Каждый тип угля требует индивидуального подхода. Если вы впервые используете новый вид топлива, рекомендуется начинать с небольших порций, постепенно добавляя их, при этом важно регулировать тягу шибера и внимательно следить за изменением температуры. Как только вы поймете все особенности горения данного сорта угля, можете заполнять топливник на две трети его объема.
Удельная теплота сгорания – формула, единицы измерения, обозначение
Удельная теплота сгорания (обозначается как q) – это физическая величина, представляющая собой количество тепла, которое выделяется при полном сгорании одного килограмма топлива.
Формула, используемая для расчета удельной теплоты сгорания, выглядит следующим образом:
Q — количество тепла, выделившееся в результате сгорания топлива, выраженное в джоулях (Дж);
m — масса сжигаемого топлива, измеренная в килограммах (кг).
В международной системе единиц (СИ) удельная теплота сгорания q измеряется в Джоулях на килограмм (Дж/кг).
Для обозначения больших значений q обычно используют единицы, отличные от системных: килоджоули (кДж), мегаджоули (МДж) и гигаджоули (ГДж).
Значения q для различных веществ получают в результате экспериментальных исследований.
Знание q позволяет рассчитывать общее количество тепла Q, которое может быть получено при сжигании топлива массой m:
При сгорании топлива всегда выделяется теплота (тепловая энергия), которая варьируется в зависимости от вида используемого топлива. Некоторые виды топлива способны выделять больше энергии, в то время как другие – значительно меньше.
Чтобы сравнивать разные горючие вещества друг с другом, удобно проводить эксперименты, сжигая 1 килограмм любого топлива и измеряя количество выделившегося тепла.
Предупреждение: Не стоит путать теплоту с температурой. Теплота – это форма тепловой энергии, требующая измерения в джоулях, в то время как температура измеряется в градусах.
Тепловая энергия, выделяющаяся при полном сгорании одного килограмма топлива, называется удельной теплотой сгорания. Она обозначается маленькой латинской буквой q.
Примечание: Удельная теплота сгорания – это тепловая энергии, выделяющаяся при полном сгорании одного килограмма топлива. Ранее мы уже имели дело с такими удельными величинами (ссылка).
Информацию о значениях удельной теплоты сгорания различных веществ можно найти в справочниках по физике.
Как измеряют удельную теплоту сгорания
Для определения q применяются специальные устройства, именуемые калориметрами (от латинского calor – тепло и греческого metreo – измеряю).
Внутри этого прибора помещается контейнер с определенной порцией топлива, который затем сжигается. Данный контейнер находится в воде определенной массы. Выделяемое в процессе горения тепло нагревает воду. Зная массу воды и изменение ее температуры, можно вычислить величину теплоты сгорания. После этого q устанавливается по приведенной ранее формуле.
Общая информация о теплотворности
Процесс выделения энергии при сгорании топлива характеризуется двумя важными параметрами: высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и минимальным количеством образующихся вредных веществ.
Искусственное топливо получается в ходе переработки естественного – биологического топлива. Вне зависимости от состояния вещества в своем химическом составе, оно содержит как горючую, так и негорючую часть. Горючая часть включает углерод и водород, в то время как негорючая состоит из воды, минеральных солей, азота, кислорода и металлов.
По агрегатному состоянию топливо классифицируется на твердое, жидкое и газообразное. Каждая из этих групп может быть дополнительно разделена на естественную и искусственную подкатегории.
При сгорании одного килограмма такой смеси выделяется разное количество энергии. Конкретное количество выделяемой энергии зависит от соотношений различных компонентов — горючей части, влажности, зольности и других факторов.
Теплота сгорания топлива (ТСТ) состоит из двух уровней: высшего и низшего. Высшая теплота сгорания учитывает конденсацию воды, в то время как низшая – нет.
Низшая ТСТ часто используется для расчетов потребности в топливе и его стоимости; эти показатели помогают составлять тепловые балансы и определять КПД установок, работающих на топливе.
ТСТ можно вычислить как аналитически, так и экспериментально. Если известен химический состав горючего, применяют формулу Менделеева. Экспериментальные методы основываются на фактическом измерении теплоты при сгорании топлива.
Для этих исследований используется специальное устройство — калориметрическая бомба, а также калориметр и термостат.
Расчеты для различных видов топлива имеют свои специфические особенности. Например, в двигателях внутреннего сгорания ТСТ рассчитывается по низшему значению, так как в цилиндрах не происходит конденсации жидкости.
ТСТ устанавливается с помощью калориметрической бомбы, где сжатый кислород насыщается водяным паром. В такой среде помещается образец топлива, и затем исследуются результаты.
Каждый вид вещества имеет свою ТСТ, что обусловлено уникальными особенностями его химического состава. Существует значительный разброс в значениях, диапазон колебаний составляет от 1000 до 10000 кКал/кг.
Для сравнения различных материалов используется понятие условного топлива, для которого низшая ТСТ равняется 29 МДж/кг.
Теплотворность твердых материалов
К этой категории относятся древесина, торф, кокс, горючие сланцы, а также брикетированное и пылевидное топливо. Основная компонента твердого топлива – углерод.
Особенности разных пород дерева
Максимальная эффективность использования дров достигается при соблюдении двух условий: древесина должна быть сухой, а процесс горения – медленным.
Куски древесины распиливаются или рубятся на длину до 25-30 см, чтобы их удобно было загружать в топку.
Идеальными для дровяного отопления считаются дубовые, березовые и ясеневые бруски. Также хорошими показателями отличаются боярышник и лещина. В то же время хвойные породы имеют низкую теплотворность, но при этом обладают высокой скоростью горения.
Как выглядят горения различных пород древесины:
- Бук, береза, ясень и лещина труднее всего разжечь, но их можно сжигать, даже если они сырые из-за низкого содержания влаги.
- Ольха и осина не образуют сажи и эффективно очищают дымоход.
- Береза требует достаточного потока воздуха в топке, иначе начнет дымить и оставлять смолу на стенках трубы.
- Сосна содержит больше смолы, чем ель, поэтому горит с искрами и сильнее.
- Груша и яблоня легко расколются и горят особенно хорошо.
- Кедр со временем превращается в тлеющий уголь.
- Вишня и вяз могут дымить, а платан труден для раскола.
- Липа и тополь быстро выгорают.
Показатели ТСТ различных пород древесины зависят от их плотности. Один кубометр дров примерно равен 200 литрам жидкого топлива или 200 м³ природного газа. По своей энергоэффективности древесина и дрова относятся к категории с низким уровнем.
Влияние возраста на свойства угля
Уголь является природным материалом растительного происхождения, который добывается из осадочных породу. В его составе присутствуют углерод и множество других химических элементов.
Помимо типа угля, на его теплоту сгорания существенно влияет и возраст материала. Бурый уголь относится к молодой категории, далее идет каменный, а самым старым считается антрацит.
Возраст горючего определяет и влажность: чем моложе уголь, тем более влажным он будет, что напрямую воздействует на характеристики данного вида топлива.
Процесс сгорания угля сопровождается выделением вредных веществ, которые загрязняют окружающую среду. На колосниках котла образуется шлак, затрудняющий горение. Еще одним неблагоприятным фактором является содержание серы в угле. Это соединение в реакции с воздухом превращается в серную кислоту, что усугубляет экологическую ситуацию.
Производители угля стараются максимально уменьшить содержание серы, что позволяет даже в пределах одного вида угля наблюдать различные значения ТСТ. Кроме того, на эти показатели влияет география его добычи. Как твердое топливо могут использоваться не только чистый уголь, но и брикетированный угольный шлак.
Наивысшая топливная способность отмечается у коксующегося угля. Также неплохими характеристиками могут похвастаться каменный, древесный, бурый уголь и антрацит.
Характеристики пеллет и брикетов
Пеллеты и брикеты — это твердое топливо, которое изготавливается промышленным способом из различных древесных и растительных отходов.
Цены на топливо
Сравнительный анализ позволяет определить перспективные направления использования метана и дизельного топлива. Стоимость газа в централизованном газопроводе имеет тенденцию к росту. Сообщается, что она может превышать даже цену дизельного топлива. Именно поэтому стоимость сжиженного углеводородного газа практически останется прежней, что делает его использование единственным целесообразным решением при установке независимых систем газификации.
Существует несколько категорий горюче-смазочных материалов (ГСМ): твердое, жидкое, газообразное и ряд других легковоспламеняющихся материалов, при сжигании которых происходит переход его химической теплоэнергии в температурное излучение.
Выделяемая теплоэнергия называется теплотворностью различных видов топлива при полном сгорании легковоспламеняющихся веществ. Она зависит от химического состава топлива и его влажности, что является важнейшим показателем при расчете теплотворной способности.
Термическая восприимчивость
Определение удельной теплоты сгорания (УТС) топлива может производиться экспериментально или через аналитические расчеты. Экспериментальное определение термической восприимчивости осуществляется путем установления объема тепла, выделяющегося при сгорании топлива в специальном устройстве — хранителе тепла с термостатом и бомбой для сжигания.
Для получения значений по таблице удельной теплоты сгорания топлива сначала проводят расчеты по формулам Менделеева. Существуют высшая и низшая степени удельной теплоты сгорания (ОТС) топлива. При самой высокой теплоте выделяется значительное количество тепла при сгорании, при этом учитывается теплота, затраченная на испарение воды, входящей в состав горючего.
При низшей степени сгорания ОТС становится меньше, чем при высшей, так как выделение влаги происходит меньше. Испарение, как правило, возникает из воды и водорода в процессе горения топлива. Для определения характеристик топлива в инженерных расчетах учитывается низшая относительная теплота сгорания, являющаяся важным параметром при оценке горючего.
В таблицы с удельной теплотой сгорания твердого горючего включают такие компоненты, как уголь, дрова, торф и кокс. В них фиксируются значения ОТС для твердого легковоспламеняющегося материала, при этом наименования топлива располагаются в алфавитном порядке. Из всех твердых видов ГСМ наибольшей теплоотдающей способностью обладают коксующийся уголь, каменный уголь, бурый уголь и древесный уголь, а также антрацит. К топливу с низкой продуктивностью относятся:
- древесина;
- дрова;
- порох;
- торф;
- горючие сланцы.
В ведомости жидких ГСМ заносят значения спирта, бензина, керосина и нефти. Удельная теплота сгорания водорода, а также других разновидностей топлива определяется при полном сгорании одного килограмма, одного кубического метра или одного литра. Эти физические свойства чаще всего измеряются в единицах работы, энергии и количества выделяемой теплоты.
В зависимости от того, на сколько высока ОТС ГСМ, таковы и его параметры расходования. Это свойство статьи имеет наиболее весомое значение, и его необходимо учитывать при проектировании котлов, работающих на разных видах топлива. Теплотворная способность зависит от влажности и зольности, а также от горючих ингредиентов, таких как углерод, водород и летучая горючая сера.
Удельная теплота сгорания спирта и ацетона значительно ниже, чем у классического моторного ГСМ, составляя 31,4 МДж/кг, а у мазута этот показатель колеблется между 39 и 41,7 МДж/кг. Удельная теплота сгорания природного газа составляет 41-49 МДж/кг. Одна ккал (килокалория) эквивалентна 0,0041868 МДж. Калорийность горючего различных видов второго, безусловно, отличается по удельной теплоте сгорания. Чем больше тепла выделяет вещество, тем более эффективно оно использует теплообмен. Этот процесс также называется теплоотдачей и включает в себя жидкости, газы и твердые частицы.
Уголь
Уголь представляет собой естественный материал растительного происхождения, который добывается из осадочных пород.
В этом твердом топливе содержатся углерод и другие химические компоненты. Существует классификация угля на типы в зависимости от возраста: бурый уголь является самым молодым, за ним следует каменный, а самым зрелым считается антрацит. Возраст материала влияет на его влажность, которая, в свою очередь, более выражена в молодом угле.
При сгорании угля происходит загрязнение окружающей среды, а на колосниках котла образуется шлак, который мешает нормальному горению. Наличие серы в этом топливе также является неблагоприятным фактором для атмосферы, так как в воздухе она преобразуется в серную кислоту.
Однако потребители не должны беспокоиться о своем здоровье. Производители угля, заботясь о клиенте, стараются свести к минимуму содержание серы в своем продукте. Теплота сгорания угля может варьироваться даже среди одного и того же типа топлива. Эта разница может объясняться характеристиками подвида, содержащимися в нем минеральными веществами, а также географией его добычи. В качестве твердого топлива иногда применяются не только чистый уголь, но и низкообогащенный угольный шлак, прессованный в брикеты.
| Вид угля | Удельная теплота сгорания материала | |
| кДж/кг | ккал/кг | |
| Бурый | 14 700 | 3 500 |
| Каменный | 29 300 | 7 000 |
| Антрацит | 31 000 | 7 400 |
Сравнительная таблица показателей
В данной таблице представлены значения массовой удельной теплоты сгорания для жидких, твердых и газообразных видов топлива.
| Вид топлива | Ед. изм. | Удельная теплота сгорания | ||
| МДж | кВт | кКал | ||
| Дрова: дуб, береза, ясень, бук, граб | кг | 15 | 4,2 | 2500 |
| Дрова: лиственница, сосна, ель | кг | 15,5 | 4,3 | 2500 |
| Уголь бурый | кг | 12,98 | 3,6 | 3100 |
| Уголь каменный | кг | 27,00 | 7,5 | 6450 |
| Уголь древесный | кг | 27,26 | 7,5 | 6510 |
| Антрацит | кг | 28,05 | 7,8 | 6700 |
| Пеллета древесная | кг | 17,17 | 4,7 | 4110 |
| Пеллета соломенная | кг | 14,51 | 4,0 | 3465 |
| Пеллета из подсолнуха | кг | 18,09 | 5,0 | 4320 |
| Опилки | кг | 8,37 | 2,3 | 2000 |
| Бумага | кг | 16,62 | 4,6 | 3970 |
| Виноградная лоза | кг | 14,00 | 3,9 | 3345 |
| Природный газ | м3 | 33,5 | 9,3 | 8000 |
| Сжиженный газ | кг | 45,20 | 12,5 | 10800 |
| Бензин | кг | 44,00 | 12,2 | 10500 |
| Дизельное топливо | кг | 43,12 | 11,9 | 10300 |
| Метан | м3 | 50,03 | 13,8 | 11950 |
| Водород | м3 | 120 | 33,2 | 28700 |
| Керосин | кг | 43,50 | 12 | 10400 |
| Мазут | кг | 40,61 | 11,2 | 9700 |
| Нефть | кг | 44,00 | 12,2 | 10500 |
| Пропан | м3 | 45,57 | 12,6 | 10885 |
| Этилен | м3 | 48,02 | 13,3 | 11470 |
Из представленной таблицы видно, что наибольшие показатели ТСТ среди всех веществ, а не только газообразных, имеет водород. Он классифицируется как высокоэнергетический вид топлива.
В результате сгорания водорода образуется лишь вода. В этом процессе не выделяются шлаки, зола, угарный и углекислый газ, что делает его экологически чистым источником энергии. Тем не менее, водород обладает высокой взрывной опасностью и низкой плотностью, что затрудняет его сжижение и транспортировку.
Брикеты
Брикеты – это твердое топливо, которое аналогично пеллетам. Для их производства используются те же материалы: древесная щепа, стружка, торф, шелуха и солома. В процессе изготовления сырьё измельчается и под высоким давлением формируется в брикеты. Данный материал также относится к экологически чистым источникам энергии. Хранить брикеты можно в любых условиях, даже на открытом воздухе. Они обеспечивают плавное, равномерное и медленное горение как в печах и каминах, так и в отопительных котлах.
Рассмотренные выше виды экологически чистого твердого топлива являются отличной альтернативой традиционным источникам тепла, которые пагубно влияют на экологическую обстановку и не являются возобновляемыми ресурсами. Альтернативное топливо проявляет явные преимущества и отличается относительно невысокой стоимостью, что также играет важную роль для определённых категорий потребителей.
Тем не менее, следует отметить, что риск возгорания таких материалов довольно высок. Поэтому для их хранения и использования необходимо соблюдать меры безопасности, включая использование огнестойких материалов для стен.
Жидкое и газообразное топливо
Что касается жидких и газообразных горючих веществ, то ситуация следующая:
| Топливо | q | |
| МДж/кг | ккал/кг | |
| Жидкое | ||
| Бензин | 44-47 | 10500-11200 |
| Дизельное автотракторное | 42,7 | 10200 |
| Керосин | 44-46 | 10500-11000 |
| Нефть | 43,5-46 | 10400-11000 |
| Спирт | 27,0 | 6450 |
| Топливо для РЖД (керосин+жидкий кислород) | 9,2 | 2200 |
| Топливо для реактивных двигателей самолетов (ТС-1) | 42,9 | 10250 |
| Газообразное | ||
| Ацетилен | 48,1 | 11500 |
| Водород | 120 | 28600 |
| Природный газ | 41-49 | 9800-11700 |
| Метан | 50,0 | 11950 |
| Окись углерода (II) | 10,1 | 2420 |
