Měrné spalné teplo určitých látek. Stanovení měrného spalného tepla petroleje, srovnání s naftou

5. TEPELNÁ ROVNOVÁHA SPALOVÁNÍ

Uvažujme metody pro výpočet tepelné bilance spalovacího procesu plynných, kapalných a pevných paliv. Výpočet spočívá v řešení následujících problémů.

· Stanovení spalného tepla (výhřevnosti) paliva.

· Stanovení teoretické teploty spalování.

5.1. TEPLO SPALOVÁNÍ

Chemické reakce jsou doprovázeny uvolňováním nebo absorpcí tepla. Když se teplo uvolní, reakce se nazývá exotermická, a když je teplo absorbováno, nazývá se endotermická. Všechny spalovací reakce jsou exotermické a produkty spalování jsou exotermické sloučeniny.

Uvolňuje se (nebo absorbuje) během proudění chemická reakce teplo se nazývá reakční teplo. U exotermických reakcí je pozitivní, u endotermických reakcí je negativní. Spalovací reakce je vždy doprovázena uvolňováním tepla. Spalné teplo Q g(J/mol) je množství tepla, které se uvolní při úplném spálení jednoho molu látky a přeměně spalitelné látky na produkty úplného spalování. Mol je základní jednotka SI množství látky. Jeden mol je množství látky, které obsahuje stejný počet částic (atomů, molekul atd.), jako je atomů ve 12 g izotopu uhlíku-12. Hmotnost množství látky rovné 1 molu (molekulová nebo molární hmotnost) se číselně shoduje s relativní molekulovou hmotností této látky.

Například relativní molekulová hmotnost kyslíku (O2) je 32, oxid uhličitý(CO 2) je 44 a odpovídající molekulové hmotnosti budou M = 32 g/mol a M = 44 g/mol. Jeden mol kyslíku tedy obsahuje 32 gramů této látky a jeden mol CO 2 obsahuje 44 gramů oxidu uhličitého.

V technických výpočtech se nejčastěji nevyužívá spalné teplo. Q g a výhřevnost paliva Q(J/kg nebo J/m3). Výhřevnost látky je množství tepla uvolněného při úplném spálení 1 kg nebo 1 m 3 látky. Pro tekuté a pevné látky výpočet se provádí na 1 kg a pro plynné - na 1 m 3.

Znalost spalného tepla a výhřevnosti paliva je nezbytná pro výpočet teploty hoření nebo výbuchu, výbuchového tlaku, rychlosti šíření plamene a dalších charakteristik. Výhřevnost paliva se zjišťuje buď experimentálně nebo výpočtem. Při experimentálním stanovení výhřevnosti se daná hmotnost pevného nebo kapalného paliva spaluje v kalorimetrické bombě, v případě plynného paliva v plynovém kalorimetru. Tyto přístroje měří celkové teplo Q 0 uvolněné při spalování vzorku váženého paliva m. Výhřevnost Q g se zjistí podle vzorce

Vztah mezi spalným teplem a
výhřevnost paliva

Pro stanovení souvislosti mezi spalným teplem a výhřevností látky je nutné zapsat rovnici pro chemickou reakci spalování.

Produktem úplného spalování uhlíku je oxid uhličitý:

C+O2 →CO2.

Produktem úplného spalování vodíku je voda:

2H2+02 ->2H20.

Produktem úplného spalování síry je oxid siřičitý:

S +02 →SO2.

V tomto případě se dusík, halogeny a další nehořlavé prvky uvolňují ve volné formě.

Hořlavá látka - plyn

Jako příklad si spočítejme výhřevnost metanu CH 4, pro který se spalné teplo rovná Q g=882.6 .

· Stanovme molekulovou hmotnost metanu v souladu s jeho chemický vzorec(CH 4):

M = 1,12+4,1 = 16 g/mol.

· Stanovme výhřevnost 1 kg metanu:

· Najděte objem 1 kg metanu, když známe jeho hustotu ρ=0,717 kg/m3 za normálních podmínek:

.

· Stanovme výhřevnost 1 m 3 metanu:

Výhřevnost všech hořlavých plynů se stanoví obdobně. U mnoha běžných látek bylo měřeno spalné teplo a výhřevnost vysoká přesnost a jsou uvedeny v příslušné referenční literatuře. Zde je tabulka výhřevnosti některých plynných látek (tabulka 5.1). Velikost Q v této tabulce je uveden v MJ/m 3 a v kcal/m 3, protože jako jednotka tepla se často používá 1 kcal = 4,1868 kJ.

Tabulka 5.1

Výhřevnost plynu různá paliva

Hořlavou látkou je kapalná popř pevný

Jako příklad vypočítejme výhřevnost ethylalkoholu C 2 H 5 OH, pro který je spalné teplo Q g= 1373,3 kJ/mol.

· Stanovme molekulovou hmotnost ethylalkoholu podle jeho chemického vzorce (C 2 H 5 OH):

M = 2,12 + 5,1 + 1,16 + 1,1 = 46 g/mol.

Stanovme si výhřevnost 1 kg etylalkoholu:

Výhřevnost všech kapalných a pevných hořlavin se stanoví obdobně. V tabulce 5.2 a 5.3 ukazují výhřevnost Q(MJ/kg a kcal/kg) pro některé kapaliny a pevné látky.

Tabulka 5.2

Výhřevnost kapalných paliv

Tabulka 5.3

Výhřevnost pevných paliv

Mendělejevův vzorec

Pokud není výhřevnost paliva známa, lze ji vypočítat pomocí empirického vzorce navrženého D.I. Mendělejev. K tomu potřebujete znát elementární složení paliva (ekvivalentní vzorec paliva), to znamená procentuální obsah následujících prvků v něm:

kyslík (O);

vodík (H);

uhlík (C);

síra (S);

Popel (A);

Voda (W).

Produkty spalování paliva vždy obsahují vodní pára, vznikající jak v důsledku přítomnosti vlhkosti v palivu, tak při spalování vodíku. Zplodiny spalování opouštějí průmyslový závod při teplotě nad rosným bodem. Proto teplo, které se uvolňuje při kondenzaci vodní páry, nelze užitečně využít a nemělo by být zohledněno v tepelných výpočtech.

Pro výpočet se obvykle používá čistá výhřevnost Q n palivo, které zohledňuje tepelné ztráty vodní párou. Pro pevná a kapalná paliva hodnota Q n(MJ/kg) je přibližně určeno Mendělejevovým vzorcem:

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

kde je v závorkách uveden procentuální obsah (% hmotn.) odpovídajících prvků ve složení paliva.

Tento vzorec bere v úvahu teplo exotermických spalovacích reakcí uhlíku, vodíku a síry (se znaménkem plus). Kyslík obsažený v palivu částečně nahrazuje kyslík ve vzduchu, takže odpovídající výraz ve vzorci (5.1) je brán se znaménkem mínus. Při odpařování vlhkosti se teplo spotřebovává, takže odpovídající člen obsahující W je také brán se znaménkem mínus.

Porovnání vypočtených a experimentálních údajů o výhřevnosti různých paliv (dřevo, rašelina, uhlí, olej) ukázalo, že výpočet pomocí Mendělejevova vzorce (5.1) dává chybu nepřesahující 10 %.

Výhřevnost Q n(MJ/m3) suchých hořlavých plynů lze s dostatečnou přesností vypočítat jako součet součinů výhřevnosti jednotlivých složek a jejich procentuálního obsahu v 1 m3 plynného paliva.

Q n= 0,108[Н2] + 0,126[СО] + 0,358[СН4] + 0,5[С2H2] + 0,234[Н2S]…, (5,2)

kde v závorkách je uveden procentuální obsah (objemových %) odpovídajících plynů ve směsi.

V průměru je výhřevnost zemního plynu cca 53,6 MJ/m 3 . V uměle vyrobených hořlavých plynech je obsah metanu CH4 nevýznamný. Hlavními hořlavými složkami jsou vodík H2 a oxid uhelnatý CO. Například v koksárenském plynu dosahuje obsah H2 (55 ÷ 60) % a spodní výhřevnost takového plynu dosahuje 17,6 MJ/m3. Generátorový plyn obsahuje CO ~ 30 % a H 2 ~ 15 %, přičemž nižší výhřevnost generátorového plynu je Q n= (5,2÷6,5) MJ/m 3. Obsah CO a H 2 ve vysokopecním plynu je nižší; velikost Q n= (4,0÷4,2) MJ/m3.

Podívejme se na příklady výpočtu výhřevnosti látek pomocí Mendělejevova vzorce.

Stanovme si výhřevnost uhlí, jehož elementární složení je uvedeno v tabulce. 5.4.

Tabulka 5.4

Elementární složení uhlí

· Dosadíme ty uvedené v tabulce. 5.4 údaje v Mendělejevově vzorci (5.1) (dusík N a popel A nejsou v tomto vzorci zahrnuty, protože se jedná o inertní látky a neúčastní se spalovací reakce):

Q n=0,339∙37,2+1,025∙2,6+0,1085∙0,6–0,1085∙12–0,025∙40=13,04 MJ/kg.

Stanovme množství palivového dřeva potřebného k ohřevu 50 litrů vody z 10°C na 100°C, pokud se na vytápění spotřebuje 5% tepla uvolněného při spalování, a tepelnou kapacitu vody S=1 kcal/(kg∙deg) nebo 4,1868 kJ/(kg∙deg). Elementární složení palivového dřeva je uvedeno v tabulce. 5.5:

Tabulka 5.5

Elementární složení palivového dřeva

V této lekci se naučíme, jak vypočítat množství tepla, které palivo uvolňuje při spalování. Kromě toho budeme uvažovat charakteristiku paliva - měrné spalné teplo.

Protože celý náš život je založen na pohybu a pohyb je většinou založen na spalování paliva, je studium tohoto tématu velmi důležité pro pochopení tématu „Tepelné jevy“.

Po prostudování problematiky spojené s množstvím tepla a měrnou tepelnou kapacitou přejděme k úvahám množství tepla uvolněného při spalování paliva.

Definice

Palivo- látka, která při některých procesech vytváří teplo (spalování, jaderné reakce). Je zdrojem energie.

Palivo se děje pevné, kapalné a plynné(Obr. 1).

Rýže. 1. Druhy paliv

• Mezi pevná paliva patří uhlí a rašeliny.
• Mezi kapalná paliva patří ropa, benzín a další ropné produkty.
• Mezi plynná paliva patří zemní plyn.
• Samostatně můžeme zdůraznit velmi běžné Nedávno jaderné palivo.

Spalování paliva je chemický proces, který je oxidační. Během spalování se atomy uhlíku spojují s atomy kyslíku a vytvářejí molekuly. V důsledku toho se uvolňuje energie, kterou člověk využívá pro své účely (obr. 2).

Rýže. 2. Tvorba oxidu uhličitého

K charakterizaci paliva se používá následující charakteristika: výhřevnost. Výhřevnost ukazuje, kolik tepla se uvolní při spalování paliva (obr. 3). Ve fyzice výhřevnost odpovídá pojmu měrné spalné teplo látky.

Rýže. 3. Specifické teplo spalování

Definice

Měrné spalné teplo - Fyzické množství, která charakterizuje palivo, se číselně rovná množství tepla, které se uvolní při úplném spálení paliva.

Měrné spalné teplo se obvykle označuje písmenem . Jednotky:

Neexistuje žádná jednotka měření, protože spalování paliva probíhá při téměř konstantní teplotě.

Měrné spalné teplo se určuje experimentálně pomocí sofistikovaných přístrojů. Pro řešení problémů však existují speciální tabulky. Níže uvádíme hodnoty měrného spalného tepla pro některé druhy paliv.

Tabulka 4. Měrné spalné teplo některých látek

Z uvedených hodnot je zřejmé, že při spalování se uvolňuje obrovské množství tepla, proto se používají jednotky měření (megajouly) a (gigajouly).

Pro výpočet množství tepla uvolněného při spalování paliva se používá následující vzorec:

Zde: - hmotnost paliva (kg), - měrné spalné teplo paliva ().

Na závěr poznamenáváme, že většina paliva používaného lidstvem je skladována pomocí solární energie. Uhlí, ropa, plyn – to vše vzniklo na Zemi vlivem Slunce (obr. 4).

Rýže. 4. Tvorba paliva

V další lekci si povíme o zákonu zachování a přeměny energie v mechanických a tepelných procesech.

Seznamliteratura

1. Gendenshtein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ed. Orlová V.A., Roizena I.I. Fyzika 8. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. Fyzika 8. - M.: Drop obecný, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fyzika 8. - M.: Osvícení.

1. Internetový portál „festival.1september.ru“ ()
2. Internetový portál „school.xvatit.com“ ()
3. Internetový portál “stringer46.narod.ru” ()

Domácí práce

Důležitou tepelnou charakteristikou paliva je jeho měrné spalné teplo.

Měrné spalné teplo paliva

Rozlišuje se konkrétní vyšší a nižší výhřevnost. Měrné spalné teplo pracovního paliva s přihlédnutím k dodatečnému teplu, které se uvolňuje při kondenzaci vodní páry nacházející se ve zplodinách hoření, se nazývá nejvyšší měrné spalné teplo pracovního paliva. Toto dodatečné množství tepla lze určit vynásobením hmotnosti vodní páry vzniklé při odpařování vlhkosti paliva /100 a při spalování vodíku 9 /100 , na latentní teplo kondenzace vodní páry rovné přibližně 2500 kJ/kg.

Měrné nižší spalné teplo paliva – množství tepla, které se uvolňuje v běžném praktické podmínky, tj. kdy vodní pára nekondenzuje, ale uvolňuje se do atmosféry.

Vztah mezi nejvyšším a nejnižším měrným spalným teplem lze tedy vyjádřit rovnicí - = =25(9 ).

64. Podmíněné palivo.

Palivo je jakákoli látka, která při spalování (oxidaci) uvolňuje značné množství tepla na jednotku hmotnosti nebo objemu a je k dispozici pro hromadné použití.

Jako palivo se používají přírodní a odvozené organické sloučeniny v pevném, kapalném a plynném stavu.

Každé organické palivo se skládá z uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku, těkavé síry a pevná a kapalná paliva se skládají z popela (minerální zbytky) a vlhkosti.

Důležitou tepelnou charakteristikou paliva je jeho měrné spalné teplo.

Měrné spalné teplo paliva je množství tepla, které se uvolní při úplném spálení jednotkového množství paliva.

Čím nižší je měrné spalné teplo paliva, tím více se ho spotřebuje v kotlové jednotce. Pro srovnání různé typy paliva podle jejich tepelný efekt byl zaveden koncept klasického paliva, jehož měrné spalné teplo bylo odebíráno = 29,3 MJ/kg.

Poměr Q Н Р daného paliva ke Q specifickému palivu se nazývá ekvivalent E. Poté se přepočet spotřeby přírodního paliva V N na standardní palivo V UT provede podle vzorce:

Podmíněné palivo- účetní jednotka organického paliva přijatá ve výpočtech, to znamená ropa a její deriváty, přírodní a speciálně získané destilací břidlice a uhlí, plynu, rašeliny - která se používá k výpočtu příznivého účinku různých druhů paliv v jejich celkové vyúčtování.

V SSSR a Rusku na jednotku standardní palivo(ce) byla odebrána výhřevnost 1 kg uhlí = 29,3 MJ nebo 7000 kcal (International Energy Agency). I.E.A.) převzal jednotku ekvivalentu ropy, obvykle označovanou zkratkou PRST(Angličtina) . Tuna ropného ekvivalentu). Jedna tuna ropného ekvivalentu se rovná 41,868 GJ nebo 11,63 MWh. Použitá jednotka je také barel ropného ekvivalentu ( BOE).

65. Součinitel přebytečného vzduchu.

Říká se číslo, které ukazuje, kolikrát je skutečný průtok vzduchu větší než teoreticky potřebné množství vzduchu koeficient přebytku vzduchu, tedy skutečné proudění vzduchu L (v kg/kg) popř PROTI (m 3 / m 3) se rovná jeho teoreticky požadovanému množství L Ó nebo V o > vynásobené součinitelem přebytku vzduchu a

PROTI= aV 0 .

Co je palivo?

Jedná se o jednu složku nebo směs látek, které jsou schopné chemických přeměn spojených s uvolňováním tepla. Odlišné typy paliva se liší svým kvantitativním obsahem okysličovadla, které se používá k uvolňování tepelné energie.

V širokém smyslu je palivo nosič energie, tedy potenciální typ potenciální energie.

Klasifikace

V současnosti se druhy paliv dělí podle stavu agregace na kapalná, pevná a plynná.

Kámen, palivové dřevo a antracit jsou považovány za tvrdé přírodní materiály. Brikety, koks, termoantracit jsou druhy umělých pevných paliv.

Mezi kapaliny patří látky obsahující látky organického původu. Jejich hlavními složkami jsou: kyslík, uhlík, dusík, vodík, síra. Umělým kapalným palivem budou různé pryskyřice a topný olej.

Je to směs různých plynů: etylen, metan, propan, butan. Kromě nich plynné palivo obsahuje oxid uhličitý a oxid uhelnatý, sirovodík, dusík, vodní páru a kyslík.

Ukazatele paliva

Hlavní ukazatel spalování. Vzorec pro stanovení výhřevnosti se uvažuje v termochemii. emitují „standardní palivo“, což znamená výhřevnost 1 kilogramu antracitu.

Topný olej pro domácnost je určen pro spalování v topných zařízeních s nízkým výkonem, které jsou umístěny v obytných prostorách, v generátorech tepla používaných v zemědělství pro sušení krmiva, konzervování.

Měrné spalné teplo paliva je veličina vyjadřující množství tepla, které vznikne při úplném shoření paliva o objemu 1 m 3 nebo hmotnosti jednoho kilogramu.

K měření této hodnoty se používají J/kg, J/m3, kalorie/m3. Pro stanovení spalného tepla se používá metoda kalorimetrie.

S nárůstem měrného spalného tepla paliva se snižuje měrná spotřeba palivo a koeficient užitečná akce zůstává nezměněno.

Spalné teplo látek je množství energie uvolněné při oxidaci pevné, kapalné nebo plynné látky.

Je určeno chemickým složením, stejně jako skupenství hořlavá látka.

Vlastnosti produktů spalování

Vyšší a nižší výhřevnost souvisí se stavem agregace vody v látkách získaných po spalování paliva.

Vyšší výhřevnost je množství tepla uvolněného při úplném spálení látky. Tato hodnota zahrnuje i kondenzační teplo vodní páry.

Nejnižší pracovní spalné teplo je hodnota, která odpovídá výdeji tepla při spalování bez zohlednění kondenzačního tepla vodní páry.

Skupenské teplo kondenzace je množství energie kondenzace vodní páry.

Matematický vztah

Vyšší a nižší výhřevnost souvisí s následujícím vztahem:

QB = QH + k(W + 9H)

kde W je hmotnostní množství (v %) vody v hořlavé látce;

H je množství vodíku (% hmotnosti) v hořlavé látce;

k - koeficient rovný 6 kcal/kg

Metody provádění výpočtů

Vyšší a nižší výhřevnost se určuje dvěma hlavními metodami: výpočtovou a experimentální.

K provádění experimentálních výpočtů se používají kalorimetry. Nejprve se v něm spálí vzorek paliva. Teplo, které se uvolní, je zcela absorbováno vodou. Máte-li představu o množství vody, můžete podle změny její teploty určit hodnotu jejího spalného tepla.

Tato technika je považována za jednoduchou a efektivní, vyžaduje pouze znalost dat technické analýzy.

Ve výpočtové metodě se vyšší a nižší výhřevnost počítá pomocí vzorce Mendeleev.

QpH = 339C p +1030Hp-109(Op-Sp)-25 Wp (kJ/kg)

Bere v úvahu obsah uhlíku, kyslíku, vodíku, vodní páry, síry v pracovním složení (v procentech). Množství tepla při spalování se určuje s ohledem na ekvivalentní palivo.

Spalné teplo plynu umožňuje provést předběžné výpočty a určit účinnost použití určitého typu paliva.

Vlastnosti původu

Abychom pochopili, kolik tepla se uvolňuje při spalování určitého paliva, je nutné mít představu o jeho původu.

V přírodě existuje různé varianty pevná paliva, která se liší složením a vlastnostmi.

Jeho tvorba probíhá v několika fázích. Nejprve vzniká rašelina, poté se získává hnědé a černé uhlí, následně vzniká antracit. Hlavním zdrojem tvorby tuhého paliva je listí, dřevo a jehličí. Když části rostlin odumírají a jsou vystaveny vzduchu, ničí je houby a tvoří rašelinu. Jeho akumulace se změní na hnědou hmotu, poté se získá hnědý plyn.

Na vysoký krevní tlak a teplotě se hnědý plyn mění na uhlí, pak se palivo hromadí ve formě antracitu.

Kromě organické hmoty obsahuje palivo další balast. Za organickou se považuje část, která je tvořena organická hmota: vodík, uhlík, dusík, kyslík. Kromě těchto chemických prvků obsahuje balast: vlhkost, popel.

Technologie spalování spočívá v oddělení pracovní, suché a hořlavé hmoty spáleného paliva. Pracovní hmota je palivo v původní formě dodávané spotřebiteli. Suchá hmota je kompozice, ve které není žádná voda.

Sloučenina

Nejcennějšími složkami jsou uhlík a vodík.

Tyto prvky jsou obsaženy v jakémkoli druhu paliva. V rašelině a dřevě dosahuje procento uhlíku 58 procent, v černém a hnědém uhlí - 80% a v antracitu dosahuje 95 procent hmotnosti. V závislosti na tomto ukazateli se mění množství tepla uvolněného při spalování paliva. Vodík je druhým nejdůležitějším prvkem každého paliva. Když se váže s kyslíkem, vytváří vlhkost, což výrazně snižuje tepelnou hodnotu jakéhokoli paliva.

Jeho procento se pohybuje od 3,8 v ropných břidlicích do 11 v topném oleji. Kyslík obsažený v palivu působí jako balast.

Nevytváří teplo chemický prvek, má tedy negativní dopad na hodnotu jeho spalného tepla. Spalování dusíku, obsaženého ve volné nebo vázané formě ve zplodinách hoření, je považováno za škodlivé nečistoty, proto je jeho množství přísně omezeno.

Síra je obsažena v palivu ve formě síranů, sulfidů a také jako plynný oxid siřičitý. Při hydrataci oxidy síry tvoří kyselinu sírovou, která ničí kotelní zařízení, negativně ovlivňuje vegetaci a živé organismy.

Proto je síra chemický prvek, jehož přítomnost v přírodním palivu je krajně nežádoucí. Pokud se sloučeniny síry dostanou do pracovního prostoru, způsobí značnou otravu obsluhujícího personálu.

Existují tři druhy popela v závislosti na jeho původu:

• hlavní;
• sekundární;
• terciární

Primární pohled je tvořen z minerály, které se nacházejí v rostlinách. Sekundární popel se tvoří jako výsledek rostlinných zbytků vstupujících do písku a půdy během tvorby.

Terciární popel se objevuje ve složení paliva při těžbě, skladování a přepravě. Při výrazném usazování popela dochází ke snížení přestupu tepla na topné ploše kotlové jednotky, čímž se sníží množství přestupu tepla do vody z plynů. Obrovské množství popela negativně ovlivňuje provoz kotle.

Konečně

Těkavé látky mají významný vliv na proces spalování jakéhokoli typu paliva. Čím větší je jejich výkon, tím větší bude objem čela plamene. Například uhlí a rašelina se snadno vznítí, proces je doprovázen menšími tepelnými ztrátami. Koks, který zůstane po odstranění těkavých nečistot, obsahuje pouze minerální a uhlíkaté sloučeniny. V závislosti na vlastnostech paliva se výrazně mění množství tepla.

Záleží na chemické složení Existují tři fáze tvorby pevného paliva: rašelina, hnědé uhlí a uhlí.

Přírodní dřevo se používá v malých instalacích kotlů. Používají se především štěpky, piliny, desky, kůra a v malém množství se používá i samotné palivové dřevo. V závislosti na druhu dřeva se množství generovaného tepla výrazně liší.

S klesajícím spalným teplem získává palivové dřevo určité výhody: rychlou hořlavost, minimální obsah popela a nepřítomnost stop síry.

Spolehlivé informace o složení přírodního nebo syntetického paliva, jeho výhřevnosti, jsou skvělým způsobem provádění termochemických výpočtů.

Momentálně se objevuje skutečnou příležitost identifikace těch hlavních možností pro pevná, plynná a kapalná paliva, která budou v určité situaci nejúčinnější a nenákladnější.