Удельная теплота сгорания керосина: физический смысл величины, значение показателя и его сравнение с нефтью

Свойства, получение и применение

История керосина насчитывает более 2 тыс. лет и начинается с тех пор, когда арабские учёные придумали метод перегонки нефти на отдельные компоненты. Официально он был открыт в 1853 году, когда канадский врач Абрахам Геснер разработал и запатентовал метод извлечения прозрачной горючей жидкости из битумов и горючих сланцев.

После бурения первой нефтяной скважины в 1859 году нефть стала основным сырьём для керосина. Из-за повсеместного использования в лампах он десятилетиями считался главным продуктом нефтеперегонки. Лишь появление электричества снизило его значение для освещения. Производство керосина упало также с ростом популярности автомобилей — это обстоятельство существенно повысило важность бензина как нефтепродукта. Тем не менее и сегодня во многих частях мира керосин применяется для отопления и освещения, а современное реактивное топливо — это тот же продукт, но более высокого качества.

керасин_гост
С повышением количества использования автомобилей – упала популярность керосина

Керосин — лёгкая прозрачная жидкость, химически представляющая собой смесь органических соединений. Его состав во многом зависит от сырья, но, как правило, состоит из десятка различных углеводородов, молекула каждого из которых содержит от 10 до 16 атомов углерода. Керосин менее летуч, чем бензин. Сравнительная температура возгорания керосина и бензина, при которой они выделяют воспламеняющиеся пары возле поверхности, составляет 38 и -40°C, соответственно.

Это свойство позволяет рассматривать керосин как относительно безопасное топливо с точки зрения хранения, использования и транспортировки. На основании температуры кипения (от 150 до 350°C) он классифицируется как один из так называемых средних дистиллятов сырой нефти.

Керосин может быть получен прямогонным способом, то есть физически отделён от нефти, путём дистилляции или с помощью химического разложения более тяжёлых фракций в результате крекинг процесса.

В этом видео вы узнаете, как рассчитать удельную теплоту сгорания керосина:

Характеристика керосина как топлива

Горением называют процесс бурного окисления веществ с выделением тепла. Как правило, в реакции участвует кислород, содержащийся в воздухе. Во время сжигания углеводородов образуются такие основные продукты горения:

  • углекислый газ;
  • водяной пар;
  • сажа.

Количество энергии, генерируемое во время сгорания топлива, зависит от его вида, условий сжигания, массы или объёма. Энергия измеряется в джоулях или калориях. Удельной (на единицу измерения количества вещества) теплотой сгорания называют энергию, полученную при сжигании единицы топлива:

  • молярная (например, Дж/моль);
  • массовая (например, Дж/кг);
  • объёмная (например, ккал/л).

В большинстве случаев для оценки газообразных, жидких и твёрдых топлив оперируют показателем массовой теплоты сгорания, выраженной в Дж/кг.

керасин_бутыль
Во время сжигания углевода образуется несколько элементов, например, сажа

Значение теплоты сгорания будет зависеть от того, брались ли в учёт процессы, происходящие с водой во время сгорания. Испарение влаги — энергоёмкий процесс, а учёт теплоотдачи при конденсации этих паров также способен повлиять на результат.

Результат замеров, производимых до того, как сконденсированный пар вернёт энергию в систему, называют низшей теплотой сгорания, а показатель, полученный после конденсации паров, называется высшей теплотой. Углеводородные двигатели не могут использовать дополнительную энергию водяного пара в выхлопе, поэтому показатель нетто актуален для производителей моторов и встречается в справочниках чаще.

Нередко при указании теплотворной способности не уточняют о том, какая из величин имеется в виду, что может привести к путанице. Сориентироваться помогает знание того, что в РФ традиционно принято указывать низшую.

керасин_литр
Низшая теплота сгорания – важный показатель

Следует отметить, что для некоторых видов топлива разделение на энергию нетто и брутто не имеет смысла, так как они не образуют воду во время горения. В отношении керосина это неактуально, поскольку содержание углеводородов в нём велико. При сравнительно невысокой плотности (между 780 кг/м³ и 810 кг/м³) его теплотворная способность аналогична этому же показателю у дизельного топлива и составляет:

  • низшая — 43,1 МДж/кг;
  • высшая — 46,2 МДж/кг.

Сравнение с другими видами горючего

Рассматриваемый показатель очень удобен для оценки потенциального количества тепла, содержащегося в топливе. Например, теплота сгорания бензина на единицу массы сопоставима с таким же показателем у керосина, но первый значительно плотнее. Как следствие, в таком же сравнении литр бензина содержит меньше энергии.

Удельная теплота сгорания нефти как смеси углеводородов зависит от её плотности, которая непостоянна для различных месторождений (43-46 МДж/кг). Расчётные методы позволяют с высокой точностью определить это значение, если есть исходные данные о её составе.

Усреднённо показатели для некоторых видов горючих жидкостей, входящих в состав нефти, выглядят так (в МДж/кг):

  • дизельное топливо — 42-44;
  • бензин — 43-45;
  • керосин — 43-44.

Калорийность твёрдых видов горючего, таких как торф и уголь, имеет больший разбег. Это связано с тем, что их состав может сильно отличаться как по содержанию несгораемых веществ, так и по калорийности углеводородов. Например, теплотворная способность торфа различных типов может колебаться в пределах 8-24 МДж/кг, а каменного угля — 13-36 МДж/кг. Среди распространённых газов большой теплотворностью отличается водород — 120 МДж/кг. Следующий по удельной теплоте сгорания — метан (50 МДж/кг).

Можно сказать, что керосин — топливо, выдержавшее испытание временем именно благодаря сравнительно высокой энергоёмкости при низкой цене. Его применение не только экономически оправдано, но и в некоторых случаях безальтернативно.

Последовательность определения удельной теплоты сгорания

Показатель удельной теплоты сгорания керосина устанавливает условия его воспламенения в различных устройствах – от двигателей до аппаратов керосиновой резки. В первом случае оптимальное сочетание теплофизических параметров следует определять более тщательно. Для каждой из комбинаций топлива обычно устанавливается несколько графиков. Эти графики могут быть использованы для оценки:

  1. Оптимального соотношения смеси продуктов сгорания.
  2. Адиабатической температуры пламени реакции сгорания.
  3. Средней молекулярной массы продуктов сгорания.
  4. Удельной теплоты соотношение продуктов сгорания.

Эти данные необходимы для определения скорости выхлопных газов, выбрасываемых из двигателя, что в свою очередь определяет тягу двигателя.

керосин

Оптимальное соотношение топливной смеси даёт самый высокий удельный импульс энергии и является функцией давления, при котором будет работать двигатель. Двигатель с высоким давлением в камере сгорания и низким давлением на выходе будет иметь самое высокое оптимальное соотношение смеси. В свою очередь, от оптимального соотношения смеси зависит давление в камере сгорания и энергоёмкость керосинового топлива.

В большинстве конструкций двигателей, использующих керосин в качестве топлива, большое внимание уделяется условиям адиабатического сжатия, когда давление и объём, занимаемый горючей смесью, находятся в постоянной взаимосвязи – это влияет на долговечность элементов двигателя. При этом внешний теплообмен, как известно, отсутствует, что определяет максимальный КПД.

горит керосин

Удельная теплоёмкость керосина — это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма вещества на один градус Цельсия. Коэффициент удельной теплоёмкости — это отношение удельной теплоёмкости при постоянном давлении к удельной теплоёмкости при постоянном объёме. Оптимальное соотношение устанавливают при заранее заданном давлении топлива в камере сгорания.

Точные показатели теплоты при сгорании керосина обычно не устанавливают, так как этот нефтепродукт представляет собой смесь четырёх углеводородов: додекана (C12H26), тридекана (C13H28), тетрадекана (C14H30) и пентадекана (C15H32). Даже в пределах одной партии исходной нефти процентное соотношение перечисленных компонентов не является постоянным. Поэтому теплофизические характеристики керосина всегда подсчитывают с известными упрощениями и допущениями.

Расчёт теплоты сгорания

Таким образом, низшая 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 низшая 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). Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

Q_H^P=Q_B^P-2514cdot(9H^P+W^P/100)
(для твердого вещества)

или

Q_H^P=Q_B^P-600cdot(9H^P+W^P/100)
(для жидкого вещества), где:

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

• HP и WP — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;

• 9 — 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. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчётным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг:

Q_H^P=339cdot C^P+1256cdot H^P-109cdot(O^P+S_L^P)-25.14cdot(9cdot H^P+W^P)

или

Q_H^P=81cdot C^P+246cdot H^P-26cdot(O^P+S_L^P)-6cdot W^P
, где:

CP, HP, OP, S_L^P
, WP — содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).

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

В России тепловые расчёты (например, расчёт тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности [1] ) обычно ведут по низшей теплоте сгорания, в США, Великобритании, Франции — по высшей. В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная теплота сгорания измерялась в британских тепловых единицах (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кдж/кг).

Вещества и материалыНизшая теплота сгорания Q_H^P
, МДж/кг

Бензин 41,87
Керосин 43,54
Бумага: книги, журналы 13,4
Древесина (бруски W = 14 %) 13,8
Каучук натуральный 44,73
Линолеум поливинилхлоридный 14,31
Резина 33,52
Волокно штапельное 13,8
Полиэтилен 47,14
Хлопок разрыхленный 15,7

Самые высокие значения теплоты сгорания природных газов из различных источников

Эти данные были получены от Международного энергетического агентства. [2]

  • Алжир: 42 000 кДж/м³
  • Бангладеш: 36 000 кДж/м³
  • Канада: 38 200 кДж/м³
  • Индонезия: 40 600 кДж/м³
  • Нидерланды: 33 320 кДж/м³
  • Норвегия: 39 877 кДж/м³
  • Россия: 38 231 кДж/м³
  • Саудовская Аравия: 38 000 кДж/м³
  • Великобритания: 39 710 кДж/м³
  • Соединенные Штаты: 38 416 кДж/м³
  • Узбекистан: 37 889 кДж/м³

Необходимое количество топлива для работы лампочки мощностью 100 Вт в течение года

(Количество топлива указанное ниже 100 % эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую. Так как большинство электрогенераторов и распределительных систем достигают эффективности (КПД) порядка 30 % — 35 %, фактическое количество топлива, используемого для питания лампочки мощностью 100 Вт, будет приблизительно в три раза больше указанного количества).

  • 166 кг древесины
  • 117—210 кг угля
  • 73,34 кг керосина
  • 78,8 m³ природного газа (используя усредненную величину 40000 кДж/м³)
  • 58 кг метана
  • 0,006 кг урана
  • 17,5 мкг антивещества

Сравнительная таблица показателей

В таблице представлены значения массовой удельной теплоты сгорания жидких, твердых, газообразных разновидностей 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
Диз. 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 таблицы видно, что наибольшие показатели ТСТ из всех веществ, а не только из газообразных, имеет водород. Он относится к высокоэнергетическим видам топлива.

Продукт сгорания водорода — обычная вода. В процессе не выделяется топочные шлаки, зола, угарный и углекислый газ, что делает вещество экологически чистым горючим. Но оно взрывоопасно и отличается низкой плотностью, поэтому такое топливо сложно сжижается и транспортируется.

Источники
  • https://kaminguru.com/kotel/opredelenie-teploty-sgoranija-kerosina.html
  • https://avtozhidkost.ru/udelnaya-teplota-sgoraniya-kerosina-teployomkost/
  • https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1061130
  • https://sovet-ingenera.com/otoplenie/o-drugoe/teplotvornost-razlichnyx-vidov-topliva.html

Рекомендуем:  Газовый котел на кухне: правила установки и монтажа, как спрятать газовый котел на кухне
Крабадам
Adblock
detector