Теплотворность различных видов топлива сравнительный обзор топлива по теплоте сгорания
Когда определенное количество топлива сгорает, выделяется измеримое количество теплоты. Согласно Международной системе единиц величина выражается в Джоулях на кг или м 3 . Но параметры могут быть рассчитаны и в кКал или кВт. Если значение соотносится с единицей измерения топлива, оно называется удельным.
На что влияет теплотворность различного топлива? Каково значение показателя для жидких, твердых и газообразных веществ? Ответы на обозначенные вопросы подробно изложены в статье. Кроме того, мы подготовили таблицу с отображением удельной теплоты сгорания материалов – эта информация пригодится при выборе высокоэнергетического типа топлива.
Общая информация о теплотворности
Выделение энергии при горении должно характеризоваться двумя параметрами: высоким КПД и отсутствием выработки вредных веществ.
Искусственное топливо получается в процессе переработки естественного – биологического топлива. Вне зависимости от агрегатного состояния вещества в своем химическом составе имеют горючую и негорючую часть. Первая — это углерод и водород. Вторая состоит из воды, минеральных солей, азота, кислорода, металлов.
При сгорании 1 кг такой «смеси» выделяется разное количество энергии. Сколько именно этой энергии выделится, зависит от пропорций указанных элементов — горючей части, влажности, зольности и других компонентов.
Теплота сгорания топлива (ТСТ) формируется из двух уровней — высшего и низшего. Первый показатель получается из-за конденсации воды, во втором этот фактор не учитывается.
Низшая ТСТ нужна для расчетов потребности в горючем и его стоимости, с помощью таких показателей составляются тепловые балансы и определяется КПД работающих на топливе установок.
Вычислить ТСТ можно аналитически или экспериментально. Если химический состав горючего известен, применяется формула Менделеева. Экспериментальные методики основаны на фактическом измерении теплоты при сгорании топлива.
В этих случаях применяют специальную бомбу для сжигания – калориметрическую вместе с калориметром и термостатом.
Особенности расчетов индивидуальны для каждого вида топлива. Пример: ТСТ в двигателях внутреннего сгорания рассчитывается от низшего значения, потому что в цилиндрах жидкость не конденсируется.
Каждый тип веществ имеет свою ТСТ из-за особенностей химического состава. Значения существенно разнятся, диапазон колебаний — 1 000–10 000 кКал/кг.
Сравнивая разные виды материалов, используется понятие условного топлива, оно характеризуется низшей ТСТ в 29 МДж/кг.
Теплотворность твердых материалов
К этой категории относится древесина, торф, кокс, горючие сланцы, брикетное и пылевидное топливо. Основная составная часть твердого топлива — углерод.
Особенности разных пород дерева
Максимальная эффективность от использования дров достигается при условии соблюдения двух условий — сухости древесины и медленном процессе горения.
Идеальными для дровяного печного отопления считаются дубовые, березовые, ясеневые бруски. Хорошими показателями характеризуется боярышник, лещина. А вот у хвойных пород теплотворность низкая, но высокая скорость горения.
Как горят разные породы:
- Бук, березу, ясень, лещину сложно растопить, но они способны гореть сырыми из-за низкого содержания влажности.
- Ольха с осиной не образуют сажи и «умеют» удалять ее из дымохода.
- Береза требует достаточного количества воздуха в топке, иначе будет дымить и оседать смолой на стенках трубы.
- Сосна содержит больше смолы, чем ель, поэтому искрит и горит жарче.
- Груша и яблоня легче других раскалывается и отлично горит.
- Кедр постепенно превращается в тлеющий уголь.
- Вишня и вяз дымит, а платан сложно расколоть.
- Липа с тополем быстро прогорают.
Показатели ТСТ разных пород сильно зависят от плотности конкретных пород. 1 кубометр дров эквивалентен примерно 200 литрам жидкого топлива и 200 м 3 природного газа. Древесина и дрова относятся к категории с низкой энергоэффективностью.
Влияние возраста на свойства угля
Уголь является природным материалом растительного происхождения. Добывается он из осадочных пород. В этом топливе содержится углерод и другие химические элементы.
Кроме типа на теплоту сгорания угля оказывает влияние и возраст материала. Бурый относится к молодой категории, за ним следует каменный, а самым старшим считается антрацит.
Процесс горения угля сопровождается выделением веществ, загрязняющих окружающую среду, колосники котла при этом покрываются шлаком. Еще один неблагоприятный фактор для атмосферы — наличие серы в составе топлива. Этот элемент при соприкосновении с воздухом трансформируется в серную кислоту.
Производителям удается максимально снизить содержание серы в угле. В результате ТСТ отличается даже в пределах одного вида. Влияет на показатели и география добычи. Как твердое топливо может использоваться не только чистый уголь, но и брикетированный шлак.
Наибольшая топливная способность наблюдается у коксующегося угля. Хорошими характеристиками обладает и каменный, древесный, бурый уголь, антрацит.
Характеристики пеллет и брикетов
Это твердое топливо изготавливается промышленным способом из различного древесного и растительного мусора.
Измельченная стружка, кора, картон, солома пересушивается и с помощью специального оборудования превращается в гранулы. Чтобы масса приобрела определенную степень вязкости, в нее добавляют полимер — лигнин.
Брикеты отличаются только формой, их можно загружать в печи, котлы. Оба типа горючего делятся на виды по сырью: из кругляка, торфа, подсолнечника, соломы.
У пеллет и брикетов есть существенные преимущества перед прочими разновидностями топлива:
- полная экологичность;
- возможность хранения практически в любых условиях;
- устойчивость к механическим воздействиям и грибку;
- равномерное и длительное горение;
- оптимальный размер гранул для загрузки в отопительное устройство.
Экологичное топливо — хорошая альтернатива традиционным источникам тепла, которые не возобновляются и неблагоприятно действуют на окружающую среду. Но пеллеты и брикеты отличаются повышенной пожароопасностью, что стоит учитывать при организации места хранения.
При желании, можно наладить изготовление топливных брикетов собственноручно, подробнее – в этой статье.
Параметры жидких веществ
Жидкие материалы, как и твердые, раскладываются на следующие составляющие: углерод, водород, серу, кислород, азот. Процентное соотношение выражается по массе.
Из кислорода и азота образуется внутренний органический балласт топлива, эти компоненты не горят и включены в состав условно. Внешний балласт формируется из влаги и золы.
Высокая удельная теплота сгорания наблюдается у бензина. В зависимости от марки она составляет 43-44 МДж.
Похожие показатели удельной теплоты сгорания определяются и у авиационного керосина – 42,9 МДж. В категорию лидеров по значению теплотворной способности попадает и дизельное топливо – 43,4-43,6 МДж.
Относительно низкими значениями ТСТ характеризуются жидкое ракетное горючее, этиленгликоль. Минимальной удельной теплотой сгорания отличаются спирт и ацетон. Их показатели существенно ниже, чем у традиционного моторного топлива.
Свойства газообразного топлива
Газообразное топливо складывается из оксида углерода, водорода, метана, этана, пропана, бутана, этилена, бензола, сероводорода и других компонентов. Эти показатели выражаются в процентах по объему.
Высокие показатели теплотворной способности наблюдаются и у природного газа.
Они равны 41-49 МДж на кг. Но, например, у чистого метана теплота сгорания больше — 50 МДж на кг.
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 | м 3 | 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 | м 3 | 50,03 | 13,8 | 11950 |
| Водород | м 3 | 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 | м 3 | 45,57 | 12,6 | 10885 |
| Этилен | м 3 | 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.
Выводы и полезное видео по теме
О теплотворности разных пород дерева. Сравнение показателей в расчете на м 3 и кг.
ТСТ — важнейшая тепловая и эксплуатационная характеристика горючего. Этот показатель используется в различных сферах человеческой деятельности: тепловых двигателях, электростанциях, промышленности, при обогреве жилья и приготовлении пищи.
Значения теплотворности помогают сравнить различные виды топлива по степени выделяемой энергии, рассчитать необходимую массу горючего, сэкономить на расходах.
Есть, что дополнить, или возникли вопросы по теме теплотворности разных видов топлива? Можете оставлять комментарии к публикации и участвовать в обсуждениях – форма для связи находится в нижнем блоке.
Теплота сгорания – стабильно высокая. Откуда же берутся сомнения?
«Я являюсь потребителем природного газа, проживаю в частном доме, который газифицировал несколько лет назад. Могу сравнивать, каков расход потребляемого газа из года в год. И получается, что с каждым годом потребление увеличивается. Хотя нынешняя зима достаточно теплая и газа не должно сгореть больше, чем в прошлые годы. Однако факты говорят об обратном, причем не только у меня. Знакомые мужики утверждают то же самое. При этом счетчики и оборудование у нас исправны. Возникает вопрос: каково же качество поставляемого потребителям газа? На мой взгляд, объяснить увеличение расхода природного топлива можно как раз тем, что газ подается низкого качества. А каким образом осуществляется контроль за качеством газа? Считаю, мы как потребители вправе хотя бы получить ответы на вопросы, если исправно платим за потребление природного газа.
Александр Иванович, с. Троицкое».
Отвечает исполняющий обязанности директора Алтайского линейного производственного управления магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Томск» П. Торбеев:
-ООО «Газпром трансгаз Томск» транспортирует природный газ от месторождений и газовых заводов до газораспределительных станций. Контроль качества транспортируемого газа на объектах магистральных газопроводов в ООО «Газпром трансгаз Томск» осуществляется в химических лабораториях. В Алтайском крае это лаборатория Алтайского линейного производственного управления магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Томск».
Химическая лаборатория филиала оснащена современным оборудованием для анализа качества транспортируемого газа, в том числе газовым хроматографом, а также в обязательном порядке проходит аккредитацию в государственных органах Госстандарта. Контроль качества газа осуществляется по различным показателям, которые определяет ГОСТ 5542-2014 «Газы горючие природные промышленного и коммунально-бытового назначения». Отбор проб природного газа проводится на газораспределительных станциях. Одним из основных показателей качества природного газа является теплота сгорания.
На основании полученных данных за период с 2015 по 2020 год теплота сгорания природного газа, транспортируемого Алтайским ЛПУМГ ООО «Газпром трансгаз Томск», стабильно высокая и варьируется в диапазоне от 8300 до 8400 ккал/м3 при норме по ГОСТу 7600 ккал/м3.
Калорийность природного газа
В таблицах представлена массовая удельная теплота сгорания топлива (жидкого, твердого и газообразного) и некоторых других горючих материалов. Рассмотрено такое топливо, как: уголь, дрова, кокс, торф, керосин, нефть, спирт, бензин, природный газ и т. д.
- Удельная теплота сгорания твердого топлива
- Удельная теплота сгорания жидкого топлива
- Удельная теплота сгорания газообразного топлива
- Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
При экзотермической реакции окисления топлива его химическая энергия переходит в тепловую с выделением определенного количества теплоты. Образующуюся тепловую энергию принято называть теплотой сгорания топлива. Она зависит от его химического состава, влажности и является основным показателем топлива. Теплота сгорания топлива, отнесенная на 1 кг массы или 1 м3 объема образует массовую или объемную удельную теплоты сгорания.
Удельной теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема твердого, жидкого или газообразного топлива. В Международной системе единиц эта величина измеряется в Дж/кг или Дж/м3.
Удельную теплоту сгорания топлива можно определить экспериментально или вычислить аналитически. Экспериментальные методы определения теплотворной способности основаны на практическом измерении количества теплоты, выделившейся при горении топлива, например в калориметре с термостатом и бомбой для сжигания. Для топлива с известным химическим составом удельную теплоту сгорания можно определить по формуле Менделеева.
Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания равна максимальному количеству теплоты, выделяемому при полном сгорании топлива, с учетом тепла затраченного на испарение влаги, содержащейся в топливе. Низшая теплота сгорания меньше значения высшей на величину теплоты конденсации водяного пара, который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду.
Для определения показателей качества топлива, а также в теплотехнических расчетах обычно используют низшую удельную теплоту сгорания, которая является важнейшей тепловой и эксплуатационной характеристикой топлива и приведена в таблицах ниже.
Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.
Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·106 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.
К топливам с низкой энергоэффективностью можно отнести древесину, дрова, порох, фрезторф, горючие сланцы. Например, удельная теплота сгорания дров составляет 8,4…12,5, а пороха — всего 3,8 МДж/кг.
| Зависимость плотности и температуры кипения СПГ от состава газа и избыточного давления | ||||
| Источник: dolgikh.com | ||||
| Давление, МПа | Состав, % метана | Молекулярнаямасса, кг/кг·моль | Плотность, кг/м куб. | Температуракипения, °C |
| 0,5 | 97 | 16,7 | 392 | –135 |
| 80 | 20,9 | 459 | –132 | |
| 0,0 | 97 | 16,7 | 422 | –162 |
| 80 | 20,9 | 495 | –160 | |
Основные физические характеристики сжиженного газа
- Температура кипения при атмосферном давлении: –162°C
- Плотность сжиженного газа при атмосферном давлении: 420 кг/м3
- Низшая теплота сгорания (при 0°C и 101,325 КПа): 35,2 МДж/м3(или 11500 ккал/кг)
- Пределы воспламенения при газификации: 4…16% (объемных)
- Минимальная температура воспламенения газовоздушной смеси: 557°C (830 К)
В процессе регазификации СПГ из одного объема жидкости при стандартных условиях (21°C, 1 атмосфера) получается около 618 объемов природного газа. Жидкий газ обычно хранится в изотермических резервуарах при температуре кипения, которая поддерживается за счет испарения СПГ.
При сжижении природного газа повышается как калорийность газа, получаемого последующей регазификацией, так и самого СПГ. С одной стороны, в процессе сжижения удаляется углекислый газ, а с другой – ШФЛУ, входящая в состав СПГ, повышает калорийность, так как этан, пропан и бутаны обладают большей высшей теплотой сгорания (высшей удельной теплотворной способностью), чем метан (на кубометр газа или на кубометр СПГ; если сравнивать по весу, то выигрыш незначителен). Этот аспект можно учесть, проводя экономические расчеты за поставляемый СПГ на калориметрической основе (а не на волюметрической). Для примера, расчеты показывают, что энергетическая ценность СПГ, получаемого из газа нижнего мела месторождений полуострова Ямал, может достигать 23 MBTU/м3 (24,5 ГДж/м3), что на 10% больше, чем для СПГ, получаемого из сухого газа.
Высшая теплотворная способность газа в жидком виде при 15°C:
- Метан – 16,672 ГДж/м3 (рассчитано условно как для идеального газа)
- Этан – 18,459 ГДж/м3
- Пропан – 25,358 ГДж/м3
- n-бутан –28,715 ГДж/м3)
Рассчитать количество газа на Гкал и то, сколько нужно тепла, чтобы отопить и оплатить дом по его площади вы сможете сами, для чего воспользуйтесь следующей формулой:(Количество Гкал) разделить (калорийность газа) разделить (коэффициент полезного действия котла) умножить 1000000 = расчетное количество газа в метрах кубических (м3)Где:— количество Гкал – сколько Гкал мы потратили или планируем потратить на отопление, например жилого дома.— калорийность газа – сколько ккал выделится при сжигании 1 м3 газа = примерно 8000— коэффициент полезного действия котла или колонки – для современных котлов он равен 88 – 92% (при расчете в формулу подставляем КПД/100 или 0,88 – 0,92)
Правда сейчас активно развивается отдельная ветвь котлов с КПД до 107%, так называемых конденсационных котлов, но они в разы дороже обыкновенных и требовательнее в эксплуатации, наладке и монтаже. В случае неправильного монтажа или наладке очень быстро выходят из строя. Если Вы владелец такого типа котлов мой совет, следите за дымоходом, если из него появиться влага (конденсат на трубах из нержавейки) проявляется как потеки ржавчины, бейте тревогу, иначе останетесь без котла.
А теперь для примера разберем сколько нужно тепла чтобы отопить и оплатить дом например 53 метра квадратных.
Принято считать, что 10 квадратных метров правильно спроектированного и построенного дома необходим 1 кВт тепла.
Теперь нам необходимо перевести кВт в Гкал. Для этого можно воспользоваться калькулятором перевода тепловых единиц, его Вы можете скачать бесплатно, или формулами в этой статье – «Как перевести кВт в Гкал?».
Если проще то это 53/10х0,86=4,558 ккал=0,004558 Гкал/час
Теперь переведем все это в кубометры газа.
0,004558/8000/0,9х1000000 = 0,632 м3
И так мы получили, что в самые сильные морозы на отопления нашего дома площадью 53 квадратных метра, в час мы сожжем 0,632 м3 газа. Конечно, если на улице теплее и газа уйдет меньше.
В сутки эта величина будет 0,632х24=15,168 м3 газа.
В средний месяц 15,168х30=455,04 м3 газа.
Мы с вами рассчитали, сколько необходимо тепла, чтобы отопить дом известной площадью. В денежное выражение, я думаю, каждый сможет перевести сам, сколько нужно тепла, чтобы отопить и оплатить свой дом.
Парамонов Ю.О. Ростов-на-Дону. 2015-17г. Эксклюзивно для ООО «Энергостром»
Для тех кто пропустил:— Как рассчитать мощность котла для обогрева частного дома?— Как экономит деньги погодозависимая автоматика?— Как перевести тн угля в Гкал, определение потребности в тепле и топливе.
Что еще почитать по теме:
Похожие записи:
Как рассчитать мощность котла
Как разделить тепло по теплосчетчику между потребителями.
Гкал что это, как перевести Гкал/час в Гкал?
