Экологически чистые виды топлива являются отличной альтернативой традиционным источникам энергии, которые не только исчерпываемы, но и негативно влияют на состояние окружающей среды. Однако стоит учитывать, что пеллеты и брикеты имеют повышенный риск возгорания, что необходимо учитывать при организации пространства для их хранения.
Сравнительный анализ теплотворной способности различных видов топлива
При сгорании определенного количества топлива выделяется конкретное количество тепловой энергии. В соответствии с Международной системой единиц эта величина выражается в Джоулях на килограмм (Дж/кг) или на кубический метр (Дж/м³). Однако также возможно представление этих показателей в килокалориях (кКал) или киловаттах (кВт). Важно отметить, что если измерение соотносится с единицей массы или объема топлива, оно называется удельным значением.
На что влияет такая важная характеристика, как теплотворность топлива? И каковы ее показатели для различных агрегатных состояний: жидкого, твердого и газообразного? Ответы на эти вопросы подробно рассматриваются в статье. Мы также подготовили таблицу с данными о удельной теплоте сгорания различных материалов, которая будет полезна при выборе высокоэффективного топлива.
Процесс выделения энергии при горении должен учитывать два основных параметра: высокий коэффициент полезного действия (КПД) и отсутствие образования вредных или токсичных выбросов.
Искусственное топливо получается на основе переработки природных видов, которые также классифицируются как биологическое топливо. Независимо от состояния вещества, химический состав включает как горючую, так и негорючую составляющую. К горючей части можно отнести углерод и водород, тогда как негорючая часть включает воду, минеральные соли, азот, кислород и металлы.
По агрегатному состоянию топливо делится на три категории: жидкое, твердое и газообразное. Каждая из этих групп дополнительно подразделяется на искусственные и естественные подгруппы.
При сжигании 1 килограмма топлива может выделяться различное количество энергии. Объем выделяемой энергии зависит от пропорций компонентов – горючей части, уровня влажности, зольности и прочих элементов.
Теплота сгорания топлива (ТСТ) делится на два уровня: высшую и низшую. Высшая теплота сгорания связана с конденсацией водяного пара, тогда как низшая теплота сгорания не принимает это во внимание.
Низшая ТСТ используется для расчетов потребности в топливе и анализа его стоимости. На основе таких данных составляются тепловые балансы, а также определяются коэффициенты полезного действия установок, работающих на данном виде топлива.
Определить ТСТ можно как аналитическими, так и экспериментальными методами. При известном химическом составе горючего применяется формула Менделеева. Экспериментальные методы включают прямое измерение теплоты, выделяющейся при горении топлива.
Для этих экспериментов используется калориметрическая бомба, в сочетании с калориметром и термостатом для контроля температуры.
Методы расчетов индивидуальны для каждого типа топлива. Например, в двигателях внутреннего сгорания расчет ТСТ ведется на основании низшего показателя, поскольку в цилиндрах топлива не происходит конденсации.
Параметры жидких веществ
Жидкие горючие материалы, аналогично твердым, состоят из ключевых элементов: углерода, водорода, серы, кислорода и азота. Процентное соотношение этих веществ выражается по массе.
Кислород и азот формируют внутренний органический балласт топлива, который не участвует в горении и, таким образом, добавляется в расчет условно. Внешний балласт включает влагу и золу, которые также оказывают влияние на общую эффективность сжигания.
Бензин демонстрирует высокие показатели удельной теплоты сгорания, величина которой варьируется от 43 до 44 МДж, в зависимости от марки топлива. Аналогичные характеристики наблюдаются и у авиационного керосина, который имеет теплотворность на уровне 42,9 МДж. Дизельное топливо также занимает высокие позиции, с показателями от 43,4 до 43,6 МДж.
Сравнительно низкие значения ТСТ обнаруживаются у жидкого ракетного топлива и этиленгликоля. Спирт и ацетон имеют минимальные значения теплотворности, значительно уступая по этому показателю традиционным моторным топливам.
Общая информация о теплотворности
При горении топлива важно учитывать два ключевых параметра: высокую эффективность получения энергии и отсутствие выбросов вредных веществ.
Искусственные виды топлива производятся из переработанных природных ресурсов, формируя основу для теплообмена. Независимо от агрегатного состояния каждый вид включает как горючие, так и негорючие компоненты. Горючая часть состоит из углерода и водорода, в то время как негорючая включает в себя воду, минеральные соли, азот, кислород и различные металлы.
По состоянию вещества топливо делится на три группы: жидкое, твердое и газообразное, каждая из которых может быть как естественной, так и искусственной.
При сжигании одного килограмма топливной смеси выделяется различное количество тепловой энергии. Количество выделяемой энергии зависит от составляющих компонентов — горючей части, уровня влажности, зольности и прочих элементов.
Теплота сгорания в различных видах топлива определяется двумя категориями — высшей и низшей. Высшая теплота учитывает конденсацию водяного пара, в то время как низшая TCT этот фактор игнорирует.
Низшая ТСТ важна для расчетов потребности в топливе и его экономической целесообразности, а также для составления тепловых балансов и определения КПД работающих установок.
Тестирование ТСТ можно проводить как аналитически, так и экспериментально. Когда известен химический состав, применяется формула Менделеева; в эксперименте используется измерение теплоты при сгорании образца.
Для этого применяются калориметрическая бомба, калориметр и термостат, что позволяет точно определить теплоту сгорания.
Методика расчетов варьируется в зависимости от каждого конкретного вида топлива. Например, для двигателей внутреннего сгорания расчет производится по низшему значению, так как в цилиндрах происходит испарение, а не конденсация.
Теплота сгорания устанавливается с помощью калориметрической бомбы, куда вводится сжатый кислород с водяным паром. В таком окружении помещается образец топлива, результаты измеряются и анализируются.
Каждый тип топлива имеет свою уникальную ТСТ благодаря особенностям своего химического состава, и значения этих показателей могут значительно варьироваться; диапазон составляет от 1,000 до 10,000 кКал/кг.
Для сравнения различных видов используется понятие условного топлива, которое определяется с низшей ТСТ в 29 МДж/кг.
Теплотворность твердых материалов
К этой категории относятся такие материалы, как древесина, торф, кокс, горючие сланцы, а также брикетное и пылевидное топливо. Основным компонентом твердого топлива является углерод.
Характеристики различных древесных пород
Оптимальная эффективность от использования дров достигается при двух условиях: древесина должна быть сухой и процесс горения должен происходить в медленном режиме.
Древесину нарезают на куски длиной 25-30 см, что облегчает их помещение в печи.
Идеальными породами для дровяного отопления являются дуб, береза и ясень. Высокими показателями теплоты обладают также боярышник и лещина, однако у хвойных пород теплотворность значительно ниже, хотя они характеризуются высокой скоростью горения.
Сравнение горения различных пород древесины:
- Бук, береза, ясень, лещина трудно разжечь, однако способны гореть даже в сыром состоянии благодаря низкому содержанию влаги.
- Ольха и осина не создают сажи и эффективно очищают дымоход от загрязнений.
- Береза требует обильного воздуха в печи, иначе начинает дымить и образовывать смолистые отложения на стенках дымохода.
- Сосна имеет больше смолы, чем ель, поэтому она искрит и создает более горячий огонь.
- Груша и яблоня легко раскалываются и горят лучше других древесных пород.
- Кедр постепенно превращается в тлеющий уголь при горении.
- Вишня и вяз могут создавать дым, а платан трудно расколоть.
- Липа и тополь сгорают быстро и неэффективно.
Показатели ТСТ различных видов древесины существенно зависят от их плотности. Один кубометр дров эквивалентен примерно 200 литрам жидкого топлива или 200 м³ природного газа. Древесина в целом и дрова, в частности, относятся к категории с низкой энергоэффективностью.
Влияние возраста на характеристики угля
Уголь представляет собой природный материал растительного происхождения, добываемый из осадочных пород. В его состав входят углерод и другие химические элементы.
Возраст угля напрямую влияет на его теплотворность: бурый уголь относится к более молодым категориям, далее идет каменный уголь, а наивысшие значения наблюдаются у антрацита.
Также возраст угля определяет уровень его влажности: чем моложе уголь, тем выше его влажность, что также влияет на его горючие свойства.
Процесс горения угля потенцирует выделение загрязняющих веществ в окружающую среду, при этом колосники котлов могут покрываться шлаками. Наличие серы в составе топлива считается ещё одним неблагоприятным фактором, поскольку, вступая в реакцию с воздухом, она преобразуется в серную кислоту.
Производителям удается значительно снизить содержание серы в угле, в результате чего показатели ТСТ варьируются даже в пределах одного вида. География добычи также влияет на характеристики угля. В качестве твердого топлива можно использовать как чистый уголь, так и брикетированный шлак.
Наибольшая топливная способность наблюдается у коксующегося угля, хорошими показателями также обладают антрацит, каменный и бурый уголь.
Свойства пеллет и брикетов
Пеллеты и брикеты представляют собой твердые виды топлива, которые производятся промышленным способом из различного древесного и растительного сырья.
Теплота сгорания дизельного топлива
Ключевым показателем, который влияет на КПД дизельных двигателей, является теплота сгорания. Этот показатель определяет уровень расхода топлива и эффективность работы двигателей. Чем больше выделяемая энергия, тем меньше топлива уходит в расход, и, соответственно, повышается КПД. Однако теплота сгорания дизельного топлива непосредственно зависит от содержания в его составе воды и серы, поэтому состав дизельного топлива строго регламентируется. Обычно теплота сгорания варьируется в пределах от 39 200 до 43 300 кДж/кг в зависимости от качества нефти, использованной для его производства.
Чек-лист “5 способов экономии для владельцев автопарка”
Оставьте свои контактные данные и получите PDF с чек-листом о том, как экономить на эксплуатации автопарка. В этом документе вы найдете пять основных способов оптимизации расхода топлива для вашего автопарка.
Керосин
При расчете характеристик керосина следует учитывать, что его показатели могут быть лишь приближенными. Это связано с тем, что состав керосина состоит из четырех групп углеводородов, что делает его состав изменчивым. Поэтому при оценке удельной теплоты сгорания учитываются исходные характеристики нефти, из которой он получен.
При нормальных условиях теплота сгорания керосина составляет около 43 МДж/кг, с возможным отклонением порядка 1000 единиц в ту или иную сторону. Энергоэффективность керосина повышается при температурах, близких к точке кипения, которая составляет около +215°C.
Теплота сгорания дизельного топлива
Дизельное топливо, в свою очередь, имеет теплоту сгорания, которая составляет 42 МДж/кг. Этот показатель также может варьироваться в зависимости от качества используемой нефти и определяется через исследовательские методы. В отдельных случаях теплота сгорания может колебаться в пределах от 39,2 до 43,3 МДж/кг, в зависимости от степени вязкости топлива.
Удельная теплота сгорания жидкого топлива существенно влияет на эффективность его использования. Чем выше это значение, тем лучше экономичность горючего. При одинаковом КПД двигателя расход топлива при повышенной теплота сгорания снижается.
Порой топливо утекает с так же большой скоростью, а выделение энергии резко уменьшается. Это может происходить, если в составе топлива содержится много несгораемых соединений и минералов. Они не только не участвуют в горении, но и поглощают часть выделяемого тепла, что снижает его энергетическую ценность.
КПД и экономические затраты на закупку топлива целиком зависят от теплоты сгорания топлива, что прямым образом влияет на затраты компании. Не обязательно знать точное значение теплоты сгорания для того, чтобы заправляться на выгодных условиях.
Во избежание проблем с работой автомобилей или автопарков рекомендуется выбирать АЗС, где не подмешивают некачественное топливо. Нет необходимости самостоятельно проверять все заправки. Рекомендуется заправляться на тех станциях, где есть возможность провести оплату картами, к примеру, топливными картами, которые можно заказать в компании GPC RUS. Мы сотрудничаем только с проверенными автозаправочными сетями с хорошей репутацией.
Брикеты
Брики представляют собой твердое топливо, в значительной степени схожее с пеллетами. Для их производства используются те же материалы: щепа, стружка, торф, шелуха и солома. В процессе производства сырье измельчается, после чего под действием давления формируется в брикеты. Этот вид топлива считается экологически чистым и его удобно хранить даже на открытом воздухе. Подобное топливо обеспечивает равномерное, плавное и медленное горение как в каминах и печах, так и в системах отопления котлов.
Разобранные выше разновидности экологически чистого твердого топлива представляют собой достойную альтернативу традиционным источникам тепла. В отличие от ископаемых видов энергии, которые оказывают негативное воздействие на окружающую среду и исчерпываемы, альтернативные виды топлива обладают явными преимуществами, среди которых выделяются относительная доступность и низкая стоимость, что является важным аспектом для различных категорий потребителей.
Тем не менее, важно также отметить, что пеллеты и брикеты имеют значительно более высокий риск возникновения пожаров. Поэтому необходимо принимать меры предосторожности при их хранении и использовать огнестойкие материалы для стен.
Жидкое и газообразное топливо
Что касается жидких и газообразных горючих материалов, общая информация о их свойствах представлена ниже:
| Тип топлива | Теплота сгорания | |
| МДж/кг | ккал/кг | |
| Жидкое | ||
| Бензин | 44-47 | 10500-11200 |
| Дизельное автотракторное | 42,7 | 10 200 |
| Керосин | 44-46 | 10 500-11 000 |
| Нефть | 43,5-46 | 10 400-11 000 |
| Спирт | 27,0 | 6 450 |
| Топливо для РЖД (керосин+жидкий кислород) | 9,2 | 2 200 |
| Топливо для реактивных двигателей самолетов (ТС-1) | 42,9 | 10 250 |
| Газообразное | ||
| Ацетилен | 48,1 | 11 500 |
| Водород | 120 | 28 600 |
| Природный газ | 41-49 | 9 800-11 700 |
| Метан | 50,0 | 11 950 |
| Окись углерода (II) | 10,1 | 2 420 |
