi izuzetno ovisni o gorivu. Bez njega, grijanje stanova, 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, dobivanje 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 bitumena i uljnog škriljevca.

Nakon bušenja prvog naftna bušotina 1859. godine nafta je postala glavna sirovina za kerozin. Zbog svoje sveprisutne upotrebe u svjetiljkama, desetljećima se smatrao osnovnim proizvodom industrije prerade nafte. Tek je pojava električne energije smanjila njen značaj za rasvjetu. Proizvodnja kerozina također je pala kako je rasla popularnost automobila.- ova je okolnost značajno povećala važnost benzina kao naftnog derivata. No, 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, što je kemijski smjesa organski spojevi. Njegov sastav uvelike ovisi o sirovini, ali se u pravilu sastoji od desetak različitih ugljikovodika od kojih svaki sadrži od 10 do 16 atoma ugljika. Kerozin je manje isparljiv od benzina. Usporedna temperatura paljenja kerozina i benzina, pri kojoj ispuštaju zapaljive pare blizu površine, iznosi 38 odnosno -40°C.

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

Kerozin se može dobiti direktnim pogonom, odnosno fizički odvojiti od nafte, destilacijom ili uporabom kemijska razgradnja teže frakcije kao rezultat procesa krekiranja.

Karakteristike kerozina kao goriva

Izgaranje je proces brze oksidacije tvari uz oslobađanje topline. U pravilu u reakciji sudjeluje kisik sadržan u zraku. Tijekom izgaranja ugljikovodika nastaju sljedeći glavni produkti izgaranja:

• ugljični dioksid;
• vodena para;
• čađ.

Količina energije koja nastaje izgaranjem goriva ovisi o njegovoj vrsti, uvjetima izgaranja, masi ili volumenu. Energija se mjeri u džulima ili kalorijama. Specifično (po jedinici mjere količine tvari) kalorična 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 procjenu plinovitih, tekućih i krutih goriva, oni rade s pokazateljem masene topline izgaranja, izražene u J / kg.

Vrijednost kalorične vrijednosti 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 donja kalorička vrijednost, a brojka dobivena nakon kondenzacije pare naziva se viša kalorička vrijednost. Motori na ugljikovodike ne mogu koristiti dodatnu energiju vodene pare u ispuhu, pa je neto brojka relevantna za proizvođače motora i češće se nalazi u referentnim knjigama.

Često se kod navođenja kalorijske vrijednosti ne navodi na koju se od veličina misli, što može dovesti do zabune. Znajući da je u Ruskoj Federaciji tradicionalno uobičajeno označavati najnižu vrijednost, pomaže u navigaciji.

Neto kalorična vrijednost - važan pokazatelj

Treba napomenuti da za neke vrste goriva podjela na neto i bruto energiju nema smisla, budući da pri izgaranju ne stvaraju vodu. Što se tiče kerozina, to je irelevantno, jer je sadržaj ugljikovodika u njemu 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;
• najviši - 46,2 MJ / kg.

Usporedba s drugim vrstama goriva

Ovaj pokazatelj je vrlo 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 nije konstantna za različita polja (43-46 MJ/kg). Metode proračuna omogućuju sa visoka preciznost 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 kako u pogledu sadržaja nezapaljivih tvari tako iu smislu kalorijske vrijednosti ugljikovodika. Na primjer, kalorična vrijednost treseta različite vrste može varirati unutar 8-24 MJ / kg, a ugljen - 13-36 MJ / kg. Među uobičajenim plinovima, vodik ima visoku kaloričnu vrijednost - 120 MJ / kg. Sljedeći po specifičnoj toplini 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).

Treba 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 postrojenja.

Prisutnost takvog parametra je zbog činjenice da različiti tipovi dodijeliti drugačiji iznos topline (energije) u procesu izgaranja, što je posebno važno za industrijska postrojenja i kotlovnice, budući da odabir optimalan pogled uštedjet će značajnu količinu financijskih sredstava na radu industrijskih postrojenja.

U nastavku će biti dana definicija kalorične vrijednosti goriva, razmotrit će se koja je specifična toplina izgaranja goriva i vrijednosti nekih energenata (specifična toplina izgaranja drva za ogrjev, ugljena, daju se naftni proizvodi).

Ispod kalorijske vrijednosti razne 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 uređajima voda se zagrijava s jednom jedinicom goriva, pri čemu se dobiva vodena para. Nadalje, para se kondenzira, prelazeći potpuno u tekuće stanje, što se naziva kondenzacija. U tom slučaju para potpuno predaje toplinsku energiju mjernom uređaju. Međutim, nedostatak takvog mjerni instrumenti je li to Termalna energija, koji izlazi tijekom izgaranja goriva, ne mjeri se sve. 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 ne idealnu toplinsku vodljivost materijala od kojih su izrađeni, što također smanjuje stvarnu brzinu izgaranja. Ovi kriteriji su vrlo važni za laboratorijske studije, ali su zanemareni u mjerenjima u praktične svrhe. Tijekom rada industrijskih postrojenja ti se gubici povećavaju zbog učinkovitosti (ne 100%).

Istodobno, pokazatelji koji su dobiveni u kalorimetrijskoj bombi (gdje je postupak mjerenja točniji nego u kalorimetru) nazivaju se najvećom vrijednošću kalorijske vrijednosti goriva.

Kalorimetarski pokazatelji su najniža ogrjevna vrijednost goriva, koja se od najveće vrijednosti razlikuje za 600x(9H + W)/100, gdje su H i W količina vodika i vlage sadržana u jedinici pojedinog goriva. Treba imati na umu da se prema američkim standardima za izračune koristi najveća vrijednost, a za zemlje s metričkim sustavom najniža. 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 zainteresirani za vrijednost specifične topline izgaranja goriva za određenu vrstu nositelja energije, dok su vrlo često ljudi zainteresirani za ogrjevnu vrijednost drva za ogrjev. To je postalo osobito istinito u U zadnje vrijeme kada je nestala moda za klasične peći u kućama. Kalorična vrijednost drva za ogrjev različite pasmine drvo je različito, 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 kamenog 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) ta 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 izgaranjem 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 koja daje izgaranje goriva), to se gorivo smatra učinkovitijim. Odnosno, u istoj instalaciji s jednim faktorom učinkovitosti, potrošnja će biti manja za gorivo koje ima veću vrijednost prolaza 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 kuće, stanove, vikendice i dr.

5. TOPLINSKA BILANSA IZGARANJA

Razmotrite 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 GORENJA

Kemijske reakcije popraćene su oslobađanjem ili apsorpcijom topline. Kada se toplina oslobađa, reakcija se naziva egzotermna, a kada se 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 tijekom potpunog izgaranja jednog mola tvari i pretvaranja zapaljive tvari u produkte potpunog izgaranja. Mol je osnovna SI jedinica za količinu tvari. Jedan mol je tolika količina tvari koja sadrži onoliko čestica (atoma, molekula itd.) koliko ima atoma u 12 g izotopa ugljik-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) jednaka je 44, a odgovarajuće molekulske mase bit će jednake 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 proračuničešće se koristi nije 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 uređaji mjere ukupnu toplinu Q 0 , koji se oslobađa tijekom izgaranja vaganja uzorka goriva m. Kalorijska vrijednost Q g nalazi se prema formuli

Odnos između topline izgaranja i
kalorijska 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 + O 2 → CO 2.

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.

Istovremeno, dušik, halogenidi i drugi nezapaljivi elementi oslobađaju se u slobodnom obliku.

zapaljivi plin

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

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

M=1∙12+4∙1=16 g/mol.

Idemo definirati kalorijska vrijednost 1 kg metana:

Nađimo volumen 1 kg metana, znajući njegovu gustoću ρ=0,717 kg/m 3 u normalnim uvjetima:

.

Odredite ogrjevnu vrijednost 1 m 3 metana:

Kalorična vrijednost svih zapaljivih plinova određuje se na sličan način. Za mnoge uobičajene tvari, kalorijske vrijednosti i kalorijske vrijednosti izmjerene su s visokom točnošću i dane su u relevantnoj referentnoj literaturi. Navedimo tablicu vrijednosti kalorijske vrijednosti nekih plinovitih tvari (tablica 5.1). Vrijednost Q u ovoj tablici je dano 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 plinovitog različita goriva

zapaljiva tekućina ili čvrsta

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

Odredite molekulsku masu etilnog alkohola u skladu s njegovom kemijskom formulom (C 2 H 5 OH):

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

Odredite ogrjevnu 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 tekuće 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 (ekvivalentnu formulu goriva), odnosno postotak sljedeće stavke:

kisik (O);

vodik (H);

Ugljik (C);

Sumpor (S);

Pepeo (A);

Voda (W).

Produkti izgaranja goriva uvijek sadrže vodena para, formiran kako zbog prisutnosti vlage u gorivu, tako i tijekom izgaranja vodika. Otpadni produkti izgaranja napuštaju industrijsko postrojenje na temperaturi iznad temperature 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 Mendelejevom formulom:

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

gdje je postotak (maseni %) sadržaj odgovarajućih elemenata u sastavu goriva naveden u zagradama.

Ova formula uzima u obzir toplinu egzotermnih reakcija izgaranja ugljika, vodika i sumpora (s predznakom plus). Kisik, koji je dio goriva, 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 prema formuli Mendelejeva (5.1) daje pogrešku ne veću od 10%.

Donja ogrjevna vrijednost Q n(MJ / m 3) suhih zapaljivih plinova može se s dovoljnom točnošću izračunati kao zbroj umnožaka ogrjevne vrijednosti pojedinih komponenti i njihovog postotka u 1 m 3 plinovitog goriva.

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

gdje je u zagradama naveden postotak (vol.%) sadržaja odgovarajućih plinova u smjesi.

Prosječna ogrjevna vrijednost prirodnog plina je približno 53,6 MJ/m 3 . U umjetno proizvedenim zapaljivim plinovima sadržaj CH 4 metana je zanemariv. Glavne zapaljive komponente su vodik H2 i ugljikov monoksid CO. U koksnom plinu, na primjer, sadržaj H 2 doseže (55 ÷ 60)%, a donja ogrjevna vrijednost takvog plina doseže 17,6 MJ/m 3 . U generatorskom plinu sadržaj CO ~ 30% i H 2 ~ 15%, dok je donja ogrjevna vrijednost generatorskog plina Q n= (5,2÷6,5) MJ/m 3 . U plinu visoke peći sadržaj CO i H 2 je manji; veličina Q n= (4,0÷4,2) MJ/m 3 .

Razmotrite 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 dato u tab. 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 na grijanje, a toplinski kapacitet vode S\u003d 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