Različite vrste goriva (čvrsto, tečno i gasovito) karakterišu opšta i specifična svojstva. Opšta svojstva goriva uključuju specifičnu toplotu sagorevanja i vlažnost, specifična svojstva uključuju sadržaj pepela, sadržaj sumpora (sadržaj sumpora), gustinu, viskoznost i druga svojstva.
Specifična toplota sagorijevanje goriva je količina topline koja se oslobađa tokom potpunog sagorijevanja \(1\) kg čvrstog ili tekućeg goriva ili \(1\) m³ plinovitog goriva.
Energetska vrijednost goriva prvenstveno je određena njegovom specifičnom toplinom sagorijevanja.
Specifična toplota sagorevanja je označena slovom \(q\). Jedinica specifične toplote sagorevanja je \(1\) J/kg za čvrsta i tečna goriva i \(1\) J/m³ za gasovita goriva.
Specifična toplina sagorijevanja je eksperimentalno određena primjenom prilično složenih metoda.
Tabela 2. Specifična toplota sagorevanja nekih vrsta goriva.
Čvrsto gorivo
Supstanca | Specifična toplota sagorevanja, |
| Mrki ugalj | |
| Ugalj | |
| Suvo ogrevno drvo | |
| Drvene klinove | |
Ugalj | |
Ugalj razred A-II | |
| Koka-kola | |
| Puder | |
| Treset |
Tečno gorivo
Gasovito gorivo
(pod normalnim uslovima)
Supstanca | Specifična toplota sagorevanja, |
| Vodonik | |
| Proizvođač gasa | |
| Koks gas | |
| Prirodni gas | |
| Gas |
Iz ove tabele je jasno da je specifična toplota sagorevanja vodonika najveća, jednaka je \(120\) MJ/m³. To znači da se potpunim sagorevanjem vodonika zapremine \(1\) m³ oslobađa \(120\) MJ \(=\)\(120\) ⋅ 10 6 J energije.
Vodonik je jedno od visokoenergetskih goriva. Osim toga, proizvod sagorijevanja vodika je obična voda, za razliku od drugih vrsta goriva, gdje su proizvodi izgaranja ugljični dioksid i ugljični monoksid, pepeo i šljaka iz peći. Ovo čini vodonik ekološki najprihvatljivijim gorivom.
Međutim, vodonik je eksplozivan. Osim toga, ima najmanju gustoću u odnosu na druge plinove na istoj temperaturi i pritisku, što stvara poteškoće s ukapljivanjem vodonika i njegovim transportom.
Ukupna količina toplote \(Q\) koja se oslobađa tokom potpunog sagorevanja \(m\) kg čvrstog ili tekućeg goriva izračunava se po formuli:
Ukupna količina toplote \(Q\) koja se oslobađa tokom potpunog sagorevanja \(V\) m³ gasovitog goriva izračunava se po formuli:
Vlažnost (sadržaj vlage) goriva smanjuje njegovu kaloričnu vrijednost, jer se povećava potrošnja topline za isparavanje vlage i povećava volumen produkata izgaranja (zbog prisustva vodene pare).
Sadržaj pepela je količina pepela koja nastaje tokom sagorevanja minerala sadržanih u gorivu. Mineralne tvari sadržane u gorivu smanjuju njegovu kaloričnu vrijednost, jer se smanjuje sadržaj zapaljivih komponenti (glavni razlog) i povećava se potrošnja topline za zagrijavanje i topljenje mineralne mase.
Sadržaj sumpora (sadržaj sumpora) odnosi se na negativni faktor goriva, budući da se tokom sagorevanja stvara sumporov dioksid, zagađujući atmosferu i uništavajući metal. Osim toga, sumpor sadržan u gorivu djelomično prelazi u topljeni metal i zavareno staklo, smanjujući njihovu kvalitetu. Na primjer, za topljenje kristalnih, optičkih i drugih stakla ne možete koristiti gorivo koje sadrži sumpor, jer sumpor značajno smanjuje optička svojstva i boju stakla.
Vrlo često se kalorička vrijednost goriva uzima u obzir pri odabiru uređaja za grijanje za kuće i vikendice, te pri odabiru sistema grijanja za stan. Ovaj parametar je također važan pri odabiru sistema goriva za automobile (prilikom prelaska s tekućeg goriva na plin ili struju).
Vrijedi napomenuti da na ovog trenutka mnoge naučne organizacije, istraživački instituti, laboratorije, pa čak i specijalizovane kompanije razvijaju sisteme koji mogu povećati ovaj parametar i omogućiti optimalnije korišćenje energije koja se oslobađa tokom sagorevanja. To se obično postiže povećanjem efikasnosti instalacije.
Prisutnost takvog parametra je zbog činjenice da različite vrste emituju različite količine topline (energije) tokom procesa sagorijevanja, što je posebno važno za industrijska postrojenja i kotlovnice, jer će odabirom optimalne vrste uštedjeti značajnu količinu financijskih sredstava. sredstva za rad industrijskih postrojenja.
Ispod je definicija kaloričnu vrijednost goriva, razmotrit će se kolika je specifična toplina sagorijevanja goriva i dati vrijednosti nekih energetskih resursa (specifične topline sagorijevanja drva, uglja, naftnih derivata).
Ispod kalorijske vrijednosti razne vrste energetski resursi razumiju koliko će toplotne energije (kilokalorija) biti proizvedeno kada se sagori jedna jedinica goriva. Za određivanje ovog parametra koristi se poseban uređaj, koji se naziva kalorimetar. Postoji još jedan uređaj - kalorimetrijska bomba.
U mjernim instrumentima, jedna jedinica gorivnog materijala zagrijava vodu, što rezultira vodenom parom. Zatim se para kondenzira, pretvarajući se u potpunosti u tekuće stanje, što se naziva kondenzacija. U tom slučaju para u potpunosti prenosi toplinsku energiju na mjerni uređaj. Međutim, nedostatak ovakvih mjernih instrumenata je u tome što se ne mjeri sva toplotna energija koja izlazi tokom sagorevanja goriva. To je zbog činjenice da je tokom isparavanja količina toplinske energije veća nego prilikom kondenzacije. Zbog toga je nemoguće izmjeriti svu oslobođenu energiju. Nedostaci uređaja su manje nego idealna toplotna provodljivost materijala od kojih su napravljeni, što takođe smanjuje stvarnu brzinu sagorevanja. Ovi kriteriji su prilično važni za laboratorijska istraživanja, ali se zanemaruju prilikom mjerenja u praktične svrhe. Prilikom rada industrijskih instalacija ovi gubici se povećavaju zbog efikasnosti (ne 100%).
U ovom slučaju, pokazatelji dobiveni u kalorimetrijskoj bombi (gdje je proces mjerenja precizniji nego u kalorimetru) nazivaju se najvišom kaloričnom vrijednošću materijala goriva.
Kalorimetarski indikatori su najniža kalorijska vrijednost goriva, koja se razlikuje od najveće vrijednosti 600x(9H+W)/100, gdje su H i W količina vodonika i vlage sadržane u jedinici određenog gorivnog materijala. Treba imati na umu da se prema američkim standardima za proračune koristi najveća vrijednost, a za zemlje s metričkim sistemom koristi se najniža vrijednost. Trenutno se postavlja pitanje o prelasku metričkog sistema na viši indikator, jer ga brojni naučnici prepoznaju kao optimalnije.
Vrijednosti za različite vrste goriva
Često se mnogi ljudi zanimaju za vrijednost specifične topline sagorijevanja goriva za određenu vrstu energetskog nosača, a prilično često ljudi zanimaju kaloričnu vrijednost drva za ogrjev. Ovo je postalo posebno važno u U poslednje vreme kada je počela moda za klasične peći u domovima. Kalorična vrijednost drva za ogrjev je različite rase drvo varira, često se navodi prosječna vrijednost. Ispod su vrijednosti za sledeće vrste materijal za gorivo:
- Kalorična vrijednost drva za ogrjev (breza, četinara) je u prosjeku 14,5-15,5 MJ/kg. Istu brzinu prijenosa topline ima mrki ugalj.
- Odvođenje topline ugalj iznosi 22 MJ/kg.
- Ova vrijednost za treset se kreće od 8-15 MJ/kg.
- Vrijednost za brikete goriva je u rasponu od 18,5-21 MJ/kg.
- Plin koji se isporučuje za stambene zgrade ima pokazatelj od 45,5 MJ/kg.
- Za plin u bocama (propan-butan) brojka je 36 MJ/kg.
- Dizel gorivo ima pokazatelj od 42,8 MJ/kg.
- Za različite marke benzina, vrijednost se kreće od 42-45 MJ/kg.
Specifične vrijednosti
Izračunate su specifične vrijednosti sagorijevanja za određeni broj goriva. To su fizičke veličine koje pokazuju količinu toplinske energije koja nastaje kao rezultat sagorijevanja jedne jedinice. Obično se mjeri u džulima po kilogramu (ili kubnom metru). U SAD-u se vrijednosti daju u kalorijama po kilogramu. Ovi koeficijenti su prijenos topline. Oni se mjere u laboratoriju, nakon čega se podaci unose u posebne tabele koje su javno dostupne. Što je veći prijenos topline nekog energetskog resursa (toplota proizvedena sagorijevanjem goriva), to se gorivo smatra efikasnijim. Odnosno, u istoj instalaciji sa istom efikasnošću, potrošnja će biti manja za gorivo koje ima više visoka vrijednost prijenos topline.
Specifična toplota sagorevanja goriva se skoro uvek koristi u proračunima dizajna (prilikom projektovanja različite opreme), kao i pri određivanju sistema grejanja i opreme za kuću, stan, vikendicu itd.
IN ovu lekciju naučićemo da izračunamo količinu toplote koju gorivo oslobađa tokom sagorevanja. Osim toga, razmotrit ćemo karakteristike goriva - specifičnu toplinu sagorijevanja.
Budući da se cijeli naš život zasniva na kretanju, a kretanje uglavnom na sagorijevanju goriva, proučavanje ove teme je veoma važno za razumijevanje teme „Toplotni fenomeni“.
Nakon proučavanja pitanja vezanih za količinu topline i specifični toplotni kapacitet, idemo dalje na razmatranje količina toplote koja se oslobađa pri sagorevanju goriva.
Definicija
Gorivo- tvar koja proizvodi toplinu u nekim procesima (sagorijevanje, nuklearne reakcije). Je izvor energije.
Gorivo se dešava čvrsti, tečni i gasoviti(Sl. 1).
Rice. 1. Vrste goriva
- Čvrsta goriva uključuju uglja i treseta.
- Tečna goriva uključuju naftu, benzin i druge naftne derivate.
- Gasovita goriva uključuju prirodni gas .
- Zasebno, možemo istaći vrlo česte u posljednje vrijeme nuklearno gorivo.
Sagorevanje goriva je hemijski proces koji je oksidativni. Tokom sagorevanja, atomi ugljenika se kombinuju sa atomima kiseonika i formiraju molekule. Kao rezultat toga, oslobađa se energija koju osoba koristi za svoje potrebe (slika 2).
Rice. 2. Formiranje ugljičnog dioksida
Za karakterizaciju goriva koristi se sljedeća karakteristika: kaloričnu vrijednost. Kalorična vrijednost pokazuje koliko se topline oslobađa tokom sagorijevanja goriva (slika 3). U fizici, kalorijska vrijednost odgovara konceptu specifična toplota sagorevanja neke supstance.
Rice. 3. Specifična toplota sagorevanja
Definicija
Specifična toplota sagorevanja- fizička veličina koja karakteriše gorivo numerički je jednaka količini toplote koja se oslobađa tokom potpunog sagorevanja goriva.
Specifična toplota sagorevanja obično se označava slovom . jedinice:
Ne postoji mjerna jedinica, jer se sagorijevanje goriva odvija na gotovo konstantnoj temperaturi.
Specifična toplota sagorevanja se određuje eksperimentalno pomoću sofisticiranih instrumenata. Međutim, postoje posebne tablice za rješavanje problema. U nastavku predstavljamo vrijednosti specifične topline sagorijevanja za neke vrste goriva.
|
Supstanca |
|
Tabela 4. Specifična toplota sagorevanja nekih supstanci
Iz datih vrijednosti jasno je da se tokom sagorijevanja oslobađa velika količina toplote, pa se koriste mjerne jedinice (megadžuli) i (gigadžuli).
Za izračunavanje količine toplote koja se oslobađa tokom sagorevanja goriva koristi se sledeća formula:
Ovde: - masa goriva (kg), - specifična toplota sagorevanja goriva ().
U zaključku, napominjemo da se većina goriva koje koristi čovječanstvo skladišti pomoću sunčeve energije. Ugalj, nafta, gas - sve je to nastalo na Zemlji pod uticajem Sunca (slika 4).
Rice. 4. Formiranje goriva
U sljedećoj lekciji ćemo govoriti o zakonu održanja i transformacije energije u mehaničkim i toplinskim procesima.
Listaknjiževnost
- Gendenshtein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ed. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizika 8. - M.: Mnemosyne.
- Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Drfa, 2010.
- Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizika 8. - M.: Prosvjeta.
- Internet portal “festival.1september.ru” ()
- Internet portal “school.xvatit.com” ()
- Internet portal “stringer46.narod.ru” ()
Zadaća
Supstance organskog porijekla uključuju goriva koja pri sagorijevanju oslobađaju određenu količinu toplinske energije. Proizvodnja toplote mora biti okarakterisana visokom efikasnošću i odsustvom nuspojava, posebno supstanci štetnih po zdravlje ljudi i životnu sredinu.
Radi lakšeg utovara u ložište, drveni materijal se reže na pojedinačne elemente dužine do 30 cm.Da bi se povećala efikasnost njihove upotrebe, drvo za ogrev mora biti što suvo, a proces sagorevanja mora biti relativno spor. U mnogim aspektima, drvo od tvrdog drveta kao što su hrast i breza, lijeska i jasen, te glog pogodno je za grijanje prostorija. Zbog visokog sadržaja smole, povećana brzina sagorijevanje i niska kalorijska vrijednost četinarsko drveće u tom pogledu su značajno inferiorni.
Treba shvatiti da na vrijednost kalorijske vrijednosti utiče gustina drveta.
Ovo prirodni materijal biljnog porijekla, izvađen iz sedimentnih stijena.
Ova vrsta čvrstog goriva sadrži ugljenik i druge hemijski elementi. Postoji podjela materijala na vrste u zavisnosti od starosti. Mrki ugalj se smatra najmlađim, zatim kamenim ugljem, a antracit je stariji od svih ostalih vrsta. Starost zapaljive materije takođe određuje njenu vlažnost, koja u većoj meri prisutan u mladom materijalu.
Prilikom sagorijevanja uglja dolazi do zagađivanja okoliša, a na rešetkama kotla se stvara šljaka koja u određenoj mjeri stvara prepreku normalnom sagorijevanju. Prisustvo sumpora u materijalu je takođe nepovoljan faktor za atmosferu, jer se u vazdušnom prostoru ovaj element pretvara u sumpornu kiselinu.
Međutim, potrošači se ne bi trebali bojati za svoje zdravlje. Proizvođači ovog materijala, vodeći računa o privatnim kupcima, nastoje da smanje sadržaj sumpora u njemu. Toplotna vrijednost uglja može varirati čak i unutar iste vrste. Razlika zavisi od karakteristika podvrste i njenog mineralnog sadržaja, kao i geografije proizvodnje. Kao čvrsto gorivo nalazi se ne samo čisti ugalj, već i nisko obogaćena ugljena šljaka, utisnuta u brikete.
Peleti (granule goriva) su čvrsta goriva proizvedena industrijski od drvnog i biljnog otpada: strugotine, kore, kartona, slame.
Sirovina usitnjena u prah se suši i sipa u granulator odakle izlazi u obliku granula. određeni oblik. Za dodavanje viskoznosti masi koristi se biljni polimer, lignin. Složenost proizvodni proces i visoka potražnja određuju cijenu peleta. Materijal se koristi u posebno opremljenim kotlovima.
Vrste goriva određuju se u zavisnosti od materijala od kojeg se prerađuju:
- oblo drvo bilo koje vrste drveća;
- slama;
- treset;
- ljuska suncokreta.
Među prednostima koje imaju peleti za gorivo, vrijedi istaknuti sljedeće kvalitete:
- ekološka prihvatljivost;
- nemogućnost deformacije i otpornost na gljivice;
- lako skladištenje čak i na otvorenom;
- ujednačenost i trajanje sagorevanja;
- relativno niska cijena;
- Mogućnost korištenja za razne uređaje za grijanje;
- odgovarajuće veličine granula za automatsko punjenje u posebno opremljeni kotao.
Briketi
Briketi su čvrsta goriva koja su po mnogo čemu slična peletima. Za njihovu proizvodnju koriste se identični materijali: drvna sječka, strugotine, treset, ljuske i slama. U procesu proizvodnje sirovine se drobe i kompresijom formiraju u brikete. Ovaj materijal je i ekološki prihvatljivo gorivo. Pogodan je za čuvanje čak i na na otvorenom. Glatko, ravnomjerno i sporo sagorijevanje ovog goriva može se primijetiti kako u kaminima i pećima, tako i u kotlovima za grijanje.
Vrste ekološki prihvatljivih čvrstih goriva o kojima smo gore govorili su dobra alternativa za proizvodnju topline. U poređenju sa fosilnim izvorima toplotne energije, koji nepovoljno utiču na sagorevanje okruženje Osim toga, kao neobnovljiva, alternativna goriva imaju jasne prednosti i relativno nisku cijenu, što je važno za određene kategorije potrošača.
U isto vrijeme, opasnost od požara takvih goriva je mnogo veća. Stoga je potrebno poduzeti određene sigurnosne mjere u pogledu njihovog skladištenja i upotrebe vatrootpornih materijala za zidove.
Tečna i gasovita goriva
Što se tiče tečnih i gasovitih zapaljivih materija, situacija je sledeća.
Poznato je da je izvor energije koji se koristi u industriji, transportu, poljoprivreda, u svakodnevnom životu, je gorivo. To su ugalj, nafta, treset, ogrevno drvo, prirodni gas, itd. Kada gorivo sagorijeva, energija se oslobađa. Pokušajmo saznati kako se energija oslobađa u ovom slučaju.
Prisjetimo se strukture molekula vode (slika 16, a). Sastoji se od jednog atoma kiseonika i dva atoma vodika. Ako se molekula vode podijeli na atome, tada je potrebno savladati sile privlačenja između atoma, odnosno mora se raditi, a samim tim i trošiti energija. Suprotno tome, ako se atomi spoje u molekulu, energija se oslobađa.
Upotreba goriva zasniva se upravo na fenomenu oslobađanja energije kada se atomi spajaju. Na primjer, atomi ugljika sadržani u gorivu kombinuju se sa dva atoma kiseonika tokom sagorevanja (slika 16, b). U tom slučaju nastaje molekul ugljičnog monoksida - ugljični dioksid i oslobađa se energija.
Rice. 16. Struktura molekula:
a - voda; b - kombinacija atoma ugljika i dva atoma kisika u molekulu ugljičnog dioksida
Prilikom izračunavanja motora, inženjer treba da zna koliko toplote može da oslobodi sagorelo gorivo. Da biste to učinili, potrebno je eksperimentalno odrediti koliko će se topline osloboditi prilikom potpunog sagorijevanja iste mase goriva. različite vrste.
Fizička veličina koja pokazuje koliko se toplote oslobađa pri potpunom sagorevanju goriva težine 1 kg naziva se specifična toplota sagorevanja goriva.
Specifična toplota sagorevanja se označava slovom q. Jedinica specifične toplote sagorevanja je 1 J/kg.
Specifična toplina sagorijevanja određuje se eksperimentalno pomoću prilično složenih instrumenata.
Rezultati eksperimentalnih podataka prikazani su u tabeli 2.
tabela 2
Iz ove tabele se vidi da je specifična toplota sagorevanja, na primer, benzina 4,6 10 7 J/kg.
To znači da se potpunim sagorevanjem benzina težine 1 kg oslobađa 4,6 10 7 J energije.
Ukupna količina toplote Q koja se oslobađa tokom sagorevanja m kg goriva izračunava se po formuli
Pitanja
- Kolika je specifična toplota sagorevanja goriva?
- U kojim jedinicama se mjeri specifična toplina sagorijevanja goriva?
- Šta znači izraz „specifična toplota sagorevanja goriva jednaka 1,4 10 7 J/kg”? Kako se izračunava količina toplote koja se oslobađa tokom sagorevanja goriva?
Vježba 9
- Koja se količina topline oslobađa prilikom potpunog sagorijevanja drvenog uglja težine 15 kg; alkohol od 200 g?
- Koliko će se topline osloboditi prilikom potpunog sagorijevanja ulja, čija je masa 2,5 tone; kerozin, čija je zapremina 2 litre, a gustina 800 kg / m 3?
- Kada je suvo drvo potpuno izgorelo, oslobodilo se 50.000 kJ energije. Koja je masa drva izgorjela?
Vježbajte
Koristeći tablicu 2, konstruirajte trakasti grafikon za specifičnu toplinu sagorijevanja drva za ogrjev, alkohola, ulja, vodika, birajući skalu na sljedeći način: širina pravokutnika je 1 ćelija, visina od 2 mm odgovara 10 J.