Теплота сгорания пороха. Теплотворная способность различных видов топлива. Сравнительный анализ

5.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ГОРЕНИЯ

Рассмотрим методы расчета теплового баланса процесса горения газообразных, жидких и твердых топлив. Расчет сводится к решению следующих задач.

· Определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива.

· Определение теоретической температуры горения.

5.1. ТЕПЛОТА ГОРЕНИЯ

Минеральный уголь полностью отличается от древесного угля. Это достигается путем неполного сжигания некоторых видов древесины и используется в печах, каминах, барбекю, обогревателях и дровах. Неполное сгорание образует абсорбирующий материал, который, например, используется медициной. Бразилия является крупнейшим в мире производителем растительного угля, здесь также используется в металлургической промышленности.

С химической точки зрения резьба характеризуется высоким содержанием углерода, обычно от 55% до 95%. Согласно этому содержанию, от наименее богатых до богатых углеродом: торф, лигнит, уголь и антрацит. Еще большей степенью чистоты, чем у антрацита, был бы графит, но он не горючий.

Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты. При выделении теплоты реакция называется экзотермической, а при поглощении – эндотермической. Все реакции горения являются экзотермическими, а продукты горения относятся к экзотермическим соединениям.

Выделяемая (или поглощаемая) при протекании химической реакции теплота называется теплотой реакции. В экзотермических реакциях она положительна, в эндотермических – отрицательна. Реакция горения всегда сопровождается выделением теплоты. Теплотой горения Q г (Дж/моль) называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества и превращении горючего вещества в продукты полного горения. Моль является основной единицей количества вещества в системе СИ. Один моль – это такое количество вещества, в котором находится столько же частиц (атомов, молекул и т.д.), сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода–12. Масса количества вещества, равного 1 молю (молекулярная или молярная масса) численно совпадает с относительной молекулярной массой данного вещества.

Эти виды древесного угля представляют собой серию резьб и отражают степень эволюции процесса трансформации растительного вещества, то есть степени карбонизации. Помимо ранга, также важно, чтобы в классификации резьбы была сетка, которая является отношением между органическим веществом и неорганическим веществом в слое.

Торф может иметь от 55% до 60% углерода; лигнит - с 67% до 78%; угля - с 80% до 90%; и антрацит - 96%. Содержание воды в торфе высокое, но гораздо ниже в других резных фигурах. У торфа есть характеристика, позволяющая четко идентифицировать растительные останки.

Например, относительная молекулярная масса кислорода (O 2) равна 32, углекислого газа (CO 2) равна 44, а соответствующие молекулярные массы будут равны M =32 г/моль и M =44 г/моль. Таким образом, в одном моле кислорода содержится 32 грамма этого вещества, а в одном моле CO 2 содержится 44 грамма углекислого газа.

В технических расчетах чаще используется не теплота горения Q г , а теплотворная способность топлива Q (Дж/кг или Дж/м 3). Теплотворной способностью вещества называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 вещества. Для жидких и твердых веществ расчет проводится на 1 кг, а для газообразных – на 1 м 3 .

Подобно тому, как голая скала состоит из минералов, древесный уголь представляет собой осадочную породу, состоящую из литотипов и макарон. Основными литотипами, макроскопически идентифицируемыми, являются стекловидное тело, ясность, дурчий и сивуш, которые чередуются в виде слябов в углеродном слое.

Стекловидные формы образуют тонкие слои, которые заканчиваются клиновой формой. Самый гладкий литотип. Листы формы обычно толщиной от 3 мм до 5 мм. Яркость менее блестящая, чем стекловидное тело, и имеет мелкую полоску. Дюрандий встречается в более разреженных слоях и имеет матовый вид с шероховатой поверхностью. Й, иногда очень богатый спор.

Знание теплоты горения и теплотворной способности топлива необходимо для расчета температуры горения или взрыва, давления при взрыве, скорости распространения пламени и других характеристик. Теплотворная способность топлива определяется либо экспериментальным, либо расчетным способами. При экспериментальном определении теплотворной способности заданная масса твердого или жидкого топлива сжигается в калориметрической бомбе, а в случае газообразного топлива – в газовом калориметре. С помощью этих приборов измеряется суммарная теплота Q 0 , выделяющаяся при сгорании навески топлива массой m . Величина теплотворной способности Q г находится по формуле

Использование древесного угля зависит от его качества, и это, в свою очередь, зависит от природы растительного материала, который его создал, климата и географического положения, а также геологической эволюции района. Добытию торфа предшествует дренаж площади для снижения ее влажности. Как только это будет сделано, он будет извлечен и отложен на открытом грунте, чтобы потерять еще больше влаги. Затем он разрезается на блоки и используется в качестве топлива в печах, термоэлектрических, горючих, смоляных, парафиновых, аммиачных и других веществах.

Связь между теплотой горения и
теплотворной способностью топлива

Для установления связи между теплотой горения и теплотворной способностью вещества необходимо записать уравнение химической реакции горения.

Продуктом полного горения углерода является диоксид углерода:

С+О 2 →СО 2 .

Продуктом полного горения водорода является вода:

Также важно использовать его при восстановлении почв. Лигниты могут быть двух типов: коричневого или черного, каждый из которых имеет несколько других наименований. Они используются после высушивания или нет, в промышленных газах, при производстве смолы и других продуктов. При пиролизе он может содержать воски, фенолы, парафины, олефины и т.д. зола, образующаяся в результате ее сжигания, может быть использована для производства пуццоланового цемента и керамики.

Уголь имеет два основных вида использования и на их основе делится на энергию древесного угля или древесного угля - самую бедную и с самым высоким содержанием золы, используемую непосредственно в печах, главным образом в термоэлектрических установках, а в металлургическом древесном угле - самый благородный, проходимый превращения в кокс.

2Н 2 +О 2 →2Н 2 О.

Продуктом полного горения серы является диоксид серы:

S +О 2 →SO 2 .

При этом выделяются в свободном виде азот, галоиды и другие негорючие элементы.

Горючее вещество – газ

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности метана CH 4 , для которого теплота горения равна Q г =882.6 .

Кокс - это материал, полученный путем нагревания угля в закрытой, не горючей среде, что приводит к высокопористым, легким, физически и химически гетерогенным веществам характерного металлического блеска, используемого в качестве металлургического топлива. Его качество во многом зависит от качества древесного угля, который его создал.

Коксализация представляет собой химический процесс, в котором происходит разделение сложных органических молекул, составляющих минеральный уголь, с образованием газов и твердых и жидких органических соединений меньших молекул в дополнение к относительно нелетучимому углеродистому остатку: кокс.

· Определим молекулярную массу метана в соответствии с его химической формулой (СН 4):

М=1∙12+4∙1=16 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг метана:

· Найдем объем 1 кг метана, зная его плотность ρ=0.717 кг/м 3 при нормальных условиях:

Целью кокса является обеспечение механической поддержки минеральной нагрузки железа, извести и других минералов, позволяющих перколяцию горячих газов и, конечно же, тепло. Когда кокс горит своим углеродом, он захватывает кислород из гематита, образуя монооксид углерода, углекислый газ, воду и другие вещества; в то время как железо является свободным и расплавляется, образуя чугун.

Другим важным продуктом, полученным из угля, является смола, смесь ароматических углеводородов. Хотя он также может быть получен из лигнита, уголь является его наиболее важным природным источником. Материал, который отделяется в виде газов, охлаждается и превращается в аммиачный раствор и смолу. Затем продукт очищают путем последовательных декантаций, которые удаляют воду и остаточные твердые вещества.

· Определим теплотворную способность 1 м 3 метана:

Аналогично определяется теплотворная способность любых горючих газов. Для многих распространенных веществ значения теплоты горения и теплотворной способности были измерены с высокой точностью и приведены в соответствующей справочной литературе. Приведем таблицу значений теплотворной способности некоторых газообразных веществ (табл. 5.1). Величина Q в этой таблице приведена в МДж/м 3 и в ккал/м 3 , поскольку часто в качестве единицы теплоты используется 1 ккал = 4.1868 кДж.

Обычно смола содержит до 5% влаги и 1% взвешенных твердых веществ. Антрацит используется в качестве топлива, с большим преимуществом над другими, чтобы испускать очень мало сажи. Он горит легко, но медленно и с почти невидимым пламенем, будучи наиболее подходящим для домашнего использования.

Одним из геологических периодов является карбон. Но вопреки тому, что можно было бы предположить, большая часть резьб не сформировалась на этой стадии истории Земли, а позже на Крите и особенно в третичном. На этой стадии находится более половины известных запасов. Это бразильская резьба.

Таблица 5.1

Теплотворная способность газообразных топлив

Вещество			Ацетилен Есть 75 стран со значительными запасами, в которых на долю Соединенных Штатов, России и Китая приходится 60% общего объема. Китай составляет почти половину мирового производства и имеет резервы на 35 лет. Крупнейшими экспортерами являются Австралия, Индонезия, Канада, США и Россия. В Бразилии имеются запасы торфа, лигнита и угля. Гораздо меньшие оговорки известны в Паране и Сан-Паулу. Наша страна занимает 10-е место по запасам, с 1% мирового объема. Так как это уголь низшего качества, он используется только в производстве термоэлектрической энергии и на собственном участке месторождения. Санта-Катарина произвела 8, 7 млн.
Q
Q

Горючее вещество – жидкость или твердое тело

Но это важный стратегический источник, который может быть вызван, когда, например, уровень воды в плотинах очень низок, что значительно снижает предложение гидроэнергетики. Добыча угля может осуществляться в подземных или подземных шахтах в зависимости от глубины слоя. Открытые шахты оказывают значительное воздействие на окружающую среду из-за химических элементов, содержащихся в угле, таких как сера.

Многочисленные старые районы добычи на юге Бразилии работали в то время, когда озабоченность природной средой была намного меньше, чем в настоящее время, были очень деградированы и их необходимо было восстановить, что было сделано в последние десятилетия.

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности этилового спирта С 2 Н 5 ОН, для которого теплота горения Q г = 1373.3 кДж/моль.

· Определим молекулярную массу этилового спирта в соответствии с его химической формулой (С 2 Н 5 ОН):

М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг этилового спирта:

В настоящее время меры по охране окружающей среды намного выше, и восстановление заминированной территории является обязательным, не предполагая, что окончание добычи угля приводит к тому, что катера и груды каменных пород каким-либо образом оставлены.

К последним методам модернизации относятся новые процессы сжигания углерода, такие как сверхкритическое пылевидное сжигание, сжигание в псевдоожиженном слое и комбинированная газификация комбинированного цикла. При сверхкритическом пылевидном сгорании уголь сжигается более эффективно. При сжигании в псевдоожиженном слое происходит снижение до 90% в выбросах серы и от 70% до 80% азота. Газификация с комбинированным циклом удаляет около 95% серы и захватывает 90% азота. Первые два процесса - это те, которые наиболее подходят для бразильского угля.

Аналогично определяется теплотворная способность любых жидких и твердых горючих. В табл. 5.2 и 5.3 приведены значения теплотворной способности Q (МДж/кг и ккал/кг) для некоторых жидких и твердых веществ.

Таблица 5.2

Теплотворная способность жидких топлив

Вещество Во всех этих процессах уголь можно использовать полностью или почти полностью в сыром состоянии без какого-либо обогащения. У вас есть большой дом и, возможно, даже конкретная котельная. Вы хотите эффективный нагрев на древесном топливе, подключенный к центральному отоплению и, возможно, к резервуару для горячей воды: котлы из бревен, пеллет или пеллет подарят вам удовлетворение. Естественная тяга и принудительная тяга. Дровяные котлы характеризуются своим режимом сгорания и тем, как воздух поступает в очаг: это проект. Более или менее эффективный, естественный проект. Он используется в лог-котлах с использованием трех методов.	Метиловый спирт	Этиловый спирт	Мазут, нефть Котлы сгорания. Они простые, но посредственные качества. Топливо укладывается на решетку камина. Весь заряд воспламеняется одновременно. Сгорание трудно контролировать и, как правило, плохое качество и неполное. Пары могут быть очень горячими. Горизонтальные котлы. Фазы горения и сушки диссоциируют. Горение происходит в тонких слоях. Первичный и вторичный воздухозаборники лучше контролируются, поэтому сгорание улучшается, а скорость несгоревшего уменьшается. Реверсивные котлы. Они обеспечивают хорошее качество горения. Пламя развивается через решетку, поддерживая топливо или через сопло. Входные отверстия первичного и вторичного воздуха различны, что дополнительно улучшает качество сгорания.
Q
Q

Таблица 5.3

После первичного сжигания древесины дымы по-прежнему обладают высоким энергетическим потенциалом. Новая подача воздуха в камин позволяет повторно воспламенить несгоревшие газы. Урожайность улучшается, а загрязнение уменьшается. Пламя, возникающее спонтанно над огнем, является результатом этого вторичного горения.

Поставить турбо с принудительной тягой. Котлы «Турбо» улучшают обратные котлы. Они оснащены турбиной, которая вводит воздух для горения или экстрактор, который втягивается в пары. Они обеспечивают лучшую производительность. Однако срок службы нагревательного тела может быть ограничен ускоренной коррозией. Минимальная мощность этих котлов делает их непригодными в определенных ситуациях, когда они имеют большие размеры.

Теплотворная способность твердых топлив

Вещество	Дерево свежее Хранить тепло с гидроаккумуляцией. Болотный котёл связан с большим резервуаром, в котором хранится избыток тепла, подаваемого котлом. Накопленная таким образом тепла восстанавливается, как требуется в течение 12-24 часов. Этот метод позволяет котелу работать на полную мощность, что увеличивает его долговечность, повышает его эффективность и позволяет автономии нескольких дней в межсезонье благодаря воздушному шару. Автоматические котлы или котлы имеют много преимуществ. Используя возобновляемые источники энергии, они предлагают простоту использования, аналогичную масляным или газовым котлам: не нужно кормить их каждое утро! Подача этих котлов запрограммирована и автоматизирована. Он снабжен червячным редуктором.	Дерево сухое	Бурый уголь	Торф сухой	Антрацит, кокс
Q
Q

Формула Менделеева

Если теплотворная способность топлива неизвестна, то ее можно рассчитать с помощью эмпирической формулы, предложенной Д.И. Менделеевым. Для этого необходимо знать элементарный состав топлива (эквивалентную формулу топлива), то есть процентное содержание в нем следующих элементов:

Кислорода (О);

Водорода (Н);

Углерода (С);

Серы (S );

Золы (А);

Воды (W ).

В продуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.

Для расчета обычно применяется низшая теплотворная способность Q н топлива, которая учитывает тепловые потери с парами воды. Для твердых и жидких топлив величина Q н (МДж/кг) приближенно определяется по формуле Менделеева:

Q н =0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)

где в скобках указано процентное (масс. %) содержание соответствующих элементов в составе топлива.

В этой формуле учитывается теплота экзотермических реакций горения углерода, водорода и серы (со знаком «плюс»). Кислород, входящий в состав топлива, частично замещает кислород воздуха, поэтому соответствующий член в формуле (5.1) берется со знаком «минус». При испарении влаги теплота расходуется, поэтому соответствующий член, содержащий W , берется также со знаком «минус».

Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных топлив (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева (5.1) дает погрешность, не превышающую 10%.

Низшая теплотворная способность Q н (МДж/м 3) сухих горючих газов с достаточной точностью может быть рассчитана как сумма произведений теплотворной способности отдельных компонентов и их процентного содержания в 1 м 3 газообразного топлива.

Q н = 0.108[Н 2 ] + 0.126[СО] + 0.358[СН 4 ] + 0.5[С 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)

где в скобках указано процентное (объем. %) содержание соответствующих газов в составе смеси.

В среднем теплотворная способность природного газа составляет примерно 53.6 МДж/м 3 . В искусственно получаемых горючих газах содержание метана СН 4 незначительно. Основными горючими составляющими являются водород Н 2 и оксид углерода СО. В коксовальном газе, например, содержание Н 2 доходит до (55 ÷ 60)%, а низшая теплотворная способность такого газа достигает 17.6 МДж/м 3 . В генераторном газе содержание СО ~ 30% и Н 2 ~15%, при этом низшая теплотворная способность генераторного газа Q н = (5.2÷6.5) МДж/м 3 . В доменном газе содержание СО и Н 2 меньше; величина Q н = (4.0÷4.2) МДж/м 3 .

Рассмотрим примеры расчета теплотворной способности веществ по формуле Менделеева.

Определим теплотворную способность угля, элементный состав которого приведен в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Элементный состав угля

· Подставим приведенные в табл. 5.4 данные в формулу Менделеева (5.1) (азот N и зола A в эту формулу не входят, поскольку являются инертными веществами и не участвуют в реакции горения):

Q н =0.339∙37.2+1.025∙2.6+0.1085∙0.6–0.1085∙12–0.025∙40=13.04 МДж/кг.

Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С, если на нагревание расходуется 5% теплоты, выделяемой при горении, а теплоемкость воды с =1 ккал/(кг∙град) или 4.1868 кДж/(кг∙град). Элементный состав дров приведен в табл. 5.5:

Таблица 5.5

Элементный состав дров

· Определим количество теплоты, необходимое для нагрева m =50 кг воды:

Q 1 =.

· Найдем теплотворную способность дров по формуле Менделеева (5.1):

Q н =0.339∙43+1.025∙7–0.1085∙41–0.025∙7= 17.12 МДж/кг.

· Определим количество теплоты, расходуемое на нагрев воды, при сгорании 1 кг дров (с учетом того, что на ее нагрев расходуется 5% теплоты (a =0.05), выделяемой при горении):

Q 2 =a Q н =0.05·17.12=0.86 МДж/кг.

· Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С:

кг.

Таким образом, для нагрева воды требуется около 22 кг дров.

Урок физического эксперимента

«Виды топлива. Удельная теплота сгорание топлива»

Цели урока: познакомить учащихся с видами топлива; ввести понятие физической величины «удельная теплота сгорания топлива»; развить навыки самостоятельной работы.

Оборудование: коллекция видов топлива; модели молекул кислорода и углерода на магнитных держателях; фольга алюминиевая размером 15*20 мм – 2 шт. на парту; полоска картона 5*20 см – 1 шт. на парту; пипетки медицинские – 2 шт. на парту; два маленьких пузырька со спиртом и бензином на парту; вата и спички.

Ход урока

«Без сомнения, все наше знание

начинается с опыта»

нем. философ Кант

Учитель.

Уголь, нефть, и торф и ртуть

Ведь не люди создают

Нам природа их дала

Для чего-то создала.

Уголь нужен для печей,

А бензин для «москвичей».

Торф пригож для наших ТЭЦ.

Но почему все говорят

Что эти вещества горят

Сейчас мы выясним все смело:

В них углерод, вот в чем тут дело.

Сегодня на уроке мы познакомимся с различными видами топлива.

Как Вы думаете, что такое топливо?

(вещество, которое способно гореть и выделять при сгорании тепло)

Какие виды топлива Вы знаете?

(дрова, уголь, бензин, керосин, солярка и т.д.)

Демонстрация коллекции «Виды топлива»

Ребята, но почему эти вещества горят?

И почему при горении выделяется тепло? Давайте в этом разберемся.

Известно, что молекулы любого вещества состоят из атомов. Молекулы можно разделить на атомы. Деление молекул называется химической реакцией разложения. Чтобы разделить молекулы на атомы, необходимо преодолеть силы притяжения атомов, а значит совершить работу, то есть затратить энергии.

При соединении атомов в молекулу энергия, наоборот, выделяется. Такое соединение атомов в молекулы происходит при сжигании топлива.

Обычное топливо (уголь, бензин, нефть, торф, дерево) содержит такой химический элемент, как углерод.

Вы знаете, что без доступа кислорода воздуха, горение невозможно. При горении, атомы углерода соединяются с атомами кислорода, которые содержатся в воздухе.

(на доске)

С О О СО 2

Каждый атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода, при этом образуется молекула углекислого газа и выделяется энергия в виде тепла.

Представьте себе, что при расчете работы различных двигателей инженеру необходимо точно знать, какое количество теплоты может выделять сжигаемое топливо, надолго ли хватит этого горючего при работе двигателя.

Опытным путем находят, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании одинакового количества топлива различных видов.

Проведем, опыт (проверка правил по т/б, организация рабочего места для опыта)

Положим на картон два маленьких кусочка фольги одинакового размера

Положим на кусочки фольги два одинаковых комочка ваты размерами со спичечную головку.

На один кусочек ваты капнем спирт, а на другой бензин и зажжем их одновременно.

Когда спирт и бензин сгорят полностью, прикоснитесь к кусочкам фольги

Вопросы:

Одинаково ли нагрелись кусочки фольги? (кусочек фольги, где сгорел бензин, нагрелся сильнее)

Какое топливо спирт или бензин, выделило больше тепла при полном сгорании? (бензин выделил больше тепла, чем спирт)

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

q – удельная теплота сгорания топлива (Дж/кг)

Работа по учебнику: в таблице против слова «торф» стоит цифра 1,4*10 7 Дж/кг. Что это означает?

(при полном сгорании 1 кг торфа выделяется 14000000 Дж теплоты)

А если 2 кг торфа сжигать, то теплоты выделится в 2 раза больше.

Q = q · m , этой формулой пользуются для расчета количества теплоты.

А теперь попробуем решить такую задачу. Рассчитайте сколько теплоты выделяется при полном сгорании 0,5 литров спирта.

Дано: Решение

V =0,5 л СИ

ρ = 800 кг/м 3 0,5*10 -3 м 3 m = ρ·V

q= 2,9*10 7 Дж/кг Q = q·m

Q = q·ρ·V

Q - ? Q = 2,9*10 7 Дж/кг * 800 кг/м 3 *0,5*10 -3 м 3 = 1160*10 4 Дж

Ответ. Q =1160*10 4 Дж

Самостоятельно! Каждому учащемуся карточка – задача, листочки на парте. Решить и оставить на своем листе.

Учитель: Старания, знания я требую от вас,

Мой удивительно трудолюбивый класс.

Что надо, все мы изучили.

И хорошие оценки получили.

Д/з:§ 10, упр. 5 (1,2)