Сравнительные характеристики различных видов топлива, используемых в отопительных, нагревательных аппаратах (котлах).
Вид топлива |
Низшая теплота сгорания |
Природный газ (содержание метана CH4 = 82%) |
8400 ккал/кубометр |
Древесина |
3818 ккал/куб |
Бурый уголь |
5250 ккал/куб |
Каменный уголь |
7636 ккал/куб |
Печное топливо |
9333 ккал/куб |
860.5 кВт/час |
Применяя приведенные ниже данные можно рассчитать, какое количество различных видов топлива необходимо применить, чтобы получить количества тепла, эквивалентное 1 кубометру природного газа при его использовании.
Вид топлива |
Количество |
Древесина |
2.2 кг |
Бурый уголь |
1.6 кг |
Каменный уголь |
1.1 кг |
Кокс |
1.2 кг |
Мазут (печное топливо) |
0.9 кг |
Торф |
2.5 кг |
Электричество (при применении ТЭН -ов по 100 кВт) |
9 кВт/час |
Топливо в широком смысле слова - это вещество, способное выделять тепловую энергию при сгорании
Каждый продукт имеет свою удельную теплоту сгорания и выделения определенного тепла.
Виды топлива |
Удельная теплота сгорания |
|
ккал/кг |
кДж/кг |
|
Древесина |
2960 |
12400 |
Торф |
2900 |
12100 |
Бурый уголь |
3100 |
13000 |
Каменный уголь |
6450 |
27000 |
Антрацит |
6700 |
28000 |
Кокс |
7000 |
29300 |
Сланец эстонский |
2300 |
9600 |
Бензин |
10500 |
44000 |
Керосин |
10400 |
43500 |
Дизельное топливо |
10300 |
43000 |
Мазут |
9700 |
40600 |
Сланцевый мазут |
9100 |
38000 |
Сжиженный газ |
10800 |
45200 |
Природный газ* |
8000 |
33500 |
Сланцевый газ* |
3460 |
14500 |
соответственно ккал/куб. Метр и кДж/куб. Метр
Теплота сгорания, основная теплотехническая характеристика любого топлива, - количество теплоты, выделяемой при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива и 1 н.м3 газообразного топлива.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания.
Высшая теплота сгорания топлива включает всю выделившуюся теплоту, включая теплоту конденсации водяного пара, образовавшегося при окислении водорода и испарении влаги топлива.
В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной обработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан (не менее 93% С3 P8 + С3 Н6), технический бутан (не менее 93% С4 Н10 + С4 Н8) и их смеси.
Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 триллионов м³.
Твердое и жидкое топливо состоит из горючей и негорючей частей.
К горючей части топлива относят углерод, водород, кислород, азот и серу. Кислород и азот не горят; их включают в состав горючей массы условно. Поэтому горючую часть топлива называют условно горючей массой. Негорючая часть топлива - балласт - состоит из влаги и золы. Органическую массу топлива составляют углерод, кислород и азот.
Правильная теплота сгорания топлива:
Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания вследствие увеличенного расхода теплоты на испарение влаги и увеличения объема продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара).
Внимание: Топливо опасное горючее вещество, будьте предельно осторожны в использовании!
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;
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.
К веществам органического происхождения относится топливо, которое при горении выделяет определенное количество тепловой энергии. Выработка тепла должна характеризоваться высоким КПД и отсутствием побочных явлений, в частности, веществ, вредных для здоровья человека и окружающей среды.
Для удобства загрузки в топку древесный материал разрезают на отдельные элементы длиной до 30 см. Чтобы повысить эффективность от их использования, дрова должны быть максимально сухими, а процесс горения – относительно медленным. По многим параметрам для отопления помещений подходят дрова из таких лиственных пород, как дуб и береза, лещина и ясень, боярышник. Из-за высокого содержания смолы, повышенной скорости горения и низкой теплотворности хвойные деревья в этом плане значительно уступают.
Следует понимать, что на величину показателя теплотворности влияет плотность древесины.
Это природный материал растительного происхождения, добываемый из осадочной породы.
В таком виде твердого топлива содержатся углерод и прочие химические элементы. Существует деление материала на типы в зависимости от его возраста. Самым молодым считается бурый уголь, за ним идет каменный, а старше всех остальных типов – антрацит. Возрастом горючего вещества определяется и его влажность, которая в большей степени присутствует в молодом материале.
В процессе горения угля происходит загрязнение окружающей среды, а на колосниках котла образуется шлак, создающий в определенной мере препятствие для нормального горения. Наличие серы в материале также является неблагоприятным для атмосферы фактором, поскольку в воздушном пространстве этот элемент преобразуется в серную кислоту.
Однако потребители не должны опасаться за свое здоровье. Производители этого материала, заботясь о частных клиентах, стремятся уменьшить содержание в нем серы. Теплота сгорания угля может отличаться даже в пределах одного типа. Разница зависит от характеристик подвида и содержания в нем минеральных веществ, а также географии добычи. В качестве твердого топлива встречается не только чистый уголь, но и низкообогащенный угольный шлак, прессованный в брикеты.
Пеллетами (топливными гранулами) называется твердое топливо, созданное промышленным путем из древесных и растительных отходов: стружки, коры, картона, соломы.
Измельченное до состояния трухи сырье высушивается и засыпается в гранулятор, откуда уже выходит в виде гранул определенной формы. Для добавления массе вязкости применяют растительный полимер – лигнин. Сложность производственного процесса и высокий спрос формируют стоимость пеллетов. Материал используется в специально обустроенных котлах.
Разновидности топлива определяются в зависимости от того, из какого материала они переработаны:
- кругляка деревьев любых пород;
- соломы;
- торфа;
- подсолнечной шелухи.
Среди преимуществ, которыми обладают топливные гранулы, стоит отметить следующие качества:
- экологичность;
- неспособность к деформации и устойчивость к грибку;
- удобство хранения даже под открытым небом;
- равномерность и длительность горения;
- относительно невысокая стоимость;
- возможность использования для различных отопительных устройств;
- подходящий размер гранул для автоматической загрузки в специально обустроенный котел.
Брикеты
Брикетами называется твердое топливо, во многом сходное с пеллетами. Для их изготовления используются идентичные материалы: щепа, стружка, торф, шелуха и солома. Во время производственного процесса сырье измельчается и за счет сжатия формируется в брикеты. Этот материал также относится к экологически чистому топливу. Его удобно хранить даже на открытом воздухе. Плавное, равномерное и медленное горение этого топлива можно наблюдать как в каминах и печах, так и в отопительных котлах.
Рассмотренные выше разновидности экологичного твердого топлива являются хорошей альтернативой получения тепла. В сравнении с ископаемыми источниками тепловой энергии, неблаготворно воздействующими при горении на окружающую среду и являющимися, кроме того, не возобновляемыми, альтернативное топливо имеет явные преимущества и относительно невысокую стоимость, что немаловажно для потребителей некоторых категорий.
В то же время пожароопасность таких видов топлива значительно выше. Поэтому требуется предпринять некоторые меры безопасности относительно их хранения и использования огнестойких материалов для стен.
Жидкое и газообразное топливо
Что касается жидких и газообразных горючих веществ, то ситуация здесь следующая.
(рис. 14.1 - Теплотворная
способность топлива)
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. | |||
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 |
(рис. 14.2 - Удельная теплота сгорания)
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.