Известно, что источником энергии, которая используется в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту, является топливо. Это уголь, нефть, торф, дрова, природный газ и др. При сгорании топлива выделяется энергия. Попытаемся выяснить, за счёт чего выделяется при этом энергия.

Вспомним строение молекулы воды (рис. 16, а). Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Если молекулу воды разделить на атомы, то при этом необходимо преодолеть силы притяжения между атомами, т. е. совершить работу, а значит, затратить энергию. И наоборот, если атомы соединяются в молекулу, энергия выделяется.

Использование топлива основано как раз на явлении выделения энергии при соединении атомов. Так, например, атомы углерода, содержащиеся в топливе, при горении соединяются с двумя атомами кислорода (рис. 16, б). При этом образуется молекула оксида углерода - углекислого газа - и выделяется энергия.

Рис. 16. Строение молекул:
a - воды; б - соединение атома углерода и двух атомов кислорода в молекулу углекислого газа

При расчёте двигателей инженеру необходимо точно знать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо. Для этого надо опытным путём определить, какое количество теплоты выделится при полном сгорании одной и той же массы топлива разных видов.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания обозначается буквой q. Единицей удельной теплоты сгорания является 1 Дж / кг.

Удельную теплоту сгорания определяют на опыте с помощью довольно сложных приборов.

Результаты опытных данных приведены в таблице 2.

Таблица 2

Из этой таблицы видно, что удельная теплота сгорания, например, бензина 4,6 10 7 Дж / кг.

Это значит, что при полном сгорании бензина массой 1 кг выделяется 4,6 10 7 Дж энергии.

Общее количество теплоты Q, выделяемое при сгорании m кг топлива, вычисляется по формуле

Вопросы

1. Что такое удельная теплота сгорания топлива?
2. В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания топлива?
3. Что означает выражение «удельная теплота сгорания топлива равна 1,4 10 7 Дж / кг? Как вычисляют количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива?

Упражнение 9

1. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании древесного угля массой 15 кг; спирта массой 200 г?
2. Сколько теплоты выделится при полном сгорании нефти, масса которой 2,5 т; керосина, объём которого равен 2 л, а плотность 800 кг / м 3 ?
3. При полном сгорании сухих дров выделилось 50 000 кДж энергии. Какая масса дров сгорела?

Задание

Используя таблицу 2, постройте столбчатую диаграмму для удельной теплоты сгорания дров, спирта, нефти, водорода, выбрав масштаб следующим образом: ширина прямоугольника - 1 клетка, высота 2 мм соответствует 10 Дж.

Достаточно часто в учет принимается теплотворная способность топлива при выборе отопительных приборов для домов и дач, при выборе систем отопления для квартиры. Данный параметр важен и при выборе топливных систем для автомобилей (при переходе с жидкого топлива на газ или электричество).

Стоит отметить, что на данный момент многие научные организации, научно-исследовательские институты, лаборатории и даже специализированные компании занимаются разработкой систем, которые способны повысить данный параметр и позволят более оптимально использовать выделяемую при сгорании энергию. Обычно это достигается путем повышения коэффициента полезного действия установки.

Наличие подобного параметра связано с тем, что разные типы выделяют разное количество теплоты (энергии) в процессе сгорания, что особенно актуально для промышленных установок и котельных, поскольку подбор оптимального вида позволит сэкономить значительное количество финансовых средств на работе промышленных установок.

Ниже будет приведено определение теплотворной способности топлива, будет рассмотрено, что такое удельная теплота сгорания топлива и приведены значения некоторых энергоресурсов (удельная теплота сгорания дров, угля, нефтепродуктов).

Под теплотворной способностью различных видов энергоресурсов понимают то, какое количество тепловой энергии (килокалории) будет на выходе при сгорании одной единицы топливного материала. Для определения данного параметра используется специальный прибор, который называют калориметром. Есть и другое приспособление — калориметрическая бомба.

В измерительных приборах одной единицей топливного материала нагревают воду, в результате чего получают водяной пар. Далее пар конденсируется, переходя полностью в жидкое состояние, что называют конденсацией. При этом пар полностью отдает тепловую энергию измерительному прибору. Однако недостатком таких измерительных приборов является то, что тепловая энергия, которая выходит при сгорании топлива, измеряется не вся. Это связано с тем, что при парообразовании количество тепловой энергии больше, чем при конденсации. Это делает невозможным измерить всю выделяемую энергию. К недостаткам приборов стоит отнести и не идеальную теплопроводность материалов, из которых они изготавливаются, что тоже снижает реальный показатель сгорания. Данные критерии достаточно важны для лабораторных исследований, однако при измерениях для практических целей ими пренебрегают. При работе промышленных установок эти потери увеличиваются за счет КПД (не 100%).

При этом показатели, которые получились в калориметрической бомбе (где процесс измерения точнее, чем в калориметре), называются высшим значением теплотворной способности топливного материала.

Показатели калориметра — низшая теплота сгорания топлива, которая отличается от высшей значением 600х(9Н+W)/100, где Н и W — количество содержащегося водорода и влаги в единице конкретного топливного материала. Следует помнить, что по американским стандартам для расчетов применяется высшее значения, а для стран с метрической системой — низшее. На данный момент стоит вопрос о переходе метрической системы на высший показатель, поскольку он рядом ученых признан более оптимальным.

Значения для разных видов топливного материала

Часто многих людей интересует значение удельной теплоты сгорания топлива для того или иного вида энергоносителя, при этом довольно часто людей интересует теплотворная способность дров. Особенно актуально это стало в последнее время, когда пошла мода на классические печи в домах. Теплотворная способность дров у разных пород древесины разная, достаточно часто приводится усредненное значение. Ниже приведем значения для следующих видов топливного материала:

1. Теплотворная способность дров (березовых, хвойных) составляет в среднем 14,5-15,5 МДж/кг. Такой же показатель теплоотдачи имеет и бурый уголь.
2. Теплоотдача каменного угля составляет 22 МДж/кг.
3. Данное значение для торфа колеблется в пределах 8-15 МДж/кг.
4. Значение для топливных брикетов находится в пределах 18,5-21 МДж/кг.
5. Газ, который подается в жилые дома, имеет показатель 45,5 МДж/кг.
6. Для баллонного газа (пропан-бутана) показатель составляет 36 МДж/кг.
7. Дизельное топливо имеет показатель 42,8 МДж/кг.
8. Для разных марок бензина значение колеблется в пределах 42-45 МДж/кг.

Удельные значения

Для ряда топливного материала подсчитаны удельные значения сгорания. Это физические величины, которые показывают количество тепловой энергии, образующееся в результате сгорания одной единицы. Обычно измеряется в джоулях на килограмм (либо метр кубический). В США значения приводятся в калориях на килограмм. Данные коэффициенты — это теплоотдача. Их измеряют лабораторно, после чего данные заносятся в специальные таблицы, которые общедоступны. Чем выше теплоотдача энергоресурса (тепло, которое дает сгорание топлива), тем более эффективным считается топливо. То есть в одной и той же установке с одним КПД расход будет меньшим у того топлива, которое имеет более высокое значение теплоотдачи.

Удельная теплота сгорания топлива практически всегда используется при конструкторских расчетах (при проектировании различного оборудования), а также при определении отопительных систем и оборудования для дома, квартиры, дачи и т.д.

Расчеты стоимости 1 кВт*часа:

• Дизтопливо. Удельная теплота сгорания дизтоплива 43 мДж/кг; или, с учетом плотности 35 мДж/литр; учитывая КПД котла на солярке (89 %) получим, что при сжигании 1 литра вырабатывается 31 мДж энергии, или в более привычных единицах 8,6 кВт*ч.
  • Стоимость 1 литра солярки - 20 руб.
  • Стоимость 1кВт*ч энергии сгорания дизтоплива - 2,33 руб.

• Пропан-бутановая смесь СПБТ (Сжиженный углеводородный газ СУГ). Удельная теплота сгорания СУГ 45,2 мДж/кг или, с учетом плотности 27 мДж/литр, учитывая КПД газового котла 95%, получим, что при сжигании 1 литра вырабатывается 25,65 мДж энергии, или в более привычных единицах - 7,125 кВт*ч.
  • Стоимость 1 литра СУГ - 11,8 руб.
  • Стоимость 1кВт*ч энергии - 1,66 руб.

Разница в цене 1 квт тепла, полученного от сгорания дизеля и СУГ получилась 29%. Приведенные цифры показывают, что из перечисленных источников тепла более экономичным является сжиженный газ. Чтобы получить более точный расчет, надо поставить текущие цены на энергоносители.

Особенности использования сжиженного газа и дизтоплива

ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО. Имеется несколько сортов, отличающихся по содержанию серы. Но для котла это не сильно принципиально. А вот деление на зимнюю и летнюю солярку, важно. Стандартом установлены три основные марки дизтоплива. Самое распространенное - летнее (Л), диапазон его применения - от О°С и выше. Зимнее дизельное топливо (3) применяют при отрицательных температурах воздуха (до -30°С). При более низких температурах следует использовать арктическое (А) дизтопливо. Отличительной чертой дизельного топлива является температура его помутнения. Фактически это температура, при которой начинают кристаллизоваться парафины, содержащиеся в солярке. Она действительно мутнеет, а при дальнейшем снижении температуры становится похожей на кисель или застывший жирный суп. Мельчайшие кристаллики парафина забивают поры топливных фильтров и предохранительных сеточек, оседают в каналах трубопроводов и парализуют работу. Для летнего топлива температура помутнения равна - 5°С, а для зимнего составляет -25°С. Важный показатель, обязательно указывается в паспорте на дизтопливо, температура предельной фильтруемости. Помутневшая солярка может использоваться, до температуры фильтруемости, а дальше - забитый фильтр и прекращение подачи топлива. Зимняя солярка не отличается от летней ни цветом, ни запахом. Вот и получается, что одному богу (и заправщику) известно, что фактически залито. Некоторые умельцы смешивают летнее дизельное топливо с БГС (бензин газовый), и прочей бурдой, добиваясь снижения температуры фильтруемости, что черевато, как выходом из строя насоса, так и просто взрывом из-за того, что у этой адской бодяги уменьшается температура вспышки. Также вместо дизеля может быть поставлено печное топливо светлое, внешне оно не отличается, но в нем больше примесей, при чем таких, каких в дизеле нет вообще. Что чревато загрязнением топливной аппаратуры и не дешевой ее чисткой. Из вышесказанного можно сделать вывод, если Вы приобретаете дизель по низкой цене, у частных лиц или не проверенных организаций, то можете попасть на ремонт, или разморозить систему отопления. Цена на дизельное топливо, с доставкой к Вашему дому колеблется на рубль от цен на заправках, причем как в меньшую сторону так и в большую в зависимости от удаленности Вашего коттеджа и количества перевозимого топлива, все, что дешевле должно Вас насторожить если Вы конечно не экстремал, и не боитесь ночевать в остывающем доме в 30 градусный мороз.

СЖИЖЕННЫЙ ГАЗ. Также как и у дизельного топлива имеется несколько сортов СПБТ, отличающихся по составу смеси пропана и бутана. Зимняя смесь, летняя и арктическая. Зимняя смесь на 65% состоит из пропана, на 30% из бутана и 5% газовых примесей. Летняя смесь состоит на 45% из пропана, 50% из бутана, 5% газовых примесей. Арктическая смесь - 95% пропана и 5% примесей. Может быть поставлена смесь из 95% бутана и 5% примесей, такая смесь называется бытовой. В каждую смесь добавляется очень небольшое количество сернистого вещества - одоратора, для того, чтобы создать "запах газа". С точки зрения сжигания и влияния на аппаратуру состав смеси практически не влияет. Бутан, хотя и значительно дешевле, но для отопления немного лучше пропана - более калориен, однако имеет очень большой недостаток, затрудняющий его применению в Российских условиях - бутан прекращает испаряться и остается жидким при нуле градусов. Если у вас импортный резервуар с невысокой горловиной или вертикальный (заглубление зеркала испарения менее 1,5 метра) или находится в пластиковом саркофаге, ухудшающем теплообмен, то в продолжительные морозы емкость может прекратить испарение бутана, причем не только из-за мороза, но и из-за недостаточной теплопередачи (при испарении газ охлаждает сам себя). При температуре ниже 3 градусов тепла, импортные емкости, сделанные для условий Германии, Чехии, Италии, Польши при интенсивном испарении перестают выдавать газ после того, как весь пропан испарится, а останется только бутан.

Теперь сравним потребительские свойства СУГ и дизельного топлива

Использование СУГ дешевле диз топлива на 29%. Качество СУГ не влияет на его потребительские свойства при использовании резервуаров АвтономГаз, более того, чем больше содержание бутана в смеси, тем лучше работает газовое оборудование. Некачественное дизтопливо может привести к серьезной поломке отопительного оборудования. Использование сжиженного газа избавит Вас от присутствия запаха солярки в доме. В сжиженном газе меньше содержание ядовитых сернистых соединений и как следствие отсутствует загрязнение воздуха на Вашем приусадебном участке. От сжиженного газа у Вас может работать не только котел, но и газовая плита, а также газовый камин и газовый электрогенератор.

Кроме основных компонентов, уголь содержит различные негорючие золообразующие добавки, «породу». Зола загрязняет окружающую среду и спекается в шлак на колосниках, что затрудняет горение угля. Кроме того, наличие породы уменьшает удельную теплоту сгорания угля. В зависимости от сорта и условий добычи количество минеральных веществ различается очень сильно, зольность каменного угля около 15% (10–20%).
Еще один вредный компонент угля - сера . В процессе сгорания серы образуются окислы, которые в атмосфере превращаются в серную кислоту. Содержание серы в угле, который мы поставляем покупателям через сеть своих представителей, около 0,5%, это весьма низкое значение, значит, экологию Вашего дома удастся сохранить.
Основной показатель любого топлива - удельная теплота сгорания . Для угля этот показатель составляет:

Указанные цифры относятся к угольному концентрату. Реальные цифры могут существенно отличаться. Так, для рядового каменного угля, который можно купить на угольных складах, указывается значение 5000-5500 ккал/кг. Мы в своих расчетах используем 5300 ккал/кг.
Плотность угля от 1 до 1,7 (каменный уголь - 1,3–1,4) г/см 3 в зависимости от вида и содержания минеральных веществ. В технике используют также «насыпную плотность», она составляет около 800-1 000 кг/м 3 .

Виды и сорта угля

Уголь классифицируется по многим параметрам (география добычи, химический состав), но с «бытовой» точки зрения, покупая уголь для использования в печах, достаточно разобраться в маркировке и возможности использования в Термороботе.

По степени углефикации выделяют три вида угля: бурый , каменный и антрацит. Используют следующую систему обозначений угля: Сорт = (марка) + (класс крупности).

Кроме основных марок, приведенных в таблице, выделяют также промежуточные марки каменного угля: ДГ (длиннопламенно-газовые), ГЖ (газовые жирные), КЖ (коксовые жирные), ПА (полуантрациты), бурые угли также делятся по группам.
Коксующиеся марки угля (Г, кокс, Ж, К, ОС) в теплоэнергетике практически не используются, так как они являются дефицитным сырьем для коксохимической промышленности.
По классу крупности (размеру кусков, фракции) сортовой каменный уголь подразделяется на:

Кроме сортового угля в продаже присутствуют совмещенные фракции и отсевы (ПК, КО, ОМ, МС, СШ, МСШ, ОМСШ). Размер угля определяют исходя из меньшего значения самой мелкой фракции и большего значения самой крупной фракции, указанных в названии марки угля.
Например, фракция ОМ (М - 13–25, О - 25-50) составляет 13–50 мм.

Кроме указанных сортов угля в продаже можно встретить угольные брикеты, которые прессуют из низкообогащенного угольного шлама.

Как горит уголь

Уголь состоит из двух горючих компонентов: летучие вещества и твердый (коксовый) остаток .

На первом этапе горения выделяются летучие вещества; при избытке кислорода они быстро сгорают, давая длинное пламя, но малое количество тепла.

После этого выгорает коксовый остаток; интенсивность его горения и температура воспламенения зависит от степени углефикации, то есть, от вида угля (бурый, каменный, антрацит).
Чем выше степень углефикации (самая высокая она у антрацита), тем выше температура воспламенения и теплота сгорания, но ниже интенсивность горения.

Уголь марок Д, Г

Из-за высокого содержания летучих веществ такой уголь быстро разгорается и быстро сгорает. Уголь этих марок доступен и пригоден практически для всех видов котлов, однако для полного сгорания этот уголь должен подаваться маленькими порциями, чтобы выделяющиеся летучие вещества успевали полностью соединяться с кислородом воздуха. Полное сгорание угля характеризуется желтым пламенем и прозрачными дымовыми газами; неполное сгорание летучих веществ дает багровое пламя и чёрный дым.
Для эффективного сжигания такого угля процесс должен постоянно контролироваться, такой режим работы реализован в автоматической котельной Терморобот.

Уголь марок А

Разжечь его труднее, зато он горит долго и выделяет намного больше тепла. Уголь можно загружать большими партиями, так как в них горит преимущественно коксовый остаток, нет массового выделения летучих веществ. Очень важен режим поддува, так как при недостатке воздуха горение происходит медленно, возможно его прекращение, либо, напротив, чрезмерное повышение температуры, приводящее к уносу тепла и прогоранию котла.