Ogrjevna vrijednost prirodnog plina mJ kg. Prirodni plin i njegova ogrjevna vrijednost za kućnu upotrebu

Plinsko gorivo se dijeli na prirodno i umjetno i predstavlja mješavinu zapaljivih i nezapaljivih plinova koja sadrži određenu količinu vodene pare, a ponekad i prašine i katrana. Količina plinovitog goriva izražava se u kubičnim metrima u normalnim uvjetima (760 mm Hg i 0 °C), a sastav se izražava kao postotak po volumenu. Pod sastavom goriva podrazumijeva se sastav njegovog suhog plinovitog dijela.

Gorivo prirodni plin

Najčešće plinsko gorivo je prirodni plin koji ima visoku kaloričnu vrijednost. Osnova prirodnog plina je metan, čiji je sadržaj 76,7-98%. Ostali plinoviti ugljikovodični spojevi čine prirodni plin od 0,1 do 4,5%.

Ukapljeni plin je proizvod rafiniranja nafte – sastoji se uglavnom od mješavine propana i butana.

Sastav zapaljivih plinova uključuje: vodik H2, metan CH4, ostale ugljikovodične spojeve CmHn, sumporovodik H2S i nezapaljive plinove, ugljikov dioksid CO2, kisik O2, dušik N2 i malu količinu vodene pare H2O. Indeksi m I P na C i H karakteriziraju spojeve različitih ugljikovodika, na primjer za metan CH 4 t = 1 i n= 4, za etan C 2 N b t = 2 I n= b, itd.

Sastav suhog plinovitog goriva (volumni postotak):

CO + H 2 + 2 C m H n + H2S + CO2 + O2 + N2 = 100%.

Nezapaljivi dio suhog plinskog goriva - balast - sastoji se od dušika N i ugljičnog dioksida CO 2 .

Sastav vlažnog plinovitog goriva izražava se kako slijedi:

CO + H 2 + Σ C m H n + H2S + CO2 + O2 + N2 + H2O = 100%.

Toplina izgaranja, kJ/m (kcal/m3), 1 m3 čistog suhog plina u normalnim uvjetima određuje se na sljedeći način:

Q n s = 0,01,

gdje je Qso, Q n 2, Q c m n n Q n 2 s. - toplina izgaranja pojedinih plinova uključenih u smjesu, kJ/m 3 (kcal/m 3); CO, H 2, Cm H n, H2S - komponente koje čine mješavinu plinova, % po volumenu.

Kalorijska vrijednost 1 m3 suhog prirodnog plina u normalnim uvjetima za većinu domaćih polja iznosi 33,29 - 35,87 MJ/m3 (7946 - 8560 kcal/m3). Karakteristike plinovitog goriva dane su u tablici 1.

Primjer. Odredite donju ogrjevnu vrijednost prirodnog plina (u normalnim uvjetima) sljedećeg sastava:

H2S = 1%; CH4 = 76,7%; C2H6 = 4,5 %; C3H8 = 1,7 %; C4H10 = 0,8 %; C5H12 = 0,6 %.

Zamjenom karakteristika plinova iz tablice 1 u formulu (26) dobivamo:

Q ns = 0,01 = 33981 kJ/m 3 odn

Q ns = 0,01 (5585,1 + 8555 76,7 + 15 226 4,5 + 21 795 1,7 + 28 338 0,8 + 34 890 0,6) = 8109 kcal/m3.

Stol 1. Karakteristike plinovitog goriva

Proces rasplinjavanja krutog goriva prikazan je u laboratorijskom pokusu (slika 1). Napunivši vatrostalnu cijev komadićima drvenog ugljena, snažno je zagrijemo i pustimo kisik iz plinometra. Propustimo plinove koji izlaze iz cijevi kroz ispirač s vapnenom vodom i zatim ga zapalimo. Vapnena voda postaje mutna, a plin gori plavičastim plamenom. To ukazuje na prisutnost CO2 dioksida i ugljikovog monoksida CO u produktima reakcije.

Nastanak ovih tvari može se objasniti činjenicom da kada kisik dođe u dodir s vrućim ugljenom, potonji se prvo oksidira u ugljični dioksid: C + O 2 = CO 2

Zatim, prolazeći kroz vrući ugljen, ugljični dioksid se djelomično reducira u ugljični monoksid: CO2 + C = 2CO

Što je gorivo?

Ovo je jedna komponenta ili mješavina tvari koje su sposobne kemijskih transformacija povezanih s oslobađanjem topline. Različiti tipovi goriva se razlikuju po količinskom sadržaju oksidatora koji se koristi za oslobađanje toplinske energije.

U širem smislu, gorivo je nositelj energije, odnosno potencijalna vrsta potencijalne energije.

Klasifikacija

Trenutno se vrste goriva dijele prema agregatnom stanju na tekuće, kruto i plinovito.

Čvrstom prirodan izgled uključuju kamen i ogrjev, antracit. Briketi, koks, termoantracit su vrste umjetnog krutog goriva.

Tekućine uključuju tvari koje sadrže tvari organskog podrijetla. Njihove glavne komponente su: kisik, ugljik, dušik, vodik, sumpor. Umjetno tekuće gorivo bit će razne smole i loživo ulje.

To je mješavina raznih plinova: etilena, metana, propana, butana. Osim njih, plinovito gorivo sadrži ugljikov dioksid i ugljikov monoksid, sumporovodik, dušik, vodenu paru i kisik.

Indikatori goriva

Glavni pokazatelj izgaranja. Formula za određivanje kalorične vrijednosti razmatra se u termokemiji. istaknuti " standardno gorivo“, što podrazumijeva toplinu izgaranja 1 kilograma antracita.

Lož ulje za kućanstvo namijenjeno je za izgaranje u uređajima za grijanje male snage koji se nalaze u stambenim prostorijama, generatorima topline koji se koriste u poljoprivreda za sušenje stočne hrane, konzerviranje.

Specifična toplina izgaranja goriva je veličina koja pokazuje količinu topline koja nastaje pri potpunom izgaranju goriva obujma 1 m 3 ili mase jednog kilograma.

Za mjerenje ove vrijednosti koriste se J/kg, J/m3, kalorija/m3. Za određivanje topline izgaranja koristi se kalorimetrijska metoda.

S povećanjem specifične topline izgaranja goriva smanjuje se specifična potrošnja goriva, a koeficijent korisna radnja ostaje nepromjenjen.

Toplina izgaranja tvari je količina energije koja se oslobađa tijekom oksidacije čvrste, tekuće ili plinovite tvari.

Određen je kemijskim sastavom, kao i agregatnim stanjem zapaljive tvari.

Značajke produkata izgaranja

Više i niže kalorijske vrijednosti povezane su sa stanjem agregacije vode u tvarima dobivenim nakon izgaranja goriva.

Viša ogrjevna vrijednost je količina topline koja se oslobađa tijekom potpunog izgaranja tvari. Ova vrijednost također uključuje toplinu kondenzacije vodene pare.

Najniža radna toplina izgaranja je vrijednost koja odgovara oslobađanju topline pri izgaranju bez uzimanja u obzir topline kondenzacije vodene pare.

Latentna toplina kondenzacije je količina energije kondenzacije vodene pare.

Matematički odnos

Više i niže kalorijske vrijednosti povezane su sljedećim odnosom:

QB = QH + k(W + 9H)

gdje je W maseni udio (u %) vode u zapaljivoj tvari;

H je količina vodika (% po masi) u zapaljivoj tvari;

k - koeficijent jednak 6 kcal / kg

Metode izvođenja proračuna

Više i niže kalorične vrijednosti određuju se s dvije glavne metode: računskom i eksperimentalnom.

Kalorimetri se koriste za izvođenje eksperimentalnih izračuna. Prvo se u njemu sagori uzorak goriva. Toplinu koja će se osloboditi voda u potpunosti apsorbira. Imajući predodžbu o masi vode, možete odrediti prema promjeni njezine temperature vrijednost njezine topline izgaranja.

Ova tehnika se smatra jednostavnom i učinkovitom; zahtijeva samo poznavanje podataka tehničke analize.

U metodi izračuna, više i niže kalorične vrijednosti izračunavaju se pomoću formule Mendelejeva.

Q p H = 339C p +1030H p -109(O p -S p) - 25 W p (kJ/kg)

Uzima u obzir sadržaj ugljika, kisika, vodika, vodene pare, sumpora u radnom sastavu (u postocima). Količina topline tijekom izgaranja određuje se uzimajući u obzir ekvivalentno gorivo.

Toplina izgaranja plina omogućuje izradu preliminarnih proračuna i određivanje učinkovitosti korištenja određene vrste goriva.

Značajke podrijetla

Da bismo razumjeli koliko se topline oslobađa kada se određeno gorivo sagorijeva, potrebno je imati ideju o njegovom podrijetlu.

U prirodi postoji različite varijante kruta goriva, koja se razlikuju po sastavu i svojstvima.

Njegovo formiranje odvija se kroz nekoliko faza. Prvo se stvara treset, zatim postaje smeđi i ugljen, tada nastaje antracit. Glavni izvori stvaranja krutog goriva su lišće, drvo i borove iglice. Kada dijelovi biljaka umru i budu izloženi zraku, uništavaju ih gljivice i stvaraju treset. Njegova nakupina pretvara se u smeđu masu, zatim se dobiva smeđi plin.

Na visoki krvni tlak i temperature, smeđi plin se pretvara u ugljen, zatim se gorivo nakuplja u obliku antracita.

Osim organske tvari, gorivo sadrži dodatni balast. Organskim se smatra onaj dio koji je nastao od organskih tvari: vodika, ugljika, dušika, kisika. Osim ovih kemijskih elemenata, sadrži balast: vlagu, pepeo.

Tehnologija izgaranja uključuje odvajanje radne, suhe i zapaljive mase izgorjelog goriva. Radna masa je gorivo u izvornom obliku koje se isporučuje potrošaču. Suha masa je sastav u kojem nema vode.

Spoj

Najvrjednije komponente su ugljik i vodik.

Ovi elementi su sadržani u bilo kojoj vrsti goriva. U tresetu i drvu postotak ugljika doseže 58 posto, u kamenom i smeđem ugljenu - 80%, au antracitu doseže 95 posto težine. Ovisno o ovom pokazatelju, mijenja se količina topline koja se oslobađa tijekom izgaranja goriva. Vodik je drugi najvažniji element svakog goriva. Kada se veže s kisikom, stvara vlagu, što značajno smanjuje toplinsku vrijednost bilo kojeg goriva.

Njegov postotak kreće se od 3,8 u uljnom škriljevcu do 11 u loživom ulju. Kisik sadržan u gorivu djeluje kao balast.

Ne proizvodi toplinu kemijski element, stoga negativno utječe na vrijednost njegove topline izgaranja. Izgaranje dušika sadržanog u slobodnom odn vezani oblik u produktima izgaranja, smatra se štetnim nečistoćama, pa je njegova količina jasno ograničena.

Sumpor se nalazi u gorivu u obliku sulfata, sulfida, kao i kao plinoviti sumporni dioksid. Kada se hidratiziraju, sumporni oksidi stvaraju sumpornu kiselinu koja razara kotlovska oprema, negativno utječe na vegetaciju i žive organizme.

Zato je sumpor kemijski element čija je prisutnost u prirodnom gorivu krajnje nepoželjna. Ako spojevi sumpora dospiju u radni prostor, uzrokuju značajno trovanje operativnog osoblja.

Postoje tri vrste pepela ovisno o podrijetlu:

• primarni;
• sekundarni;
• tercijarni

Primarni pogled se formira iz minerali, koji su sadržani u biljkama. Sekundarni pepeo nastaje kao rezultat ulaska biljnih ostataka u pijesak i tlo tijekom stvaranja.

Tercijarni pepeo pojavljuje se u sastavu goriva tijekom vađenja, skladištenja i transporta. Uz značajno taloženje pepela, dolazi do smanjenja prijenosa topline na površini grijanja kotlovske jedinice, smanjujući količinu prijenosa topline u vodu iz plinova. Ogromna količina pepela negativno utječe na rad kotla.

Konačno

Značajan utjecaj na proces izgaranja bilo koje vrste goriva ima hlapljive tvari. Što je njihov učinak veći, to će biti veći volumen fronte plamena. Na primjer, ugljen i treset se lako zapale, proces je popraćen manjim gubicima topline. Koks koji ostaje nakon uklanjanja hlapljivih nečistoća sadrži samo mineralne i ugljikove spojeve. Ovisno o karakteristikama goriva, količina topline se značajno mijenja.

Ovisno o kemijski sastav Postoje tri faze stvaranja krutog goriva: treset, mrki ugljen i ugljen.

U malim kotlovskim instalacijama koristi se prirodno drvo. Uglavnom koriste sječku, piljevinu, ploče, koru, a samo ogrjevno drvo se koristi u malim količinama. Ovisno o vrsti drva, količina proizvedene topline značajno varira.

Kako se toplina izgaranja smanjuje, ogrjevno drvo dobiva određene prednosti: brzu zapaljivost, minimalan sadržaj pepela i odsutnost tragova sumpora.

Pouzdane informacije o sastavu prirodnog ili sintetičkog goriva, njegovoj kaloričnoj vrijednosti, su na sjajan način izvođenje termokemijskih proračuna.

Trenutno se pojavljuje prava prilika identificiranje onih glavnih opcija za kruta, plinovita, tekuća goriva koja će biti najučinkovitija i najjeftinija za korištenje u određenoj situaciji.

Svaki dan, uključivanjem plamenika na kuhinjskom štednjaku, malo ljudi razmišlja o tome koliko je davno počela proizvodnja plina. U našoj zemlji njegov razvoj započeo je u dvadesetom stoljeću. Prije toga jednostavno se nalazio tijekom vađenja naftnih derivata. Kalorijska vrijednost Opskrba prirodnim plinom je toliko velika da je danas ova sirovina jednostavno nezamjenjiva, a njezini visokokvalitetni analozi još nisu razvijeni.

Tablica kalorijske vrijednosti pomoći će vam pri odabiru goriva za grijanje vašeg doma

Značajke fosilnih goriva

Prirodni plin je važno fosilno gorivo koje zauzima vodeće mjesto u bilancama goriva i energije mnogih zemalja. Kako bi opskrbili gorivom gradove i razna tehnička poduzeća, troše razne zapaljive plinove, jer se prirodni plin smatra opasnim.

Ekolozi vjeruju da je plin najčišće gorivo, pri sagorijevanju ispušta mnogo manje otrovne tvari nego ogrjev, ugljen, nafta. Ovo gorivo ljudi svakodnevno koriste i sadrži aditiv kao što je odorant; dodaje se u opremljenim instalacijama u omjeru od 16 miligrama na 1 tisuću kubičnih metara plina.

Važna komponenta tvari je metan (otprilike 88-96%), ostatak su druge kemikalije:

• butan;
• vodikov sulfid;
• propan;
• dušik;
• kisik.

U ovom videu pogledat ćemo ulogu ugljena:

Količina metana u prirodnom gorivu izravno ovisi o njegovom depozitu.

Opisana vrsta goriva sastoji se od ugljikovodičnih i neugljikovodičnih komponenti. Prirodna fosilna goriva prvenstveno su metan, koji uključuje butan i propan. Osim ugljikovodičnih komponenti, opisano fosilno gorivo sadrži dušik, sumpor, helij i argon. Tekuće pare također se nalaze, ali samo u plinskim i naftnim poljima.

Vrste depozita

Postoji nekoliko vrsta plinskih naslaga. Podijeljeni su u sljedeće vrste:

• plin;
• ulje.

Njihovo razlikovna značajka je sadržaj ugljikovodika. Naslage plina sadrže približno 85-90% sadašnje tvari, naftna polja ne sadrže više od 50%. Preostale postotke zauzimaju tvari poput butana, propana i ulja.

Veliki nedostatak proizvodnje ulja je njegovo ispiranje razne vrste aditiva Sumpor se koristi kao nečistoća u tehničkim poduzećima.

Potrošnja prirodnog plina

Butan se troši kao gorivo na benzinskim postajama automobila, a organska tvar koja se zove propan koristi se za punjenje upaljača. Acetilen je vrlo zapaljiva tvar i koristi se u zavarivanju i rezanju metala.

Fosilna goriva koriste se u svakodnevnom životu:

• stupci;
• plinski štednjak;

Ova vrsta goriva smatra se najjeftinijim i bezopasnim, jedini nedostatak su emisije ugljični dioksid kada izgori u atmosferu. Znanstvenici diljem planeta traže zamjenu za toplinsku energiju.

Kalorijska vrijednost

Kalorična vrijednost prirodnog plina je količina topline koja se stvara kada je jedinica goriva dovoljno sagorjela. Količina topline koja se oslobađa tijekom izgaranja odnosi se na jedan kubni metar uzet u prirodnim uvjetima.

Toplinski kapacitet prirodnog plina mjeri se sljedećim pokazateljima:

• kcal/nm3;
• kcal/m3.

Postoji visoka i niska kalorijska vrijednost:

1. visoko. Razmatra toplinu vodene pare koja nastaje tijekom izgaranja goriva.
2. Niska. Ne uzima u obzir toplinu sadržanu u vodenoj pari, budući da se takve pare ne mogu kondenzirati, već odlaze s produktima izgaranja. Zbog nakupljanja vodene pare stvara količinu topline jednaku 540 kcal/kg. Osim toga, kada se kondenzat ohladi, toplina izlazi od 80 do sto kcal/kg. Općenito, zbog nakupljanja vodene pare nastaje više od 600 kcal/kg, što je razlika između visokog i niskog toplinskog učinka.

Za veliku većinu plinova koji se troše u sustavu gradske distribucije goriva, razlika je jednaka 10%. Da bi se gradovi opskrbili plinom, njegova ogrjevna vrijednost mora biti veća od 3500 kcal/nm 3 . To se objašnjava činjenicom da se opskrba provodi cjevovodom na velikim udaljenostima. Ako je kalorična vrijednost niska, tada se njegova opskrba povećava.

Ako je ogrjevna vrijednost prirodnog plina manja od 3500 kcal/nm 3, on se češće koristi u industriji. Ne treba ga transportirati na velike udaljenosti, a sagorijevanje postaje puno lakše. Ozbiljne promjene u kalorijskoj vrijednosti plina zahtijevaju često podešavanje, a ponekad i zamjenu velika količina standardizirani plamenici kućnih senzora, što dovodi do poteškoća.

Ova situacija dovodi do povećanja promjera plinovoda, kao i povećanja troškova za metal, instalaciju mreže i rad. Veliki nedostatak niskokaloričnih fosilnih goriva je ogroman sadržaj ugljični monoksid, u vezi s tim, povećava se razina prijetnje tijekom rada goriva i održavanja cjevovoda, kao i opreme.

Toplina koja se oslobađa tijekom izgaranja, a ne prelazi 3500 kcal/nm 3, najčešće se koristi u industrijska proizvodnja, gdje ga nije potrebno prenositi na veliku udaljenost i lako izazvati izgaranje.

Toplina izgaranja određena je kemijskim sastavom zapaljive tvari. Kemijski elementi sadržani u zapaljivoj tvari označeni su prihvaćenim simbolima S , N , OKO , N , S, a pepeo i voda su simboli A I W odnosno.

Enciklopedijski YouTube

• 1 / 5

  Toplina izgaranja može se povezati s radnom masom zapaljive tvari Q P (\displaystyle Q^(P)), odnosno zapaljivoj tvari u obliku u kojem dospijeva do potrošača; na suhu težinu tvari Q C (\displaystyle Q^(C)); na zapaljivu masu tvari Q Γ (\displaystyle Q^(\Gamma )), odnosno na zapaljivu tvar koja ne sadrži vlagu i pepeo.

  Postoje viši ( Q B (\displaystyle Q_(B))) i niže ( Q H (\displaystyle Q_(H))) toplina izgaranja.

  Pod, ispod veća kalorična vrijednost razumjeti količinu topline koja se oslobađa pri potpunom izgaranju tvari, uključujući i toplinu kondenzacije vodene pare pri hlađenju produkata izgaranja.

  Donja ogrjevna vrijednost odgovara količini topline koja se oslobađa tijekom potpunog izgaranja, ne uzimajući u obzir toplinu kondenzacije vodene pare. Naziva se i toplina kondenzacije vodene pare latentna toplina isparavanja (kondenzacija).

  Niža i viša kalorijska vrijednost povezane su relacijom: Q B = Q H + k (W + 9 H) (\displaystyle Q_(B)=Q_(H)+k(W+9H)),

  gdje je k koeficijent jednak 25 kJ/kg (6 kcal/kg); W je količina vode u zapaljivoj tvari, % (po masi); H je količina vodika u zapaljivoj tvari, % (po masi).

  Izračun kalorijske vrijednosti

  Dakle, viša ogrjevna vrijednost je količina topline koja se oslobađa tijekom potpunog izgaranja jedinice mase ili volumena (za plin) zapaljive tvari i hlađenja produkata izgaranja do temperature rosišta. U proračunima toplinske tehnike, viša ogrjevna vrijednost se uzima kao 100%. Latentna toplina izgaranja plina je toplina koja se oslobađa tijekom kondenzacije vodene pare sadržane u produktima izgaranja. Teoretski, može doseći 11%.

  U praksi produkte izgaranja nije moguće ohladiti do potpune kondenzacije, pa je uveden pojam donje toplinske vrijednosti (QHp) koja se dobiva oduzimanjem od vrhunska vrućina toplina izgaranja isparavanja vodene pare sadržane u tvari i one nastale tijekom njezina izgaranja. Za isparavanje 1 kg vodene pare potrebno je 2514 kJ/kg (600 kcal/kg). Donja kalorična vrijednost određena je formulama (kJ/kg ili kcal/kg):

  Q H P = Q B P − 2514 ⋅ ((9 H P + W P) / 100) (\displaystyle Q_(H)^(P)=Q_(B)^(P)-2514\cdot ((9H^(P)+W^ (P))/100))(za čvrstu tvar)

  Q H P = Q B P − 600 ⋅ ((9 H P + W P) / 100) (\displaystyle Q_(H)^(P)=Q_(B)^(P)-600\cdot ((9H^(P)+W^ (P))/100))(Za tekuća tvar), Gdje:

  2514 - toplina isparavanja pri temperaturi od 0 °C i atmosferskom tlaku, kJ/kg;

  H P (\displaystyle H^(P)) I W P (\displaystyle W^(P))- sadržaj vodika i vodene pare u radnom gorivu, %;

  9 je koeficijent koji pokazuje da izgaranje 1 kg vodika u kombinaciji s kisikom proizvodi 9 kg vode.

  Toplina izgaranja je najviše važna karakteristika goriva, jer određuje količinu topline dobivenu izgaranjem 1 kg krutog ili tekućeg goriva ili 1 m³ plinovitog goriva u kJ/kg (kcal/kg). 1 kcal = 4,1868 ili 4,19 kJ.

  Donja kalorična vrijednost određuje se eksperimentalno za svaku tvar i predstavlja referentnu vrijednost. Također se može odrediti za čvrste i tekuće materijale, s poznatim elementarnim sastavom, izračunom u skladu s formulom D. I. Mendeljejeva, kJ/kg ili kcal/kg:

  Q H P = 339 ⋅ C P + 1256 ⋅ H P − 109 ⋅ (O P − S L P) − 25,14 ⋅ (9 ⋅ H P + W P) (\displaystyle Q_(H)^(P)=339\cdot C^(P)+1256\ cdot H^(P)-109\cdot (O^(P)-S_(L)^(P))-25,14\cdot (9\cdot H^(P)+W^(P)))

  Q H P = 81 ⋅ C P + 246 ⋅ H P − 26 ⋅ (O P + S L P) − 6 ⋅ W P (\displaystyle Q_(H)^(P)=81\cdot C^(P)+246\cdot H^(P) -26\cdot (O^(P)+S_(L)^(P))-6\cdot W^(P)), Gdje:

  C P (\displaystyle C_(P)), H P (\displaystyle H_(P)), O P (\displaystyle O_(P)), S L P (\displaystyle S_(L)^(P)), W P (\displaystyle W_(P))- sadržaj ugljika, vodika, kisika, hlapljivog sumpora i vlage u radnoj masi goriva u % (težinski).

  Za usporedne proračune koristi se takozvano konvencionalno gorivo, čija je specifična toplina izgaranja jednaka 29308 kJ/kg (7000 kcal/kg).

  U Rusiji se toplinski proračuni (na primjer, izračun toplinskog opterećenja za određivanje kategorije prostorije u smislu opasnosti od eksplozije i požara) obično provode prema niža toplina izgaranje, u SAD-u, Velikoj Britaniji, Francuskoj - na najvišoj razini. U Velikoj Britaniji i SAD prije uvođenja metričkog sustava mjera određena toplina izgaranje je mjereno u britanskim toplinskim jedinicama (BTU) po funti (lb) (1Btu/lb = 2,326 kJ/kg).

  Supstance i materijali	Donja ogrjevna vrijednost Q H P (\displaystyle Q_(H)^(P)), MJ/kg
  Benzin	41,87
  Kerozin	43,54
  Papir: knjige, časopisi	13,4
  Drvo (blokovi W = 14%)	13,8
  Prirodna guma	44,73
  Linoleum od polivinilklorida	14,31
  Guma	33,52
  Staple fiber	13,8
  Polietilen	47,14
  Ekspandirani polistiren	41,6
  Pamuk olabavio	15,7
  Plastični	41,87

  5. TOPLINSKA BILANSA IZGARANJA

  Razmotrimo metode za izračunavanje toplinske bilance procesa izgaranja plinovitih, tekućih i kruta goriva. Proračun se svodi na rješavanje sljedećih problema.

  · Određivanje topline izgaranja (kalorične vrijednosti) goriva.

  · Određivanje teorijske temperature izgaranja.

  5.1. TOPLINA IZGARANJA

  Kemijske reakcije popraćene su oslobađanjem ili apsorpcijom topline. Kada se toplina oslobađa, reakcija se naziva egzotermna, a kada se toplina apsorbira, endotermna. Sve reakcije izgaranja su egzotermne, a produkti izgaranja su egzotermni spojevi.

  Otpušta se (ili apsorbira) tijekom protoka kemijska reakcija toplina se naziva toplinom reakcije. U egzotermnim reakcijama je pozitivan, u endotermnim reakcijama je negativan. Reakcija izgaranja uvijek je popraćena oslobađanjem topline. Toplina izgaranja Q g(J/mol) je količina topline koja se oslobađa pri potpunom izgaranju jednog mola tvari i pretvaranju zapaljive tvari u produkte potpunog izgaranja. Mol je osnovna SI jedinica količine tvari. Jedan mol je količina tvari koja sadrži isti broj čestica (atoma, molekula itd.) koliko ima atoma u 12 g izotopa ugljika-12. Masa količine tvari jednaka 1 molu (molekularna ili molekulska masa) numerički se podudara s relativnom molekulskom masom dane tvari.

  Na primjer, relativna molekularna težina kisika (O 2) je 32, ugljičnog dioksida (CO 2) je 44, a odgovarajuće molekulske mase bit će M = 32 g/mol i M = 44 g/mol. Tako jedan mol kisika sadrži 32 grama ove tvari, a jedan mol CO 2 sadrži 44 grama ugljičnog dioksida.

  U tehničkim proračunima najčešće se ne koristi toplina izgaranja. Q g, i kalorična vrijednost goriva Q(J/kg ili J/m 3). Kalorijska vrijednost tvari je količina topline koja se oslobodi pri potpunom izgaranju 1 kg ili 1 m 3 tvari. Za tekuće i čvrste tvari obračun se vrši po 1 kg, a za plinovite tvari - po 1 m 3.

  Poznavanje topline izgaranja i kalorične vrijednosti goriva potrebno je za izračunavanje temperature izgaranja ili eksplozije, tlaka eksplozije, brzine širenja plamena i drugih karakteristika. Kalorična vrijednost goriva određuje se eksperimentalno ili računski. Pri eksperimentalnom određivanju kalorične vrijednosti zadana masa krutog ili tekućeg goriva spaljuje se u kalorimetrijskoj bombi, a kod plinovitog goriva u plinskom kalorimetru. Ovi instrumenti mjere ukupnu toplinu Q 0 koji se oslobađa tijekom izgaranja uzorka goriva vaganja m. Kalorijska vrijednost Q g nalazi se formulom

  Odnos između topline izgaranja i
  kalorična vrijednost goriva

  Za uspostavljanje veze između topline izgaranja i kalorične vrijednosti tvari potrebno je napisati jednadžbu kemijske reakcije izgaranja.

  Produkt potpunog izgaranja ugljika je ugljični dioksid:

  C+O2 → CO2.

  Produkt potpunog izgaranja vodika je voda:

  2H 2 +O 2 → 2H 2 O.

  Produkt potpunog izgaranja sumpora je sumporni dioksid:

  S +O 2 → SO 2.

  U ovom slučaju, dušik, halogeni i drugi nezapaljivi elementi oslobađaju se u slobodnom obliku.

  Zapaljiva tvar – plin

  Kao primjer, izračunajmo ogrjevnu vrijednost metana CH 4, za koji je toplina izgaranja jednaka Q g=882.6 .

  · Odredimo molekulsku masu metana u skladu s njegovom kemijska formula(SN 4):

  M=1∙12+4∙1=16 g/mol.

  · Odredimo ogrjevnu vrijednost 1 kg metana:

  · Nađimo volumen 1 kg metana, znajući njegovu gustoću ρ=0,717 kg/m3 u normalnim uvjetima:

  .

  · Odredimo ogrjevnu vrijednost 1 m 3 metana:

  Kalorična vrijednost svih zapaljivih plinova određuje se na sličan način. Za mnoge uobičajene tvari, toplina izgaranja i kalorijske vrijednosti izmjerene su s visokom točnošću i navedene su u relevantnoj referentnoj literaturi. Evo tablice kalorijskih vrijednosti nekih plinovitih tvari (tablica 5.1). Veličina Q u ovoj tablici dano je u MJ/m 3 iu kcal/m 3, budući da se 1 kcal = 4,1868 kJ često koristi kao jedinica za toplinu.

  Tablica 5.1

  Kalorična vrijednost plinovitih goriva

  Supstanca			Acetilen
  Q

  Zapaljiva tvar – tekuća ili kruta

  Kao primjer, izračunajmo ogrjevnu vrijednost etilnog alkohola C 2 H 5 OH, za koji je toplina izgaranja Q g= 1373,3 kJ/mol.

  · Odredimo molekulsku težinu etilnog alkohola prema njegovoj kemijskoj formuli (C 2 H 5 OH):

  M = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 g/mol.

  Odredimo kaloričnu vrijednost 1 kg etilnog alkohola:

  Kalorijska vrijednost svih tekućih i krutih zapaljivih tvari određuje se na sličan način. U tablici 5.2 i 5.3 prikazuju kalorične vrijednosti Q(MJ/kg i kcal/kg) za neke tekućine i čvrste tvari.

  Tablica 5.2

  Kalorična vrijednost tekućih goriva

  Supstanca		Metilni alkohol	Etanol			Lož ulje, ulje
  Q

  Tablica 5.3

  Kalorijska vrijednost krutih goriva

  Supstanca		Stablo je svježe	Suha drva	Mrki ugljen	Suhi treset	Antracit, koks
  Q

  Mendeljejeva formula

  Ako je kalorična vrijednost goriva nepoznata, tada se može izračunati pomoću empirijske formule koju je predložio D.I. Mendeljejev. Da biste to učinili, morate znati elementarni sastav goriva (ekvivalentna formula goriva), odnosno postotni sadržaj sljedećih elemenata u njemu:

  kisik (O);

  vodik (H);

  Ugljik (C);

  Sumpor (S);

  Pepeo (A);

  Voda (W).

  Proizvodi izgaranja goriva uvijek sadrže vodena para, nastaju i zbog prisutnosti vlage u gorivu i tijekom izgaranja vodika. Produkti izgaranja otpada napuštaju industrijsko postrojenje na temperaturi iznad točke rosišta. Stoga se toplina koja se oslobađa pri kondenzaciji vodene pare ne može korisno iskoristiti i ne treba je uzimati u obzir u toplinskim proračunima.

  Za izračun se obično koristi donja ogrjevna vrijednost Q n gorivo, koje uzima u obzir gubitke topline s vodenom parom. Za kruta i tekuća goriva vrijednost Q n(MJ/kg) približno se određuje Mendeljejevom formulom:

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

  gdje je u zagradama naveden postotak (tež.%) sadržaja odgovarajućih elemenata u sastavu goriva.

  Ova formula uzima u obzir toplinu egzotermnih reakcija izgaranja ugljika, vodika i sumpora (s predznakom plus). Kisik sadržan u gorivu djelomično zamjenjuje kisik u zraku, pa se odgovarajući član u formuli (5.1) uzima s predznakom minus. Kada vlaga isparava, troši se toplina, pa se i odgovarajući član koji sadrži W uzima s predznakom minus.

  Usporedba izračunatih i eksperimentalnih podataka o kaloričnoj vrijednosti različitih goriva (drvo, treset, ugljen, nafta) pokazala je da izračun pomoću formule Mendelejeva (5.1) daje pogrešku ne veću od 10%.

  Donja ogrjevna vrijednost Q n(MJ/m3) suhih zapaljivih plinova može se s dovoljnom točnošću izračunati kao zbroj umnožaka ogrjevne vrijednosti pojedinih komponenti i njihova postotnog sadržaja u 1 m3 plinovitog goriva.

  Q n= 0,108[N 2 ] + 0,126 [SO] + 0,358 [SN 4 ] + 0,5 [S 2 N 2 ] + 0,234 [N 2 S ]…, (5.2)

  gdje je u zagradama naveden postotak (volumni %) udjela odgovarajućih plinova u smjesi.

  U prosjeku je ogrjevna vrijednost prirodnog plina približno 53,6 MJ/m 3 . U umjetno proizvedenim zapaljivim plinovima sadržaj metana CH4 je neznatan. Glavne zapaljive komponente su vodik H2 i ugljikov monoksid CO. U koksnom plinu, primjerice, sadržaj H2 doseže (55 ÷ 60)%, a donja ogrjevna vrijednost takvog plina doseže 17,6 MJ/m3. Generatorski plin sadrži CO ~ 30% i H 2 ~ 15%, dok je niža kalorična vrijednost generatorskog plina Q n= (5,2÷6,5) MJ/m3. Sadržaj CO i H 2 u plinu visoke peći je manji; veličina Q n= (4,0÷4,2) MJ/m3.

  Pogledajmo primjere izračuna kalorijske vrijednosti tvari pomoću formule Mendelejeva.

  Odredimo ogrjevnu vrijednost ugljena čiji je elementarni sastav dan u tablici. 5.4.

  Tablica 5.4

  Elementarni sastav ugljena

  · Zamijenimo one dane u tablici. Podaci 5.4 u Mendelejevovoj formuli (5.1) (dušik N i pepeo A nisu uključeni u ovu formulu, jer su inertne tvari i ne sudjeluju u reakciji izgaranja):

  Q n=0,339∙37,2+1,025∙2,6+0,1085∙0,6–0,1085∙12–0,025∙40=13,04 MJ/kg.

  Odredimo količinu drva za ogrjev potrebnu za zagrijavanje 50 litara vode od 10°C do 100°C, ako se 5% topline oslobođene izgaranjem troši za grijanje, te toplinski kapacitet vode. S=1 kcal/(kg∙deg) ili 4,1868 kJ/(kg∙deg). Elementni sastav ogrjevnog drveta dat je u tablici. 5.5:

  Tablica 5.5

  Elementarni sastav ogrjevnog drveta

  	· Nađimo ogrjevnu vrijednost drva za ogrjev pomoću formule Mendelejeva (5.1): Q n=0,339∙43+1,025∙7–0,1085∙41–0,025∙7= 17,12 MJ/kg. · Odredimo količinu topline utrošenu na zagrijavanje vode pri izgaranju 1 kg drva za ogrjev (uzimajući u obzir činjenicu da se 5% topline (a = 0,05) oslobođene tijekom izgaranja troši na zagrijavanje): Q 2 =a Q n=0,05·17,12=0,86 MJ/kg. · Odredimo količinu drva za ogrjev potrebnu za zagrijavanje 50 litara vode od 10°C do 100°C: kg. Dakle, za zagrijavanje vode potrebno je oko 22 kg drva za ogrjev.