Содержание
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.
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.
Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
---|---|
Антрацит | 26,8…34,8 |
Древесные гранулы (пиллеты) | 18,5 |
Дрова сухие | 8,4…11 |
Дрова березовые сухие | 12,5 |
Кокс газовый | 26,9 |
Кокс доменный | 30,4 |
Полукокс | 27,3 |
Порох | 3,8 |
Сланец | 4,6…9 |
Сланцы горючие | 5,9…15 |
Твердое ракетное топливо | 4,2…10,5 |
Торф | 16,3 |
Торф волокнистый | 21,8 |
Торф фрезерный | 8,1…10,5 |
Торфяная крошка | 10,8 |
Уголь бурый | 13…25 |
Уголь бурый (брикеты) | 20,2 |
Уголь бурый (пыль) | 25 |
Уголь донецкий | 19,7…24 |
Уголь древесный | 31,5…34,4 |
Уголь каменный | 27 |
Уголь коксующийся | 36,3 |
Уголь кузнецкий | 22,8…25,1 |
Уголь челябинский | 12,8 |
Уголь экибастузский | 16,7 |
Фрезторф | 8,1 |
Шлак | 27,5 |
Приведена таблица удельной теплоты сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что высоким тепловыделением при сгорании отличаются такие топлива, как: бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и нефть.
Удельная теплота сгорания спирта и ацетона существенно ниже традиционных моторных топлив. Кроме того, относительно низким значением теплоты сгорания обладает жидкое ракетное топливо и этиленгликоль — при полном сгорании 1 кг этих углеводородов выделится количество теплоты, равное 9,2 и 13,3 МДж, соответственно.
Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
---|---|
Ацетон | 31,4 |
Бензин А-72 (ГОСТ 2084-67) | 44,2 |
Бензин авиационный Б-70 (ГОСТ 1012-72) | 44,1 |
Бензин АИ-93 (ГОСТ 2084-67) | 43,6 |
Бензол | 40,6 |
Дизельное топливо зимнее (ГОСТ 305-73) | 43,6 |
Дизельное топливо летнее (ГОСТ 305-73) | 43,4 |
Жидкое ракетное топливо (керосин + жидкий кислород) | 9,2 |
Керосин авиационный | 42,9 |
Керосин осветительный (ГОСТ 4753-68) | 43,7 |
Ксилол | 43,2 |
Мазут высокосернистый | 39 |
Мазут малосернистый | 40,5 |
Мазут низкосернистый | 41,7 |
Мазут сернистый | 39,6 |
Метиловый спирт (метанол) | 21,1 |
н-Бутиловый спирт | 36,8 |
Нефть | 43,5…46 |
Нефть метановая | 21,5 |
Толуол | 40,9 |
Уайт-спирит (ГОСТ 313452) | 44 |
Этиленгликоль | 13,3 |
Этиловый спирт (этанол) | 30,6 |
Представлена таблица удельной теплоты сгорания газообразного топлива и некоторых других горючих газов в размерности МДж/кг. Из рассмотренных газов наибольшей массовой удельной теплотой сгорания отличается водород. При полном сгорании одного килограмма этого газа выделится 119,83 МДж тепла. Также высокой теплотворной способностью обладает такое топливо, как природный газ — удельная теплота сгорания природного газа равна 41…49 МДж/кг (у чистого метана 50 МДж/кг).
Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
---|---|
1-Бутен | 45,3 |
Аммиак | 18,6 |
Ацетилен | 48,3 |
Водород | 119,83 |
Водород, смесь с метаном (50% H2 и 50% CH4 по массе) | 85 |
Водород, смесь с метаном и оксидом углерода (33-33-33% по массе) | 60 |
Водород, смесь с оксидом углерода (50% H2 50% CO2 по массе) | 65 |
Газ доменных печей | 3 |
Газ коксовых печей | 38,5 |
Газ сжиженный углеводородный СУГ (пропан-бутан) | 43,8 |
Изобутан | 45,6 |
Метан | 50 |
н-Бутан | 45,7 |
н-Гексан | 45,1 |
н-Пентан | 45,4 |
Попутный газ | 40,6…43 |
Природный газ | 41…49 |
Пропадиен | 46,3 |
Пропан | 46,3 |
Пропилен | 45,8 |
Пропилен, смесь с водородом и окисью углерода (90%-9%-1% по массе) | 52 |
Этан | 47,5 |
Этилен | 47,2 |
Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов (стройматериалы, древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.
Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
---|---|
Бумага | 17,6 |
Дерматин | 21,5 |
Древесина (бруски влажностью 14 %) | 13,8 |
Древесина в штабелях | 16,6 |
Древесина дубовая | 19,9 |
Древесина еловая | 20,3 |
Древесина зеленая | 6,3 |
Древесина сосновая | 20,9 |
Капрон | 31,1 |
Карболитовые изделия | 26,9 |
Картон | 16,5 |
Каучук бутадиенстирольный СКС-30АР | 43,9 |
Каучук натуральный | 44,8 |
Каучук синтетический | 40,2 |
Каучук СКС | 43,9 |
Каучук хлоропреновый | 28 |
Линолеум поливинилхлоридный | 14,3 |
Линолеум поливинилхлоридный двухслойный | 17,9 |
Линолеум поливинилхлоридный на войлочной основе | 16,6 |
Линолеум поливинилхлоридный на теплой основе | 17,6 |
Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе | 20,3 |
Линолеум резиновый (релин) | 27,2 |
Парафин твердый | 11,2 |
Пенопласт ПХВ-1 | 19,5 |
Пенопласт ФС-7 | 24,4 |
Пенопласт ФФ | 31,4 |
Пенополистирол ПСБ-С | 41,6 |
Пенополиуретан | 24,3 |
Плита древесноволокнистая | 20,9 |
Поливинилхлорид (ПВХ) | 20,7 |
Поликарбонат | 31 |
Полипропилен | 45,7 |
Полистирол | 39 |
Полиэтилен высокого давления | 47 |
Полиэтилен низкого давления | 46,7 |
Резина | 33,5 |
Рубероид | 29,5 |
Сажа канальная | 28,3 |
Сено | 16,7 |
Солома | 17 |
Стекло органическое (оргстекло) | 27,7 |
Текстолит | 20,9 |
Толь | 16 |
Тротил | 15 |
Хлопок | 17,5 |
Целлюлоза | 16,4 |
Шерсть и шерстяные волокна | 23,1 |
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):
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 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.
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:
Конспект урока по физике в 8 классе «Тепловые машины. ДВС. Удельная теплота сгорания».
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.
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.
К этой категории относится древесина, торф, кокс, горючие сланцы, брикетное и пылевидное топливо. Основная составная часть твердого топлива — углерод.
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:
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.
Уголь является природным материалом растительного происхождения. Добывается он из осадочных пород. В этом топливе содержится углерод и другие химические элементы.
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.
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:
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.
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.
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.
В таблице представлены значения массовой удельной теплоты сгорания жидких, твердых, газообразных разновидностей топлива.
Вид топлива | Ед. изм. | Удельная теплота сгорания | ||
МДж | кВт | кКал | ||
Дрова: дуб, береза, ясень, бук, граб | кг | 15 | 4,2 | 2500 |
Дрова: лиственница, сосна, ель | кг | 15,5 | 4,3 | 2500 |
Уголь бурый | кг | 12,98 | 3,6 | 3100 |
Уголь каменный | кг | 27,00 | 7,5 | 6450 |
Уголь древесный | кг | 27,26 | 7,5 | 6510 |
Антрацит | кг | 28,05 | 7,8 | 6700 |
Пеллета древесная | кг | 17,17 | 4,7 | 4110 |
Пеллета соломенная | кг | 14,51 | 4,0 | 3465 |
Пеллета из подсолнуха | кг | 18,09 | 5,0 | 4320 |
Опилки | кг | 8,37 | 2,3 | 2000 |
Бумага | кг | 16,62 | 4,6 | 3970 |
Виноградная лоза | кг | 14,00 | 3,9 | 3345 |
Природный газ | м 3 | 33,5 | 9,3 | 8000 |
Сжиженный газ | кг | 45,20 | 12,5 | 10800 |
Бензин | кг | 44,00 | 12,2 | 10500 |
Диз. топливо | кг | 43,12 | 11,9 | 10300 |
Метан | м 3 | 50,03 | 13,8 | 11950 |
Водород | м 3 | 120 | 33,2 | 28700 |
Керосин | кг | 43.50 | 12 | 10400 |
Мазут | кг | 40,61 | 11,2 | 9700 |
Нефть | кг | 44,00 | 12,2 | 10500 |
Пропан | м 3 | 45,57 | 12,6 | 10885 |
Этилен | м 3 | 48,02 | 13,3 | 11470 |
Из таблицы видно, что наибольшие показатели ТСТ из всех веществ, а не только из газообразных, имеет водород. Он относится к высокоэнергетическим видам топлива.
Продукт сгорания водорода — обычная вода. В процессе не выделяется топочные шлаки, зола, угарный и углекислый газ, что делает вещество экологически чистым горючим. Но оно взрывоопасно и отличается низкой плотностью, поэтому такое топливо сложно сжижается и транспортируется.
О теплотворности разных пород дерева. Сравнение показателей в расчете на м 3 и кг.
ТСТ — важнейшая тепловая и эксплуатационная характеристика горючего. Этот показатель используется в различных сферах человеческой деятельности: тепловых двигателях, электростанциях, промышленности, при обогреве жилья и приготовлении пищи.
Значения теплотворности помогают сравнить различные виды топлива по степени выделяемой энергии, рассчитать необходимую массу горючего, сэкономить на расходах.
Есть, что дополнить, или возникли вопросы по теме теплотворности разных видов топлива? Можете оставлять комментарии к публикации и участвовать в обсуждениях – форма для связи находится в нижнем блоке.