Удельная теплота сгорания газа. Природный газ и его теплотворность в условиях домашнего использования

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.

Ежедневно включая горелку на кухонной плите, мало кто задумывается о том, насколько давно начали добывать газ. В нашей стране его разработка была начата в двадцатом веке. Перед этим же его просто находили при добывании нефтепродуктов. Теплотворная способность природного газа настолько велика, что сегодня это сырьё просто незаменимо, а его качественные аналоги ещё не разработаны.

Таблица теплотворности поможет подобрать топливо для отопления дома

Особенность горючего ископаемого

Природный газ - это важное горючее ископаемое, которое занимает ведущие позиции в топливно-энергетических балансах многих государств. В целях снабжения топливом города и всевозможных технических предприятий потребляют различный горючий газ, поскольку природный считается опасным.

Экологи считают, что газ - это чистейшее топливо, при сгорании он выпускает намного меньше ядовитых веществ, чем дрова, уголь, нефть. Это топливо ежедневно используется людьми и содержит в себе такую добавку, как одорант, её добавление происходит на оборудованных установках в соотношении 16 миллиграмм на 1 тысячу кубометров газа.

Важной составляющей вещества является метан (примерно 88-96%), остальное - это прочие химические вещества:

• бутан;
• сероводород;
• пропан;
• азот;
• кислород.

В данном видео рассмотрим роль угля:

Количество метана в природном топливе напрямую зависит от его месторождения.

Описываемый вид топлива состоит из углеводородных и неуглеводородных компонентов. Природное горючее ископаемое - это прежде всего метан, включающий в себя бутан и пропан. Не считая углеводородные составляющие, в описываемом горючем ископаемом присутствуют азот, сера, гелий и аргон. А также встречаются жидкие пары, но лишь в газонефтяных месторождениях.

Виды залежей

Отмечается наличие несколько разновидностей залежей газа. Они подразделяются на такие виды:

• газовые;
• нефтяные.

Их отличительной чертой является содержание углеводорода. В газовых залежах содержится примерно 85-90% представленного вещества, в нефтяных месторождениях содержится не больше 50%. Остальные проценты занимают такие вещества, как бутан, пропан и нефть.

Огромным недостатком нефтяного зарождения считается его промывка от разного рода добавок. Сера в качестве примеси эксплуатируется на технических предприятиях.

Потребление природного газа

Бутан потребляется в качестве топлива на заправках для машин, а органическое вещество, именуемое «пропан», применяют для заправки зажигалок. Ацетилен является высокогорючим веществом и используется при сварке и при резке металла.

Горючее ископаемое применяется в быту:

• колонки;
• газовая плита;

Такого рода топливо считается самым бюджетным и невредным, единственным минусом является выброс углекислого газа при сжигании в атмосферу. Ученые всей планеты ищут замену тепловой энергии.

Теплотворная способность

Теплотворной способностью природного газа именуется величина тепла, образующаяся при достаточном выгорании единицы величины топлива. Количество теплоты, выделяемое при сгорании, относят к одному кубическому метру, взятому в естественных условиях.

Тепловая способность природного газа измеряется в следующих показателях:

• ккал/нм 3 ;
• ккал/м 3 .

Существует высокая и низкая теплотворная способность:

1. Высокая. Рассматривает теплоту водяных паров, возникающих при сжигании топлива.
2. Низкая. Не учитывает тепло, содержащееся в водных парах, так как такие пары не поддаются конденсации, а уходят с продуктами горения. Ввиду скопления водяных паров образует количество тепла, равное 540 ккал/кг. К тому же при остывании конденсата выходит тепло от 80 до ста ккал/кг. В общем, за счет скопления водяных паров образуется больше 600 ккал/кг, это и является отличительной чертой между высокой и низкой теплопроизводительностью.

Для подавляющего большинства газов, потребляемых в городской системе распределения топлива, разность приравнивается к 10%. Для того чтобы обеспечить города газом, его теплотворность должна быть больше 3500 ккал/нм 3 . Объясняется это тем, что подача осуществляется по трубопроводу на большие расстояния. Если теплотворность мала, то его подача увеличивается.

Если теплотворность природного газа меньше 3500 ккал/нм 3, его чаще применяют в промышленности. Его не нужно переправлять на длинные отрезки пути, и осуществить горение становится намного легче. Серьезные изменения теплотворной способности газа нуждаются в частой регулировке, а порой и замене большого количества стандартизированных горелок бытовых датчиков, что приводит к трудностям.

Такая ситуация приводит к увеличению диаметров газопровода, а также увеличиваются затраты на металл, прокладывание сетей и эксплуатацию. Большим недостатком низкокалорийных горючих ископаемых является огромное содержание угарного газа, в связи с этим увеличивается уровень угрозы при эксплуатации топлива и при техобслуживании трубопровода, в свою очередь, как и оборудования.

Выделяющееся тепло при горении, не превышающее 3500 ккал/нм 3 , чаще всего применяют в промышленном производстве, где не приходится перебрасывать его на большую протяженность и без труда образовывать сгорание.

Количество тепла, выделяемое при полном сгорании едини­цы количества топлива, называется теплотворной способностью (Q) или, как иногда говорят, теплотворностью, или калорийно­стью, которая является одной из основных характеристик топ­лива.

Теплотворную способность газов обычно относят к 1 м 3 , взятому при нормальных условиях.

При технических расчетах под нормальными условиями по­нимается состояние газа при температуре, равной 0°С, и, при давлении 760 мм рт. ст. Объем газа при этих условиях обозначается нм 3 (нормальный метр кубический).

Для промышленных измерений газа по ГОСТ 2923-45 за нормальные условия приняты температура 20°С и Давление 760 мм рт. ст. Объем газа, отнесенный к этим условиям, в от­личие от нм 3 будем называть м 3 (метр кубический).

Теплотворная способность газов (Q}) выражается в ккал/нм э или в ккал/м 3 .

Для сжиженных газов теплотворную способность относят к 1 кг.

Различают высшую (Q в) и низшую (Q н) теплотворность. Высшая теплотворная способность учитывает теплоту конден­сации водяных паров, образующихся при сжигании топлива. Низшая теплотворная способность не учитывает тепло, содер­жащееся в водяных парах продуктов сгорания, так как водя­ные лары не конденсируются, а уносятся с продуктами сгора­ния.

Понятия Q в и Q н относятся только к тем газам, при сгорании которых выделяются водяные пары (к окиси углерода, не дающей при сгорании паров воды, эти понятия не относятся).

При конденсации водяных паров выделяется тепло, равное 539 ккал/кг. Кроме того, при охлаждении конденсата до 0°С (.или 20°С) соответственно выделяется тепло в количестве 100 или 80 ккал/кг.

Всего за счет конденсации водяных паров выделяется те­пла более 600 ккал/кг, что составляет разность между высшей и низшей теплотворной способностью газа. Для большинства газов, применяемых в городском газоснабжении, эта разность равна 8-10%.

Значения теплотворных способностей некоторых газов при­ведены в табл. 3.

Для городского газоснабжения в настоящее время исполь­зуют газы, имеющие, как правило, теплотворность не менее 3500 ккал/нм 3 . Объясняется это тем, что в условиях городов газ подается по трубам на значительные расстояния. При низкой теплотворности его требуется подавать большое коли­чество. Это неизбежно ведет к увеличению диаметров газоцроводов и как следствие к увеличению металловложений и средств на строительство газовых сетей, а.в.последующем: и к увеличению затрат на эксплуатацию. Существенным недостат­ком низкокалорийных газов является еще то, что в большин­стве случаев они содержат значительное количество окиси уг­лерода, из-за чего повышается опасность при использовании газа, а также при обслуживании сетей и установок.

Газ теплотворной способностью менее 3500 ккал/нм 3 наибо­лее часто используют в промышленности, где не требуется тран­спортировать его на большие расстояния и проще организовать сжигание. Для городского газоснабжения теплотворность га­за желательно иметь постоянной. Колебания, как мы уже уста­новили, допускаются не более 10%. Большее изменение тепло­творной способности газа требует новой регулировки, а иногда и смены большого количества унифицированных горелок бы­товых приборов, что связано со значительными трудностями.

Классификация горючих газов

Для газоснабжения городов и промышленных предприятий применяют раз­личные горючие газы, отличающиеся по проис­хождению, химическому со­ставу и физическим свойствам.

По происхождению горючие газы разделяются на есте­ственные, или природ­ные, и на искусственные, вырабатывае­мые из твердого и жидкого топлива.

Природные газы добывают из скважин чисто газовых месторождений или нефтяных месторождений попутно с неф­тью. Газы нефтяных месторождений называются попутными.

Газы чисто газовых месторождений в основном состоят из метана с неболь­шим содержанием тяжелых углеводородов. Они характеризуются постоянст­вом состава и теплотворности.

Попутные газы наряду с метаном содержат значительное количество тяже­лых углеводородов (пропан и бутан). Состав и теплотворность этих газов ко­леблются в широких пределах.

Искусственные газы вырабатывают на специальных газовых заводах -или получают как побочный продукт при сжигании уг­ля на металлургических за­водах, а также на заводах по пере­работке нефти.

Газы, вырабатываемые из каменного угля, у нас в стране для городского га­зоснабжения применяются в весьма ограни­ченных количествах, и удельный вес их все время уменьшается. В то же время растет производство и потреб­ление сжиженных углеводородных газов, полученных из попутных нефтяных га­зов на газобензиновых заводах и на нефтеперерабатывающих заводах при переработке нефти. Жидкие углеводородные газы, используемые для город­ского газоснабжения, состоят в ос­новном из пропана и бутана.

Состав газов

Вид газа и его состав в значительной степени предопреде­ляют область при­менения газа, схему и диаметры газовой сети, конструктивные решения газо­горелочных устройств и отдель­ных узлов газопроводов.

От теплотворной способности зависит расход газа, а отсю­да-диаметры га­зопроводов и условия сжигания газа. При при­менении газа в промышленных установках весьма существен­ное значение имеют температура горения и скорость распро­странения пламени и постоянство состава газового топлива Состав газов, а также физико-химические свойства их преж­де всего зависят от вида и способа получения газов.

Горючие газы представляют механические смеси различ­ных газов <как го­рючих, так и негорючих.

В горючую часть газообразного топлива входят: водород (Н 2)-газ без цвета, вкуса и запаха, низшая теплотворная способность его составляет 2579 ккал/нм 3 \ метан (СН 4) - газ без цвета, вкуса и запаха, является основной го­рючей частью природных газов, низшая теплотворная способность его 8555 ккал/нм 3 ; окись углерода (СО) - газ без цвета, вкуса и запаха, получается пр.и неполном сгорании любого топлива, очень ядовит, низшая теплотворная способность 3018 ккал/нм 3 ; тяжелые-углеводороды (С п Н т), Этим названием <и формулой обозначается целый ряд углеводородов (этан - С2Н 6 , пропан - С 3 Нв, бутан- С4Н 10 и др.), низшая теплотворная способность этих газов колеблется от 15226 до 34890 ккал/нм*.

В негорючую часть газообразного топлива входят: угле­кислый газ (СО 2), ки­слород (О 2) и азот (N 2).

Негорючую часть газов принято называть балластом. При­родные газы харак­теризуются высокой теплотворностью и пол­ным отсутствием окиси угле­рода. В то же время (ряд месторож­дений, главным образом газонёфтяных, содержит очень ядовитый (и агрессивный в коррозионном отношении газ - серо­водород (H 2 S). Большинство искусственных каменноугольных газов со­держит значительное количество высокотоксичного га­за - окиси углерода (СО). Наличие в газе окиси углерода и других ядовитых веществ весьма не­желательно, так как они усложняют производство эксплуатационных работ и повышают опасность при использовании газа. Кроме основных компонен­тов е состав газов входят различные примеси, удельное зна­чение которых в процентном отношении ничтожно. Однако ес­ли учесть, что по га­зопроводам подаются тысячи и даже мил­лионы кубических метров газа, то суммарное количество при­месей достигает значительной величины. Многие примеси вы­падают в газопроводах, что в итоге приводит к снижению их про­пускной способности, а иногда и к полному прекращению прохода газа. По­этому наличие примесей в газе необходимо учитывать как при проектирова­нии газопроводов, так и в про­цессе эксплуатации.

Количество и состав примесей зависят от способа производ­ства или добычи газа и степени его очистки. Наиболее вред­ными примесями являются пыль, смола, нафталин, влага и сернистые соединения.

Пыль появляется в газе в процессе производства (добычи) или при транспор­тировке газа по трубопроводам. Смола яв­ляется продуктом термического разложения топлива и сопут­ствует многим искусственным газам. При нали­чии в газе пы­ли смола способствует образованию смоло-грязевых пробок и закупорок газопроводов.

Нафталин обычно содержится в искусственных каменно­угольных газах. При низких температурах нафталин выпадает в трубах и вместе с другими твер­дыми и жидкими приме­сями уменьшает проходное сечение газопроводов.

Влага в виде паров содержится почти во всех естественных и искусствен­ных газах. В естественные газы она попадает в са­мом газовом месторожде­нии вследствие контактов газов с по­верхностью воды, а искусственные газы насыщаются водой в процессе "производства. Наличие влаги в газе в значи­тельных количествах нежелательно, так как она понижает теплотвор­ную спо­собность газа. Кроме того, отличаясь большой теплоемкостью парообразования, влага при сжигании газа уносит значитель­ное количество тепла вместе с продуктами сгорания в атмосферу. Большое содержание влаги о газе нежелательно еще и потому, что, конденсируясь при охлаждении газа во "Бремя движения его по тру­бам, она может создавать водяные пробки в газопроводе (в низших точках),которые необходимо удалять. Для этого требуется установка специальных конденсатосборников и откачка их.

К сернистым соединениям, как уже отмечалось, относятся сероводо­род, а также сероуглерод, меркаптан и др. Эти соеди­нения не только вредно действуют на здоровье людей, но и вы­зывают значительную коррозию труб.

Из других вредных примесей следует отметить аммиак и цианистые соединения, которые содержатся главным образом в каменноуголь­ных газах. Наличие аммиака и цианистых сое­динений приводит к увеличенной коррозии металла труб.

Присутствие в горючих газах углекислого газа и азота также нежелательно. Эти газы в процессе горения не уча­ствуют, являясь балластом, уменьшающим теплотворную спо­собность, что приводит к увеличению диаметра газопроводов и к снижению экономической эффективности использования газообразного топлива.

Состав газов, используемых для городского газоснабжения, должен удовлетворять требованиям ГОСТ 6542-50 (табл. 1).

Таблица 1

Средние значения состава естественных газов наиболее из­вестных месторождений страны представлены в табл. 2.

Из газовых месторождений (сухие)

Теплотворная способность газов

Количество тепла, выделяемое при полном сгорании едини­цы количества топлива, называется теплотворной способностью (Q) или, как иногда говорят, теплотворностью, или калорийно­стью, которая является одной из основных характеристик топ­лива.

Теплотворную способность газов обычно относят к 1 м 3 , взятому при нормальных условиях.

При технических расчетах под нормальными условиями по­нимается состояние газа при температуре, равной 0°С, и, при давлении 760 мм рт. ст. Объем газа при этих условиях обозначается нм 3 (нормальный метр кубический).

Для промышленных измерений газа по ГОСТ 2923-45 за нормальные условия приняты температура 20°С и Давление 760 мм рт. ст. Объем газа, отнесенный к этим условиям, в от­личие от нм 3 будем называть м 3 (метр кубический).

Теплотворная способность газов (Q}) выражается в ккал/нм э или в ккал/м 3 .

Для сжиженных газов теплотворную способность относят к 1 кг.

Различают высшую (Q в) и низшую (Q н) теплотворность. Высшая теплотворная способность учитывает теплоту конден­сации водяных паров, образующихся при сжигании топлива. Низшая теплотворная способность не учитывает тепло, содер­жащееся в водяных парах продуктов сгорания, так как водя­ные лары не конденсируются, а уносятся с продуктами сгора­ния.

Понятия Q в и Q н относятся только к тем газам, при сгорании которых выделяются водяные пары (к окиси углерода, не дающей при сгорании паров воды, эти понятия не относятся).

При конденсации водяных паров выделяется тепло, равное 539 ккал/кг. Кроме того, при охлаждении конденсата до 0°С (.или 20°С) соответственно выделяется тепло в количестве 100 или 80 ккал/кг.

Всего за счет конденсации водяных паров выделяется те­пла более 600 ккал/кг, что составляет разность между высшей и низшей теплотворной способностью газа. Для большинства газов, применяемых в городском газоснабжении, эта разность равна 8-10%.

Значения теплотворных способностей некоторых газов при­ведены в табл. 3.

Для городского газоснабжения в настоящее время исполь­зуют газы, имеющие, как правило, теплотворность не менее 3500 ккал/нм 3 . Объясняется это тем, что в условиях городов газ подается по трубам на значительные расстояния. При низкой теплотворности его требуется подавать большое коли­чество. Это неизбежно ведет к увеличению диаметров газоцроводов и как следствие к увеличению металловложений и средств на строительство газовых сетей, а.в.последующем: и к увеличению затрат на эксплуатацию. Существенным недостат­ком низкокалорийных газов является еще то, что в большин­стве случаев они содержат значительное количество окиси уг­лерода, из-за чего повышается опасность при использовании газа, а также при обслуживании сетей и установок.

Газ теплотворной способностью менее 3500 ккал/нм 3 наибо­лее часто используют в промышленности, где не требуется тран­спортировать его на большие расстояния и проще организовать сжигание. Для городского газоснабжения теплотворность га­за желательно иметь постоянной. Колебания, как мы уже уста­новили, допускаются не более 10%. Большее изменение тепло­творной способности газа требует новой регулировки, а иногда и смены большого количества унифицированных горелок бы­товых приборов, что связано со значительными трудностями.

5.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ГОРЕНИЯ

Рассмотрим методы расчета теплового баланса процесса горения газообразных, жидких и твердых топлив. Расчет сводится к решению следующих задач.

· Определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива.

· Определение теоретической температуры горения.

5.1. ТЕПЛОТА ГОРЕНИЯ

Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты. При выделении теплоты реакция называется экзотермической, а при поглощении – эндотермической. Все реакции горения являются экзотермическими, а продукты горения относятся к экзотермическим соединениям.

Выделяемая (или поглощаемая) при протекании химической реакции теплота называется теплотой реакции. В экзотермических реакциях она положительна, в эндотермических – отрицательна. Реакция горения всегда сопровождается выделением теплоты. Теплотой горения Q г (Дж/моль) называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества и превращении горючего вещества в продукты полного горения. Моль является основной единицей количества вещества в системе СИ. Один моль – это такое количество вещества, в котором находится столько же частиц (атомов, молекул и т.д.), сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода–12. Масса количества вещества, равного 1 молю (молекулярная или молярная масса) численно совпадает с относительной молекулярной массой данного вещества.

Например, относительная молекулярная масса кислорода (O 2) равна 32, углекислого газа (CO 2) равна 44, а соответствующие молекулярные массы будут равны M =32 г/моль и M =44 г/моль. Таким образом, в одном моле кислорода содержится 32 грамма этого вещества, а в одном моле CO 2 содержится 44 грамма углекислого газа.

В технических расчетах чаще используется не теплота горения Q г , а теплотворная способность топлива Q (Дж/кг или Дж/м 3). Теплотворной способностью вещества называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 вещества. Для жидких и твердых веществ расчет проводится на 1 кг, а для газообразных – на 1 м 3 .

Знание теплоты горения и теплотворной способности топлива необходимо для расчета температуры горения или взрыва, давления при взрыве, скорости распространения пламени и других характеристик. Теплотворная способность топлива определяется либо экспериментальным, либо расчетным способами. При экспериментальном определении теплотворной способности заданная масса твердого или жидкого топлива сжигается в калориметрической бомбе, а в случае газообразного топлива – в газовом калориметре. С помощью этих приборов измеряется суммарная теплота Q 0 , выделяющаяся при сгорании навески топлива массой m . Величина теплотворной способности Q г находится по формуле

Связь между теплотой горения и
теплотворной способностью топлива

Для установления связи между теплотой горения и теплотворной способностью вещества необходимо записать уравнение химической реакции горения.

Продуктом полного горения углерода является диоксид углерода:

С+О 2 →СО 2 .

Продуктом полного горения водорода является вода:

2Н 2 +О 2 →2Н 2 О.

Продуктом полного горения серы является диоксид серы:

S +О 2 →SO 2 .

При этом выделяются в свободном виде азот, галоиды и другие негорючие элементы.

Горючее вещество – газ

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности метана CH 4 , для которого теплота горения равна Q г =882.6 .

· Определим молекулярную массу метана в соответствии с его химической формулой (СН 4):

М=1∙12+4∙1=16 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг метана:

· Найдем объем 1 кг метана, зная его плотность ρ=0.717 кг/м 3 при нормальных условиях:

.

· Определим теплотворную способность 1 м 3 метана:

Аналогично определяется теплотворная способность любых горючих газов. Для многих распространенных веществ значения теплоты горения и теплотворной способности были измерены с высокой точностью и приведены в соответствующей справочной литературе. Приведем таблицу значений теплотворной способности некоторых газообразных веществ (табл. 5.1). Величина Q в этой таблице приведена в МДж/м 3 и в ккал/м 3 , поскольку часто в качестве единицы теплоты используется 1 ккал = 4.1868 кДж.

Таблица 5.1

Теплотворная способность газообразных топлив

Горючее вещество – жидкость или твердое тело

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности этилового спирта С 2 Н 5 ОН, для которого теплота горения Q г = 1373.3 кДж/моль.

· Определим молекулярную массу этилового спирта в соответствии с его химической формулой (С 2 Н 5 ОН):

М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг этилового спирта:

Аналогично определяется теплотворная способность любых жидких и твердых горючих. В табл. 5.2 и 5.3 приведены значения теплотворной способности Q (МДж/кг и ккал/кг) для некоторых жидких и твердых веществ.

Таблица 5.2

Теплотворная способность жидких топлив

Таблица 5.3

Теплотворная способность твердых топлив

Формула Менделеева

Если теплотворная способность топлива неизвестна, то ее можно рассчитать с помощью эмпирической формулы, предложенной Д.И. Менделеевым. Для этого необходимо знать элементарный состав топлива (эквивалентную формулу топлива), то есть процентное содержание в нем следующих элементов:

Кислорода (О);

Водорода (Н);

Углерода (С);

Серы (S );

Золы (А);

Воды (W ).

В продуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.

Для расчета обычно применяется низшая теплотворная способность Q н топлива, которая учитывает тепловые потери с парами воды. Для твердых и жидких топлив величина Q н (МДж/кг) приближенно определяется по формуле Менделеева:

Q н =0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)

где в скобках указано процентное (масс. %) содержание соответствующих элементов в составе топлива.

В этой формуле учитывается теплота экзотермических реакций горения углерода, водорода и серы (со знаком «плюс»). Кислород, входящий в состав топлива, частично замещает кислород воздуха, поэтому соответствующий член в формуле (5.1) берется со знаком «минус». При испарении влаги теплота расходуется, поэтому соответствующий член, содержащий W , берется также со знаком «минус».

Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных топлив (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева (5.1) дает погрешность, не превышающую 10%.

Низшая теплотворная способность Q н (МДж/м 3) сухих горючих газов с достаточной точностью может быть рассчитана как сумма произведений теплотворной способности отдельных компонентов и их процентного содержания в 1 м 3 газообразного топлива.

Q н = 0.108[Н 2 ] + 0.126[СО] + 0.358[СН 4 ] + 0.5[С 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)

где в скобках указано процентное (объем. %) содержание соответствующих газов в составе смеси.

В среднем теплотворная способность природного газа составляет примерно 53.6 МДж/м 3 . В искусственно получаемых горючих газах содержание метана СН 4 незначительно. Основными горючими составляющими являются водород Н 2 и оксид углерода СО. В коксовальном газе, например, содержание Н 2 доходит до (55 ÷ 60)%, а низшая теплотворная способность такого газа достигает 17.6 МДж/м 3 . В генераторном газе содержание СО ~ 30% и Н 2 ~15%, при этом низшая теплотворная способность генераторного газа Q н = (5.2÷6.5) МДж/м 3 . В доменном газе содержание СО и Н 2 меньше; величина Q н = (4.0÷4.2) МДж/м 3 .

Рассмотрим примеры расчета теплотворной способности веществ по формуле Менделеева.

Определим теплотворную способность угля, элементный состав которого приведен в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Элементный состав угля

· Подставим приведенные в табл. 5.4 данные в формулу Менделеева (5.1) (азот N и зола A в эту формулу не входят, поскольку являются инертными веществами и не участвуют в реакции горения):

Q н =0.339∙37.2+1.025∙2.6+0.1085∙0.6–0.1085∙12–0.025∙40=13.04 МДж/кг.

Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С, если на нагревание расходуется 5% теплоты, выделяемой при горении, а теплоемкость воды с =1 ккал/(кг∙град) или 4.1868 кДж/(кг∙град). Элементный состав дров приведен в табл. 5.5:

Таблица 5.5

Элементный состав дров