Что такое жаропроизводительность и теплотворная способность топлива

Топливо и его состав

Топливом называется любое горючее вещество, которое при сгорании выделяет большое количество теплоты.

Целесообразность применения тех или иных горючих веществ в качестве топлива должна обосновываться технико-экономическими факторами, которые учитывают:

— стоимость добычи и транспортировки;

— влияние на окружающую среду;

— доступность для широкого применения;

В настоящее время основным источником получения различных видов энергий является органическое топливо (70% потребляемой энергии — из органического топлива, 30% — путем использования ядерной и природной энергии).

Классификация органического топлива

В зависимости от способа получения органические топлива подразделяются на:

— искусственные (путем переработки естественных ресурсов).

В зависимости от агрегатного состояния:

дрова, угли, сланцы, антрацит

кокс, древесный уголь

доменный газ, газ подземной газификации

По назначению органическое топливо подразделяется на:

Технологическое — это те виды топлива, которые являются не только источником тепловой энергии, но и используются как компонент технологического процесса.

Энергетическое — те виды топлива, которые являются главным образом источником тепловой энергии.

Состав топлива

Свойства топлива как горючего материала определяются его составом. Чтобы установить состав топлива, производят его технический и химический анализ.

При техническом анализе определяют содержание влаги, летучих веществ, золы.

Химический (элементный) анализ можно выполнить как по элементному составу, так и определением содержания в топливе определенных химических соединений.

Первый метод (по элементному составу) применяют для твердого и жидкого топлива, второй — для газообразного.

Состав твердого и жидкого топлива

Жидкое и твердое топлива принято характеризовать так называемым элементным составом, определяемым в лаборатории. При этом условно считают, что топливо состоит из перечисленных компонентов, находящихся в свободном состоянии в виде механической смеси. Такая условность хотя и не отражает физико-химическую природу топлива, но создает значительные удобства при проведении практических расчетов материального и теплового балансов горения, а также при определении расчетным путем тепловой ценности топлива.

В состав всех видов топлив входят: углерод (С); водород (Н); кислород (О); азот; сера (S); минеральная часть – зола (А); влага (W).

В соответствии с анализом различают: органическую массу (о); горючую массу (г); сухую массу (с); рабочее топливо (р).

Теплотворная способность различных видов топлива. Сравнительный анализ

Обратите внимание на теплотворную способность (удельную теплоту сгорания) различных видов топлива, сравните показатели. Теплотворная способность топлива характеризует количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 м³ (1 л). Наиболее часто теплотворная способность измеряется в Дж/кг (Дж/м³; Дж/л). Чем выше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше его расход. Поэтому теплотворная способность является одной из наиболее значимых характеристик топлива.

Удельная теплота сгорания каждого вида топлива зависит:

• От его горючих составляющих (углерода, водорода, летучей горючей серы и др.).
• От его влажности и зольности.

Таблица 4 — Удельная теплота сгорания различных энергоносителей, сравнительный анализ расходов .
Вид энергоносителя	Теплотворная способность				Объёмная плотность вещества (ρ=m/V)	Цена за единицу условного топлива	Коэфф. полезного действия (КПД) системы отопления, %	Цена за 1 кВт·ч	Реализуемые системы
	МДж		кВт·ч
	(1Мдж=0.278кВт·ч)
Электричество	—		1,0 кВт·ч		—	3,70р. за кВт·ч	98%	3,78р.	Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), кондиционирование, приготовление пищи
Метан (CH4, температура кипения: -161,6 °C)	39,8 МДж/м³		11,1 кВт·ч/м³		0,72 кг/м³	5,20р. за м³	94%	0,50р.	Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение
Пропан (C3H8, температура кипения: -42.1 °C)	46,34 МДж/кг	23,63 МДж/л	12,88 кВт·ч/кг	6,57 кВт·ч/л	0,51 кг/л	18,00р. за л	94%	2,91р.	Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение
Бутан C4H10, температура кипения: -0,5 °C)	47,20 МДж/кг	27,38 МДж/л	13,12 кВт·ч/кг	7,61 кВт·ч/л	0,58 кг/л	14,00р. за л	94%	1,96р.	Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение
Пропан-бутан (СУГ — сжиженный углеводородный газ)	46,8 МДж/кг	25,3 МДж/л	13,0 кВт·ч/кг	7,0 кВт·ч/л	0,54 кг/л	16,00р. за л	94%	2,42р.	Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение
Дизельное топливо	42,7 МДж/кг		11,9 кВт·ч/кг		0,85 кг/л	30,00р. за кг	92%	2,75р.	Отопление (нагрев воды и выработка электричества – очень затратны)
Дрова (берёзовые, влажность — 12%)	15,0 МДж/кг		4,2 кВт·ч/кг		0,47-0,72 кг/дм³	3,00р. за кг	90%	0,80р.	Отопление (неудобно готовить пищу, практически невозможно получать горячую воду)
Каменный уголь	22,0 МДж/кг		6,1 кВт·ч/кг		1200-1500 кг/м³	7,70р. за кг	90%	1,40р.	Отопление
МАРР газ (смесь сжиженного нефтяного газа — 56% с метилацетилен-пропадиеном — 44%)	89,6 МДж/кг		24,9 кВт·ч/м³		0,1137 кг/дм³	-р. за м³	0%	Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение

Согласно таблице «Удельная теплота сгорания различных энергоносителей, сравнительный анализ расходов», пропан-бутан (сжиженный углеводородный газ) уступает в экономической выгоде и перспективности использования только природному газу (метану). Однако следует обратить внимание на тенденцию к неизбежному росту стоимости магистрального газа, которая на сегодняшний день существенно занижена. Аналитики предрекают неминуемую реорганизацию отрасли, которая приведёт к существенному удорожанию природного газа, возможно, даже превысит стоимость дизельного топлива.

Таким образом, сжиженный углеводородный газ, стоимость которого практически не изменится, остаётся исключительно перспективным – оптимальным решением для систем автономной газификации.

Важнейшие компоненты топлива

Топливо – горючее вещество, выделяющее при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в другие виды энергии (например, в механическую на транспорте, в электрическую на тепловых электростанциях и др.).

В народном хозяйстве применяются многочисленные виды топлива. Топливо подразделяют на естественное (природное), непосредственно выделяемые из недр земли, и искусственное, получаемые переработкой природного топлива.

Ниже приведена классификация естественного и искусственного твердого, жидкого и газообразного топлива.

Т а б л и ц а 1

Классификация топлива

Не все из перечисленных видов имеют широкое применение. Состав и свойства наиболее важных видов естественного и искусственного топлива будет рассмотрен ниже.

Важнейшие свойства топлива

Основные характеристики топлива, определяющие его ценность, удобство использования, эффективность и др., приведены ниже:

1. Теплотворная способность, или теплота сгорания. Представляет собой количество теплоты, которое выделяется при сгорании либо 1 кг, либо 1м 3 топлива. Эта характеристика определяет расход топлива и транспортные расходы на единицу энергии.

2. Жаропроизводительность. Представляет собой максимальную температуру, которой можно достигнуть при сжигании топлива в адиабатических условиях. Определяет эффективность топлива в высокотемпературных процессах.

3. Содержание балласта, т.е. минеральной несгораемой массы, а также влаги в твердом и жидком топливе, а азота и углекислого газа – в газообразном топливе. Чем выше содержание балласта, тем ниже теплотворная способность и жаропроизводительность.

4. Содержание вредных примесей, снижающих ценность топлива и обуславливающих загрязнение окружающей среды (например, серы).

5. Выход летучих веществ и обуглероженных остатков (например, кокса), определяющий легкость его зажигания и целесообразность применения в данном технологическом процессе.

6. Удобство сжигания топлива (простота устройств для сжигания, легкость регулировки процесса горения).

Сложность и затраты подготовки топлива к сжиганию.

8. Степень сложности разведки, трудности добычи и себестоимость топлива.

9. Удаленность месторождения от районов потребления и стоимость перевозки, транспортировки.

Главные требования, предъявляемые к технологическому топливу

• низкая стоимость добычи,

• низкая стоимость транспортирования,

• возможность использования с высоким коэффициентом полезного действия,

• малое содержание вредных примесей.

Важнейшие компоненты топлива

Углерод. Имеет наибольшее значение. Его содержание в горючей массе (массе за вычетом воды и минеральных примесей) находится обычно в пределах от 50 до 99%.

Далее в тексте содержание какого-либо компонента в горючей массе обозначается верхним индексом "г".

В таблице 2 приведено содержание углерода и других важных компонентов в некоторых твердых видах топлива.

В природном газе содержится 75-90% углерода, в бензине 85%, в керосине – 86%.

В среднем горение углерода в различных видах топлива, независимо от его состава, дает около 33мДж/кг.

Жаропроизводительность углерода равна 2240°С (средняя по всем видам топлива).

Т а б л и ц а 2

Содержание важных компонентов в некоторых твердых видах топлива

(в горючей массе), %

Топливо	С г	S г	H г	О г	Выход летучих
Дрова	51	—	6,1	42,3	85
Торф	50 — 60	0,1 – 1,5	5 – 6,5	30 — 40	70
Сланцы	60-75	4-13	7-10	12-17	80-90
Бурый уголь	64-78	0,3-6	3,8-6,3	15-26	40-60
Каменный уголь	75-90	0,5-6	4-6	2-13	9-50
Антрацит	93-94	2-3	2	1-2	3-4

Водород. Второй по значению компонент. Содержание в твердых видах топлива см. табл. 2. В дизельном топливе содержится 13%, в мазуте – 11-12%, в керосине 14%, в бензине 15%, в сжиженном газе 18%, а в природном газе до 25%.

В среднем сгорание 1 кг водорода в составе топлива дает 141,5мДж теплоты, что в 4,2 раза выше теплоты сгорания углерода. Поэтому с увеличение содержания водорода в топливе растет его теплотворная способность и жаропроизводительность. Из углеводородов наибольшая теплотворная способность у метана (50мДж/кг). У мазута, к примеру, она равна 42мДж/кг.

Жаропроизводительность водорода равна 2235°С.

Кислород. Третий важнейший компонент горючей массы. Его практически нет в жидком и газообразном топливе.

Чем моложе твердое топливо, тем больше оно содержит кислорода (см. табл. 2, в которой сверху вниз растет возраст топлива).

Кислород в топливе снижает теплоту сгорания. В этом смысле он является балластом. В основном он находится в составе таких функциональных групп, как -ОН, -СООН, и уже не способен окислять углерод и водород топлива.

С другой стороны, топливо с высоким содержанием кислорода характеризуется высоким выходом летучих веществ и легко зажигается.

Сера. Сера может содержаться в трех состояниях:

· Органическая – в составе сложных органических соединений. Встречается в жидком и твердом топливе.

· Колчеданная, или пиритная. Содержится в виде железного колчедана FeS₂. Содержится только в твердом топливе.

· Сульфатная – в составе сульфатов различных металлов (кальция, железа и др.). Содержится только в твердом топливе.

Сера не только снижает теплотворную способность, но и сильно загрязняет окружающую среду, выделяясь в виде оксидов.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Теплота сгорания топлива: что это такое и от чего зависит

Горючие материалы используются в различных отраслях с целью производства тех или иных товаров, обслуживания отопительных систем и двигателей, в других направлениях. В данный момент речь пойдет о том, почему важна и что собой представляет такая характеристика как теплота сгорания топлива. Читайте до конца, и Вы узнаете, от чего зависят значения теплотворности, какие показатели входят в табличные данные.

Понятие теплотворности

Теплотворная способность – это характеристика горючих материалов, которые в процессе горения выделяют большое количества тепловой энергии. Применительно к топливу показатели часто являются определяющими для выбора систем обогрева либо обслуживания того или иного двигателя. Суть в том, что расход материалов напрямую зависит от их теплотворной способности.

Физическая величина выражается в Джоулях либо калориях. Для самостоятельного пересчета значений – 1 Дж равен около 0,24 кал. За расчетную единицу топлива в зависимости от его консистенции принимаются 1 кг, 1 кубометр либо 1 литр. Единицы измерения актуальны соответственно для таких примеров: твердого угля, природного газа или бензина. Соотношение тепла к объемной или массовой единице – это удельная теплота сгорания топлива.

Что способствует снижению теплотворности

Во время горения того или иного материала образующаяся тепловая энергия частично затрачивается. Она уходит на испарение влаги. То есть энергоэффективность одинаковых образцов с разной влажностью будет различаться – у сухого теплотворность лучше.

На основании образующейся тепловой энергии в процессе горения вещества удельная теплота сгорания разделяется на высшую и низшую. Простыми словами – первое значение является результатом суммирования тепловой энергии от сгоревшего материала и от пара до момента конденсации.

Второе, что способствует снижению теплотворности угля и других материалов – зольность. Это несгораемый остаток из минеральных компонентов. Чем их больше в составе топлива, тем меньше тепла будет выделяться в процессе сгорания. В дополнение к тому часть энергии будет затрачиваться на плавление минералов.

Третий фактор – сернистость. В ряде образцов содержится сера, которая на фоне, например, углерода снижает энергоэффективность топлива в 4 раза сильнее. Также вещество оказывает негативное влияние на экологию. В процессе термического воздействия образуются сернистые газы, что загрязняют воздух.

Стандартная теплотворность

Определить максимально точные значения высшей и низшей удельной теплоты сгорания газа или иного топлива можно в лабораторных условиях либо посредством формулы Менделеева. Первые условия сложно создать в домашних условиях. Второй вариант актуален, если известен детальных химический состав исследуемого вещества. Проще в качестве ориентира использовать табличные данные с усредненными значениями теплотворности. Погрешности здесь имеются, но на практике они незначительно будут влиять на энергоэффективность топлива.

В сводной таблице перечислены примерные значения теплотворной способности распространенных типов топлива:

Материал	Теплотворность (МДж/кг)
Каменный уголь	27
Древесный уголь	31,5-34,4
Авиационный керосин	42,9
Дизельное топливо	43,4-43,6
Бензин	43,6-44,2
Природный газ	41-49
Сжиженный газ	43,8
Пропан	46,3
Водород	119,83

Из таблицы видно, что самой лучшей является теплотворная способность водорода. А каменный уголь уступает древесному. Жидкости находятся примерно на одном уровне. Есть образцы, которые из выявленной закономерности «выходят». Жидкое реактивное топливо уступает даже удельной теплоты сгорания бурого угля. Но в целом твердое топливо является менее энергоэффективным, чем газообразное, а жидкое занимает условно среднее место.

Видео описание

В этом видео представлен урок из курса 8 класса на тему «Теплота сгорания топлива»:

Коротко о главном

Теплотворная способность топлива – это измеримое количество тепловой энергии, которое образуется в процессе сгорания какого-либо топлива.

Определяется теплотворная способность материалов в лабораторных условиях либо с помощью формулы Менделеева (нужно знать детально химический состав вещества).

Теплотворность или энергоэффективность топлива влияет на его расход: чем выше показатели, тем меньше нужно топлива.

Самостоятельно определить точную удельную теплоту сгорания материала сложно, поэтому можно ориентироваться на готовые табличные данные с усредненными показателями.