В условиях сурового климата, где зимой температура может длительное время оставаться на низком уровне, обогреть жильё при помощи древесины на протяжении всего отопительного сезона представляется непростой задачей. При внезапном падении температуры воздуха владелец котла оказывается вынужденным использовать его на предельных мощностях, что может привести к его быстрому износу.
Теплотворность различных видов топлива: сравнение топлива по теплоте сгорания + таблица теплотворности
Во время сгорания определённого количества топлива выделяется фиксированное количество энергии. В соответствии с Международной системой единиц этот параметр выражается в Джоулях на килограмм (кг) или кубический метр (м³). Однако также могут использоваться и другие единицы измерения, такие как килокалории (кКал) или киловатт (кВт). Если значение привязано к единице измерения топлива, оно называется удельным.
Как теплотворность различных видов топлива влияет на образовательный процесс? В чем заключается значимость этого показателя для жидких, твердых и газообразных углеводородов? Ответы на эти вопросы детально рассматриваются в данной статье. Более того, мы подготовили таблицу, в которой представлена удельная теплота сгорания различных материалов — данная информация будет полезна при выборе высокоэффективного топлива.
Общая информация о теплотворности
Процесс выделения энергии при сгорании следует охарактеризовать двумя основными параметрами: высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и отсутствием выбросов вредных веществ в атмосферу.
Искусственное топливо получается в ходе переработки природного (биологического) топлива. Независимо от агрегатного состояния вещества оно всегда содержит две основные части: горючую и негорючую. Горючая часть представлена углеродом и водородом, тогда как негорючая включает в себя воду, минеральные соли, азот, кислород и металлы.
По агрегатному состоянию топливо классифицируют на жидкое, твердое и газообразное. Каждый из этих типов дополнительно делится на естественные и искусственные подкатегории.
При сгорании одного килограмма топлива выделяется разное количество энергии. Объем выделившейся энергии зависит от пропорций горючей части, а также таких параметров, как влажность, зольность и другие составляющие.
Теплота сгорания топлива (ТСТ) делится на два уровня: высшую и низшую. Высшее значение включает в себя конденсацию воды, тогда как низшее не учитывает данного фактора.
Низшая ТСТ необходима для расчетов потребностей в топливе и его стоимости, а также для составления тепловых балансов и определения КПД работающих на топливе установок.
Вычисление ТСТ может быть выполнено как аналитически, так и экспериментально. В случаях, когда известен химический состав горючего, применяется формула Менделеева. Экспериментальные методы основаны на непосредственном измерении выделившейся теплоты при сгорании топлива.
Для таких измерений используется специальная калориметрическая бомба в сочетании с калориметром и термостатом.
Особенности расчётов могут сильно различаться для каждого вида топлива. Например, в двигателях внутреннего сгорания расчеты производятся от низшего значения, так как в цилиндрах жидкость не конденсируется.
Для определения ТСТ используется калориметрическая бомба. Сжатый кислород обогащается водяным паром, и в такую среду помещается образец топлива с последующим определением результатов.
Каждый вид топлива имеет свою уникальную ТСТ, что связано с особенностями его химического состава. Значения могут значительно варьироваться, находясь в диапазоне от 1 000 до 10 000 кКал/кг.
При сравнении различных видов веществ используется понятие условного топлива, которое характеризуется низшей ТСТ в 29 МДж/кг.
Понятие теплотворности
Теплотворная способность — это характеристика горючих материалов, которые при сгорании выделяют значительные количества тепловой энергии. Что касается топлива, то его теплотворные показатели зачастую являются определяющими при выборе обогревающих систем или обслуживании конкретного типа двигателя. При этом расход топлива находится в прямом зависимости от его теплотворной способности.
Физическая величина выражается в Джоулях или калориях. Для удобства при пересчете значений: 1 Дж равен примерно 0,24 кал. Расчётной единицей топлива, в зависимости от его формы, служит 1 кг, 1 м³ или 1 литр. Указанные единицы актуальны в контексте таких примеров, как твёрдый уголь, природный газ или бензин. Соотношение тепла к объемной или массовой единице показывает удельную теплоту сгорания конкретного вида топлива.
Что способствует снижению теплотворности
В процессе горения того или иного материала образующаяся тепловая энергия расходуется частично. Эта энергия уходит, например, на испарение влаги. Следовательно, энергоэффективность единых образцов топлива с различной влажностью будет отличаться: у сухого топлива теплотворность будет выше.
На основании выделяемой тепловой энергии в ходе горения вещества, удельная теплота сгорания делится на высшую и низшую. Проще говоря, первая величина — это сумма тепловой энергии от сгоревшего вещества и от водяного пара до момента его конденсации.
Для справки! При конденсации водяных паров может выделяться до 11% тепла. Это количество не учитывается при определении низшей теплотворности.
Кстати, зольность также оказала влияние на снижение теплотворности угля и других материалов. Это несгораемый остаток, состоящий из минеральных компонентов. Чем больше их количество в составе топлива, тем меньше тепла выделяется в процессе сгорания. Дополнительно часть энергии уходит на плавление этих минералов.
Третий фактор — это содержание серы. В ряде образцов топлива сернистые соединения значительно ухудшают энергетическую эффективность, фактически снижая её в 4 раза по сравнению, например, с углеродом. Также в процессе термического воздействия образуются вредные сернистые газы, что представляет собой угрозу для экологии.
Бензин
Теплота сгорания бензина не зависит от его октанового числа; это значение определяется химическим составом топлива. Концентрация соединений водорода напрямую влияет на количество образующейся воды и пара в ходе горения. Чем больше водорода в составе, тем ниже общая энергетическая ценность. В среднем удельная теплота сгорания бензина колеблется в пределах 43,5–44,5 МДж/кг. Наличие минеральных соединений, серы и других примесей может значительно снизить этот показатель.
Керосин
При рассмотрении данного топлива можно говорить только о приблизительных показателях теплотворности. Это связано с наличием в его составе четырех групп углеводородов, которые постоянно изменяются. Поэтому при расчете теплоты сгорания необходимо учитывать начальные характеристики исходной нефти.
В нормальных условиях теплота сгорания керосина составляет 43 МДж/кг, с возможными погрешностями в 1000 пунктов в обе стороны. Энергоэффективность этого вещества возрастает при температуре близкой к точке кипения — около +215°C.
Термическая восприимчивость
Определение относительной термической восприимчивости топлива может быть проведено как экспериментальным способом, так и при помощи математических расчетов. Экспериментальное измерение термической восприимчивости осуществляется путем вычисления объема тепла, выделяющегося при сгорании топлива в тепловом накопителе с термостатом и калориметрической бомбочкой.
При необходимости, когда требуется определить по таблице удельную теплоту сгорания топлива, сначала производятся расчеты с использованием формул Менделеева. Существуют высшая и низшая степени теплотворности (ОТС) топлива. В случае высшего значения при горении выделяется значительное количество тепла из любого топлива, при этом учитывается тепло, потраченное на испарение воды, содержащейся в горючем.
При низшей степени теплотворность имеет меньшую ценность в сравнении с высшей, так как при этой ситуации испаряется меньше пара. Испарение происходят из воды и водорода во время горения топлива. При проведении инженерных расчетов принимается во внимание именно низшая относительная теплота сгорания, которая представляет собой один из ключевых параметров горючего.
В таблицы удельной теплоты сгорания твердых видов топлива, таких как уголь, дрова, торф и кокс, вносят соответствующие показатели ОТС для легкогорючих материалов. Названия топлива сортируются в алфавитном порядке. Среди твердых горючих материалов с наибольшей теплоотдачей можно выделить коксующийся уголь, антрацит, каменный и бурый уголь. К материалам с низкой теплотворной способностью относятся:
- древесина;
- дрова;
- порох;
- торф;
- возгораемые сланцы.
В учет жидких видов топлива вносят такие показатели, как спирт, бензин, керосин и нефть. Удельная теплота сгорания водорода и различных форм горючего измеряется при полном сгорании одного килограмма, одного кубического метра или одного литра. Обычно эти физические свойства выражаются в единицах измерения работы, энергии и выделяемого тепла.
Что касается расходования любого вида топлива, то оно зависит от величины ОТС. Этот параметр является одним из самых значительных при проектировании котловых установок, работающих на разных типах топлива. Основными факторами, влияющими на теплотворную способность, являются влажность и зольность, а также такие важные ингредиенты, как углерод, водород, летучая и горючая сера.
Удельная теплота сгорания спирта и ацетона значительно ниже, чем у стандартного моторного жидкого топлива и составляет лишь 31,4 МДж/кг. В то же время у мазута этот параметр варьируется от 39 до 41,7 МДж/кг. Показатель удельной теплоты сгорания природного газа находится в диапазоне от 41 до 49 МДж/кг. Одна килокалория (ккал) равна 0,0041868 МДж. Калорийность различных видов топлива различается по удельной теплоте горения. Чем больше тепла отдает вещество, тем выше его теплообмен, что в свою очередь обозначается как теплоотдача. В данном процессе участвуют жидкости, газы и твердые частицы.
Варианты угля
Температура горения древесного угля значительно выше, что делает его прекрасной альтернативой обычным дровам. Следует отметить его высокий показатель теплоотдачи, длительность горения и низкий расход. Существует несколько разновидностей угля, которые различаются по способу добычи и глубине залегания в земле: каменный уголь, бурый уголь и антрацит.
Каждый из вышеуказанных типов угля имеет свои уникальные качества и характеристики, которые позволяют ему эффективно использоваться в твердотопливных котлах. При использовании бурого угля минимальная температура горения будет наблюдаться из-за присутствия в его составе значительного количества различных примесей. В то же время уровень теплоотдачи у бурого угля схож с древесным топливом. Химическая реакция горения является экзотермической, и теплота сгорания угля отличается высокими значениями.
Каменный уголь имеет температуру возгорания, достигающую 400 градусов. Теплота сгорания этого вида угля достаточно высока, что делает его популярным для обогрева жилых помещений.
Антрацит обладает максимальной эффективностью. Однако его недостатком является высокая стоимость. Температура горения данного угля может достигать 2250 градусов — данный показатель не может быть сопоставлен с другими твердотопливными источниками, добываемыми из недр земли.
Как посчитать количество угля на зиму
Необходимое количество угля для обогрева дома зависит от множества факторов:
- от площади, которую нужно отапливать, а также от материалов, использованных при строительстве дома;
- от качества утепления и характеристик окон, а также плотности прилегания дверей;
- от типа отопительного оборудования, сорта угля и его свойств;
- от суровости зимнего сезона в конкретном регионе и средней продолжительности холода, и так далее.
Эти нюансы крайне важны. Например, для отопления кирпичного дома потребуется на 30-35% больше угля, чем для такого же деревянного дома или дома, построенного из газобетонных блоков. Владельцы хорошо утеплённого шлакобетонного дома (стены толщиной 45 см) площадью 90 квадратных метров расходуют на отопление 2,5-3,5 тонны угля (в частности, одну тонну антрацита ореха и две семечек). В то время как у других, с домом аналогичной площади, не утепленном, уходит порядка 6-7 тонн.
Сколько угля может понадобиться на зиму? Это напрямую зависит от площади дома, использованных при его строительстве материалов, качества утепления, типа котла и множества других факторов.
Предлагаем вам ознакомиться с процессом копчения рыбы на углях.
Владельцы двух- и трехкомнатных квартир в том же регионе, использующие твердотопливные котлы, покупают от 1,5 до 2 тонн угля. В другом регионе для обогрева деревянного дома площадью 80 квадратных метров, возможно, придется закупить до 5 тонн угля и дров, учитывая при этом суровые зимние условия — температура может падать до -40 градусов Цельсия на протяжении полутора месяцев, а на остальное время — до -20 градусов.
Чтобы оценить, сколько угля вам потребуется, полезно сделать несколько пробных закупок небольших мешков топлива в месте, где планируете осуществлять закупку, и следить за его потреблением в течение суток для обеспечения комфортной температуры. Попутно учитывайте внешнюю температуру и сравнивайте её со средней температурой зимой.
