Практическая работа №10 Теплота сгорания топлива и ее определение.

Задание 1: Напишите конспект

Изучение нового материала

1. Теплота́ сгора́ния — количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях.

Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей массе горючего вещества Q^p, то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества Q^c к горючей массе вещества Q^г, то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы.

Различают высшую Q_в и Q_н низшую теплоту сгорания.

Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара.

Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой парообразования (конденсации).

Низшая и высшая теплота сгорания связаны соотношением:

Q_в = Q_н + k(W+9H),

где k — коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг);

W — количество воды в горючем веществе, % (по массе);

Н — количество водорода в горючем веществе, % (по массе).

Таким образом, высшая теплота сгорания — это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы.

В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100 %. Скрытая теплота сгорания газа — это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11 %.

На практике не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации, и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QHp), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг).

2. Расчёт теплоты сгорания

Теплоту сгорания можно определять двумя путями.

 Первый из них заключается в непосредственном измерении количества тепла, выделяющегося при сжигании определенного количества исследуемого горючего, т.е. путь экспериментальный.

Второй путь основан на том, что эта характеристика вычисляется исходя из теплоты горения горючих составляющих топлива и, следовательно, определяется содержанием последних в горючем. Таким образом, во втором случае требуется знание точного состава топлива и тех тепловых эффектов, какими сопровождаются реакции окисления горючих составляющих.

Определение теплоты сгорания топлива по данным элементарного анализа.

Поскольку по закону Гесса теплота сгорания соединения равна разности между теплотами сгорания углерода, водорода и серы и теплотой образования молекулы, то для вычисления теплотворности топлива необходимо знать не только содержание в нем углерода, водорода и серы, но и природу тех соединений, в которых эти элементы присутствуют в топливе.

Основой метода определения расчетной теплоты сгорания всякого топлива является представление об этой величине как о сумме теплот сгорания содержащихся в топливе элементов или их соединений. Таким образом, для такого рода подсчета должны быть известны количества различных составляющих в топливе (его химический состав) и теплоты сгорания их.

В 1843 г., спустя пять лет после смерти известного французского химика П. Дюлонга (правильнее Дюлона), были опубликованы его материалы по подсчету теплоты сгорания.

Они легли в основу многочисленных вариантов его формулы, построенной исходя из следующих предположений:

1) кислород, содержащийся в горючей массе топлива, полностью связан с водородом;

2) при сгорании водорода в воду (без испарения), не связанного с кислородом, или так называемого свободного водорода, выделяется такое же количество тепла, как и при сгорании газообразного молекулярного водорода;

3) топливо рассматривается как механическая смесь углерода, свободного водорода и горючей серы, тепло распада молекул не учитывается.

Формула Дюлонга предназначена для подсчета высшей теплоты сгорания.

Д.И. Менделеев задался целью разработать универсальную формулу, пригодную для подсчета теплоты сгорания всех видов твердого и жидкого топлива. Теплоту сгорания водорода, входящего в состав органических соединений твердого и жидкого топлива, Д.И. Менделеев признал меньшей, чем газообразного молекулярного водорода, и равной не 142,4 МДж/кг, а 125,6 МДж/кг.

 Кроме того, он полагал, что кислород находится в химическом соединении не только с водородом, но и углеродом. В соответствии с этим он считал необходимым отказаться от понятия свободного, или «горючего», водорода и вести подсчет теплоты сгорания топлива, исходя из содержания всего количества водорода в его горючей массе.

Снижение теплоты сгорания вследствие содержания в горючей массе кислорода Д.И. Менделеев подсчитал на основании теплоты сгорания ряда видов топлива с различным содержанием кислорода, оно оказалось равным 10,9 МДж на 1 кг кислорода, т.е. 108,5 кДж на каждый процент его содержания в горючей массе.

1) Для подсчета высшей теплоты сгорания топлива Д.И. Менделеев предложил весьма простую формулу:

Применимость этой формулы была проверена Д.И. Менделеевым путем подсчета по составу теплоты сгорания различных видов горючего, а именно: углерода, клетчатки, каменных углей и нефтепродуктов, теплота сгорания которых была определена калориметрическим методом. В результате он пришел к выводу, что предложенная формула дает достаточно точное совпадение с результатами калориметрических определений различных видов топлива.

2) Низшая теплота сгорания для жидкого и твердого вещества определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

где:  - 2514 — теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;

- W^p; H^р — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;

 -  коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж.

Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной.

При подсчете низшей теплоты сгорания топлива, т.е. с учетом тепла, расходуемого на испарение воды, образующейся при сгорании водорода и содержащейся в топливе, формула Д.И. Менделеева приобретает следующий вид:

С^Р, H^P_, О^Р , S^L_P, W^P — содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).

Для сравнительных расчётов используется так называемое условное топливо, имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).

3. Подсчет теплоты сгорания газообразного топлива по компонентному составу.

 Высшую и низшую теплоту сгорания газообразного топлива посчитывают на основе реакций окисления компонентов и стандартных теплот образования веществ по формулам:

Q_B = 0,126 CO + 0,128 H₂ + 0,398 CH₄ + 0,695 C₂H₆ + 0,992 C₃H₈ +

+ 1,285 C₄H₁₀ + 1,578 C₅H₁₂ + 0,628 C₂H₄ + 0,921 C₃H₆ + 1,214 C₄H₈ +

+ 1,507 C₅H₁₀ + 1,465 C₆H₆ + 0,255 H₂S МДж/м³. (2.6)

Q_н = 0,126 CO + 0,108 H₂ + 0,358 CH₄ + 0,636 C₂H₆ + 0,913 C₃H₈ +

+ 1,206 C₄H₁₀ + 1,461 C₅H₁₂ + 0,590 C₂H₄ + 0,858 C₃H₆ + 1,135 C₄H₈ +

+ 1,411 C₅H₁₀ + 1,403 C₆H₆ + 0,234 H₂S МДж/м³.

Для природных и попутных нефтепромысловых газов с высоким содержанием CH₄, включающих помимо метана его гомологи, а также углекислый газ, сероводород и азот, низшую теплоту сгорания можно подсчитать по формуле с округленными коэффициентами:

Q_н  = 0,358 CH₄ + 0,628 C₂H₆ + 0,921 C₃H₈ + 1,172 C₄H₁₀ +

+ 1,465 C₅H₁₂ + 0,251 H₂S МДж/м³.

Задание 2. Решить задачи

Задача 1.  Смешали бензин объемом 1 л и спирт объемом 2,5 л. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании этого топлива?

Задача 2.  Сколько спирта надо сжечь, чтобы изменить температуру воды массой 6 кг от 10 до 30 °С, если вся теплота, выделенная при горении спирта, пойдет на нагревание воды? 

Задача 3. Сколько теплоты выделится при полном сгорании спирта объемом 0,00005 м³; бензина объемом 25 л; нефти объемом 250 л?

Задача 4.  Какое количество теплоты выделится при полном сгорании пороха массой 25 г; торфа массой 0,5 т; каменного угля массой 1,5 т?

Задача 5. На сколько изменится температура воды, масса которой 40 кг, если ей передать всю энергию, выделившуюся при сгорании керосина, масса которого равна 150г?

Методические указания:

Задача 1.  Смешали бензин объемом 1,5 л и спирт объемом 0,5 л. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании этого топлива?

Дано:                                              Решение:

V₁ = 1,5 л=1,5·10^-3м³                     Масса бензина m₁ = ρ₁· V₁

q₁ = 46·10⁶ Дж/кг                            Масса спирта: m₂ = ρ₂· V₂

ρ₁ = 710 кг/м³                                Общая теплота сгорания Q = Q₁ + Q₂ 

V₂ = 0,5 л=0,5·10^-3м³                        Q₁ = m₁·q₁ = ρ₁· V₁· q₁

q₂ = 27·10⁶ Дж/кг                              Q₂ = m₂·q₂  = ρ₂· V₂·q₂ 

ρ₂ = 800 кг/м³                                           Q = Q₁ + Q₂  = ρ₁· V₁· q₁ + ρ₂· V₂·q₂  = 59,79 МДж

Q-?

Задача 2.  Сколько спирта надо сжечь, чтобы изменить температуру воды массой 2 кг от 14 до 50 °С, если вся теплота, выделенная при горении спирта, пойдет на нагревание воды? 

Задача 3. На сколько изменится температура воды, масса которой 22 кг, если ей передать всю энергию, выделившуюся при сгорании керосина, масса которого равна 10 г?