0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Содержание

Как определить теплоту сгорания топлива

Удельная теплота сгорания топлива и горючих материалов

В таблицах представлена массовая удельная теплота сгорания топлива (жидкого, твердого и газообразного) и некоторых других горючих материалов. Рассмотрено такое топливо, как: уголь, дрова, кокс, торф, керосин, нефть, спирт, бензин, природный газ и т. д.

При экзотермической реакции окисления топлива его химическая энергия переходит в тепловую с выделением определенного количества теплоты. Образующуюся тепловую энергию принято называть теплотой сгорания топлива. Она зависит от его химического состава, влажности и является основным показателем топлива. Теплота сгорания топлива, отнесенная на 1 кг массы или 1 м 3 объема образует массовую или объемную удельную теплоты сгорания.

Удельной теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема твердого, жидкого или газообразного топлива. В Международной системе единиц эта величина измеряется в Дж/кг или Дж/м 3 .

Удельную теплоту сгорания топлива можно определить экспериментально или вычислить аналитически. Экспериментальные методы определения теплотворной способности основаны на практическом измерении количества теплоты, выделившейся при горении топлива, например в калориметре с термостатом и бомбой для сжигания. Для топлива с известным химическим составом удельную теплоту сгорания можно определить по формуле Менделеева.

Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания равна максимальному количеству теплоты, выделяемому при полном сгорании топлива, с учетом тепла затраченного на испарение влаги, содержащейся в топливе. Низшая теплота сгорания меньше значения высшей на величину теплоты конденсации водяного пара, который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду.

Для определения показателей качества топлива, а также в теплотехнических расчетах обычно используют низшую удельную теплоту сгорания, которая является важнейшей тепловой и эксплуатационной характеристикой топлива и приведена в таблицах ниже.

Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)

В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.

Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·10 6 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.

К топливам с низкой энергоэффективностью можно отнести древесину, дрова, порох, фрезторф, горючие сланцы. Например, удельная теплота сгорания дров составляет 8,4…12,5, а пороха — всего 3,8 МДж/кг.

Теплотворность различных видов топлива: сравнение топлива по теплоте сгорания + таблица теплотворности

Когда определенное количество топлива сгорает, выделяется измеримое количество теплоты. Согласно Международной системе единиц величина выражается в Джоулях на кг или м 3 . Но параметры могут быть рассчитаны и в кКал или кВт. Если значение соотносится с единицей измерения топлива, оно называется удельным.

На что влияет теплотворность различного топлива? Каково значение показателя для жидких, твердых и газообразных веществ? Ответы на обозначенные вопросы подробно изложены в статье. Кроме того, мы подготовили таблицу с отображением удельной теплоты сгорания материалов – эта информация пригодится при выборе высокоэнергетического типа топлива.

Общая информация о теплотворности

Выделение энергии при горении должно характеризоваться двумя параметрами: высоким КПД и отсутствием выработки вредных веществ.

Искусственное топливо получается в процессе переработки естественного – биологического топлива. Вне зависимости от агрегатного состояния вещества в своем химическом составе имеют горючую и негорючую часть. Первая — это углерод и водород. Вторая состоит из воды, минеральных солей, азота, кислорода, металлов.

При сгорании 1 кг такой «смеси» выделяется разное количество энергии. Сколько именно этой энергии выделится, зависит от пропорций указанных элементов — горючей части, влажности, зольности и других компонентов.

Теплота сгорания топлива (ТСТ) формируется из двух уровней — высшего и низшего. Первый показатель получается из-за конденсации воды, во втором этот фактор не учитывается.

Низшая ТСТ нужна для расчетов потребности в горючем и его стоимости, с помощью таких показателей составляются тепловые балансы и определяется КПД работающих на топливе установок.

Вычислить ТСТ можно аналитически или экспериментально. Если химический состав горючего известен, применяется формула Менделеева. Экспериментальные методики основаны на фактическом измерении теплоты при сгорании топлива.

В этих случаях применяют специальную бомбу для сжигания – калориметрическую вместе с калориметром и термостатом.

Особенности расчетов индивидуальны для каждого вида топлива. Пример: ТСТ в двигателях внутреннего сгорания рассчитывается от низшего значения, потому что в цилиндрах жидкость не конденсируется.

Каждый тип веществ имеет свою ТСТ из-за особенностей химического состава. Значения существенно разнятся, диапазон колебаний — 1 000–10 000 кКал/кг.

Сравнивая разные виды материалов, используется понятие условного топлива, оно характеризуется низшей ТСТ в 29 МДж/кг.

Теплотворность твердых материалов

К этой категории относится древесина, торф, кокс, горючие сланцы, брикетное и пылевидное топливо. Основная составная часть твердого топлива — углерод.

Особенности разных пород дерева

Максимальная эффективность от использования дров достигается при условии соблюдения двух условий — сухости древесины и медленном процессе горения.

Идеальными для дровяного печного отопления считаются дубовые, березовые, ясеневые бруски. Хорошими показателями характеризуется боярышник, лещина. А вот у хвойных пород теплотворность низкая, но высокая скорость горения.

Как горят разные породы:

  1. Бук, березу, ясень, лещину сложно растопить, но они способны гореть сырыми из-за низкого содержания влажности.
  2. Ольха с осиной не образуют сажи и «умеют» удалять ее из дымохода.
  3. Береза требует достаточного количества воздуха в топке, иначе будет дымить и оседать смолой на стенках трубы.
  4. Сосна содержит больше смолы, чем ель, поэтому искрит и горит жарче.
  5. Груша и яблоня легче других раскалывается и отлично горит.
  6. Кедр постепенно превращается в тлеющий уголь.
  7. Вишня и вяз дымит, а платан сложно расколоть.
  8. Липа с тополем быстро прогорают.

Показатели ТСТ разных пород сильно зависят от плотности конкретных пород. 1 кубометр дров эквивалентен примерно 200 литрам жидкого топлива и 200 м 3 природного газа. Древесина и дрова относятся к категории с низкой энергоэффективностью.

Влияние возраста на свойства угля

Уголь является природным материалом растительного происхождения. Добывается он из осадочных пород. В этом топливе содержится углерод и другие химические элементы.

Читать еще:  Как прочистить сифон в раковине

Кроме типа на теплоту сгорания угля оказывает влияние и возраст материала. Бурый относится к молодой категории, за ним следует каменный, а самым старшим считается антрацит.

Процесс горения угля сопровождается выделением веществ, загрязняющих окружающую среду, колосники котла при этом покрываются шлаком. Еще один неблагоприятный фактор для атмосферы — наличие серы в составе топлива. Этот элемент при соприкосновении с воздухом трансформируется в серную кислоту.

Производителям удается максимально снизить содержание серы в угле. В результате ТСТ отличается даже в пределах одного вида. Влияет на показатели и география добычи. Как твердое топливо может использоваться не только чистый уголь, но и брикетированный шлак.

Наибольшая топливная способность наблюдается у коксующегося угля. Хорошими характеристиками обладает и каменный, древесный, бурый уголь, антрацит.

Характеристики пеллет и брикетов

Это твердое топливо изготавливается промышленным способом из различного древесного и растительного мусора.

Измельченная стружка, кора, картон, солома пересушивается и с помощью специального оборудования превращается в гранулы. Чтобы масса приобрела определенную степень вязкости, в нее добавляют полимер — лигнин.

Брикеты отличаются только формой, их можно загружать в печи, котлы. Оба типа горючего делятся на виды по сырью: из кругляка, торфа, подсолнечника, соломы.

У пеллет и брикетов есть существенные преимущества перед прочими разновидностями топлива:

  • полная экологичность;
  • возможность хранения практически в любых условиях;
  • устойчивость к механическим воздействиям и грибку;
  • равномерное и длительное горение;
  • оптимальный размер гранул для загрузки в отопительное устройство.

Экологичное топливо — хорошая альтернатива традиционным источникам тепла, которые не возобновляются и неблагоприятно действуют на окружающую среду. Но пеллеты и брикеты отличаются повышенной пожароопасностью, что стоит учитывать при организации места хранения.

При желании, можно наладить изготовление топливных брикетов собственноручно, подробнее – в этой статье.

Параметры жидких веществ

Жидкие материалы, как и твердые, раскладываются на следующие составляющие: углерод, водород, серу, кислород, азот. Процентное соотношение выражается по массе.

Из кислорода и азота образуется внутренний органический балласт топлива, эти компоненты не горят и включены в состав условно. Внешний балласт формируется из влаги и золы.

Высокая удельная теплота сгорания наблюдается у бензина. В зависимости от марки она составляет 43-44 МДж.

Похожие показатели удельной теплоты сгорания определяются и у авиационного керосина – 42,9 МДж. В категорию лидеров по значению теплотворной способности попадает и дизельное топливо – 43,4-43,6 МДж.

Относительно низкими значениями ТСТ характеризуются жидкое ракетное горючее, этиленгликоль. Минимальной удельной теплотой сгорания отличаются спирт и ацетон. Их показатели существенно ниже, чем у традиционного моторного топлива.

Свойства газообразного топлива

Газообразное топливо складывается из оксида углерода, водорода, метана, этана, пропана, бутана, этилена, бензола, сероводорода и других компонентов. Эти показатели выражаются в процентах по объему.

Высокие показатели теплотворной способности наблюдаются и у природного газа.

Они равны 41-49 МДж на кг. Но, например, у чистого метана теплота сгорания больше — 50 МДж на кг.

Сравнительная таблица показателей

В таблице представлены значения массовой удельной теплоты сгорания жидких, твердых, газообразных разновидностей топлива.

Определение теплоты сгорания

Теплоту сгорания можно определять двумя путями. Первый из них заключается в непосредственном измерении количества тепла, выделяющегося при сжигании определенного количества исследуемого горючего, т.е. путь экспериментальный. Второй путь основан на том, что эта характеристика вычисляется исходя из теплоты горения горючих составляющих топлива и, следовательно, определяется содержанием последних в горючем. Таким образом, во втором случае требуется знание точного состава топлива и тех тепловых эффектов, какими сопровождаются реакции окисления горючих составляющих.

Определение теплоты сгорания топлива по данным элементарного анализа.

Поскольку по закону Гесса теплота сгорания соединения равна разности между теплотами сгорания углерода, водорода и серы и теплотой образования молекулы, то для вычисления теплотворности топлива необходимо знать не только содержание в нем углерода, водорода и серы, но и природу тех соединений, в которых эти элементы присутствуют в топливе.

Основой метода определения расчетной теплоты сгорания всякого топлива является представление об этой величине как о сумме теплот сгорания содержащихся в топливе элементов или их соединений. Таким образом, для такого рода подсчета должны быть известны количества различных составляющих в топливе (его химический состав) и теплоты сгорания их.

Для топлива тех видов, анализом которых невозможно установить количество и вид соединений элементов горючей массы, построение рациональной формулы для определения теплотворности, естественно, наталкивается на непреодолимые затруднения, в результате чего можно говорить лишь о большей или меньшей степени приближения.

В 1843 г., спустя пять лет после смерти известного французского химика П. Дюлонга (правильнее Дюлона), были опубликованы его материалы по подсчету теплоты сгорания.

Они легли в основу многочисленных вариантов его формулы, построенной исходя из следующих предположений:

1) кислород, содержащийся в горючей массе топлива, полностью связан с водородом;

2) при сгорании водорода в воду (без испарения), не связанного с кислородом, или так называемого свободного водорода, выделяется такое же количество тепла, как и при сгорании газообразного молекулярного водорода;

3) топливо рассматривается как механическая смесь углерода, свободного водорода и горючей серы, тепло распада молекул не учитывается.

Формула Дюлонга предназначена для подсчета высшей теплоты сгорания. Для подсчета низшей теплоты сгорания Бунте в 1891 г. предложил формулу, отличающуюся от формулы Дюлонга тем, что в ней учитывается расход тепла на испарение воды, образующейся при сгорании свободного водорода и содержащейся в топливе влаги (около 2,51 МДж на 1 кг влаги). К формуле Бунте близка формула Общества германских инженеров (1899 г.). В несколько измененном виде формулы Бунте и Общества германских инженеров до настоящего времени широко используются в странах Западной Европы. Ф. Шустер придает формулам Дюлонга и Общества германских инженеров следующий вид:

МДж/кг; (2.1)

МДж/кг. (2.2)

Указанные формулы пригодны для подсчета лишь теплоты сгорания каменных углей и приводят к серьезной погрешности при определении теплоты сгорания других видов топлива.

Д.И. Менделеев, изучая свойства топлива, убедился в неточности предлагаемых формул и ошибочности многих принятых положений. Во-первых, теплота сгорания водорода, содержащегося в сложных органических соединениях, образующих твердое топливо, принята равной теплоте сгорания молекулярного газообразного водорода – около 142,4 МДж/кг. Во-вторых, совершенно необоснованно весь кислород, содержащийся в горючей массе топлива, признается находящимся в химической связи с водородом.

Главным возражением против общей применимости указанной формулы служит то, «что она представляет топливо как механическую смесь горючих углеводорода и водорода и негорючей воды, не принимая вовсе во внимание того, что при акте образования всякого химического соединения выделяется или поглощается тепло, а потому при горении химических соединений не может выделяться столько же тепла, как и при горении составных начал, из которых они могут образоваться. Притом гипотеза о содержании в топливе всего кислорода в виде воды ни на чем не основана».

Читать еще:  Как развести виноград саженцами

Д.И. Менделеев задался целью разработать универсальную формулу, пригодную для подсчета теплоты сгорания всех видов твердого и жидкого топлива. Теплоту сгорания водорода, входящего в состав органических соединений твердого и жидкого топлива, Д.И. Менделеев признал меньшей, чем газообразного молекулярного водорода, и равной не 142,4 МДж/кг, а 125,6 МДж/кг. Кроме того, он полагал, что кислород находится в химическом соединении не только с водородом, но и углеродом. В соответствии с этим он считал необходимым отказаться от понятия свободного, или «горючего», водорода и вести подсчет теплоты сгорания топлива, исходя из содержания всего количества водорода в его горючей массе.

Снижение теплоты сгорания вследствие содержания в горючей массе кислорода Д.И. Менделеев подсчитал на основании теплоты сгорания ряда видов топлива с различным содержанием кислорода, оно оказалось равным 10,9 МДж на 1 кг кислорода, т.е. 108,5 кДж на каждый процент его содержания в горючей массе. Для подсчета высшей теплоты сгорания топлива Д.И. Менделеев предложил весьма простую формулу:

МДж/кг. (2.3)

Применимость этой формулы была проверена Д.И. Менделеевым путем подсчета по составу теплоты сгорания различных видов горючего, а именно: углерода, клетчатки, каменных углей и нефтепродуктов, теплота сгорания которых была определена калориметрическим методом, В результате он пришел к выводу, что предложенная формула дает достаточно точное совпадение с результатами калориметрических определений различных видов топлива. Свою формулу Д.И. Менделеев доложил 6 февраля 1897 г. на заседании Отделения химии Русского физико-химического общества. В том же году она была опубликована.

На первый взгляд может показаться, что в формуле Менделеева не учтено содержание в топливе балласта, т.е. влаги, минеральных веществ и азота. В действительности это не так. Содержание балласта в топливе сказывается на понижении подсчитываемой по формуле Д.И. Менделеева теплоты сгорания топлива в результате соответствующего снижения содержания горючих компонентов.

При подсчете низшей теплоты сгорания топлива, т.е. с учетом тепла, расходуемого на испарение воды, образующейся при сгорании водорода и содержащейся в топливе, формула Д.И. Менделеева приобретает следующий вид:

МДж/кг, (2.4)

МДж/кг. (2.5)

Подсчет теплоты сгорания газообразного топлива по компонентному составу. Высшую и низшую теплоту сгорания газообразного топлива посчитывают на основе реакций окисления компонентов и стандартных теплот образования веществ по формулам:

= 0,126 CO + 0,128 H2 + 0,398 CH4 + 0,695 C2H6 + 0,992 C3H8 +

= 0,126 CO + 0,108 H2 + 0,358 CH4 + 0,636 C2H6 + 0,913 C3H8 +

Для природных и попутных нефтепромысловых газов с высоким содержанием CH4, включающих помимо метана его гомологи, а также углекислый газ, сероводород и азот, низшую теплоту сгорания можно подсчитать по формуле с округленными коэффициентами:

= 0,358 CH4 + 0,628 C2H6 + 0,921 C3H8 + 1,172 C4H10 +

РАСЧЕТЫ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Целью расчетов является определение показателей, характеризующих условия сжигания топлива заданного состава, количества и состава образующихся продуктов сгорания, температуры горения (жаропроизводительность) топлива и др.

Все расчеты по определению перечисленных величин могут быть выполнены по данным элементарного анализа участвующих в процессе горения веществ на основании стехиометрических соотношений соответствующих химических уравнений. Например, уравнение:

помимо качественного описания процесса горения дает строгую количественную его характеристику.

На основании законов о постоянстве массовых отношений, закона Гесса о независимости теплового эффекта реакции от пути ее реализации и промежуточных процессов, законов сохранения материи и энергии можно утверждать, что образование 1 моля (44 г) двуокиси углерода требует израсходования 1 моля (12 г) углерода и 1 моля (16 г) кислорода. При этом процесс сопровождается выделением тепла в количестве 97650 кал.

Подобные уравнения, описывающие процесс окисления отдельных элементов (компонентов) топлива, и являются основой метода расчета названных выше характеристик.

Расчет теплоты сгорания веществ

Расчетные формулы. При расчетах теплового баланса на пожаре определяют, как правило, низшую теплоту сгорания (табл.2.1):

где QBвысшая теплота сгорания; QH-низшая теплота сгорания;

QИС теплота испарения воды, выделяющейся при сгорании вещества.

где — соответственно теплоты образования одного кмоля i-го конечного продукта горения и исходного вещества;

, — соответственно количество кмолей -гопродукта реакции и исходного вещества в уравнении реакции горения;

С, Н,S,W- соответственно содержание, %вес, углерода, серы, водорода, влаги в составе вещества;

О-сумма кислорода и азота ,%вес

QHiнизшая теплота сгорания -го горючего компонента газовой смеси, кДж/моль; кДж/м 3

φriсодержание -го горючего компонента в газовой смеси ,% об.

Расчет теплоты сгорания газовоздушных смесей проводят по формуле по формуле

Q см н= Qнφr (2.5),

где Q см н— теплота сгорания газовоздушной смеси, кДж/м 3 , кДж/м 3

QH-низшая теплота сгорания горючего вещества, кДж/м 3 , кДж/м 3

φri— концентрация горючего в смеси, % об.

Удельная скорость (интенсивность) тепловыделения при горении:

q-удельная интенсивность тепловыделения,кВт/м 3 ;

m-массовая скорость выгорания, кг/(м 2 ∙с).

Скорость тепловыделения при горении:

где Q-интенсивность тепловыделения, кВт;

F-площадь горения, м 3.

Примеры решения задач

Определить низшую теплоту сгорания уксусной кислоты, если теплота ее образования 485,6 кДж/моль;

Решение: Для расчета по формуле (2.2)запишем уравнение горения уксусной кислоты в кислороде:

QH=(2∙396,9+2∙242,2-1∙485,6)=792,6 кДж/моль=792,6∙10 3 кДж/моль;

Для расчета количества тепла, выделяющегося при горении 1кг горючего, необходимо полученную величину разделить на его молекулярную масса (64):

QH=792,6∙10 3 /64=12384кДж/кг.

Рассчитать низшую теплоту сгорания органической массы состава:

С-62%, Н-8%, О-28%, S-2%.

Решение: По формуле Д.И.Менделеева(2.3)

Определить низшую теплоту сгорания газовой смеси, состоящей из

Решение: Для каждого горючего компонента смеси по формуле (2.2) находим теплоты сгорания (табл.2.2)

По формуле (2.4)определим теплоту сгорания газовой смеси:

QH=1/100∙(547.8∙40+2666,1∙20+338,6∙5+317,2∙10)10 3 =1020∙10 3 кДж/кг.

Для определения теплоты сгорания 1м 3 газовой смеси необходимо полученное значение разделить на объем, занимаемый 1 Кмолем газа при стандартных условиях(24,4м 3 ):

QH=1020∙10 3 /24,4=41803 кДж/кг.

Рассчитать теплоту сгорания 1м 3 стехиометрической гексано-воздушной смеси.

Решение: Находим стехиометрический состав горючей смеси по уравнению реакции горения:

Весь объем вступивших в реакцию компонентов(1+9,5+9,5∙3,76) принимаем за 100%,а количество горючего(1кмоль)будет соответствовать стехиометрической концентрации:

Φст=

Теплоту сгорания 1м 3 гексана определим по формуле (2.2) или по табл. Приложения 3.

QH= 10 3 =170,1 10 3 кДж/м 3

Теплоту сгорания 1м 3 стехиометрической гексано- воздушной смеси определим по формуле (2.5.):

QH см =170,1∙10 3 ∙2,2/100=3742 кДж/м 3

Определить интенсивность тепловыделения на пожаре органической массы (состав в примере 2), если скорость выгорания 0,015кг/(м 2 /с), а площадь пожара 150м 2.

Решение: согласно формуле (2.7): QH=26460,0∙0,15∙150=59,5∙10 3 кВт

Контрольные задачи

1. Определить низшую теплоту сгорания 1м 3 этана, пропана, пентана, гексана. Построить график зависимости от молекулярной массы горючего. Теплоты образования горючих веществ: этан-88,4кДж/моль, пропан-109,4 кДж/моль, бутан-132,4 кДж/моль, пентан-184,4 кДж/моль, гексан-211,2 кДж/моль.

2. Рассчитать теплоту сгорания 1м 3 ацетилено-воздушной смеси на нижнем и верхнем концентрационных пределах воспламенения, а так же при стехиометрической концентрации. КПВ ацетилена равна 2,0+81% Примечание: Построить график зависимости низшей теплоты сгорания от концентрации горючего в воздухе. При расчете теплоты сгорания смеси на ВКПВ необходимо учесть , что только часть горючего способна полностью окислиться в воздухе, остальное количество горючего не вступит в реакцию горения, вследствие недостатка окислителя.

Читать еще:  Как повысить температуру в холодильнике

3. Определить низшую теплоту сгорания 2кг древесины состава: С-49%, Н-8%, О-43%. Какова удельная интенсивность тепловыделения на пожаре, если массовая скорость выгорания составляет 0,01кг/(м 2 /с)?

4. Для условия предыдущей задачи определить изменения теплоты и удельной интенсивности тепловыделения при содержании влаги в древесине(сверх 100%)в количестве 3,5,10,15%. Скорость выгорания влажной древесины соответственно снизиться до 0,009; 0,008; 0,006; 0,005 кг/(м 2 /с). Построить график зависимости QH,q

от содержания влаги в горючем материале. Примечание:для решения задачи необходимо пересчитать состав древесины с учетом влаги таким образом, чтобы содержание всех компонентов равнялось100%.

5. Определить интенсивность тепловыделения кВт, при горении газовой смеси состава: СО-15%, С4Н8-40%, О2-20%, Н2-14%, СО2-11%., если скорость истечения 0,8м 3 /с.

Расчет температуры горения

Температура горения определяется из уравнения я теплового баланса:

QH= рi∙Vпri(Tr-To) (2.8)

При этом адиабатическая температура горения:

Тr * =Та + QH/ рi∙Vпri+CpB∆VB; (2.9)

А действительная температура горения:

Тrа+ Qпr/ pi∙Vпri+ CpB∆VB;

где, Тr * и Тrсоответственно адиабатическая и действительная температуры горения;

Тначальная температура;

Сpi , CpB соответственно теплоемкости воздуха и i-того продукта горения;

Vпriобъем i-го продукта горения;

∆VBизбыток воздуха;

QHнизшая теплота горения вещества;

Qпrтеплота , пошедшая на нагрев продуктов горения. При этом

𝛈 доля теплопотерь в результате излучения энергии, химического и механического недожога.

Расчет температуры горения по формуле (2.9) или (2.10)может быть проведен только методом последовательных приближений, поскольку теплоемкость газов зависит от температуры горения (табл.2.3.)

Как определить теплоту сгорания топлива

Тепловые машины в термодинамике — это периодически действующие тепловые двигатели и холодильные машины (термокомпрессоры). Разновидностью холодильных машин являются тепловые насосы.

Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми машинами (тепловыми двигателями). Для функционирования тепловой машины необходимы следующие составляющие: 1) источник тепла с более высоким температурным уровнем t1, 2) источник тепла с более низким температурным уровнем t2, 3) рабочее тело. Иначе сказать: любые тепловые машины (тепловые двигатели) состоят из нагревателя, холодильника и рабочего тела.

В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты (Q1), и его внутренняя энергия увеличивается, за счёт этой внутренней энергии совершается механическая работа (А), затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику (Q2) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.

Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы (А) к количеству теплоты, полученному им от нагревателя (Q1):

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный. В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая смесь готовится в самом двигателе.

ДВС состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень; в цилиндре имеются два клапана, через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма соединяется с коленчатым валом, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой.

Цикл работы ДВС включает четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт. В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.

Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются. При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300— 350 °С, а воздух в дизельном двигателе — до 500—600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.

При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. Это приводит к тому, что газ охлаждается.

Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа. В конце этого такта клапан закрывается.

Паровая турбина

Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.

Удельная теплота сгорания топлива

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива .

Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.

Удельная теплота сгорания обозначается буквой q, её единицей является 1 Дж/кг.

Значение удельной теплоты определяют экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую — порох.

Удельная теплота сгорания нефти — 4,4*10 7 Дж/кг. Это означает, что при полном сгорании 1 кг нефти выделяется количество теплоты 4,4*10 7 Дж. В общем случае, если масса топлива равна m, то количество теплоты Q, выделяющееся при его полном сгорании, равно произведению удельной теплоты сгорания топлива q на его массу:

Q = qm.

Конспект урока по физике в 8 классе «Тепловые машины. ДВС. Удельная теплота сгорания».

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector