Вредоносное ПО (malware) - это назойливые или опасные программы,...
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.
Перечень таблиц:
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 . 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 , 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.
Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
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 | |
---|---|
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 |
Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
Приведена таблица удельной теплоты сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что высоким тепловыделением при сгорании отличаются такие топлива, как: бензин, 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 — 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 |
Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов
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 . 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 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% H 2 и 50% CH 4 по массе) | 85 |
Водород, смесь с метаном и оксидом углерода (33-33-33% по массе) | 60 |
Водород, смесь с оксидом углерода (50% H 2 50% CO 2 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 |
Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов ( , 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 |
Источники:
- ГОСТ 147-2013 Топливо твердое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и расчет низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 21261-91 Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 22667-82 Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе.
- ГОСТ 31369-2008 Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава.
- Земский Г. Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов: справочник М.: ВНИИПО, 2016 — 970 с.
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
- Что такое удельная теплота сгорания топлива?
- В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания топлива?
- Что означает выражение «удельная теплота сгорания топлива равна 1,4 10 7 Дж / кг? Как вычисляют количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива?
Упражнение 9
- Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании древесного угля массой 15 кг; спирта массой 200 г?
- Сколько теплоты выделится при полном сгорании нефти, масса которой 2,5 т; керосина, объём которого равен 2 л, а плотность 800 кг / м 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.
Энергоемкость топлив
Важнейшей характеристикой топлива является его энергоемкость, или теплота сгорания. Под энергоемкостью (или теплотой сгорания) следует понимать количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема топлива и замеренной при постоянных давлении и температуре (обычно при 25 °С).
В технике пользуются значением низшей теплоты сгорания 1 кг (весовой) или 1 л (объемной) топлива. Низшая теплота сгорания топлива (расчетная) получается уменьшением значения высшей теплоты сгорания (экспериментальной) на количество тепла, затраченного для испарения некоторых продуктов сгорания, которые при нормальной температуре являются жидкостями. В основном - это вода, которая выводится из двигателя с продуктами сгорания в парообразном состоянии. При этом исходят из того, что тепло образования водяных паров теряется безвозвратно.
В том случае, когда среди продуктов сгорания топлива не оказывается соединений, конденсирующихся при нормальной температуре, например при сжигании СО в СО 2 , высшая и низшая теплоты сгорания равны.
Для работы современных карбюраторных, дизельных и ракетных двигателей важно знать также теплоту сгорания рабочей смеси, состоящей из горючего и окислителя, в количестве, достаточном для полного сгорания горючего. При этом наибольшая теплота сгорания будет у рабочей.смеси, в которой стехиометрическое соотношение топливо: окислитель? равно 1.
Значение низшей теплоты сгорания рабочих смесей, состоящих из паров углеводородов с воздухом, приближается к 667- 674 ккал/кг.
Углеводородные топлива характеризуются высокой теплотой сгорания. Продуктами их полного сгорания являются, главным образом, двуокись углерода и вода. Лишь водород, бериллий и бор имеют большие теплоты сгорания, чем углеводороды. Однако при их использовании в качестве топлив возникают весьма сложные проблемы, которые здесь не рассматриваются. По эксплуатационным свойствам углеводороды как топлива отличаются значительными преимуществами.
Теплоту сгорания определяют сжиганием навески топлива в калориметрической бомбе, заполненной кислородом под давлением. Метод этот сложен, и для его осуществления требуются специальные условия.
Для определения теплоты сгорания при помощи расчетов широко пользуются эмпирическими формулами, точность которых составляет ±2-3%.
В основу эмпирических расчетных формул, составленных различными авторами, положены следующие данные.
1. Элементарный состав топлива. В этом случае исходят из того, что теплота сгорания топлива равна сумме теплот сгорания отдельных элементов его составляющих.
2. Количество кислорода (воздуха), необходимого для сгорания топлива. В основу эмпирических формул положено количество кислорода, необходимое для полного сгорания элементов, составляющих топливо. Наибольшей точностью из формул этого типа отличается формула Коновалова:
Q н = 3050 К
Где Q н - низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг; К - количество кислорода, необходимого для сгорания единицы массы топлива, рассчитываемое по формуле:
где С, Н, О - содержание углерода, водорода и кислорода в топливе, вес. %.
3. Теплота образования. Эмпирические формулы основаны на законе Гесса, из которого следует, что теплота сгорания топлива соответствует разности между теплотой образования сжигаемого топлива и суммой теплот образования конечных продуктов его сгорания (воды, двуокиси углерода и др.).
4. Физико-химические характеристики топлива. Для углеводородных жидких топлив, состоящих в основном из двух элементов-углерода и водорода, устанавливается определенная зависимость между отношением этих элементов, температурой их выкипания, анилиновой точкой, плотностью, строением углеводородов и другими физико-химическими показателями, с одной стороны, и теплотой сгорания - с другой.
Для углеводородных топлив, имеющих плотность от 0,510 до 0,990, весовая теплота сгорания может быть определена с точностью до 3-5% (для фракций алканового основания до 1 - 1,5%) по формулам Крагоэ:
где?-плотность топлива при 15°С; Q в - высшая теплота сгорания, ккал/кг; О н - низшая теплота сгорания, ккал/кг.
Установлено, что при использовании этой формулы наименьшая погрешность составляет 40 ккал/кг; для смесси ароматических углеводородов с алканами наибольшая погрешность достигает 400-530 ккал/кг.
Лаврентьев предложил эмпирическую формулу для расчета низшей весовой теплоты сгорания по значению показателя преломления:
Для товарных реактивных топлив максимальное отклонение вычисленных данных, определенных экспериментально, составляет ±95 ккал/кг при среднем отклонении ±1,4 ккал/кг. Неудовлетворительные результаты получаются для узких нефтяных фракций, индивидуальных углеводородов, особенно ароматических углеводородов, для которых величина отклонения превосходит 400 ккал/кг.
Более точные результаты (отклонение ±20-25 ккал/кг), в том числе для ароматических углеводородов, дает формула, в которой используется показатель преломления и анилиновая точка:
где t A - анилиновая точка, °С.
Для среднедистиллятных нефтяных топлив можно достаточно точно рассчитать низшую весовую теплоту сгорания, зная содержание водорода, по формуле:
где Н - содержание водорода, вес. %.
Многие авторы считают, что наибольшая точность достигается при использовании расчетных формул, в которых представлена зависимость между теплотой сгорания, плотностью и анилиновой точкой среднедистиллятных топлив. Результаты расчета при использовании такой зависимости приняты во всех спецификациях США и других стран на реактивные топлива наравне со значениями, определенными экспериментально. Для керосинов отклонения от экспериментальных данных составляют 12- 14 ккал/кг, максимальные отклонения ± 45 ккал/кг. Небольшое содержание олефинов в керосинах существенно не влияет на результаты. Для алкилатов и индивидуальных углеводородов, кипящих в пределах керосиновых фракций, этот метод мало пригоден.
В спецификациях на реактивные топлива приводится коэффициент теплопроводности, представляющий собой произведение плотности, выраженной в °АРI (АSТМ D 287-55), и анилиновой точки в °F (АSТМ D 611-55Т), изменяющейся с теплотой сгорания топлива по линейной зависимости. В результате проверки этого метода на многочисленных образцах реактивных топлив нашей страны была предложена формула:
где К - коэффициент теплотворности топлива, численно равный произведению плотности топлива в °АРI и анилиновой точки в °F. Плотность определяется при 15,6 °С по ГОСТ 3900-47, а анилиновая точка - методом равных объемов (ОСТ 17872 М. И. 20К-40). Для получения плотности в °АРI, а анилиновой точки в °F пользуются переводными таблицами, приведенными в работах.
При использовании этой формулы можно получить результаты с точностью до 0,12% и максимальным отклонением 0,43% для нефтепродуктов плотностью? 5.16 15.6 =0,8448-0,7585 (36- 55°АРI), имеющих анилиновую точку 51-78,3 °С (124-173°F) и коэффициенты теплотворности в пределах от 4414 до 8969.
Некоторая ошибка получается при наличии в топливе серы. Так, при 1 % серы значение теплоты сгорания для керосина может быть завышено приблизительно на 60 ккал/кг. Поэтому для расчета низшей теплоты сгорания предлагается формула, учитывающая содержание серы:
где Q н -теплота сгорания топлива, содержащего серу, ккал/кг;
Q н - теплота сгорания, рассчитанная для топлива по анилиновой точке и плотности без учета содержания серы, ккал/кг; %S- содержание серы в топливе, вес. %.
Зная плотность? 15.6 15.6 и вязкость топлива (в сст) при 37,8 °С, по номограмме (рис. 18) можно определить анилиновую точку в °С, а затем перевести в °F. Отклонения для керосинов от данных, полученных стандартным методом, не превышают ± 2%.
Ниже приведены коэффициенты теплотворности и значения низшей весовой теплоты сгорания для различных реактивных топлив, рассчитанные по формуле.
Для упрощения расчетов предложены номограммы, составленные на основании зависимости между физико-химическими и энергетическими характеристиками нефтяных фракций. Ниже в качестве примера представлена одна из подобных номограмм,
построенная на основе зависимости между плотностью, молекулярным весом, псевдокритическим давлением, анилиновой точкой, средней температурой кипения, теплотой испарения и высшей теплотой сгорания для нефтяных фракций (рис. 19).
Зная две какие либо характеристики из названных, можно по номограмме определить остальные. При работе с номограммой среднюю температуру кипения фракции можно принять равной температуре выкипания 50 объемн. % этой фракции в условиях стандартной разгонки.
Поскольку на номограмме приведены значения высшей теплоты сгорания, значение низшей теплоты сгорания можно рассчитать по формуле:
где К - содержание в топливе воды, вес. %.
Отклонения данных, полученных по номограмме, от фактических данных составляют 1%.
На рис. 20 приведена номограмма зависимости между низшей объемной теплотой сгорания, плотностью, вязкостью и средней температурой выкипания дизельных топлив.
По такой номограмме при помощи известных характеристик можно легко определить объемную теплоту сгорания дизельных топлив.
Теплота сгорания зависит от элементарного состава углеводородов топлива, что подтверждается следующими данными:
Весовая теплота сгорания водорода в 3,5 раза больше весовой теплоты сгорания углерода. Чем выше содержание водорода, тем выше теплота сгорания углеводородного топлива.
Для алканов среднедистиллятных фракций содержание углерода изменяется незначительно - в пределах 84-85%, для цикланов эта величина постоянна и составляет приблизительно 85,75%, для ароматических углеводородов она изменяется в широких пределах - от 91 до 87,5% и зависит от длины боковых цепей.
Весовые теплоты сгорания топлива изменяются в соответствии с содержанием углерода: для алканов и цикланов незначительно, а для ароматических углеводородов с числом углеродных атомов от 6 до 20 - до 700 ккал (рис. 21). Плотность ? 4 20 углеводородов, составляющих товарные топлива и выкипающих в пределах 80-300°С, изменяется следующим образом :
Плотность в пределах одного класса углеводородов изменяется значительно. Она определяется не только молекулярным весом, но и структурой углеводородов. Вследствие этого объемные теплоты сгорания углеводородов существенно различаются.
Для углеводородов промышленных фракций, однотипных по строению и выкипающих в пределах 100-300°С, разница между максимальной и минимальной величинами весовой теплоты сгорания составляет от 30 до 350 ккал/кг, объемной- от 30 до 1100 ккол/л. Особенно велика разница объемной теплоты сгорания у цикланов - 700-1100 ккал/л (табл. 19).
Объемную теплоту сгорания можно значительно увеличить, одновременно сохраняя на достаточно высоком уровне весовую теплоту сгорания, вовлечением в состав топлив цикланов определенного строения.
Нефтяные топлива характеризуются теплотой сгорания, близкой к верхнему возможному пределу. Однако для дальнейшего увеличения теплоты сгорания углеводородных топлив остаются некоторые резервы. Все больше синтезируется, а также выделяется из нефти углеводородов такого строения, теплоты сгорания (весовые и объемные) которых существенно превышают теплоты сгорания товарных нефтяных фракций. На основе таких углеводородов предлагаются новые композиции высокоэнергетических топлив, столь необходимых для реактивных и ракетных двигателей.
Применение топлива с повышенной теплотой сгорания для карбюраторных и дизельных двигателей приведет к снижению его удельного расхода (поскольку теплота сгорания рабочей смеси должна быть постоянной); к уменьшению объема топливных баков при том же радиусе действия машин; к некоторому изменению сечения жиклеров в соответствии с количеством поступающего топлива. Мощность карбюраторных и дизельных двигателей не зависит от теплоты сгорания топлива и, следовательно, остается неизменной.
Для реактивных и ракетных двигателей, в которых сила тяги создается только за счет сил реакции газов, вытекающих из сопла, теплота сгорания топлива играет большую роль. Сила тяги воздушно-реактивного двигателя представляет равнодействующую сил воздушного и газового потоков, оказывающую влияние на элементы "Проточной части и наружной поверхности двигателя. Она прямо пропорциональна количеству воздуха, проходящего через реактивный двигатель, и скорости истечения газов через его сопло. Весовой расход топлива составляет 1,5-2% от весового расхода воздуха. Топливо, сгорая, нагревает воздух и тем самым увеличивает его кинетическую энергию, расходуемую на полезную работу и компенсацию потерь. Поэтому чем выше теплота сгорания топлива, тем большую полезную работу сможет дать двигатель.
Увеличение теплоты сгорания топлива приведет к увеличению объема газов, проходящих через двигатель, и, следовательно, к увеличению скорости их истечения, что повысит к. п. д. двигателя. Авиационные топлива, выделяющие при сгорании большее количество тепла, позволяют увеличить дальность полета или грузоподъемность самолета. О зависимости между энергоемкостью авиационного реактивного топлива и дальностью полета самолета можно судить по формуле Брегэ:
где К - дальность оолета; Q н - весовая низшая теплота сгорания топлива; ? - суммарный к. п. д. двигателя; L / D - отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению; W 0 - вес самолета при старте; W f - вес залитого в баки самолета топлива.
Из приведенной формулы следует, что дальность полета самолета изменяется (прямо пропорционально теплоте, выделяющейся при сгорании топлива. Таким образом, при постоянном весе топлива повышение его весовой теплоты сгорания позволит в реактивном двигателе не только достичь преимуществ, указанных для карбюраторных двигателей, но и увеличить мощность двигателя, скорость м дальность полета самолета или уменьшить удельный расход топлива.
Увеличение объемной теплоты сгорания топлива, связанное с обязательным возрастанием его плотности, даст преимущества лишь в том случае, если прирост теплоты сгорания превзойдет потери энергии, которую необходимо будет дополнительно затратить вследствие увеличения полетного веса самолета, загруженного таким же объемом топлива, но имеющего большую плотность. Критерием энергетической оценки топлива будет являться удельная теплота сгорания загруженного топлива, отнесенная к единице полетного веса летательного аппарата.
Весьма желательно равенство значений весовой и объемной теплоты сгорания топлив; к такому равенству можно приблизиться, увеличивая плотность углеводородной смеси до единицы.
Выполнить это условие пока трудно, хотя методом синтеза удается получить насыщенные углеводороды, плотность которых превышает 0,9 г/см 3 .
На рис. 22 показано влияние теплоты сгорания и плотности топлива на дальность полета самолета при различных высотах. Как видно из рисунка, энергетические преимущества топлива с повышенной плотностью наиболее ощутимы при большой скорости полета (2,5-4 Маха).
При необходимости увеличения дальности полета топливо с большей весовой теплотой сгорания в сравнимых условиях будет обладать (преимуществом перед топливом с большей объемной теплотой сгорания (большей плотностью). На дальних расстояниях при использовании последних будет расходоваться дополнительная энергия на их перевозку.
Для ракетного двигателя значение топлива с высокой теплотой сгорания еще более возрастает. Высота взлета ракетного двигателя увеличивается во столько раз, во сколько увеличивается теплота сгорания топлива. Таким образом, при использовании для ракетных двигателей топлив с более высокой теплотой сгорания достигаются преимущества, указанные для воздушно-ракетных двигателей, и увеличивается высота взлета ракеты.
Исследователи стремятся получить такое углеводородное топливо, которое возможно полнее отвечало бы требованиям реактивных сверхзвуковых и тем более ракетных двигателей. Такие топлива должны характеризоваться высокой весовой и объемной теплотой сгорания при минимальном различии их значений. Кроме того, углеводороды, составляющие топлива, должны обладать удовлетворительными низкотемпературными свойствами, высокой химической стабильностью при повышенных температурах, пределами кипения и др. Предпринимаются попытки получения таких топлив не только на основе соответствующих нефтяных фракций и однотипных по химическому строению групп углеводородов, но и на основе сложного синтеза индивидуальных соединений, хотя этот путь намного дороже. В табл. 20 приведены сведения о некоторых синтезированных для этой цели в США индивидуальных углеводородах по данным патентной литературы, опубликованной в основном в 1964 г.
Как видно из данных табл. 20, осуществлен синтез углеводородов сложных и интересных структур. Исследование их свойств свидетельствует об известных возможностях, обнаруженных на этом пути. Большинство углеводородов являются би- и трицикланами с очень высокой плотностью, а следовательно, высокой объемной теплотой сгорания.
По-видимому, циклановые углеводороды в целом отвечают требованиям, предъявляемым к топливу, ;В большей мере, чем углеводороды иного строения. Можно предвидеть, что изоалка- новые углеводороды определенного строения также окажутся благоприятным материалом для этой цели.
Поскольку для реактивных топлив сверхзвуковых самолетов наиболее подходящим и доступным в настоящее время материалом являются циклановые углеводороды, характеризующиеся достаточно высокой весовой теплотой сгорания и плотностью, значения низшей весовой теплоты сгорания цикланов различного строения при 25°С (в ккал/кг).
Наряду с цикланами большое внимание заслуживают с точки зрения использования в качестве высокоэнергетических топлив изоалкановые углеводороды, характеризующиеся максимальным содержанием водорода, а следовательно, максимальной весовой теплотой сгорания. Сложность заключается в "Подборе таких структур изоалканов, низкотемпературная характеристика которых (температура застывания, кристаллизации, вязкость и ее изменение с температурой) была бы удовлетворительной, а плотность максимальной.
К числу таких углеводородов относятся, по-видимому, алканы гребенчатого строения с компактно и симметрично расположенными короткими боковыми цепями, имеющими один или два углеродных атома. Предстоит изыскать наиболее экономически целесообразный путь получения алканов," отвечающих такому строению.
Известна еще одна группа углеводородов, энергоемкость которых складывается не только из теплот сгорания элементов, но и из энергии, выделяющейся при разрушении их кратных связей и напряженных циклов. К ним относятся производные ацетилена и углеводороды, в структуре которых имеются циклопропановые кольца. Энергия ацетиленовой связи -С=С- составляет около
195 ккал/моль, т. е. более чем в два раза больше энергии связи (84 ккалімоль). Однако реализовать эту дополнительную энергию весьма сложно из-за склонности ацетиленовых углеводородов полимеризоваться по месту ненасыщенных связей. При сгорании циклопропана и его гомологов также выделяется дополнительная энергия, которая в отличие от энергии ацетиленовой связи может быть использована. В табл. 21 приведены теплоты образования и сгорания некоторых углеводородов с простыми и кратными связями, а также напряженными циклами.
Как видно из данных табл. 21, циклопропан и ацетиленовые углеводороды характеризуются весьма высокими теплотами сгорания, намного превышающими теплоты сгорания насыщенных углеводородов с таким же числом углеродных атомов в молекуле, но не имеющих столь напряженных связей. Наибольшую теплоту сгорания имеет циклопропан. Гомологи циклопропана характеризуются несколько меньшей теплотой сгорания. Так, низшая весовая теплота сгорания фенилциклопропана равна 10 280 ккал/кг, циклогексилциклопропана 10 610 ккал/кг. Гомологи циклопропана имеют следующие весьма важные преимущества по сравнению с ацетиленами: хорошую стабильность при хранении, низкотемпературные свойства, невзрываемость и др.
Очевидно, ди- и трициклопропаны будут представлять собой топлива, отличающиеся наибольшей энергоемкостью среди углеводородов иного строения, в том числе алканов.
В табл. 22 приводятся значения удельных импульсов для ракетных топливных систем при использовании в качестве горючего ацетилена или циклопропана.
Циклопропилуглеводороды могут быть получены в процессе довольно сложного синтеза, проходящего в несколько стадий. Ацетиленовые углеводороды могут быть получены в известных промышленных процессах.
В отличие от циклопропанов, которые являются довольно стабильными, ацетилены нуждаются в специальных стабилизирующих добавках и с ними надо обращаться, как со взрывчатыми веществами.
Таким образом, возможность получения углеводородов с более высокой энергоемкостью нельзя считать исчерпанной.
774. Удельная теплота сгорания каменного угля равна 27 МДж/кг. Что это означает?
Это означает, что при полном сгорании каменного угля массой 1 кг выделяется 27 МДж.
775. Сколько тепла при сгорании дают 10 кг древесного угля?
776. Сколько выделится тепла при полном сгорании 10 кг сухих березовых дров?
777. Сколько тепла дают 20 кг торфа при полном сгорании?
778. Какое количество теплоты выделится при сгорании керосина массой 300 г?
779. Заряд пороха в патроне пулемета имеет массу 3,2 г. Теплота сгорания пороха 3,8 МДж/кг. Сколько выделяется тепла при каждом выстреле?
780. Сколько теплоты выделится при полном сгорании 4 л керосина?
781. Сколько теплоты выделится при полном сгорании нефти массой 3,5 т?
782. Какую массу угля надо сжечь, чтобы выделилось 40800 кДж тепла?
783. При полном сгорании нефти выделилось 132 кДж тепла. Какая масса нефти сгорела?
784. Какая масса древесного угля может заменить 60 т нефти?
785. Какая масса древесного угля при сгорании дает столько же энергии, сколько выделяется при сгорании четырех литров бензина?
786. Во сколько раз меньше тепла дают при полном сгорании сухие березовые дрова, чем бензин такой же массы?
787. Начальная температура двух литров воды 20 °С. До какой температуры можно было бы нагреть эту воду при сжигании 10 г спирта? (Считать, что теплота сгорания спирта целиком пошла на нагревание воды.)
788. Воду массой 0,3 кг нагрели на спиртовке от 20 °С до 80 °С и сожгли при этом 7 г спирта. Определите КПД спиртовки.
789. При нагревании 4 л воды на 55 °С в примусе сгорело 50 г керосина. Каков КПД примуса?
790. Сталь массой 2 кг нагревается на 1000 °С кузнечным горном. Каков КПД кузнечного горна, если для этого расходуется 0,6 кг кокса?
791. Сколько нужно сжечь керосина в керосинке, чтобы довести от 15 °С до кипения 3 кг воды, если КПД керосинки 30%?
792. КПД вагранки (шахтной печи) 60%. Сколько надо древесного угля, чтобы нагреть 10000 кг чугуна от 20 °С до 1100 °С?
793. Для сгорания в топке одного килограмма древесного угля требуется 30 кг воздуха. Воздух поступает в топку при температуре 20 °С и уходит в дымоход при температуре 400 °С. Какая часть энергии топлива уносится воздухом в трубу? (Теплоемкость воздуха принять равной 1000 Дж/кг °С при постоянном давлении.)
Всем известно, что в нашей жизни огромную роль играет использование топлива. Топливо применяют практически в любой отрасли современной промышленности. Особенно часто применяется топливо, полученное из нефти: бензин, керосин, соляр и другие. Также применяют горючие газы (метан и другие).
Откуда берется энергия у топлива
Известно, что молекулы состоят из атомов . Для того, чтобы разделить какую либо молекулу (например, молекулу воды) на составляющие её атомы, требуется затратить энергию (на преодоление сил притяжения атомов). Опыты показывают, что при соединении атомов в молекулу (это и происходит при сжигании топлива) энергия, напротив, выделяется.
Как известно, существует ещё и ядерное топливо, но мы не будем здесь говорить о нём.
При сгорании топлива выделяется энергия. Чаще всего это тепловая энергия . Опыты показывают, что количество выделившейся энергии прямо пропорционально количеству сгоревшего топлива.
Удельная теплота сгорания
Для расчёта этой энергии используют физическую величину, называемую удельная теплота сгорания топлива. Удельная теплота сгорания топлива показывает, какая энергия выделяется при сгорании единичной массы топлива.
Её обозначают латинской буквой q. В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Отметим, что каждое топливо имеет собственную удельную теплоту сгорания. Эта величина измерена практически для всех видов топлива и при решении задач определяется по таблицам.
Например, удельная теплота сгорания бензина 46 000 000 Дж/кг, керосина такая же, этилового спирта 27 000 000 Дж/кг. Нетрудно понять, что энергия, выделившаяся при сгорании топлива, равна произведению массы этого топлива и удельной теплоты сгорания топлива:
Рассмотрим примеры
Рассмотрим пример. 10 граммов этилового спирта сгорело в спиртовке за 10 минут. Найдите мощность спиртовки.
Решение. Найдём количество теплоты, выделившееся при сгорании спирта:
Q = q*m; Q = 27 000 000 Дж/кг * 10 г = 27 000 000 Дж/кг * 0,01 кг = 270 000 Дж.
Найдём мощность спиртовки:
N = Q / t = 270 000 Дж / 10 мин = 270 000 Дж / 600 с = 450 Вт.
Рассмотрим более сложный пример. Алюминиевую кастрюлю массой m1, заполненную водой массой m2, нагрели с помощью примуса от температуры t1 до температуры t2 (00С < t1 < t2
Решение.
Найдём количество теплоты, полученное алюминием:
Q1 = c1 * m1 * (t1 t2);
найдём количество теплоты, полученное водой:
Q2 = c2 * m2 * (t1 t2);
найдём количество теплоты, полученное кастрюлей с водой:
найдём количество теплоты, отданное сгоревшим бензином:
Q4 = Q3 / k * 100 = (Q1 + Q2) / k * 100 =
(c1 * m1 * (t1 t2) + c2 * m2 * (t1 t2)) / k * 100;