Bármilyen tüzelőanyag, amikor eléget, hőt (energiát) bocsát ki, számszerűsítve joule-ban vagy kalóriában (4,3 J = 1 cal). A gyakorlatban az üzemanyag elégetése során felszabaduló hőmennyiség mérésére kalorimétereket használnak - komplex laboratóriumi eszközöket. Az égéshőt fűtőértéknek is nevezik.
A tüzelőanyag elégetésével nyert hőmennyiség nemcsak a fűtőértékétől, hanem a tömegétől is függ.
Ha az anyagokat az égés során felszabaduló energia mennyisége alapján hasonlítjuk össze, kényelmesebb a fajlagos égéshő értéke. Egy kilogramm (tömeg fajlagos égéshő) vagy egy liter, köbméter (térfogatfajlagos égéshő) tüzelőanyag elégetésekor keletkező hőmennyiséget mutatja.
A tüzelőanyag fajlagos égéshőjének az SI-rendszerben elfogadott mértékegységei: kcal / kg, MJ / kg, kcal / m³, MJ / m³, valamint ezek származékai.
Az üzemanyag energiaértékét pontosan a fajlagos égéshője határozza meg. A tüzelőanyag elégetése során keletkező hőmennyiség, annak tömege és a fajlagos égéshő közötti kapcsolatot egy egyszerű képlettel fejezzük ki:
Q = q m, ahol Q a hőmennyiség J-ben, q a fajlagos égéshő J/kg-ban, m az anyag tömege kg-ban.
Minden típusú tüzelőanyag és a legtöbb éghető anyag esetében a fajlagos égéshő értékeit régóta meghatározták és táblázatba foglalták, amelyeket a szakemberek az üzemanyag vagy más anyagok égése során felszabaduló hő kiszámításakor használnak. A különböző táblázatokban enyhe eltérések lehetségesek, ami nyilvánvalóan a kissé eltérő mérési módszerekkel vagy a különböző lerakódásokból kinyert azonos típusú éghető anyagok eltérő fűtőértékével magyarázható.
A szilárd tüzelőanyagok közül a szénnek van a legnagyobb energiaintenzitása - 27 MJ / kg (antracit - 28 MJ / kg). A faszén hasonló mutatókkal rendelkezik (27 MJ / kg). A barnaszén sokkal alacsonyabb fűtőértékű - 13 MJ/kg. Emellett általában sok nedvességet tartalmaz (akár 60%), ami elpárologva csökkenti a teljes fűtőérték értékét.
A tőzeg 14-17 MJ/kg hővel ég (állapottól függően - morzsa, préselt, brikett). A 20%-os nedvességtartalomra szárított tűzifa 8-15 MJ/kg-ot bocsát ki. Ugyanakkor a nyárfából és a nyírból kapott energia mennyisége csaknem megkétszereződhet. Körülbelül ugyanazokat a mutatókat adják a különböző anyagokból származó pellet - 14-18 MJ / kg.
A folyékony tüzelőanyagok fajlagos égéshő tekintetében sokkal kevésbé különböznek, mint a szilárd tüzelőanyagok. Így a dízel üzemanyag fajlagos égéshője 43 MJ / l, a benzin - 44 MJ / l, a kerozin - 43,5 MJ / l, a fűtőolaj - 40,6 MJ / l.
A földgáz fajlagos égéshője 33,5 MJ/m³, a propáné - 45 MJ/m³. A legenergiaigényesebb gáznemű tüzelőanyag a hidrogéngáz (120 MJ/m³). Üzemanyagként nagyon ígéretes, de a mai napig nem találtak optimális megoldást a tárolására és szállítására.
Különböző típusú üzemanyagok energiaintenzitásának összehasonlítása
A főbb szilárd, folyékony és gáznemű tüzelőanyagok energiaértékének összehasonlítása során megállapítható, hogy egy liter benzin vagy gázolaj 1,3 m³ földgáznak, egy kilogramm szénnek 0,8 m³ gáznak, egy kg gáznak felel meg. tűzifa - 0,4 m³ gáz.
A tüzelőanyag fűtőértéke a hatékonyság legfontosabb mutatója, azonban eloszlásának szélessége az emberi tevékenység területén a felhasználás műszaki adottságaitól és gazdasági mutatóitól függ.
A táblázatok a tüzelőanyag (folyékony, szilárd és gázhalmazállapotú) és néhány egyéb éghető anyag tömegfajlagos égéshőjét mutatják be. Olyan tüzelőanyagokat kell figyelembe venni, mint: szén, tűzifa, koksz, tőzeg, kerozin, olaj, alkohol, benzin, földgáz stb.
Asztalok listája:
Egy exoterm tüzelőanyag oxidációs reakcióban kémiai energiája hőenergiává alakul bizonyos hőmennyiség felszabadulásával. A keletkező hőenergiát a tüzelőanyag égéshőjének nevezzük. Kémiai összetételétől, páratartalmától függ, és a fő. Az üzemanyag fűtőértéke 1 kg tömegre vagy 1 m 3 térfogatra vonatkoztatva képezi a tömeg vagy térfogat fajlagos fűtőértéket.
A tüzelőanyag fajlagos égéshője az egységnyi tömegű vagy térfogatú szilárd, folyékony vagy gáznemű tüzelőanyag teljes elégetésekor felszabaduló hőmennyiség. A Nemzetközi Mértékegységrendszerben ezt az értéket J / kg-ban vagy J / m3-ben mérik.
Egy tüzelőanyag fajlagos égéshője meghatározható kísérletileg vagy analitikusan kiszámítható. A fűtőérték meghatározására szolgáló kísérleti módszerek a tüzelőanyag elégetése során felszabaduló hőmennyiség gyakorlati mérésén alapulnak, például termosztátos kaloriméterben és égésbombával. Ismert kémiai összetételű tüzelőanyag esetén a fajlagos égéshő a Mengyelejev-képletből határozható meg.
Vannak magasabb és alacsonyabb fajlagos égéshők. A bruttó fűtőérték megegyezik a tüzelőanyag teljes elégetése során felszabaduló hő maximális mennyiségével, figyelembe véve az üzemanyagban lévő nedvesség elpárologtatására fordított hőt. Az alacsonyabb fűtőérték kisebb a magasabb értéknél a kondenzációs hő értékével, amely a tüzelőanyag nedvességéből és az égés során vízzé alakuló szerves tömeg hidrogénéből képződik.
Tüzelőanyag-minőségi mutatók meghatározásához, valamint hőtechnikai számításokhoz általában a legalacsonyabb fajlagos égéshőt használják, amely az üzemanyag legfontosabb hő- és működési jellemzője, és az alábbi táblázatokban található.
Szilárd tüzelőanyag (szén, tűzifa, tőzeg, koksz) fajlagos égéshője
A táblázat a száraz szilárd tüzelőanyag fajlagos égéshőjének értékeit mutatja MJ/kg egységben. A táblázatban az üzemanyagok név szerint, ábécé sorrendben vannak elrendezve.
A figyelembe vett szilárd tüzelőanyagok közül a kokszszénnek a legmagasabb a fűtőértéke - fajlagos égéshője 36,3 MJ/kg (vagy SI mértékegységben 36,3·10 6 J/kg). Ezenkívül a magas fűtőérték jellemző a szénre, antracitra, faszénre és barnaszénre.
Az alacsony energiahatékonyságú tüzelőanyagok közé tartozik a fa, a tűzifa, a puskapor, a friztorf, az olajpala. Például a tűzifa fajlagos égési hője 8,4 ... 12,5, a puskaporé pedig csak 3,8 MJ / kg.
| Üzemanyag | |
|---|---|
| Antracit | 26,8…34,8 |
| Fapellet (pellet) | 18,5 |
| Száraz tűzifa | 8,4…11 |
| Száraz nyír tűzifa | 12,5 |
| gázkoksz | 26,9 |
| nagyolvasztó koksz | 30,4 |
| félkoksz | 27,3 |
| Por | 3,8 |
| Pala | 4,6…9 |
| Olajpala | 5,9…15 |
| Szilárd hajtóanyag | 4,2…10,5 |
| Tőzeg | 16,3 |
| rostos tőzeg | 21,8 |
| Marótőzeg | 8,1…10,5 |
| Tőzegmorzsa | 10,8 |
| Barnaszén | 13…25 |
| Barnaszén (brikett) | 20,2 |
| Barnaszén (por) | 25 |
| Donyeck szén | 19,7…24 |
| Faszén | 31,5…34,4 |
| Szén | 27 |
| Kokszolószén | 36,3 |
| Kuznyeck szén | 22,8…25,1 |
| Cseljabinszki szén | 12,8 |
| Ekibastuzi szén | 16,7 |
| freztorf | 8,1 |
| Salak | 27,5 |
Folyékony tüzelőanyag (alkohol, benzin, kerozin, olaj) fajlagos égéshője
Megadjuk a folyékony tüzelőanyag és néhány más szerves folyadék fajlagos égéshőjének táblázatát. Meg kell jegyezni, hogy az olyan tüzelőanyagokat, mint a benzin, a dízel üzemanyag és az olaj, az égés során nagy hőleadás jellemzi.
Az alkohol és az aceton fajlagos égéshője lényegesen alacsonyabb, mint a hagyományos üzemanyagoké. Ezenkívül a folyékony hajtóanyagnak viszonylag alacsony a fűtőértéke, és 1 kg szénhidrogén teljes elégetésével 9,2, illetve 13,3 MJ hőmennyiség szabadul fel.
| Üzemanyag | Fajlagos égéshő, MJ/kg |
|---|---|
| Aceton | 31,4 |
| Benzin A-72 (GOST 2084-67) | 44,2 |
| Repülőbenzin B-70 (GOST 1012-72) | 44,1 |
| AI-93 benzin (GOST 2084-67) | 43,6 |
| Benzol | 40,6 |
| Téli dízel üzemanyag (GOST 305-73) | 43,6 |
| Nyári dízel üzemanyag (GOST 305-73) | 43,4 |
| Folyékony hajtóanyag (kerozin + folyékony oxigén) | 9,2 |
| Repülési kerozin | 42,9 |
| Világító kerozin (GOST 4753-68) | 43,7 |
| xilol | 43,2 |
| Magas kéntartalmú fűtőolaj | 39 |
| Alacsony kéntartalmú fűtőolaj | 40,5 |
| Alacsony kéntartalmú fűtőolaj | 41,7 |
| Kénes fűtőolaj | 39,6 |
| Metil-alkohol (metanol) | 21,1 |
| n-butil-alkohol | 36,8 |
| Olaj | 43,5…46 |
| Olaj metán | 21,5 |
| Toluol | 40,9 |
| Lakbenzin (GOST 313452) | 44 |
| etilén-glikol | 13,3 |
| Etil-alkohol (etanol) | 30,6 |
Gáznemű tüzelőanyag és éghető gázok fajlagos égéshője
A gáz-halmazállapotú tüzelőanyag és néhány más éghető gáz fajlagos égéshője táblázata MJ/kg méretben. A figyelembe vett gázok közül a legnagyobb tömegű fajlagos égéshő különbözik. Egy kilogramm gáz teljes elégetésével 119,83 MJ hő szabadul fel. Ezenkívül az üzemanyag, például a földgáz magas fűtőértékkel rendelkezik - a földgáz fajlagos égési hője 41 ... 49 MJ / kg (tiszta 50 MJ / kg).
| Üzemanyag | Fajlagos égéshő, MJ/kg |
|---|---|
| 1-butén | 45,3 |
| Ammónia | 18,6 |
| Acetilén | 48,3 |
| Hidrogén | 119,83 |
| Hidrogén, metán keveréke (50 tömeg% H 2 és 50 tömeg% CH 4) | 85 |
| Hidrogén, metán és szén-monoxid keveréke (33-33-33 tömeg%) | 60 |
| Hidrogén, szén-monoxid keveréke (50% H 2 50% CO 2 tömeg szerint) | 65 |
| Nagyolvasztó gáz | 3 |
| kokszolókemence gáz | 38,5 |
| LPG cseppfolyósított szénhidrogén gáz (propán-bután) | 43,8 |
| izobután | 45,6 |
| Metán | 50 |
| n-bután | 45,7 |
| n-hexán | 45,1 |
| n-pentán | 45,4 |
| Kapcsolódó gáz | 40,6…43 |
| Földgáz | 41…49 |
| Propadien | 46,3 |
| Propán | 46,3 |
| Propilén | 45,8 |
| Propilén, hidrogén és szén-monoxid keveréke (90%-9%-1 tömeg%) | 52 |
| Etán | 47,5 |
| Etilén | 47,2 |
Egyes éghető anyagok fajlagos égéshője
Néhány éghető anyag (fa, papír, műanyag, szalma, gumi stb.) fajlagos égéshőjét táblázat tartalmazza. Figyelembe kell venni az égés során nagy hőleadású anyagokat. Ilyen anyagok a következők: különféle típusú gumi, expandált polisztirol (polisztirol), polipropilén és polietilén.
| Üzemanyag | Fajlagos égéshő, MJ/kg |
|---|---|
| Papír | 17,6 |
| Műbőr | 21,5 |
| Fa (14%-os nedvességtartalmú rudak) | 13,8 |
| Fa halomban | 16,6 |
| tölgyfa | 19,9 |
| Lucfenyő | 20,3 |
| fa zöld | 6,3 |
| Fenyőfa | 20,9 |
| Kapron | 31,1 |
| Karbolit termékek | 26,9 |
| Karton | 16,5 |
| Sztirol-butadién gumi SKS-30AR | 43,9 |
| Természetes gumi | 44,8 |
| Szintetikus gumi | 40,2 |
| Gumi SCS | 43,9 |
| Klóroprén gumi | 28 |
| Polivinil-klorid linóleum | 14,3 |
| Kétrétegű polivinil-klorid linóleum | 17,9 |
| Linóleum polivinilklorid filc alapon | 16,6 |
| Linóleum polivinil-klorid meleg alapon | 17,6 |
| Linóleum polivinil-klorid szövet alapú | 20,3 |
| Linóleum gumi (relin) | 27,2 |
| Paraffin szilárd | 11,2 |
| Polihab PVC-1 | 19,5 |
| Polyfoam FS-7 | 24,4 |
| Polyfoam FF | 31,4 |
| Habosított polisztirol PSB-S | 41,6 |
| poliuretán hab | 24,3 |
| farostlemez | 20,9 |
| Polivinil-klorid (PVC) | 20,7 |
| Polikarbonát | 31 |
| Polipropilén | 45,7 |
| Polisztirol | 39 |
| Nagy sűrűségű polietilén | 47 |
| Alacsony nyomású polietilén | 46,7 |
| Radír | 33,5 |
| Ruberoid | 29,5 |
| Koromcsatorna | 28,3 |
| Széna | 16,7 |
| Szalma | 17 |
| Organikus üveg (plexi) | 27,7 |
| Textolit | 20,9 |
| Tol | 16 |
| TNT | 15 |
| Pamut | 17,5 |
| Cellulóz | 16,4 |
| Gyapjú és gyapjúszálak | 23,1 |
Források:
- GOST 147-2013 Szilárd ásványi tüzelőanyag. A magasabb fűtőérték meghatározása és az alacsonyabb fűtőérték számítása.
- GOST 21261-91 Kőolajtermékek. A bruttó fűtőérték meghatározásának és a nettó fűtőérték kiszámításának módszere.
- GOST 22667-82 Éghető földgázok. Számítási módszer a fűtőérték, a relatív sűrűség és a Wobbe-szám meghatározásához.
- GOST 31369-2008 Földgáz. A fűtőérték, a sűrűség, a relatív sűrűség és a Wobbe-szám számítása az összetevők összetétele alapján.
- Zemsky G. T. Szervetlen és szerves anyagok tűzveszélyes tulajdonságai: kézikönyv M.: VNIIPO, 2016 - 970 p.
5. ÉGÉS TERMÁLIS EGYENSÚLYA
Fontolja meg a gáznemű, folyékony és szilárd tüzelőanyagok égési folyamatának hőmérlegének kiszámítási módszereit. A számítás a következő feladatok megoldására redukálódik.
· A tüzelőanyag égéshőjének (fűtőértékének) meghatározása.
· Az elméleti égési hőmérséklet meghatározása.
5.1. ÉGÉSI HŐ
A kémiai reakciókat hő felszabadulása vagy elnyelése kíséri. Hő felszabadulásakor a reakciót exotermnek, abszorbeálását endotermnek nevezzük. Minden égési reakció exoterm, az égéstermékek pedig exoterm vegyületek.
A kémiai reakció során felszabaduló (vagy elnyelt) hőt reakcióhőnek nevezzük. Exoterm reakciókban pozitív, endoterm reakciókban negatív. Az égési reakciót mindig hőkibocsátás kíséri. Égéshő Q g(J / mol) az a hőmennyiség, amely egy mól anyag teljes elégetésekor és egy éghető anyag teljes égéstermékekké történő átalakulásakor szabadul fel. A mól az anyag mennyiségének SI alapegysége. Egy mól egy olyan mennyiségű anyag, amely annyi részecskét (atomot, molekulát stb.) tartalmaz, ahány atom van 12 g szén-12 izotópban. Egy anyag 1 molnak megfelelő mennyiségének (molekula- vagy moláris tömegének) tömege számszerűen egybeesik egy adott anyag relatív molekulatömegével.
Például az oxigén (O 2 ) relatív molekulatömege 32, a szén-dioxidé (CO 2 ) 44, és a megfelelő molekulatömege M=32 g/mol és M=44 g/mol lenne. Így egy mól oxigén 32 grammot tartalmaz ebből az anyagból, egy mol CO 2 pedig 44 gramm szén-dioxidot.
A műszaki számításokban gyakran nem az égéshőt használják Q g, és az üzemanyag fűtőértéke K(J/kg vagy J/m3). Egy anyag fűtőértéke az a hőmennyiség, amely 1 kg vagy 1 m 3 anyag teljes elégetése során szabadul fel. Folyékony és szilárd anyagok esetén a számítást 1 kg-ra, a gáznemű anyagokra pedig 1 m 3 -re kell elvégezni.
Az égéshő és a tüzelőanyag fűtőértékének ismerete szükséges az égési vagy robbanási hőmérséklet, a robbanási nyomás, a láng terjedési sebességének és egyéb jellemzőinek kiszámításához. Az üzemanyag fűtőértékét kísérletileg vagy számítással határozzák meg. A fűtőérték kísérleti meghatározásánál megadott tömegű szilárd vagy folyékony tüzelőanyagot kalorimetrikus bombában, gázhalmazállapotú tüzelőanyag esetén gázkaloriméterben égetnek el. Ezek az eszközök a teljes hőmennyiséget mérik K 0, amely egy tüzelőanyag-mérési minta elégetésekor szabadul fel m. Fűtőérték Q g képlet szerint található
Az égéshő kapcsolata és
üzemanyag fűtőértéke
Az égéshő és az anyag fűtőértéke közötti összefüggés megállapításához fel kell írni az égés kémiai reakciójának egyenletét.
A szén teljes égésének terméke szén-dioxid:
C + O 2 → CO 2.
A hidrogén teljes égésének terméke víz:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O.
A kén teljes égésének terméke a kén-dioxid:
S + O 2 → SO 2.
Ugyanakkor a nitrogén, a halogenidek és más nem éghető elemek szabad formában szabadulnak fel.
éghető gáz
Példaként kiszámítjuk a metán CH 4 fűtőértékét, amelyre az égéshő egyenlő Q g=882.6 .
Határozza meg a metán molekulatömegét a kémiai képlete (CH 4) alapján:
М=1∙12+4∙1=16 g/mol.
Határozza meg 1 kg metán fűtőértékét:
Határozzuk meg 1 kg metán térfogatát, ρ=0,717 kg/m 3 sűrűségének ismeretében normál körülmények között:
.
Határozzuk meg 1 m 3 metán fűtőértékét:
Az éghető gázok fűtőértékét hasonló módon határozzák meg. Sok elterjedt anyag esetében a fűtőértékeket és a fűtőértékeket nagy pontossággal mérték, és a vonatkozó referencia-irodalomban szerepelnek. Adjunk táblázatot egyes gáznemű anyagok fűtőértékére vonatkozóan (5.1. táblázat). Érték K ebben a táblázatban MJ / m 3 -ben és kcal / m 3 -ben van megadva, mivel 1 kcal = 4,1868 kJ gyakran használják hőegységként.
5.1. táblázat
Gáznemű tüzelőanyagok fűtőértéke
|
Anyag |
Acetilén |
|||||
|
K |
||||||
Éghető anyag - folyékony vagy szilárd
Példaként kiszámítjuk a C 2 H 5 OH etil-alkohol fűtőértékét, amelyre az égéshő Q g= 1373,3 kJ/mol.
Határozza meg az etil-alkohol molekulatömegét kémiai képlete szerint (C 2 H 5 OH):
М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 g/mol.
Határozza meg 1 kg etil-alkohol fűtőértékét:
Minden folyékony és szilárd éghető anyag fűtőértékét hasonló módon határozzák meg. táblázatban. Az 5.2 és 5.3 a fűtőértékeket mutatja K(MJ/kg és kcal/kg) egyes folyékony és szilárd anyagok esetében.
5.2. táblázat
Folyékony tüzelőanyagok fűtőértéke
|
Anyag |
Metil-alkohol |
Etanol |
Tüzelőolaj, olaj |
||||
|
K |
|||||||
5.3. táblázat
Szilárd tüzelőanyagok fűtőértéke
|
Anyag |
fa friss |
fa száraz |
Barnaszén |
Tőzeg száraz |
Antracit, koksz |
||
|
K |
|||||||
Mengyelejev képlete
Ha az üzemanyag fűtőértéke ismeretlen, akkor a D.I. által javasolt empirikus képlet segítségével számítható ki. Mengyelejev. Ehhez ismernie kell az üzemanyag elemi összetételét (az üzemanyag ekvivalens képletét), vagyis a következő elemek százalékos arányát:
oxigén (O);
hidrogén (H);
szén (C);
kén (S);
Hamu (A);
Víz (W).
Az üzemanyagok égéstermékei mindig tartalmaznak vízgőzt, amely mind az üzemanyagban lévő nedvesség miatt, mind a hidrogén égése során keletkezik. Az égés során keletkező hulladékok a harmatpont feletti hőmérsékleten hagyják el az ipari üzemet. Ezért a vízgőz kondenzációja során felszabaduló hőt nem lehet hasznosan felhasználni, és nem kell figyelembe venni a termikus számításoknál.
A számításhoz általában a nettó fűtőértéket használják. Q n tüzelőanyag, amely figyelembe veszi a vízgőzzel járó hőveszteséget. Szilárd és folyékony tüzelőanyagok esetén az érték Q n(MJ / kg) hozzávetőlegesen a Mengyelejev-képlet határozza meg:
Q n=0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)
ahol a megfelelő elemek százalékos (tömeg%) tartalma az üzemanyag-összetételben zárójelben van feltüntetve.
Ez a képlet figyelembe veszi a szén, hidrogén és kén exoterm égési reakcióinak hőjét (pluszjellel). Az üzemanyag részét képező oxigén részben helyettesíti a levegő oxigénjét, ezért az (5.1) képletben a megfelelő kifejezést mínusz előjellel vesszük. A nedvesség elpárolgásakor hő fogy, ezért a megfelelő W-t tartalmazó kifejezést is mínuszjellel vesszük.
A különböző tüzelőanyagok (fa, tőzeg, szén, olaj) fűtőértékére vonatkozó számított és kísérleti adatok összehasonlítása azt mutatta, hogy a Mengyelejev-képlet (5.1) szerinti számítás 10%-ot meg nem haladó hibát ad.
Nettó fűtőérték Q n(MJ / m 3) száraz éghető gázok mennyisége kellő pontossággal kiszámítható az egyes komponensek fűtőértékének és 1 m 3 gáznemű tüzelőanyagban való százalékos arányának szorzataként.
Q n= 0,108 [Н 2 ] + 0,126 [СО] + 0,358 [CH 4 ] + 0,5 [С 2 Н 2 ] + 0,234 [Н 2 S ]…, (5,2)
ahol a keverékben lévő megfelelő gázok százalékos (térfogat%) tartalma zárójelben van feltüntetve.
A földgáz átlagos fűtőértéke hozzávetőlegesen 53,6 MJ/m 3 . A mesterségesen előállított éghető gázokban a CH 4 metán tartalma elhanyagolható. A fő éghető összetevők a hidrogén H 2 és a szén-monoxid CO. A kokszolókemencegázban például a H 2 -tartalom eléri az (55 ÷ 60)%-ot, az ilyen gáz nettó fűtőértéke pedig eléri a 17,6 MJ/m 3 -t. A generátorgáz CO-tartalma ~ 30%, H 2 ~ 15%, míg a generátorgáz nettó fűtőértéke Q n= (5,2÷6,5) MJ/m 3 . A kohógázban a CO- és H2-tartalom kisebb; nagyságrendű Q n= (4,0÷4,2) MJ/m 3 .
Tekintsünk példákat az anyagok fűtőértékének a Mengyelejev-képlet segítségével történő kiszámítására.
Határozzuk meg a szén fűtőértékét, melynek elemi összetételét a táblázat tartalmazza. 5.4.
5.4. táblázat
A szén elemi összetétele
Cseréljük be a tabulátorban megadottakat. 5.4 adatok a Mengyelejev-képletben (5.1) (a nitrogén-N és a hamu A nem szerepel ebben a képletben, mivel inert anyagok és nem vesznek részt az égési reakcióban):
Q n=0,339∙37,2+1,025∙2,6+0,1085∙0,6–0,1085∙12–0,025∙40=13,04 MJ/kg.
Határozzuk meg 50 liter víz 10 °C-ról 100 °C-ra való felmelegítéséhez szükséges tűzifa mennyiségét, ha az égés során felszabaduló hő 5%-át fűtésre fordítjuk, valamint a víz hőkapacitását. Val vel\u003d 1 kcal / (kg ∙ fok) vagy 4,1868 kJ / (kg ∙ fok). A tűzifa elemi összetételét a táblázat tartalmazza. 5.5:
5.5. táblázat
A tűzifa elemi összetétele
|
Határozzuk meg a tűzifa fűtőértékét a Mengyelejev-féle képlet (5.1) szerint: Q n=0,339∙43+1,025∙7–0,1085∙41–0,025∙7= 17,12 MJ/kg. Határozza meg 1 kg tűzifa elégetésekor a víz fűtésére fordított hőmennyiséget (figyelembe véve, hogy az égés során felszabaduló hő (a = 0,05) 5%-át a fűtésre fordítják): K 2=a Q n=0,05 17,12 = 0,86 MJ/kg. Határozza meg az 50 liter víz 10°C-ról 100°C-ra való felmelegítéséhez szükséges tűzifa mennyiségét:
Így körülbelül 22 kg tűzifa szükséges a víz felmelegítéséhez. |
kg.Mindenki tudja, hogy az üzemanyag-fogyasztás óriási szerepet játszik életünkben. A modern ipar szinte minden ágában üzemanyagot használnak. Különösen gyakran használt olajból származó üzemanyag: benzin, kerozin, dízel üzemanyag és mások. Éghető gázokat (metán és mások) is használnak.
Honnan származik az üzemanyagból származó energia?
Tudjuk, hogy a molekulák atomokból állnak. Ahhoz, hogy bármely molekulát (például vízmolekulát) alkotó atomokra oszthasson, energiát kell elköltenie (az atomok vonzási erőinek leküzdéséhez). A kísérletek azt mutatják, hogy amikor az atomok molekulává egyesülnek (ez történik az üzemanyag elégetésekor), éppen ellenkezőleg, energia szabadul fel.
Tudniillik van nukleáris üzemanyag is, de erről itt nem fogunk beszélni.
Az üzemanyag elégetésekor energia szabadul fel. Leggyakrabban hőenergia. A kísérletek azt mutatják, hogy a felszabaduló energia mennyisége egyenesen arányos az elégetett tüzelőanyag mennyiségével.
Fajlagos égéshő
Ennek az energiának a kiszámításához egy fizikai mennyiséget használnak, amelyet a tüzelőanyag fajlagos égéshőjének neveznek. A tüzelőanyag fajlagos égéshője azt mutatja meg, hogy mennyi energia szabadul fel egységnyi tömegű tüzelőanyag elégetése során.
A latin q betűvel jelöljük. Az SI rendszerben ennek a mennyiségnek a mértékegysége J / kg. Vegye figyelembe, hogy minden tüzelőanyagnak megvan a saját fajlagos égéshője. Ezt az értéket szinte minden tüzelőanyag esetében mérték, és táblázatokból határozzák meg a problémák megoldása során.
Például a benzin fajlagos égéshője 46 000 000 J/kg, a keroziné ugyanannyi, az etilalkoholé pedig 27 000 000 J/kg. Könnyen megérthető, hogy a tüzelőanyag elégetése során felszabaduló energia egyenlő az üzemanyag tömegének és az üzemanyag fajlagos égéshőjének szorzatával:
Vegye figyelembe a példákat
Vegyünk egy példát. 10 gramm etil-alkohol égett el egy spirituszlámpában 10 perc alatt. Keresse meg az alkohollámpa erejét.
Megoldás. Határozza meg az alkohol égésekor felszabaduló hő mennyiségét:
Q = q*m; Q = 27 000 000 J / kg * 10 g = 27 000 000 J / kg * 0,01 kg \u003d 270 000 J.
Nézzük meg az alkohollámpa erejét:
N = Q / t = 270 000 J / 10 perc \u003d 270 000 J / 600 s = 450 W.
Nézzünk egy összetettebb példát. Egy m1 tömegű, vízzel megtöltött alumínium edényt m2 tömegű vízzel tűzhelyen t1 hőmérsékletről t2 hőmérsékletre (0°C) melegítünk.< t1 < t2
Megoldás.
Határozza meg az alumínium által kapott hőmennyiséget:
Q1 = c1 * m1 * (t1 t2);
keresse meg a víz által kapott hőmennyiséget:
Q2 = c2 * m2 * (t1 t2);
keresse meg egy edény víz által kapott hőmennyiséget:
keresse meg az elégetett benzin által leadott hőmennyiséget:
Q4 = Q3 / k * 100 = (Q1 + Q2) / k * 100 =
(c1 * m1 * (t1 t2) + c2 * m2 * (t1 t2)) / k * 100;
A különböző típusú (szilárd, folyékony és gáznemű) tüzelőanyagokat általános és specifikus tulajdonságok jellemzik. Az általános tüzelőanyag-tulajdonságok közé tartozik a fajlagos égéshő és páratartalom, a fajlagos tulajdonságok közé tartozik a hamutartalom, a kéntartalom (kéntartalom), a sűrűség, a viszkozitás és egyéb tulajdonságok.
A tüzelőanyag fajlagos égéshője az a hőmennyiség, amely \(1\) kg szilárd vagy folyékony tüzelőanyag vagy \(1\) m³ gáznemű tüzelőanyag teljes elégetésekor szabadul fel.
A tüzelőanyag energiaértékét elsősorban a fajlagos égéshője határozza meg.
A fajlagos égéshőt \(q\) betűvel jelöljük. A fajlagos égéshő mértékegysége szilárd és folyékony tüzelőanyagok esetén \(1\) J/kg, gáznemű tüzelőanyag esetén \(1\) J/m³.
A fajlagos égéshőt kísérletileg meglehetősen bonyolult módszerekkel határozzák meg.
2. táblázat: Egyes tüzelőanyagok fajlagos égéshője.
szilárd tüzelőanyag
Anyag | Fajlagos égéshő, |
| Barnaszén | |
| Faszén | |
| Száraz tűzifa | |
| fa ékek | |
Szén | |
Szén évfolyam A-II | |
| Koksz | |
| Por | |
| Tőzeg |
Folyékony üzemanyag
gáznemű tüzelőanyag
(normál körülmények között)
Anyag | Fajlagos égéshő, |
| Hidrogén | |
| generátor gáz | |
| kokszolókemence gáz | |
| Földgáz | |
| Gáz |
Ebből a táblázatból látható, hogy a legmagasabb a hidrogén fajlagos égéshője, ez \(120\) MJ / m³. Ez azt jelenti, hogy \(1\) m³ térfogatú hidrogén teljes elégetésekor \(120\) MJ \(=\)\(120\) ⋅ 10 6 J energia szabadul fel.
A hidrogén a nagy energiájú üzemanyagok közé tartozik. Ezenkívül a hidrogén égésterméke közönséges víz, ellentétben más típusú tüzelőanyagokkal, ahol az égéstermékek szén-dioxid és szén-monoxid, hamu és kemencesalak. Ez teszi a hidrogént a legkörnyezetbarátabb üzemanyaggá.
A hidrogéngáz azonban robbanásveszélyes. Ezenkívül más, azonos hőmérsékletű és nyomású gázokhoz képest a legkisebb a sűrűsége, ami megnehezíti a hidrogén cseppfolyósítását és szállítását.
A teljes égés során felszabaduló hőmennyiség \(Q\) \(m\) kg szilárd vagy folyékony tüzelőanyag a következő képlettel számítható ki:
A gáz halmazállapotú tüzelőanyag teljes elégetése során felszabaduló teljes hőmennyiséget \(Q\) a következő képlettel számítjuk ki:
A tüzelőanyag páratartalma (nedvességtartalma) csökkenti a fűtőértékét, mivel nő a nedvesség elpárolgása miatti hőfogyasztás és nő az égéstermékek térfogata (a vízgőz jelenléte miatt).
A hamutartalom a tüzelőanyagban lévő ásványi anyagok elégetésekor keletkező hamu mennyisége. A tüzelőanyagban található ásványi anyagok csökkentik a fűtőértékét, mivel csökken az éghető összetevők tartalma (fő ok), és nő az ásványi tömeg felmelegítésére és olvasztására fordított hőfogyasztás.
A kéntartalom (kéntartalom) a negatív tüzelőanyag-tényezőre utal, mivel elégetésekor kén-dioxid gázok képződnek, amelyek szennyezik a légkört és elpusztítják a fémet. Ezenkívül a tüzelőanyagban lévő kén részben átjut az olvasztott fém, hegesztett üvegmasszába, rontva azok minőségét. Például kristály-, optikai és egyéb üvegek olvasztásához nem használható kéntartalmú tüzelőanyag, mivel a kén jelentősen csökkenti az üveg optikai tulajdonságait és színét.
