Mūsdienās cilvēki ir ļoti atkarīgi no degvielas. Mājokļu apkure, ēdiena gatavošana, iekārtu ekspluatācija un Transportlīdzeklis... Lielākā daļa izmantoto degvielu ir ogļūdeņraži. Lai novērtētu to efektivitāti, tiek izmantotas īpatnējo sadegšanas siltumu vērtības. Petrolejai ir salīdzinoši iespaidīgs sniegums. Pateicoties šai kvalitātei, to izmanto raķešu un lidmašīnu dzinējos.

Pateicoties savām īpašībām, petroleju izmanto raķešu dzinējos

Rekvizīti, saņemšana un pieteikšanās

Petrolejas vēsture ir vairāk nekā 2 tūkstošus gadu veca, un tā sākas ar laiku, kad arābu zinātnieki nāca klajā ar metodi eļļas destilēšanai atsevišķos komponentos. Tas tika oficiāli atvērts 1853. gadā, kad kanādiešu ārsts Ābrahams Gesners izstrādāja un patentēja metodi caurspīdīgas iegūšanai. uzliesmojošs šķidrums no bitumena un degslānekļa.

Pēc pirmās urbšanas eļļas aka 1859. gadā eļļa kļuva par galveno petrolejas izejvielu. Tā kā to plaši izmanto lampās, tas jau vairākus gadu desmitus tiek uzskatīts par rafinētu produktu. Tikai elektrības parādīšanās samazināja tās nozīmi apgaismojumā. Pieaugot automašīnu popularitātei, petrolejas ražošana samazinājās.- šis apstāklis ​​ir būtiski palielinājis benzīna kā naftas produkta nozīmi. Neskatoties uz to, petroleja joprojām tiek izmantota daudzviet pasaulē apkurei un apgaismojumam, un mūsdienu reaktīvo dzinēju degviela ir tas pats produkts, bet augstākas kvalitātes.

Līdz ar automašīnu izmantošanas pieaugumu - petrolejas popularitāte ir kritusies

Petroleja - viegla dzidrs šķidrums, kas ķīmiski ir maisījums organiskie savienojumi... Tās sastāvs lielā mērā ir atkarīgs no izejvielas, bet parasti tas sastāv no duci dažādu ogļūdeņražu, katra molekula satur no 10 līdz 16 oglekļa atomiem. Petroleja ir mazāk gaistoša nekā benzīns. Petrolejas un benzīna relatīvā aizdegšanās temperatūra, pie kuras tie virsmas tuvumā izdala uzliesmojošus tvaikus, ir attiecīgi 38 un -40 ° C.

Šī īpašība ļauj uzskatīt petroleju par salīdzinoši drošu degvielu uzglabāšanas, lietošanas un transportēšanas ziņā. Pamatojoties uz tā viršanas temperatūru (150 līdz 350 ° C), to klasificē kā vienu no tā sauktajiem jēlnaftas vidējiem destilātiem.

Petroleju var iegūt tiešā veidā, tas ir, fiziski atdalītu no eļļas, destilējot vai izmantojot ķīmiskā sadalīšanās smagākas frakcijas plaisāšanas procesa rezultātā.

Petrolejas kā degvielas raksturojums

Degšana ir vielu vardarbīgas oksidēšanās process, izdalot siltumu. Parasti reakcijā tiek iesaistīts gaisā esošais skābeklis. Ogļūdeņražu sadegšanas laikā veidojas šādi galvenie sadegšanas produkti:

• oglekļa dioksīds;
• ūdens tvaiki;
• sodrēji.

Degvielas sadegšanas laikā radītās enerģijas daudzums ir atkarīgs no tās veida, degšanas apstākļiem, masas vai tilpuma. Enerģiju mēra džoulos vai kalorijās. Specifisks (uz vielas daudzuma mērvienību) sadegšanas siltums ir enerģija, kas iegūta, sadegot degvielas vienībai:

• molārais (piemēram, J / mol);
• masa (piemēram, J / kg);
• tilpuma (piemēram, kcal / l).

Vairumā gadījumu, lai novērtētu gāzveida, šķidro un cieto kurināmo, tiek izmantots masas sadegšanas siltums, kas izteikts J / kg.

Siltumspējas vērtība būs atkarīga no tā, vai tika ņemti vērā procesi, kas notiek ar ūdeni degšanas laikā. Mitruma iztvaikošana ir enerģiju patērējošs process, un, ņemot vērā siltuma pārnesi šo tvaiku kondensācijas laikā, tas var ietekmēt arī rezultātu.

Mērījumu rezultātu, kas veikti, pirms kondensētais tvaiks atgriež sistēmā enerģiju, sauc par zemāko siltumspēju, un vērtību, kas iegūta pēc tvaiku kondensācijas, sauc par bruto siltumu. Ogļūdeņraža dzinēji nevar izmantot ūdens tvaiku papildu enerģiju izplūdes gāzēs, tāpēc neto skaitlis ir aktuāls dzinēju ražotājiem un biežāk atrodams uzziņu grāmatās.

Bieži vien, norādot siltumspēju, viņi nenorāda, kura vērtība ir domāta, kas var radīt neskaidrības. Tas palīdz orientēties zināšanās, ka Krievijas Federācijā ir pieņemts norādīt zemāko.

Neto siltumspēja - svarīgs rādītājs

Jāņem vērā, ka dažiem kurināmajiem nav jēgas sadalīt neto un bruto enerģijā, jo tie degšanas laikā neveido ūdeni. Attiecībā uz petroleju tam nav nozīmes, jo ogļūdeņražu saturs tajā ir augsts. Ar salīdzinoši zemu blīvumu (no 780 kg/m³ līdz 810 kg/m³) tās siltumspēja ir līdzīga dīzeļdegvielas siltumspējai un ir:

• zemākais - 43,1 MJ / kg;
• augstākais - 46,2 MJ / kg.

Salīdzinājums ar citām degvielām

Šis indikators ir ļoti ērts, lai novērtētu iespējamo kurināmā esošā siltuma daudzumu. Piemēram, benzīna sadegšanas siltums uz masas vienību ir salīdzināms ar petrolejas sadegšanas siltumu, bet pirmais ir daudz blīvāks. Tā rezultātā tajā pašā salīdzinājumā litrā benzīna ir mazāk enerģijas.

Īpašs karstums naftas kā ogļūdeņražu maisījuma sadegšana ir atkarīga no tās blīvuma, kas ir mainīgs dažādiem laukiem (43-46 MJ / kg). Aprēķinu metodes ļauj ar augsta precizitāte nosaka šo vērtību, ja ir sākotnējie dati par tā sastāvu.

Vidējie rādītāji dažiem degošu šķidrumu veidiem, kas veido eļļu, izskatās šādi (MJ / kg):

• dīzeļdegviela - 42-44;
• benzīns - 43-45;
• petroleja - 43-44.

Cietā kurināmā, piemēram, kūdras un ogļu, siltumspēja ir lielāka. Tas ir saistīts ar faktu, ka to sastāvs var ievērojami atšķirties gan pēc nedegošu vielu satura, gan pēc ogļūdeņražu kaloriju satura. Piemēram, kūdras siltumspēja dažādi veidi var svārstīties robežās no 8-24 MJ / kg, un ogles - 13-36 MJ / kg. Starp parastajām gāzēm ūdeņradim ir augsta siltumspēja - 120 MJ / kg. Nākamais pēc īpatnējā sadegšanas siltuma ir metāns (50 MJ / kg).

Var teikt, ka petroleja ir degviela, kas ir izturējusi laika pārbaudi tieši tās salīdzinoši augstās energointensitātes dēļ par zemu cenu. Tā izmantošana ir ne tikai ekonomiski pamatota, bet atsevišķos gadījumos arī nav alternatīvas.

Diezgan bieži, izvēloties, tiek ņemta vērā degvielas siltumspēja apkures ierīces mājām un vasarnīcām, izvēloties apkures sistēmas dzīvoklim. Šis parametrs ir svarīgs arī, izvēloties degvielas sistēmas automašīnām (pārejot no šķidrās degvielas uz gāzi vai elektrību).

Jāpiebilst, ka šobrīd daudzas zinātniskās organizācijas, pētniecības institūti, laboratorijas un pat specializēti uzņēmumi izstrādā sistēmas, kas var palielināt šo parametru un ļaut optimālāk izmantot sadegšanas laikā izdalīto enerģiju. Parasti to panāk, palielinot instalācijas efektivitāti.

Šāda parametra klātbūtne ir saistīta ar to, ka dažādi veidi piešķirt dažāda summa siltums (enerģija) sadegšanas procesā, kas ir īpaši svarīgi rūpniecības uzņēmumiem un katlu mājām, kopš atlases optimāls skats ietaupīs ievērojamus finanšu resursus rūpniecisko iekārtu ekspluatācijai.

Zemāk tiks dota kurināmā siltumspējas definīcija, apskatīts, kāds ir kurināmā īpatnējais sadegšanas siltums un dažu energoresursu vērtības (koksnes, ogļu, naftas produktu īpatnējais sadegšanas siltums).

Zem apkures vērtības dažādi veidi energoresursi saprot, cik daudz siltumenerģijas (kilokalorijas) tiks izvadīts, sadedzinot vienu kurināmā materiāla vienību. Lai noteiktu šo parametru, tiek izmantota īpaša ierīce, ko sauc par kalorimetru. Ir arī cita ierīce - kalorimetriskā bumba.

Mērierīcēs viena degvielas materiāla vienība silda ūdeni, kā rezultātā veidojas ūdens tvaiki. Pēc tam tvaiks kondensējas, pilnībā pārvēršoties šķidrā stāvoklī, ko sauc par kondensāciju. Šajā gadījumā tvaiks pilnībā atdod siltumenerģiju mērierīcei. Tomēr trūkums šādu mērinstrumenti vai tas ir siltumenerģija ne viss, kas iznāk degvielas sadegšanas laikā. Tas ir saistīts ar faktu, ka iztvaikošanas laikā siltumenerģijas daudzums ir lielāks nekā kondensācijas laikā. Tādējādi nav iespējams izmērīt visu atbrīvoto enerģiju. Ierīču trūkumi ietver ne ideālo materiālu siltumvadītspēju, no kuriem tās ir izgatavotas, kas arī samazina faktisko sadegšanas ātrumu. Šie kritēriji ir pietiekami nozīmīgi laboratorijas pētījumiem, bet praktiskos mērījumos tie tiek ignorēti. Rūpniecisko iekārtu darbības laikā šie zudumi palielinās efektivitātes dēļ (nevis 100%).

Šajā gadījumā kalorimetriskā bumbā (kur mērīšanas process ir precīzāks nekā kalorimetrā) iegūtos rādītājus sauc par degvielas materiāla augstāko siltumspējas vērtību.

Kalorimetra indikatori ir zemākais degvielas sadegšanas siltums, kas atšķiras no augstākās vērtības 600x (9H + W) / 100, kur H un W ir ūdeņraža un mitruma daudzums, kas atrodas konkrēta kurināmā materiāla vienībā. Jāatceras, ka saskaņā ar Amerikas standartiem aprēķiniem tiek izmantota lielākā vērtība, bet valstīm ar metrisko sistēmu - zemākā vērtība. Šobrīd ir jautājums par pāreju metriskā sistēma uz augstāko rādītāju, jo vairāki zinātnieki to atzinuši par optimālāku.

Vērtības dažādiem degvielas materiālu veidiem

Bieži vien daudzus interesē kurināmā īpatnējā sadegšanas siltuma vērtība konkrētam enerģijas nesēja veidam, savukārt diezgan bieži interesē malkas siltumspēja. Tas kļuva īpaši aktuāls gadā pēdējie laiki, kad gāja mode klasiskās krāsnis mājās. Malkas siltumspēja dažādas šķirnes koks ir atšķirīgs, bieži tiek norādīta vidējā vērtība. Tālāk ir norādītas vērtības šādiem degvielas materiālu veidiem:

1. Malkas (bērza, skujkoku) siltumspēja ir vidēji 14,5-15,5 MJ / kg. Brūnoglēm ir vienāds siltuma pārneses ātrums.
2. Ogļu siltuma pārnese ir 22 MJ / kg.
3. Šī vērtība kūdrai svārstās no 8-15 MJ / kg.
4. Vērtība par degvielas briketes ir robežās no 18,5-21 MJ / kg.
5. Gāze, kas tiek piegādāta dzīvojamās ēkas, ir rādītājs 45,5 MJ / kg.
6. Gāzes pudelēs (propāns-butāns) indikators ir 36 MJ / kg.
7. Dīzeļdegvielas rādītājs ir 42,8 MJ / kg.
8. Priekš dažādi zīmoli benzīna vērtība svārstās no 42-45 MJ / kg.

Konkrētas vērtības

Īpatnējās sadegšanas vērtības ir aprēķinātas vairākiem kurināmā materiāliem. Tie ir fiziski lielumi, kas parāda siltumenerģijas daudzumu, kas rodas vienas vienības sadegšanas rezultātā. Parasti mēra džoulos uz kilogramu (vai kubikmetru). Amerikas Savienotajās Valstīs vērtības ir norādītas kalorijās uz kilogramu. Šie koeficienti ir siltuma pārnese. Tie tiek mērīti laboratorijā, pēc tam dati tiek ievadīti īpašās tabulās, kas ir publiski pieejamas. Jo augstāka ir enerģijas resursa siltuma pārnese (siltums, ko nodrošina kurināmā sadegšana), jo efektīvāka tiek uzskatīta degviela. Tas ir, tajā pašā instalācijā ar vienu efektivitāti kurināmā, kurai ir augstāka siltuma pārneses vērtība, patēriņš būs mazāks.

Degvielas īpatnējais sadegšanas siltums gandrīz vienmēr tiek izmantots projektēšanas aprēķinos (projektējot dažādas iekārtas), kā arī nosakot apkures sistēmas un aprīkojums mājām, dzīvokļiem, vasarnīcām utt.

5. DEDEGŠANAS TERMĀLAIS LĪDZSVARS

Apskatīsim metodes, kā aprēķināt gāzveida, šķidro un sadegšanas procesa siltuma bilanci cietais kurināmais... Aprēķins tiek samazināts līdz šādu uzdevumu risināšanai.

· Degvielas sadegšanas siltuma (siltumspējas) noteikšana.

· Teorētiskās degšanas temperatūras noteikšana.

5.1. DEGŠANAS SILTUMS

Ķīmiskās reakcijas pavada siltuma izdalīšanās vai absorbcija. Kad izdalās siltums, reakciju sauc par eksotermisku, un, kad tā tiek absorbēta, to sauc par endotermisku. Visas degšanas reakcijas ir eksotermiskas, un sadegšanas produkti ir eksotermiski.

Siltumu, kas izdalās (vai absorbēts) ķīmiskās reakcijas laikā, sauc par reakcijas siltumu. Eksotermiskās reakcijās tas ir pozitīvs, endotermiskās reakcijās tas ir negatīvs. Degšanas reakciju vienmēr pavada siltuma izdalīšanās. Ar degšanas siltumu Q g(J / mol) ir siltuma daudzums, kas izdalās, pilnībā sadedzinot vienu molu vielas un pārvēršot degošu vielu pilnīgas sadegšanas produktos. Mols ir vielas daudzuma SI pamatvienība. Viens mols ir vielas daudzums, kurā ir tik daudz daļiņu (atomu, molekulu utt.), cik atomu ir 12 g oglekļa-12 izotopa. Vielas daudzuma masa, kas vienāda ar 1 molu (molekulāra vai molārā masa) skaitliski sakrīt ar dotās vielas relatīvo molekulmasu.

Piemēram, skābekļa (O 2) relatīvā molekulmasa ir 32, oglekļa dioksīds(CO 2) ir 44, un atbilstošās molekulmasas būs M = 32 g / mol un M = 44 g / mol. Tādējādi viens mols skābekļa satur 32 gramus šīs vielas, bet viens mols CO 2 satur 44 gramus oglekļa dioksīda.

V tehniskie aprēķini biežāk netiek izmantots sadegšanas siltums Q g, un degvielas siltumspēju J(J / kg vai J / m 3). Vielas siltumspēja ir siltuma daudzums, kas izdalās, pilnībā sadedzinot 1 kg vai 1 m 3 vielas. Šķidrumam un cietvielas aprēķins tiek veikts 1 kg, bet gāzveida - 1 m 3.

Zināšanas par degšanas siltumu un degvielas siltumspēju ir nepieciešamas, lai aprēķinātu degšanas vai sprādziena temperatūru, spiedienu sprādziena laikā, liesmas izplatīšanās ātrumu un citus raksturlielumus. Degvielas siltumietilpību nosaka eksperimentāli vai aprēķini. Eksperimentālā siltumspējas noteikšanā noteikta masa cietā vai šķidrā kurināmā tiek sadedzināta kalorimetriskā bumbā, bet gāzveida kurināmā gadījumā - gāzes kalorimetrā. Ar šo ierīču palīdzību tiek mērīts kopējais siltums J 0, izdalās degvielas parauga ar masu sadegšanas laikā m... Kaloritātes vērtība Q g tiek atrasts pēc formulas

Attiecības starp degšanas siltumu un
degvielas siltumspēja

Lai noteiktu sakarību starp degšanas siltumu un vielas siltumspēju, ir nepieciešams pierakstīt degšanas ķīmiskās reakcijas vienādojumu.

Oglekļa pilnīgas sadegšanas produkts ir oglekļa dioksīds:

C + O 2 → CO 2.

Ūdeņraža pilnīgas sadegšanas produkts ir ūdens:

2H2 + O2 → 2H2O.

Sēra pilnīgas sadegšanas produkts ir sēra dioksīds:

S + O 2 → SO 2.

Tajā pašā laikā slāpeklis, halogēni un citi nedegoši elementi tiek atbrīvoti brīvā formā.

Degviela - gāze

Piemēram, aprēķināsim CH 4 metāna siltumspēju, kuram sadegšanas siltums ir Q g=882.6 .

Nosakiet metāna molekulmasu saskaņā ar to ķīmiskā formula(CH 4):

M = 1 ∙ 12 + 4 ∙ 1 = 16 g / mol.

· Definējiet siltumspēja 1 kg metāna:

Ļaujiet mums atrast 1 kg metāna tilpumu, zinot tā blīvumu ρ = 0,717 kg / m 3 normālos apstākļos:

.

· Noteiksim siltumspēju 1 m 3 metāna:

Jebkuru degošu gāzu siltumspēju nosaka līdzīgi. Daudzām izplatītām vielām siltumspējas un siltumietilpības ir izmērītas ar augstu precizitāti un ir uzskaitītas attiecīgajā atsauces literatūrā. Šeit ir dažu gāzveida vielu siltumspējas tabula (5.1. tabula). Lielums Jšajā tabulā ir norādīts MJ / m 3 un kcal / m 3, jo bieži vien kā siltuma vienība tiek izmantota 1 kcal = 4,1868 kJ.

5.1. tabula

Gāzes apmaiņas siltumspēja dažādas degvielas

Uzliesmojoša viela – šķidra vai ciets

Piemēram, aprēķināsim etilspirta C 2 H 5 OH siltumspēju, kuram sadegšanas siltums ir Q g= 1373,3 kJ / mol.

Mēs nosakām etilspirta molekulmasu saskaņā ar tā ķīmisko formulu (C 2 H 5 OH):

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

Nosaka siltumspēju 1 kg etilspirta:

Jebkura šķidrā un cietā kurināmā siltumspēju nosaka līdzīgi. Tabula 5.2 un 5.3 parāda siltumspēju J(MJ / kg un kcal / kg) dažām šķidrām un cietām vielām.

5.2. tabula

Šķidrā kurināmā siltumspēja

5.3. tabula

Cietā kurināmā siltumspēja

Mendeļejeva formula

Ja degvielas siltumspēja nav zināma, tad to var aprēķināt, izmantojot empīrisko formulu, ko piedāvā D.I. Mendeļejevs. Lai to izdarītu, jums jāzina degvielas elementārais sastāvs (ekvivalentā degvielas formula), tas ir, procentuālais daudzums tajā. šādus elementus:

Skābeklis (O);

Ūdeņradis (H);

Ogleklis (C);

Sērs (S);

Pelni (A);

Ūdens (W).

Degvielas sadegšanas produkti vienmēr satur ūdens tvaiki, veidojas gan mitruma klātbūtnes dēļ degvielā, gan ūdeņraža sadegšanas laikā. Degšanas atkritumi iziet no rūpnieciskās iekārtas temperatūrā, kas pārsniedz rasas punkta temperatūru. Tāpēc siltumu, kas izdalās ūdens tvaiku kondensācijas laikā, nevar izmantot lietderīgi un to nevajadzētu ņemt vērā termiskajos aprēķinos.

Aprēķinos parasti izmanto zemāko siltumspēju. Q n degviela, kurā ņemti vērā siltuma zudumi ar ūdens tvaikiem. Cietajam un šķidrajam kurināmajam vērtība Q n(MJ / kg) aptuveni nosaka pēc Mendeļejeva formulas:

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

kur iekavās norādīts attiecīgo elementu procentuālais (masas %) saturs degvielas sastāvā.

Šī formula ņem vērā oglekļa, ūdeņraža un sēra sadegšanas eksotermisko reakciju siltumu (ar plusa zīmi). Skābeklis, kas ir daļa no degvielas, daļēji aizvieto skābekli gaisā, tāpēc atbilstošo terminu formulā (5.1) ņem ar mīnusa zīmi. Mitrumam iztvaikojot, tiek patērēts siltums, tāpēc ar mīnusa zīmi tiek ņemts arī attiecīgais termins, kas satur W.

Salīdzinot aprēķinātos un eksperimentālos datus par dažādu kurināmo (koksne, kūdra, akmeņogles, nafta) siltumspēju, tika konstatēts, ka aprēķins pēc Mendeļejeva formulas (5.1) dod kļūdu, kas nepārsniedz 10%.

Neto siltumspēja Q n(MJ / m 3) sausās degošās gāzes ar pietiekamu precizitāti var aprēķināt kā atsevišķu komponentu siltumspējas produktu summu un to procentuālo daudzumu 1 m 3 gāzveida kurināmā.

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

kur iekavās norādīts attiecīgo gāzu procentuālais (tilpuma%) saturs maisījumā.

Dabasgāzes vidējā siltumspēja ir aptuveni 53,6 MJ / m 3. Mākslīgi ražotās degošās gāzēs CH 4 metāna saturs ir nenozīmīgs. Galvenās degošās sastāvdaļas ir ūdeņradis H2 un oglekļa monoksīds CO. Piemēram, koksa krāsns gāzē H 2 saturs sasniedz (55 ÷ 60)%, un šādas gāzes zemākā siltumspēja sasniedz 17,6 MJ / m 3. Ģeneratora gāzē CO saturs ir ~ 30% un H2 ir ~ 15%, savukārt ģeneratora gāzes zemākā siltumspēja ir Q n= (5,2 ÷ 6,5) MJ / m 3. Domnas gāzē CO un H 2 saturs ir mazāks; lielums Q n= (4,0 ÷ 4,2) MJ / m 3.

Apskatīsim piemērus vielu siltumspējas aprēķināšanai pēc Mendeļejeva formulas.

Noteiksim ogļu siltumspēju, kuru elementārais sastāvs dots tabulā. 5.4.

5.4. tabula

Ogļu elementārais sastāvs

· Aizvietotājs norādīts tabulā. 5.4. dati Mendeļejeva formulā (5.1) (slāpeklis N un pelni A nav iekļauti šajā formulā, jo ir inertas vielas un nepiedalās degšanas reakcijā):

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

Nosakiet malkas daudzumu, kas nepieciešams, lai uzsildītu 50 litrus ūdens no 10 ° C līdz 100 ° C, ja apkure patērē 5% no sadegšanas laikā izdalītā siltuma, un ūdens siltumietilpību. ar= 1 kcal / (kg ∙ grādi) vai 4,1868 kJ / (kg ∙ grādi). Malkas elementārais sastāvs dots tabulā. 5.5:

5.5. tabula

Malkas elementārais sastāvs