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.
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: $m_у \approx 286 \space кг$.
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.
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.
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.
Единицы измерения.
Перевод единиц измерения удельной теплоты сгорания (объемной).
Калькулятор удельной теплоты . Перевод единиц измерения удельной теплоты (Дж/м3, кДж/м3, МДж/м3, кал/м3, ккал/м3, Мкал/м3, Гкал/м3 и т.д.)
Введите удельную теплоту сгорания (Qv)
Результат перевода единиц измерения удельной теплоты сгорания (Qv)
Результаты работы калькулятора удельной теплоты при переводе в другие единицы измерения удельной теплоты :
Примеры результатов работы калькулятора удельной теплоты :
/ 9330 кДж/куб.м = 9.33 МДж/куб.м
//
1250 кДж/куб.м = 0.298558 кал/куб.м
//
1250 кал/куб.м = 5233.5 Дж/куб.м
//
813 ккал/куб.м = 3403870 Дж/куб.м
//
8133 ккал/куб.м = 34051200 Дж/куб.м
//
1250 кал/куб.м = 0.00125 Мкал/куб.м
/
Поделится ссылкой на расчет:
Перевод единиц измерения удельной теплоты сгорания (массовой).
Калькулятор удельной теплоты . Перевод единиц измерения удельной теплоты (Дж/кг, кДж/кг, МДж/кг, кал/кг, ккал/кг, Мкал/кг, Гкал/кг и т.д.)
Введите удельную теплоту сгорания (Qm)
Результат перевода единиц измерения удельной теплоты сгорания (Qm)
Результаты работы калькулятора удельной теплоты при переводе в другие единицы измерения удельной теплоты :
Примеры результатов работы калькулятора удельной теплоты :
/ 5516 ккал/кг = 23.0944 МДж/кг
//
23 ккал/кг = 0.096296 МДж/кг
//
0 кДж/кг = 0 МДж/кг
//
18292 кДж/кг = 18.292 МДж/кг
//
1700 Дж/кг = 0.0017 МДж/кг
//
1250 кал/кг = 0.00125 Мкал/кг
/
Поделится ссылкой на расчет:
Единицы измерения удельной теплоты сгорания (массовой).
- джоуль на килограмм
— единица измерения в СИ. Обозначение в России:
Дж/кг. Данная единица измерения широко применяется при инженерных расчетах, в современной справочной литературе; - килоджоуль на килограмм
— единица измерения в СИ. Обозначение в России:
кДж/к. Данная единица измерения широко применяется при инженерных расчетах, в современной справочной литературе; - Мегаджоуль
накилограмм — единица измерения в СИ. Обозначение в России:
МДж/к. Данная единица измерения широко применяется при инженерных расчетах, в современной справочной литературе; - калория на килограмм — внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: кал/кг;
- килокалория на килограмм — внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: ккал/кг;
- Мегакалория на килограмм — внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: Мкал/кг;
- Гикакалория на килограмм — внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: Гкал/кг.
Единицы измерения удельной теплоты сгорания (объемной).
- джоуль на метр кубический
— единица измерения в СИ. Обозначение в России:
Дж/м3. Данная единица измерения широко применяется при инженерных расчетах, в современной справочной литературе; - килоджоуль на метр кубический
— единица измерения в СИ. Обозначение в России:
кДж/м3. Данная единица измерения широко применяется при инженерных расчетах, в современной справочной литературе; - Мегаджоуль
на метр кубический — единица измерения в СИ. Обозначение в России:
МДж/м3. Данная единица измерения широко применяется при инженерных расчетах, в современной справочной литературе; - калория на метр кубический— внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: кал/м3;
- килокалория на метр кубический— внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: ккал/м3;
- Мегакалория на метр кубический— внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: Мкал/м3;
- Гикакалория на метр кубический— внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: Гкал/м3.
Перевод единиц измерения массовой удельной теплоты сгорания (в табличном виде).
| Переводимые единицы | Перевод удельной теплоты сгорания (массовой) в единицы: | ||||||
| Дж/кг | кДж/кг | МДж/кг | кал/кг | ккал/кг | Мкал/кг | Гкал/кг | |
| Дж/кг | 1 | 10-3 | 10-6 | 0,238846 | 0,238846*10-3 | 0,238846*10-6 | 0,238846*10-9 |
| кДж/кг | 103 | 1 | 10—3 | 0,238846*10-3 | 0,238846*10-6 | 0,238846*10-9 | 0,238846*10-12 |
| МДж/кг | 106 | 103 | 1 | 0,238846*10-6 | 0,238846*10-9 | 0,238846*10-12 | 0,238846*10-15 |
| кал/кг | 4,1868 | 4,1868*10-3 | 4,1868*10-6 | 1 | 10-3 | 10-6 | 10-9 |
| ккал/кг | 4186,8 | 4,1868 | 4,1868*10-3 | 103 | 1 | 10-3 | 10-6 |
| Мкал/кг | 41868*102 | 4186,8 | 4,1868 | 106 | 103 | 1 | 10-3 |
| Гкал/кг | 41868*105 | 41868*102 | 4186,8 | 109 | 106 | 103 | 1 |
Перевод единиц измерения объемной удельной теплоты сгорания (в табличном виде).
| Переводимые единицы | Перевод удельной теплоты сгорания (объемной) в единицы: | ||||||
| Дж/м3 | кДж/м3 | МДж/м3 | кал/м3 | ккал/м3 | Мкал/м3 | Гкал/м3 | |
| Дж/м3 | 1 | 10-3 | 10-6 | 0,238846 | 0,238846*10-3 | 0,238846*10-6 | 0,238846*10-9 |
| кДж/м3 | 103 | 1 | 10—3 | 0,238846*10-3 | 0,238846*10-6 | 0,238846*10-9 | 0,238846*10-12 |
| МДж/м3 | 106 | 103 | 1 | 0,238846*10-6 | 0,238846*10-9 | 0,238846*10-12 | 0,238846*10-15 |
| кал/м3 | 4,1868 | 4,1868*10-3 | 4,1868*10-6 | 1 | 10-3 | 10-6 | 10-9 |
| ккал/м3 | 4186,8 | 4,1868 | 4,1868*10-3 | 103 | 1 | 10-3 | 10-6 |
| Мкал/м3 | 41868*102 | 4186,8 | 4,1868 | 106 | 103 | 1 | 10-3 |
| Гкал/м3 | 41868*105 | 41868*102 | 4186,8 | 109 | 106 | 103 | 1 |
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.
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.
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
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
Дрова
Это пиленные либо колотые куски дерева, которые во время сжигания в печах, котлах и прочих устройствах вырабатывают тепловую энергию.
Для удобства загрузки в топку древесный материал разрезают на отдельные элементы длиной до 30 см. Чтобы повысить эффективность от их использования, дрова должны быть максимально сухими, а процесс горения – относительно медленным. По многим параметрам для отопления помещений подходят дрова из таких лиственных пород, как дуб и береза, лещина и ясень, боярышник. Из-за высокого содержания смолы, повышенной скорости горения и низкой теплотворности хвойные деревья в этом плане значительно уступают.
Правила сжигания
Когда потребитель знакомится с температурой горения того или иного угля, ему нужно учитывать, что производители указывают только те цифры, которые являются актуальными для идеальных условий. Конечно, в обычном бытовом котле или печи воссоздать необходимые параметры просто невозможно. Современные теплогенераторы из металла или кирпича просто не рассчитаны на столь высокие температуры, так как основной теплоноситель в системе может быстро закипеть. Именно поэтому параметры сгорания того или иного топлива определяются режимом его сжигания.
Иными словами, все зависит от интенсивности подачи воздуха. Как ископаемый, так и древесный уголь хорошо нагревает помещение, если уровень поступления кислорода достигает 100%. Чтобы ограничить воздушный поток, можно использовать специальную заслонку/задвижку. Такой подход позволяет создать наиболее благоприятные условия сгорания заправленного топлива (до 950˚С).
Если уголь используется в твердотопливном котле, тогда нельзя допустить вскипание теплоносителя. Основная опасность связана с тем, что предохранительный клапан может просто не сработать, а это чревато большим взрывом. К тому же смесь воды и горячего пара плохо воздействует на функциональные способности циркуляционного насоса. Специалистами были разработаны два наиболее эффективных способа, которые позволяют контролировать процесс горения:
- Дроблённое или порошковое топливо должно поступать в котёл исключительно в дозированном объёме (действует та же схема, что и в пиллетных устройствах).
- Основной энергоноситель загружается в топку, после чего регулируется интенсивность подачи воздуха.
