У любого вида топлива есть набор характеристик, которые определяют его класс и качество. К одному из основных показателей относится удельная теплота сгорания. Этот параметр количественно выражает теплоту, выделяемую при сгорании одного килограмма топлива (если речь идет о жидком или твердом продукте) или 1 кубического метра топлива (для газообразного вещества).
Почему удельная теплота сгорания – это важная характеристика для топлива, что такое низшая теплота и что показывает температура возгорания – об этом поговорим в данной статье.
Удельная теплота сгорания топлива
Полностью сгорая, определенное количество топлива выделяет конкретное количество тепла. Чем больше тепла выделяется одним килограммом или литром топлива (в этой статье преимущественно речь пойдет о жидком топливе), тем больше энергетической ценностью он обладает. А это значит, что топливо будет расходоваться экономично.
В физике используется формула вычисления Q = q * m, где Q – это количество выделенной теплоты в Дж, q – удельная теплота сгорания, выраженная в Дж/м3, m – масса в килограммах. Чем выше q, тем больше энергии получается в процессе работы двигателя.
Путем сложных исследовательских процессов была определена стандартная удельная теплота сгорания большинства видов твердого, жидкого и газообразного топлива, поэтому q представляет собой табличную величину. Удельная теплота сгорания самых востребованных жидких видов смесей колеблется в пределах 43-46 МДж/кг.
Необходимое количество топлива для работы лампочки мощностью 100 Вт в течение года
(Количество топлива указанное ниже 100 % эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую. Так как большинство электрогенераторов и распределительных систем достигают эффективности (КПД) порядка 30 % — 35 %, фактическое количество топлива, используемого для питания лампочки мощностью 100 Вт, будет приблизительно в три раза больше указанного количества).
- 166 кг древесины
- 117—210 кг угля
- 73,34 кг керосина
- 78,8 m³ природного газа (используя усредненную величину 40000 кДж/м³)
- 58 кг метана
- 0,006 кг урана
- 17,5 мкг антивещества
Теплота сгорания низшая и высшая
Поскольку определение точной удельной теплоты – это сложный процесс, необходимо заранее определиться с используемыми терминами. В нашем случае нужно отделить низкую теплоту сгорания от высшей.
Высшая теплота – это количество теплоты при сгорании топлива в полном объеме, включая выпадение конденсата в виде водяных паров во время охлаждения веществ. Процесс горения сопровождается выделением воды из-за содержания в топливном продукте органического водорода, под воздействием высокой температуры вода переходит в состояние пара. Низшая теплота не включает в себя конденсацию паров – в этом случае конденсация количественно выражается в скрытой теплоте сгорания.
В исследовательской среде низшая теплота сгорания принимается за 100%, а охлаждение горючего допускается до температуры, при которой начинается конденсироваться пар. Все остальное относят уже к области скрытой теплоты сгорания, которая может дополнительно составлять свыше 10%.
Посчитать низшую теплоту корректно не считается возможным, поэтому её определяют путем вычитания из количественного выражения высшей теплоты сгорания числового выражения теплоты, получаемой от образования водяных паров как самого топлива, так и продуктов сжигания. Низшая теплота является табличной величиной и для основных видов топлива определена путем тестирований.
Поскольку q определена как справочная величина, становится легко сравнить целесообразность использования того или иного вида топлива в различных ситуациях. Благодаря составленным таблицам можно сравнить энергоэффективность твердого и жидкого топлива с газовым эквивалентом. Так, один литр бензина по КПД сопоставим с 1,3 м3 газового топлива.
Задача №9
КПД шахтной печи составляет $60 \%$. Сколько надо древесного угля, чтобы нагреть $10 \space 000 \space кг$ чугуна от $20 \degree C$ до $1100 \degree C$?
Дано: $\eta = 60 \% = 0.6$ $m_ч = 10 \space 000 \space кг$ $c_ч = 540 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C}$ $t_1 = 20 \degree C$ $t_2 = 1100 \degree C$ $q_у = 3.4 \cdot 10^7 \frac{Дж}{кг}$
$m_у — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Формула для КПД шахтной печи: $\eta = \frac{Q _ч}{Q_у}$, где $Q_ч$ — количество теплоты, которое необходимо сообщить чугуну, чтобы нагреть его, $Q_у$ — количество теплоты, которое выделится при сгорании древесного угля неизвестной массы.
Выразим отсюда $Q_у$: $Q_у = \frac{Q_ч}{\eta}$.
Количество тепла, которое выделится при сгорании древесного угля, определяется по формуле: $Q_у = q_у m_у$.
Выразим отсюда массу древесного угля: $m_у = \frac{Q_у}{m_у}$.
Подставим сюда найденное выражение для $Q_у$: $m_у = \frac{\frac{Q_ч}{\eta}}{q_у} = \frac{Q_ч}{\eta \cdot q_у}$.
Рассчитаем отдельно величинe $Q_ч$. Количество теплоты, необходимое для нагревания чугуна: $Q_ч = = c_ч m_ч (t_2 — t_1)$.
Рассчитаем его: $Q_ч = 540 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C} \cdot 10 \space 000 \space кг \cdot (1100 \degree C — 20 \degree C) = 0.54 \cdot 10^7 \frac{Дж}{кг} \cdot 1080 \degree C = 583.2 \cdot 10^7 \space Дж$.
Теперь мы можем рассчитать необходимую массу древесного угля: $m_у = \frac{583.2 \cdot 10^7 \space Дж}{0.6 \cdot 3.4 \cdot 10^7 \frac{Дж}{кг}} = \frac{583.2 \space кг}{2.04} \approx 286 \space кг$.
Ответ: $m_у \approx 286 \space кг$.
Удельная теплота сгорания бензина
Удельная теплота сгорания бензина не зависит от октанового числа топлива и определяется только химическим составом продукта. Чем больше в нем соединений водорода, тем больше влаги и паров будет образовываться во время горения и тем ниже будет удельная теплота. Это прямым образом снижает КПД продукта.
Определенная исследовательским методом удельная теплота бензина составляет 43,5–44,5 МДж/кг. Для примера – числовая характеристика для бензина марки АИ-93 – 43,6 МДж/кг. А вот у авиационного бензина (Б-70 в соответствии с ГОСТ) показатель уже равен 44,1 МДж/кг. Это значит, что Б-70 – более энергоэффективное топливо.
На практике, простому автолюбителю определить влияние удельной теплоты сгорания на работу транспортного средства сложно. Однако существуют ситуации, в которых происходит заметное снижение количества теплоты и энергии топлива. Одна из них – наличие в составе топливной массы минеральных соединений и несгорающих остатков. Концентрация горючей массы снижается, а минеральные соединения и зола, не подверженные сгоранию, забирают часть выделяемой энергии.
Наличие серного компонента в составе топливного продукта также снижает q. В процессе нагрева и горения, сера выделяет газ, который оседает на внутренних деталях рабочего механизма и попадает в легкие человека. Это приводит к образованию коррозии и преждевременному изнашиванию рабочих элементов, загрязняет окружающий воздух. Поэтому очень важно выбирать топливо, свободное от большинства вредных примесей, и заправляться в проверенных сетях АЗС, следящих за репутацией представляемых продуктов.
Бурый уголь
Бурый уголь — самая молодая твёрдая горная порода, которая образовалась около 50 млн лет назад из торфа или лигнита. По своей сути, это «недозревший» каменный уголь.
Это полезное ископаемое получило своё название из-за цвета – оттенки варьируются от буро-рыжего до чёрного. Бурый уголь считается топливом низкой степени углефикации (метаморфизма). Он содержит в себе от 50% углерода, но также много летучих веществ, минеральных примесей и влаги, поэтому гораздо легче горит и даёт больше дыма и запаха гари.
В зависимости от влажности, бурый уголь делят на марки 1Б (влажность более 40%), 2Б (30-40%) и 3Б (до 30%). Выход летучих веществ у бурых углей составляет до 50%.
При продолжительном контакте с воздухом бурый уголь имеет свойство терять структуру и растрескиваться. Среди всех видов угля он считается самым некачественным топливом, так как выделяет куда меньше тепла: теплота сгорания составляет всего 4000 — 5500 ккалкг.
Бурый уголь залегает на небольших глубинах (до 1 км), поэтому его гораздо легче и дешевле добывать. Однако в России как топливо он применяется намного реже, чем каменный уголь. Из-за низкой стоимости бурому углю всё же отдают предпочтение некоторые мелкие и частные котельные и ТЭЦ.
В России крупнейшие месторождения бурого угля располагаются в Канско-Ачинском бассейне (Красноярский край). В целом участок обладает запасами почти в 640 млрд т (около 140 млрд т пригодны для разработки открытыми способом).
Богато запасами бурого угля и единственное угольное месторождение в Алтае – Солтонское. Его прогнозируемые запасы составляют 250 млн т.
Около 2 трлн т бурого угля таит в себе Ленский угольный бассейн, расположенный на территории Якутии и Красноярского края. Кроме того, этот вид полезного ископаемого нередко залегает вместе с каменным углём – так, его также получают на месторождениях Минусинского и Кузнецкого угольных бассейнов.
Удельная теплота сгорания керосина
Химическая структура керосина представляет собой прямую или разветвленную цепь углеводородов, различные добавки и присадки позволяют использовать этот нефтяной дистиллят для массового питания автотранспортных средств.
Чтобы использование керосина в качестве топлива было оправдано, выбранная марка этой горючей смеси должна обладать предельной удельной теплотой сгорания. В случае с керосином табличное определение удельной теплоты имеет погрешность – из-за непостоянного состава горючего, в который входит 4 типа углеводородов, вследствие чего приходится делать расчеты на основании изначальных характеристик использованной нефти.
Удается определить оптимальную удельную теплоту горения, используя в подсчетах минимальную температуру горения жидкости (+215 градусов). Чем ближе температура к данному числу, тем выше удельная теплоемкость продукта, а значит, и выше удельная теплота сгорания. Уже при +200 градусах теплоемкость достигает отметки в 2900 Дж/кг*К. В нормальных условиях удельная теплота сгорания керосина составляет 43 МДж/кг, с погрешностью в 1000 пунктов в любую сторону.
Показатель удельной теплоты прямым образом влияет на процессы горения керосина внутри двигателей. Кроме того, механизмы, функционирующие на этом нефтепродукте, подвергаются адиабатическим процессам вследствие прямой зависимости давления и объема горючего внутри рабочей камеры. Отсутствие теплообмена с внешней средой приводит к максимальной энергоэффективности используемого керосина.
Вследствие сложности определения точного параметра удельной теплоты сгорания керосина для описания химических свойств данного вида топлива предпочтительно используется коэффициент удельной теплоемкости (показывает соотношение удельной теплоемкости при неизменяемом объеме и уровне давления), который также имеет постоянную незначительную погрешность. Физический смысл точного вычисления данных величин — в последующем определении реактивной тяги и скорости выхлопа.
Особенности печи, работающей на угле
Подобное устройство имеет конструктивные особенности, предполагает проведение реакции пиролиза угля. Древесный уголь не относится к полезным ископаемым, он стал продуктом человеческой деятельности.
Температура горения угля составляет 900 градусов, что сопровождается выделением достаточного количества тепловой энергии. Какова технология создания такого удивительного продукта? Суть заключается в определенной обработке древесины, благодаря чему происходит существенное изменение ее структуры, выделение из нее избыточной влаги. Осуществляется подобный процесс в специальных печах. Принцип действия таких устройств базируется на процессе пиролиза. Печь для получения древесного угля состоит из четырех базовых компонентов:
- камеры сгорания;
- укрепленного основания;
- дымохода;
- отсека вторичной переработки.
Удельная теплота сгорания дизельного топлива
Чем выше удельная теплота сгорания дизеля, тем меньший объем жидкости сгорает при работе двигателя. Следовательно, расход горючего будет экономичным. Высокая удельная теплота является главным критерием энергоэффективности дизельного топлива.
Табличное значение удельной теплоты сгорания дизеля благодаря исследовательским тестам имеет четкие границы и составляет 39,2 – 43,3 МДж/кг. В разных странах цифры могут меняться в пределах этих двух границ.
Для расчетов относительно дизельного горючего используется только низшая удельная теплота сгорания, которая не включает в себя энергию, образующуюся при образовании и сгорании водородных соединений и образующегося водяного пара. Низшая удельная теплота сгорания дизельного горючего ниже, чем у алканов.
Энергоэффективность мотора, работающего на дизеле, зависит от степени вязкости жидкости. Чем меньше вязкость, тем выше фактическая температура возгорания и тем выше низшая удельная теплота сгорания топлива.
Химическая стабильность
Калькулятор расхода топлива: рассчитать расход топлива
Рассматривая химические качества бензина, нужно делать основной акцент на то, как долго состав углеводородов будет неизменным, так как при долгом складировании более легкие компоненты исчезают, и эксплуатационные качества сильно снижаются. В частности, остро проблема стоит тогда, если из бензина с минимальным октановым числом получилось горючее более высокой марки (АИ 95) методом добавления в его состав пропан или метана. Их антидетонационные качества выше, чем у изооктана, но и рассеиваются они моментально.
По ГОСТу химический состав топлива любой марки должен быть неизменным в течение 5 лет при соблюдении правил складирования. Но на деле часто даже только что приобретенное топливо уже имеет октановое число ниже заданного.
Виноваты в этом недобросовестные продавцы, которые добавляют сжиженный газ в емкости с горючим, время хранения которого истекло, и содержание не отвечает требованиям ГОСТа. Обычно к одному и тому же топливу добавляют различное число газа для получения октанового числа, равного 92 или 95. Подтверждением таких хитростей является резкий запах газа на АЗС.
Теплота сгорания топлива таблица
Поскольку удельная теплота сгорания – это справочная величина, представляем таблицу с данным показателем, определенным индивидуально в каждом случае лабораторным путем. Таблица содержит информацию по основным видам горючего, используемого в коммерческих и промышленных целях.
Таблица 1
Теплота сгорания топлива
| Наименование | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
| Ацетилен | 48,3 |
| Водород | 119,83 |
| Пропан-бутан | 43,8 |
| Изобутан | 45,6 |
| Метан | 50 |
| n-гексан | 45,1 |
| Природный газ | 41…49 |
| Сжиженный газ | 45,2 |
| Пропан | 46,3 |
| Пропилен | 45,8 |
| Этан | 47,5 |
| Бензин марки АИ-72 | 44,2 |
| Бензин марки АИ-93 | 43,6 |
| Бензин авиационный Б-70 | 44,1 |
| Дизельное топливо | 43,4 – 43,6 |
| Ракетное топливо с керосином | 9,2 |
| Авиационный керосин | 42,9 |
| Мазут | 39 – 41,7 |
| Метанол | 21,1 |
| Бутанол-1 | 36,8 |
| Нефть | 43,5 – 46 |
| Этанол | 30,6 |
| Толуол | 40,9 |
#Бензин#Керосин#Дизельное топливо
Откуда берется тепло в процессе горения?
Сам по себе процесс сгорания топлива — это химическая, окислительная реакция. Большинство видов топлива содержит большое количество углерода С, водорода H, серы S и других веществ. Во время горения атомы C, H, и S соединяется с атомами кислорода О2, в результате чего получается молекулы СО, СО2, Н2О, SO2. При этом происходит выделение большого количества тепловой энергии, которую люди научились использовать в своих целях.
Рис. 1. Виды топлива: уголь, торф, нефть, газ.
Основной вклад в выделение тепла дает углерод C. Второй по количеству тепла вклад вносит водород H.
Рис. 2. Атомы углерода вступают в реакцию с атомами кислорода.
Оптимизация
Важным параметром для оптимизации системы сгорания дизельного топлива в двигателе является доля доступного воздуха, участвующего в этом процессе. Коэффициент К (отношение объема поршневой чаши к зазору) является приблизительной мерой доли воздуха, доступного для сгорания. Уменьшение рабочего объема двигателя приводит к уменьшению относительного коэффициента К и к тенденции ухудшения характеристик сгорания. Для данного смещения и при постоянной степени сжатия коэффициент K можно улучшить, выбрав более длинный ход. На подбор соотношения диаметра цилиндра к двигателю может повлиять фактор K и ряд других факторов, таких как упаковка двигателя, отверстия и клапаны и так далее.
Правила транспортировки
Транспортировка большей части нефтепродуктов допускается всеми видами транспорта: автомобильным, железнодорожным, авиационным. Особые требования выдвигают к тарам – емкостям под нефтяные продукты. Они обычно изготовлены из алюминия с защитным внутренним слоем или стали. Емкости плотно закрывают крышкой с прокладкой, создаются все условия для полной герметичности. Тара должна быть обозначена соответствующей маркировкой – номер UN вещества, класс опасности. Бочки с горючим размещают вертикально и жестко фиксируют. Без оформления разрешения Минтранса и согласования маршрута допускается транспортировка 1000 литров бензина.
Цистерны автопоездов в обязательном порядке обозначают специальной маркировкой. Бензовоз должен быть оборудован заземляющим устройством. При необходимости транспортировки свыше 1000 литров горючего водитель обязан иметь при себе:
- маршрутный лист с указанным местом отправления и конечным пунктом;
- соглашение о перевозке опасных грузов;
- допуск к транспортировке грузов.
Доставкой взрывоопасных веществ, включая углеводородные смеси, могут заниматься обученные водители. У них должна быть медицинская справка. Документ подтверждает пройденный этап медицинского контроля. Компания-перевозчик обязательно должна располагать разрешением на перевозку опасных грузов внутри страны.
Важно обращать внимание на то, какая должна быть рабочая температура двигателя. Как перегрев, так и понижение показателей могут существенно навредить системе, поэтому важно вовремя обращать на это внимание и принимать меры по восстановлению, пока поломка не превратилась в серьезную проблему, исправление которой обойдется в круглую сумму
Независимое отопление без магистрали
Летнее дизельное топливо: температура замерзания. дизельное топливо: характеристики
Собственная емкость обеспечивает полный контроль над подачей топлива. Вас не отключат от магистрали, вам не страшны аварии на трубопроводе.
При любых внешних условиях система исправно подает топливо в дом.
Электричество тоже не требуется — с таким резервуаром можно пережить зиму даже при глобальном отключении коммуникаций.
Совет:
Выбирайте емкость с запасом — чем больше объем, тем реже заправлять. Учитывайте, что отопительный сезон в России длится примерно 7 месяцев (207 суток по СП 131.13330.2012 Строительная климатология).
| Площадь дома (м2) | Расход газа за год (л) | Кол-во месяцев до полного израсходования газа | ||
| Емкость 2.7 м3 (2 295 л) | Емкость 4.85 м3 (4 112 л) | Емкость 9.15 м3 (7 777 л) | ||
| 100 | 3 802 | 7 | 13 | 24.5 |
| 150 | 5 703 | 5 | 8.6 | 16.4 |
| 200 | 7 603 | 3.6 | 6.5 | 12.3 |
| 250 | 9 504 | 3 | 5.2 | 9.8 |
| 300 | 11 405 | 2.4 | 4.3 | 8.2 |
Расчеты проведены по следующим показателям:
- дом из кирпича без мансарды и подвала;
- высота этажа 3.2 м;
- КПД газового котла 92%.
Рассчитайте сами
Установка резервуара Реал-Инвест 2.5 м3 с летними земляными работами и вывозом грунта (1 машина) стоит 198 000 рублей. Модель того же производителя на 4.6 м3 с земляными работами летом и вывозом грунта (2 машины) — 230 000 рублей. Разница — 32 000 рублей.
Газгольдер заправляется строго на 85%. При отоплении дома 100 м2 емкости на 2.5 м3 хватит на 7 месяцев (2 125 л), а модели 4.6 м3 — на год (3 910 л). Разница — 1 785 л и 5 месяцев отопления.
Заправка и обслуживание
Termo Life проводит бесплатную профилактику установленных газгольдеров в течение 12 месяцев. Затем можно продлить обслуживание (12 000 рублей в год) или вызывать специалистов для разового осмотра (3 500 рублей).
Оптимальный режим заправки резервуара 1-2 раза в год. Заправку также можно заказать в Termo Life — мы поставляем качественный «зимний» состав независимо от сезона.
Температура
Температура пламени зависит от природы горючего вещества и интенсивности подвода окислителя. Например:
- Температура воспламенения для большинства твёрдых материалов – 300 °С.
- Температура пламени в горящей сигарете – 250-300 °С.
- Температура пламени спички 750-1400 °С; при этом 300 °С – температура воспламенения дерева, а температура горения дерева равняется примерно 800–1000 °С.
- Температура горения пропан-бутана – 800-1970 °С.
- Температура пламени керосина – 800 °С, в среде чистого кислорода – 2000 °С.
- Температура горения бензина – 1300-1400 °С.
- Температура пламени спирта не превышает 900 °С.
- Температура горения магния – 2200 °С; значительная часть излучения в УФ-диапазоне.
Наиболее высокие известные температуры горения:
- дицианоацетилен C4N2 5260 К (4990 °C) в кислороде и до 6000 К (5730 °C) в озоне;
- дициан (CN)2 4525 °C в кислороде.
Так как вода обладает очень большой теплоёмкостью, отсутствие водорода в горючем исключает потери тепла на образование воды и позволяет развить большую температуру.
Температура воспламенения солярки
Когда рассматривается температура воспламенения солярки, то преимущественно указывается самовоспламенение. Для летнего горючего она равна 310С, тогда как для зимнего 240С. Причина у данной разницы заключается в условиях эксплуатации и хранения. К тому же данные показатели сильно зависят от давления, потому что процесс возгорания ДТ в двигателе происходит именно при давлении, но без дополнительного источника искры (в бензиновых аналогах задействуются свечи).
Одним из важных нюансов стоит учитывать задержку воспламенения, т.к. именно она оказывает решающее влияние на ЦЧ. К тому же минимальная задержка позволяет существенно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.
