Las sustancias de origen orgánico incluyen combustibles que, cuando se queman, liberan una cierta cantidad de energía térmica. La generación de calor debe caracterizarse por una alta eficiencia y la ausencia de efectos secundarios en particular, las sustancias nocivas para la salud humana y el medio ambiente.
Para facilitar la carga en el horno, el material de madera se corta en elementos individuales de hasta 30 cm de largo.Para aumentar la eficiencia de su uso, la leña debe estar lo más seca posible y el proceso de combustión debe ser relativamente lento. En muchos aspectos, la leña de maderas duras como el roble y el abedul, el avellano y el fresno, el espino es adecuada para la calefacción de espacios. Debido al alto contenido de resina, mayor velocidad de combustión y bajo poder calorífico arboles coniferos son significativamente inferiores en este sentido.
Debe entenderse que la densidad de la madera afecta el valor del poder calorífico.
Esta materiales naturales origen vegetal extraído de roca sedimentaria.
Este tipo de combustible sólido contiene carbono y otros elementos químicos. Hay una división del material en tipos dependiendo de su edad. El lignito se considera el más joven, seguido de la hulla, y la antracita es la más antigua de todos los demás tipos. La edad de la sustancia combustible también está determinada por su contenido de humedad, que en más presentes en material joven.
Durante la combustión del carbón, se contamina el medio ambiente y se forma escoria en la parrilla de la caldera, lo que, en cierta medida, crea un obstáculo para la combustión normal. La presencia de azufre en el material es también un factor desfavorable para la atmósfera, ya que este elemento se convierte en ácido sulfúrico en el espacio aéreo.
Sin embargo, los consumidores no deben temer por su salud. Los fabricantes de este material, atendiendo a los clientes particulares, buscan reducir el contenido de azufre en el mismo. El poder calorífico del carbón puede diferir incluso dentro del mismo tipo. La diferencia depende de las características de la subespecie y el contenido de minerales en ella, así como de la geografía de producción. Como combustible sólido, no solo se encuentra carbón puro, sino también escoria de carbón poco enriquecida prensada en briquetas.
Pellets (pellets de combustible) es un combustible sólido creado industrialmente a partir de residuos de madera y plantas: virutas, cortezas, cartón, paja.
La materia prima triturada hasta el estado de polvo se seca y se vierte en el granulador, de donde ya sale en forma de gránulos de cierta forma. Para añadir viscosidad a la masa se utiliza un polímero vegetal, la lignina. La complejidad del proceso de producción y la alta demanda forman el costo de los pellets. El material se utiliza en calderas especialmente equipadas.
Los tipos de combustible se determinan según el material del que se procesan:
- madera en rollo de árboles de cualquier especie;
- Paja;
- turba;
- cáscara de girasol.
Entre las ventajas que tienen los pellets de combustible, cabe destacar las siguientes cualidades:
- respeto al medio ambiente;
- incapacidad para deformarse y resistencia a los hongos;
- facilidad de almacenamiento incluso al aire libre;
- uniformidad y duración de la quema;
- costo relativamente bajo;
- la posibilidad de usar para varios dispositivos de calefacción;
- tamaño de pellet adecuado para la carga automática en una caldera especialmente equipada.
Briquetas
Las briquetas se denominan combustibles sólidos, en muchos aspectos similares a los gránulos. Para su fabricación se utilizan materiales idénticos: astillas de madera, virutas, turba, cascarilla y paja. Durante el proceso de producción, la materia prima se tritura y se forma en briquetas por compresión. Este material también pertenece al combustible ecológico. Es conveniente almacenar incluso al aire libre. La combustión suave, uniforme y lenta de este combustible se puede observar tanto en chimeneas y estufas como en calderas de calefacción.
Las variedades de combustibles sólidos ambientalmente amigables discutidas anteriormente son una buena alternativa para generar calor. En comparación con las fuentes fósiles de energía térmica, que afectan negativamente a la combustión de ambiente y al ser, además, combustibles alternativos no renovables tienen claras ventajas y un coste relativamente bajo, lo que es importante para determinadas categorías de consumidores.
Al mismo tiempo, el riesgo de incendio de dichos combustibles es mucho mayor. Por lo tanto, se deben tomar algunas precauciones con respecto a su almacenamiento y el uso de materiales de pared resistentes al fuego.
Combustibles líquidos y gaseosos
En cuanto a las sustancias combustibles líquidas y gaseosas, la situación es la siguiente.
El combustible de gas se divide en natural y artificial y es una mezcla de gases combustibles y no combustibles que contienen una cierta cantidad de vapor de agua y, a veces, polvo y alquitrán. La cantidad de combustible gaseoso se expresa en metros cúbicos en condiciones normales (760 mm Hg y 0 °C), y la composición se expresa en porcentaje en volumen. Bajo la composición del combustible, entienda la composición de su parte gaseosa seca.
combustible de gas natural
El combustible gaseoso más común es el gas natural, que tiene un alto poder calorífico. base gas natural es metano, cuyo contenido es 76.7-98%. Otros compuestos de hidrocarburos gaseosos forman parte del gas natural del 0,1 al 4,5%.
gas licuado producto de refinación de petróleo - consiste principalmente en una mezcla de propano y butano.
Gas natural (GNC, NG): metano CH4 más del 90 %, etano C2 H5 menos del 4 %, propano C3 H8 menos del 1 %
Gas licuado (GLP): propano C3 H8 más del 65%, butano C4 H10 menos del 35%
Los gases combustibles incluyen: hidrógeno H 2, metano CH 4, otros compuestos de hidrocarburos C m H n, sulfuro de hidrógeno H 2 S y gases no combustibles, dióxido de carbono CO2, oxígeno O 2, nitrógeno N 2 y una pequeña cantidad de vapor de agua H 2 O. Índices metro y PAGS en C y H caracterizan compuestos de varios hidrocarburos, por ejemplo, para metano CH 4 t = 1 y norte= 4, para etano С 2 Н b t = 2 y norte= b etc
Composición del combustible gaseoso seco (en porcentaje por volumen):
CO + H 2 + 2 C m H norte + H2S + CO2 + O2 + N2 = 100%.
La parte no combustible del combustible gaseoso seco - lastre - es nitrógeno N y dióxido de carbono CO 2 .
La composición del combustible gaseoso húmedo se expresa de la siguiente manera:
CO + H 2 + Σ C metro H norte + H 2 S + CO 2 + O 2 + N 2 + H 2 O \u003d 100%.
El calor de combustión, kJ/m (kcal/m 3 ), 1 m 3 de gas seco puro en condiciones normales se determina de la siguiente manera:
Q n s \u003d 0.01,
donde Qco, Q n 2 , Q con m n n Q n 2 s. - calor de combustión de los gases individuales que componen la mezcla, kJ / m 3 (kcal / m 3); CO, H2, Cm H n , H 2 S - componentes que componen la mezcla de gases, % en volumen.
El calor de combustión de 1 m3 de gas natural seco en condiciones normales para la mayoría de campos domésticos es de 33,29 - 35,87 MJ/m3 (7946 - 8560 kcal/m3). Las características del combustible gaseoso se dan en la tabla 1.
Ejemplo. Determinar el poder calorífico neto del gas natural (en condiciones normales) de la siguiente composición:
H2S = 1%; CH4 = 76,7%; C2H6 = 4,5%; C3H8 = 1,7%; C4H10 = 0,8%; C5H12 = 0,6%.
Sustituyendo en la fórmula (26) las características de los gases de la Tabla 1, obtenemos:
Q ns \u003d 0.01 \u003d 33981 kJ / m 3 o
Q ns \u003d 0.01 (5585.1 + 8555 76.7 + 15 226 4.5 + 21 795 1.7 + 28 338 0.8 + 34 890 0.6) \u003d 8109 kcal / m 3.
Tabla 1. Características del combustible gaseoso
|
Gas |
Designacion |
Calor de combustión Q n s |
|
|
KJ/m3 |
kcal/m3 |
||
| Hidrógeno | H, | 10820 | 2579 |
| monóxido de carbono | ENTONCES | 12640 | 3018 |
| sulfuro de hidrógeno | H 2 S | 23450 | 5585 |
| Metano | Canal 4 | 35850 | 8555 |
| etano | C 2 H 6 | 63 850 | 15226 |
| Propano | C 3 H 8 | 91300 | 21795 |
| Butano | C 4 H 10 | 118700 | 22338 |
| pentano | C 5 H 12 | 146200 | 34890 |
| Etileno | C 2 H 4 | 59200 | 14107 |
| propileno | C 3 H 6 | 85980 | 20541 |
| butileno | C 4 H 8 | 113 400 | 27111 |
| Benceno | C 6 H 6 | 140400 | 33528 |
Las calderas del tipo DE consumen de 71 a 75 m3 de gas natural para producir una tonelada de vapor. El costo del gas en Rusia en septiembre de 2008 es de 2,44 rublos por metro cúbico. En consecuencia, una tonelada de vapor costará 71 × 2,44 = 173 rublos 24 kopeks. Costo real toneladas de vapor en las fábricas es para calderas DE es de al menos 189 rublos por tonelada de vapor.
Las calderas del tipo DKVR consumen de 103 a 118 m3 de gas natural para producir una tonelada de vapor. El costo mínimo estimado de una tonelada de vapor para estas calderas es 103 × 2.44 = 251 rublos 32 kopeks. El costo real del vapor para las plantas es de al menos 290 rublos por tonelada.
¿Cómo calcular el consumo máximo de gas natural para una caldera de vapor DE-25? Esta especificaciones técnicas caldera. 1840 cubos por hora. Pero también se puede calcular. 25 toneladas (25 mil kg) hay que multiplicarlas por la diferencia entre las entalpías del vapor y del agua (666,9-105) y todo ello dividido por el rendimiento de la caldera del 92,8% y el calor de combustión del gas. 8300. y todo
Combustible de gas artificial
Los gases combustibles artificiales son combustible importancia local porque tienen un poder calorífico mucho más bajo. Sus principales elementos combustibles son el monóxido de carbono CO y el hidrógeno H2. Estos gases se utilizan dentro de los límites de la producción donde se obtienen como combustible para plantas tecnológicas y de energía.
Todos los gases combustibles naturales y artificiales son explosivos, capaces de encenderse con una llama abierta o una chispa. Hay límites explosivos inferior y superior de gas, es decir, las concentraciones porcentuales más altas y más bajas en el aire. Límite inferior de explosividad gases naturales varía del 3% al 6%, y la parte superior, del 12% al 16%. Todos los gases combustibles pueden causar envenenamiento del cuerpo humano. Las principales sustancias tóxicas de los gases combustibles son: monóxido de carbono CO, sulfuro de hidrógeno H2S, amoníaco NH3.
Los gases combustibles naturales, así como los artificiales, son incoloros (invisibles), inodoros, lo que los hace peligrosos cuando penetran al interior de la sala de calderas a través de fugas en los accesorios de las tuberías de gas. Para evitar el envenenamiento, los gases combustibles deben tratarse con un odorante, una sustancia con un olor desagradable.
Obtención de monóxido de carbono CO en la industria por gasificación de combustible sólido
Para fines industriales, el monóxido de carbono se obtiene por gasificación del combustible sólido, es decir, su transformación en combustible gaseoso. Entonces puede obtener monóxido de carbono de cualquier combustible sólido: carbón fósil, turba, leña, etc.
El proceso de gasificación de combustible sólido se muestra en un experimento de laboratorio (Fig. 1). Habiendo llenado el tubo refractario con trozos de carbón, lo calentamos fuertemente y dejamos pasar oxígeno a través del gasómetro. Dejar pasar los gases que salen del tubo por un lavador de agua con cal y luego prenderle fuego. El agua de cal se vuelve turbia, el gas arde con una llama azulada. Esto indica la presencia de dióxido de CO2 y monóxido de carbono CO en los productos de reacción.
La formación de estas sustancias puede explicarse por el hecho de que cuando el oxígeno entra en contacto con el carbón caliente, este último se oxida primero en dióxido de carbono: C + O 2 \u003d CO 2
Luego, al pasar a través del carbón caliente, el dióxido de carbono se reduce parcialmente a monóxido de carbono: CO 2 + C \u003d 2CO
Arroz. 1. Obtención de monóxido de carbono (experiencia de laboratorio).
V entorno industrial La gasificación de los combustibles sólidos se realiza en hornos llamados generadores de gas.
La mezcla resultante de gases se llama gas pobre.
El dispositivo generador de gas se muestra en la figura. Es un cilindro de acero con una altura de unos 5 metro y un diámetro de aproximadamente 3,5 metro, forrado por dentro ladrillo refractario. Desde arriba, el generador de gas se carga con combustible; Desde abajo, un ventilador suministra aire o vapor de agua a través de la rejilla.
El oxígeno del aire reacciona con el carbono del combustible, formando dióxido de carbono, el cual, ascendiendo a través de una capa de combustible caliente, es reducido por el carbono a monóxido de carbono.
Si solo se sopla aire en el generador, se obtiene un gas que en su composición contiene monóxido de carbono y nitrógeno del aire (así como una cierta cantidad de CO 2 y otras impurezas). Este gas generador se llama gas de aire.
Sin embargo, si se inyecta vapor de agua en el generador con carbón caliente, se forma monóxido de carbono e hidrógeno como resultado de la reacción: C + H 2 O \u003d CO + H 2
Esta mezcla de gases se llama gas de agua. El gas de agua tiene un valor calorífico más alto que el gas de aire, ya que, junto con el monóxido de carbono, también contiene un segundo gas combustible: el hidrógeno. Gas de agua (gas de síntesis), uno de los productos de la gasificación de los combustibles. El gas de agua se compone principalmente de CO (40%) y H2 (50%). El gas de agua es un combustible (valor calorífico 10.500 kJ/m3, o 2730 kcal/mg) y al mismo tiempo materia prima para la síntesis de metanol. Sin embargo, el gas de agua no se puede obtener durante mucho tiempo, ya que la reacción de su formación es endotérmica (con absorción de calor) y, por lo tanto, el combustible en el generador se enfría. Para mantener caliente el carbón, se alterna la inyección de vapor de agua en el generador con la inyección de aire, cuyo oxígeno, como es sabido, reacciona con el combustible para liberar calor.
V Últimamente El chorro de vapor y oxígeno comenzó a ser ampliamente utilizado para la gasificación de combustibles. El soplado simultáneo de vapor de agua y oxígeno a través de la capa de combustible permite llevar a cabo el proceso de forma continua, aumentar significativamente la productividad del generador y obtener gas con un alto contenido de hidrógeno y monóxido de carbono.
Los generadores de gas modernos son dispositivos potentes de acción continua.
De modo que cuando se suministre combustible al generador de gas, combustible y gases venenosos no penetró en la atmósfera, el tambor de carga se hizo doble. Mientras el combustible ingresa a un compartimiento del tambor, el combustible se vierte desde el otro compartimiento hacia el generador; cuando el tambor gira, estos procesos se repiten, mientras que el generador permanece aislado de la atmósfera todo el tiempo. La distribución uniforme del combustible en el generador se realiza mediante un cono, que se puede instalar a diferentes alturas. Cuando se baja, el carbón se encuentra más cerca del centro del generador; cuando se eleva el cono, el carbón se lanza más cerca de las paredes del generador.
La eliminación de cenizas del generador de gas está mecanizada. La rejilla en forma de cono gira lentamente mediante un motor eléctrico. En este caso, las cenizas se desplazan hacia las paredes del generador y se arrojan al cenicero con dispositivos especiales, de donde se retiran periódicamente.
Las primeras lámparas de gas se encendieron en San Petersburgo en la isla Aptekarsky en 1819. El gas que se utilizó se obtuvo por gasificación del carbón. Se llamaba gas ligero.
El gran científico ruso D. I. Mendeleev (1834-1907) fue el primero en expresar la idea de que la gasificación del carbón se puede llevar a cabo directamente bajo tierra, sin levantarlo. El gobierno zarista no apreció la propuesta de Mendeleev.
La idea de la gasificación subterránea fue calurosamente apoyada por V. I. Lenin. Lo llamó "uno de los grandes triunfos de la tecnología". La gasificación subterránea fue realizada por primera vez por el estado soviético. Ya antes de la Gran Guerra Patria, los generadores subterráneos estaban operando en las cuencas de carbón de la región de Donetsk y Moscú en la Unión Soviética.
La Figura 3 da una idea de uno de los métodos de gasificación subterránea.Se colocan dos pozos en la veta de carbón, que están conectados en la parte inferior por un canal. Se prende fuego al carbón en un canal de este tipo cerca de uno de los pozos y se suministra la ráfaga allí. Los productos de combustión, moviéndose a lo largo del canal, interactúan con el carbón caliente, lo que resulta en la formación de gas combustible, como en un generador convencional. El gas sale a la superficie a través del segundo pozo.
El gas del generador se usa ampliamente para calentar hornos industriales: metalúrgicos, coque y como combustible en automóviles (Fig. 4).
Arroz. 3. Esquema de gasificación subterránea del carbón.
Una serie de productos orgánicos, como los combustibles líquidos, se sintetizan a partir del hidrógeno y el monóxido de carbono del gas de agua. Combustible líquido sintético - combustible (principalmente gasolina), obtenido por síntesis a partir de monóxido de carbono e hidrógeno a 150-170 grados centígrados y una presión de 0,7 - 20 MN / m2 (200 kgf / cm2), en presencia de un catalizador (níquel, hierro, cobalto). La primera producción de combustibles líquidos sintéticos se organizó en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial debido a la escasez de petróleo. Los combustibles líquidos sintéticos no han recibido una amplia distribución debido a su alto costo. El gas de agua se utiliza para producir hidrógeno. Para ello, se calienta gas de agua en una mezcla con vapor de agua en presencia de un catalizador y como resultado se obtiene hidrógeno además del ya presente en el gas de agua: CO + H 2 O \u003d CO 2 + H 2
El calor de combustión está determinado por la composición química de la sustancia combustible. Los elementos químicos contenidos en la sustancia combustible se designan mediante los símbolos aceptados CON , H , O , norte , S, y la ceniza y el agua son símbolos A y W respectivamente.
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El calor de combustión se puede relacionar con la masa de trabajo del combustible. Q PAGS (\displaystyle Q^(P)), es decir, a una sustancia combustible en la forma en que ingresa al consumidor; a la materia seca Q C (\displaystyle Q^(C)); a la masa combustible de la materia Q Γ (\displaystyle Q^(\Gamma )), es decir, a una sustancia combustible que no contenga humedad y cenizas.
Distinguir más alto ( Q segundo (\displaystyle Q_(B))) y más bajo ( QH (\displaystyle Q_(H))) Calor de combustión.
Bajo mayor poder calorífico comprender la cantidad de calor que se libera durante la combustión completa de una sustancia, incluido el calor de condensación del vapor de agua durante el enfriamiento de los productos de la combustión.
Valor calorífico neto corresponde a la cantidad de calor que se desprende durante la combustión completa, sin tener en cuenta el calor de condensación del vapor de agua. El calor de condensación del vapor de agua también se llama calor latente de vaporización (condensación).
El poder calorífico inferior y superior están relacionados por la relación: Q segundo = Q H + k (W + 9 H) (\displaystyle Q_(B)=Q_(H)+k(W+9H)),
donde k es un coeficiente igual a 25 kJ/kg (6 kcal/kg); W - la cantidad de agua en la sustancia combustible,% (en peso); H es la cantidad de hidrógeno en la sustancia combustible, % (en masa).
Cálculo del calor de combustión
Así, el poder calorífico superior es la cantidad de calor liberado durante la combustión completa de una unidad de masa o volumen (para gas) de una sustancia combustible y el enfriamiento de los productos de combustión a la temperatura del punto de rocío. En los cálculos de ingeniería térmica, el poder calorífico bruto se toma como 100%. El calor latente de combustión del gas es el calor que se libera durante la condensación del vapor de agua contenido en los productos de la combustión. En teoría, puede llegar al 11%.
En la práctica, no es posible enfriar los productos de la combustión para completar la condensación y, por lo tanto, se introduce el concepto bajar el calor combustión (QHp), que se obtiene restando del poder calorífico bruto el calor de vaporización del vapor de agua tanto contenido en la sustancia como formado durante su combustión. Se gastan 2514 kJ/kg (600 kcal/kg) en la vaporización de 1 kg de vapor de agua. El poder calorífico neto viene determinado por las fórmulas (kJ/kg o kcal/kg):
QHP = QBP − 2514 ⋅ ((9 HP + WP) / 100) (\displaystyle Q_(H)^(P)=Q_(B)^(P)-2514\cdot ((9H^(P)+W^ (P))/100))(para sólido)
QHP = QBP − 600 ⋅ ((9 HP + WP) / 100) (\displaystyle Q_(H)^(P)=Q_(B)^(P)-600\cdot ((9H^(P)+W^ (P))/100))(por sustancia liquida), donde:
2514 - calor de vaporización a 0 °C y presión atmosférica, kJ/kg;
H PAGS (\displaystyle H^(P)) y W PAGS (\displaystyle W^(P))- el contenido de hidrógeno y vapor de agua en el combustible de trabajo,%;
9 es un coeficiente que muestra que cuando se quema 1 kg de hidrógeno en combinación con oxígeno, se forman 9 kg de agua.
El calor de combustión es el más característica importante combustible, ya que determina la cantidad de calor que se obtiene al quemar 1 kg de combustible sólido o líquido o 1 m³ de combustible gaseoso en kJ/kg (kcal/kg). 1 kcal = 4,1868 o 4,19 kJ.
El poder calorífico neto se determina experimentalmente para cada sustancia y es un valor de referencia. También se puede determinar para materiales sólidos y líquidos, con una composición elemental conocida, mediante cálculo de acuerdo con la fórmula de D. I. Mendeleev, kJ / kg o kcal / kg:
QHP = 339 ⋅ CP + 1256 ⋅ HP − 109 ⋅ (OP − SLP) − 25,14 ⋅ (9 ⋅ HP + WP) (\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)))
QHP = 81 ⋅ CP + 246 ⋅ HP − 26 ⋅ (OP + SLP) − 6 ⋅ WP (\displaystyle Q_(H)^(P)=81\cdot C^(P)+246\cdot H^(P) -26\cdot (O^(P)+S_(L)^(P))-6\cdot W^(P)), donde:
C PAGS (\displaystyle C_(P)), H PAGS (\displaystyle H_(P)), O PAGS (\displaystyle O_(P)), S L PAG (\displaystyle S_(L)^(P)), W PAGS (\displaystyle W_(P))- el contenido de carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre volátil y humedad en la masa de trabajo del combustible en% (en masa).
Para los cálculos comparativos se utiliza el denominado Combustible Convencional, que tiene un calor específico de combustión igual a 29308 kJ/kg (7000 kcal/kg).
En Rusia cálculos térmicos(por ejemplo, el cálculo de la carga de calor para determinar la categoría de una habitación por riesgo de explosión e incendio) generalmente se lleva a cabo de acuerdo con el valor calorífico más bajo, en los EE. UU., Gran Bretaña, Francia, de acuerdo con el más alto. En el Reino Unido y los Estados Unidos, antes de la introducción del sistema métrico, el poder calorífico se medía en unidades térmicas británicas (BTU) por libra (lb) (1 Btu/lb = 2,326 kJ/kg).
Sustancias y materiales Valor calorífico neto Q H PAGS (\displaystyle Q_(H)^(P)), MJ/kg Gasolina 41,87 Queroseno 43,54 Papel: libros, revistas 13,4 Madera (barras W = 14%) 13,8 Caucho natural 44,73 Linóleo de cloruro de polivinilo 14,31 Caucho 33,52 fibra cortada 13,8 Polietileno 47,14 espuma de poliestireno 41,6 Algodón aflojado 15,7 El plastico 41,87 Las tablas presentan el calor específico de masa de combustión del combustible (líquido, sólido y gaseoso) y algunos otros materiales combustibles. Se consideran combustibles como: carbón, leña, coque, turba, queroseno, petróleo, alcohol, gasolina, gas natural, etc.
Lista de tablas:
En una reacción de oxidación exotérmica del combustible, su energía química se convierte en energía térmica con la liberación de una cierta cantidad de calor. el emergente energía térmica llamado calor de combustión del combustible. Depende de su composición química, humedad y es el principal. El poder calorífico del combustible, referido a 1 kg de masa o 1 m 3 de volumen, forma el poder calorífico específico másico o volumétrico.
El calor específico de combustión de un combustible es la cantidad de calor liberado durante la combustión completa de una unidad de masa o volumen de combustible sólido, líquido o gaseoso. En el Sistema Internacional de Unidades, este valor se mide en J/kg o J/m 3.
El calor específico de combustión de un combustible puede determinarse experimentalmente o calcularse analíticamente. Los métodos experimentales para determinar el poder calorífico se basan en la medición práctica de la cantidad de calor liberado durante la combustión del combustible, por ejemplo, en un calorímetro con termostato y bomba de combustión. Para combustible con conocido composición química el calor específico de combustión se puede determinar a partir de la fórmula de Mendeleev.
Hay calores específicos de combustión más altos y más bajos. El valor calorífico bruto es igual a el número máximo calor liberado durante la combustión completa del combustible, teniendo en cuenta el calor gastado en la evaporación de la humedad contenida en el combustible. Valor calorífico neto menos valor mayor por el valor del calor de condensación, que se forma a partir de la humedad del combustible y el hidrógeno de la masa orgánica, que se convierte en agua durante la combustión.
Para determinar indicadores de calidad de combustibles, así como en cálculos de ingeniería térmica Usualmente usan el calor específico de combustión más bajo., que es la característica térmica y operativa más importante del combustible y se da en las tablas a continuación.
Calor específico de combustión de combustibles sólidos (carbón, leña, turba, coque)
La tabla muestra los valores del calor específico de combustión del combustible sólido seco en la unidad de MJ/kg. El combustible en la tabla está ordenado por nombre en orden alfabético.
De los combustibles sólidos considerados, el carbón de coque tiene el valor calorífico más alto: su calor específico de combustión es de 36,3 MJ/kg (o 36,3·10 6 J/kg en unidades SI). Además, el alto poder calorífico es característico del carbón, la antracita, carbón y lignito.
Los combustibles con baja eficiencia energética incluyen la madera, la leña, la pólvora, el freztorf y el esquisto bituminoso. Por ejemplo, el calor específico de combustión de la leña es 8,4 ... 12,5 y la pólvora, solo 3,8 MJ / kg.
Calor especifico combustión de combustibles sólidos (carbón, leña, turba, coque)
Combustible Antracita 26,8…34,8 Bolitas de madera (pillets) 18,5 leña seca 8,4…11 Leña seca de abedul 12,5 coque de gasolina 26,9 coque de alto horno 30,4 semicoque 27,3 Polvo 3,8 Pizarra 4,6…9 esquisto bituminoso 5,9…15 Sólido combustible para cohetes 4,2…10,5 Turba 16,3 turba fibrosa 21,8 Turba de molienda 8,1…10,5 migas de turba 10,8 carbón marron 13…25 Carbón pardo (briquetas) 20,2 Carbón pardo (polvo) 25 Carbón de Donetsk 19,7…24 Carbón 31,5…34,4 Carbón 27 Carbón de coque 36,3 Carbón de Kuznetsk 22,8…25,1 Carbón de Cheliábinsk 12,8 Carbón Ekibastuz 16,7 freztorf 8,1 Escoria 27,5 Calor específico de combustión del combustible líquido (alcohol, gasolina, queroseno, aceite)
Se da la tabla de calor específico de combustión del combustible líquido y algunos otros líquidos orgánicos. Cabe señalar que los combustibles como la gasolina, el diésel y el aceite se caracterizan por una gran liberación de calor durante la combustión.
El calor específico de combustión del alcohol y la acetona es significativamente menor que el de los combustibles de motor tradicionales. Además, en cuanto a bajo valor propulsor líquido posee poder calorífico y - con la combustión completa de 1 kg de estos hidrocarburos, se liberará la cantidad de calor igual a 9,2 y 13,3 MJ, respectivamente.
Calor específico de combustión del combustible líquido (alcohol, gasolina, queroseno, aceite)
Combustible Calor específico de combustión, MJ/kg Acetona 31,4 Gasolina A-72 (GOST 2084-67) 44,2 Gasolina de aviación B-70 (GOST 1012-72) 44,1 Gasolina AI-93 (GOST 2084-67) 43,6 Benceno 40,6 Combustible diesel de invierno (GOST 305-73) 43,6 Combustible diesel de verano (GOST 305-73) 43,4 Propelente líquido (queroseno + oxígeno líquido) 9,2 Queroseno de aviación 42,9 Queroseno de iluminación (GOST 4753-68) 43,7 xileno 43,2 Combustóleo con alto contenido de azufre 39 Combustóleo bajo en azufre 40,5 Combustóleo bajo en azufre 41,7 Combustible sulfuroso 39,6 Alcohol metílico (metanol) 21,1 alcohol n-butílico 36,8 Aceite 43,5…46 Metano de petróleo 21,5 tolueno 40,9 Espíritu blanco (GOST 313452) 44 etilenglicol 13,3 Etanol(etanol) 30,6 Calor específico de combustión de combustible gaseoso y gases combustibles
Se presenta una tabla del calor específico de combustión del combustible gaseoso y algunos otros gases combustibles en la dimensión de MJ/kg. De los gases considerados, difiere el mayor calor específico de masa de combustión. Con la combustión completa de un kilogramo de este gas, se liberarán 119,83 MJ de calor. Además, un combustible como el gas natural tiene un alto poder calorífico: el calor específico de combustión del gas natural es 41 ... 49 MJ / kg (para puro 50 MJ / kg).
Calor específico de combustión de combustible gaseoso y gases combustibles (hidrógeno, gas natural, metano)
Combustible Calor específico de combustión, MJ/kg 1-buteno 45,3 Amoníaco 18,6 Acetileno 48,3 Hidrógeno 119,83 Hidrógeno, mezcla con metano (50% H 2 y 50% CH 4 en masa) 85 Hidrógeno, mezcla con metano y monóxido de carbono (33-33-33% en peso) 60 Hidrógeno, mezcla con monóxido de carbono (50 % H 2 50 % CO 2 en masa) 65 Gas de alto horno 3 gas de horno de coque 38,5 Gas licuado de hidrocarburos GLP (propano-butano) 43,8 isobutano 45,6 Metano 50 n-butano 45,7 n-hexano 45,1 n-pentano 45,4 gas asociado 40,6…43 Gas natural 41…49 Propadien 46,3 Propano 46,3 propileno 45,8 Propileno, mezcla con hidrógeno y monóxido de carbono (90%-9%-1% en peso) 52 etano 47,5 Etileno 47,2 Calor específico de combustión de algunos materiales combustibles
Se da una tabla del calor específico de combustión de algunos materiales combustibles (madera, papel, plástico, paja, caucho, etc.). Cabe señalar los materiales con alta liberación de calor durante la combustión. Estos materiales incluyen: caucho varios tipos, poliestireno expandido (styrofoam), polipropileno y polietileno.
Calor específico de combustión de algunos materiales combustibles
Combustible Calor específico de combustión, MJ/kg Papel 17,6 Polipiel 21,5 Madera (barras con un contenido de humedad del 14%) 13,8 Madera en pilas 16,6 madera de roble 19,9 Madera de abeto 20,3 madera verde 6,3 madera de pino 20,9 Kapron 31,1 Productos de carbolito 26,9 Cartulina 16,5 Caucho de estireno-butadieno SKS-30AR 43,9 Caucho natural 44,8 Caucho sintético 40,2 Caucho SCS 43,9 Caucho de cloropreno 28 Linóleo de cloruro de polivinilo 14,3 Linóleo de cloruro de polivinilo de dos capas 17,9 Cloruro de polivinilo de linóleo a base de fieltro 16,6 Cloruro de polivinilo de linóleo sobre una base tibia 17,6 Cloruro de polivinilo de linóleo a base de tela 20,3 Caucho de linóleo (relin) 27,2 Sólido de parafina 11,2 Poliespuma PVC-1 19,5 Poliespuma FS-7 24,4 Poliespuma FF 31,4 Poliestireno expandido PSB-S 41,6 espuma de poliuretano 24,3 fibra vulcanizada 20,9 Cloruro de polivinilo (PVC) 20,7 policarbonato 31 polipropileno 45,7 Poliestireno 39 Polietileno de alta densidad 47 Polietileno de baja presión 46,7 Caucho 33,5 ruberoide 29,5 Canal de hollín 28,3 Heno 16,7 Sorbete 17 Vidrio orgánico (plexiglás) 27,7 Textolita 20,9 tol 16 TNT 15 Algodón 17,5 Celulosa 16,4 Lana y fibras de lana 23,1 Fuentes:
- GOST 147-2013 Combustible mineral sólido. Determinación del poder calorífico superior y cálculo del poder calorífico inferior.
- GOST 21261-91 Productos derivados del petróleo. Método de determinación del poder calorífico bruto y cálculo del poder calorífico neto.
- GOST 22667-82 Gases naturales combustibles. Método de cálculo para determinar el poder calorífico, la densidad relativa y el número de Wobbe.
- GOST 31369-2008 Gas natural. Cálculo del poder calorífico, la densidad, la densidad relativa y el número de Wobbe en función de la composición de los componentes.
- Zemsky G. T. Propiedades inflamables de materiales inorgánicos y orgánicos: libro de referencia M.: VNIIPO, 2016 - 970 p.
5. EQUILIBRIO TÉRMICO DE LA COMBUSTIÓN
Considere métodos para calcular el balance de calor del proceso de combustión de gas, líquido y combustibles sólidos. El cálculo se reduce a resolver los siguientes problemas.
· Determinación del calor de combustión (valor calorífico) del combustible.
· Determinación de la temperatura de combustión teórica.
5.1. CALOR DE QUEMADURA
Las reacciones químicas van acompañadas de la liberación o absorción de calor. Cuando se libera calor, la reacción se llama exotérmica, y cuando se absorbe, se llama endotérmica. Todas las reacciones de combustión son exotérmicas y los productos de combustión son compuestos exotérmicos.
Liberado (o absorbido) durante el curso reacción química El calor se llama calor de reacción. En reacciones exotérmicas es positivo, en reacciones endotérmicas es negativo. La reacción de combustión siempre va acompañada de la liberación de calor. Calor de combustión Q gramo(J/mol) es la cantidad de calor que se libera durante la combustión completa de un mol de una sustancia y la transformación de una sustancia combustible en productos de combustión completa. El mol es la unidad básica del SI para la cantidad de una sustancia. Un mol es una cantidad tal de una sustancia que contiene tantas partículas (átomos, moléculas, etc.) como átomos hay en 12 g del isótopo de carbono-12. La masa de una cantidad de una sustancia igual a 1 mol (masa molecular o molar) coincide numéricamente con el peso molecular relativo de una sustancia determinada.
Por ejemplo, el peso molecular relativo del oxígeno (O 2) es 32, dióxido de carbono(CO 2) es igual a 44, y los pesos moleculares correspondientes serán iguales a M = 32 g/mol y M = 44 g/mol. Así, un mol de oxígeno contiene 32 gramos de esta sustancia y un mol de CO 2 contiene 44 gramos de dióxido de carbono.
En los cálculos técnicos, no se suele utilizar el calor de la combustión. Q gramo, y el poder calorífico del combustible q(J/kg o J/m3). El poder calorífico de una sustancia es la cantidad de calor que se libera durante la combustión completa de 1 kg o 1 m 3 de una sustancia. Para sustancias líquidas y sólidas, el cálculo se realiza por 1 kg, y para sustancias gaseosas, por 1 m 3.
Es necesario conocer el calor de combustión y el poder calorífico del combustible para calcular la temperatura de combustión o explosión, la presión de explosión, la velocidad de propagación de la llama y otras características. El poder calorífico del combustible se determina experimentalmente o por cálculo. En la determinación experimental del poder calorífico, se quema una determinada masa de combustible sólido o líquido en una bomba calorimétrica, y en el caso de combustible gaseoso, en un calorímetro de gas. Estos dispositivos miden el calor total q 0 , liberado durante la combustión de una muestra de combustible que pesa metro. Valor calorífico Q gramo se encuentra de acuerdo con la formula
Relación entre el calor de combustión y
poder calorífico del combustiblePara establecer una relación entre el calor de combustión y el poder calorífico de una sustancia, es necesario escribir la ecuación de la reacción química de combustión.
El producto de la combustión completa del carbono es dióxido de carbono:
C + O2 → CO2.
El producto de la combustión completa del hidrógeno es agua:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O.
El producto de la combustión completa del azufre es el dióxido de azufre:
S + O 2 → SO 2.
Al mismo tiempo, el nitrógeno, los haluros y otros elementos no combustibles se liberan en forma libre.
gas combustible
Como ejemplo, calcularemos el valor calorífico del metano CH 4, cuyo calor de combustión es igual a Q gramo=882.6 .
definamos peso molecular metano de acuerdo con su fórmula química(CH 4):
М=1∙12+4∙1=16 g/mol.
definamos valor calorífico 1 kg de metano:
Encontremos el volumen de 1 kg de metano, conociendo su densidad ρ=0.717 kg/m 3 en condiciones normales:
.Determine el poder calorífico de 1 m 3 de metano:
El poder calorífico de cualquier gas combustible se determina de manera similar. Para muchas sustancias comunes, los valores caloríficos y los valores caloríficos se han medido con gran precisión y se proporcionan en la literatura de referencia relevante. Aquí hay una tabla de valores caloríficos de algunos sustancias gaseosas(Cuadro 5.1). Valor q en esta tabla se da en MJ / m 3 y en kcal / m 3, ya que 1 kcal = 4.1868 kJ se usa a menudo como unidad de calor.
Cuadro 5.1
Poder calorífico de los combustibles gaseosos
Sustancia
Acetileno
q
líquido combustible o sólido
Como ejemplo, calcularemos el poder calorífico del alcohol etílico C 2 H 5 OH, para el cual el calor de combustión Q gramo= 1373,3 kJ/mol.
Determinar el peso molecular del alcohol etílico de acuerdo con su fórmula química (C 2 H 5 OH):
М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 g/mol.
Determine el poder calorífico de 1 kg de alcohol etílico:
El poder calorífico de cualquier combustible líquido y sólido se determina de manera similar. En mesa. 5.2 y 5.3 muestran los valores caloríficos q(MJ/kg y kcal/kg) para algunas sustancias líquidas y sólidas.
Cuadro 5.2
Poder calorífico de los combustibles líquidos
Sustancia
Alcohol metílico
Etanol
aceite combustible, aceite
q
Cuadro 5.3
Valor calorífico de los combustibles sólidos
Sustancia
madera fresca
madera seca
carbón marron
Turba seca
Antracita, coque
q
fórmula de Mendeleiev
Si se desconoce el poder calorífico del combustible, entonces se puede calcular utilizando la fórmula empírica propuesta por D.I. Mendeleev. Para hacer esto, necesita conocer la composición elemental del combustible (la fórmula equivalente del combustible), es decir, el porcentaje de los siguientes elementos en él:
Oxígeno (O);
hidrógeno (H);
carbono (C);
azufre (S);
Cenizas (A);
Agua (W).
Los productos de combustión de los combustibles siempre contienen vapor de agua, formado tanto por la presencia de humedad en el combustible como durante la combustión del hidrógeno. Los productos de desecho de la combustión salen de la planta industrial a una temperatura superior a la temperatura del punto de rocío. Por lo tanto, el calor que se libera durante la condensación del vapor de agua no puede utilizarse de forma útil y no debe tenerse en cuenta en los cálculos térmicos.
Para el cálculo se suele utilizar el poder calorífico neto. Q norte combustible, que tiene en cuenta las pérdidas de calor con el vapor de agua. Para combustibles sólidos y líquidos, el valor Q norte(MJ/kg) se determina aproximadamente por la fórmula de Mendeleev:
Q norte=0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)
donde el contenido porcentual (% en masa) de los elementos correspondientes en la composición del combustible se indica entre paréntesis.
Esta fórmula tiene en cuenta el calor de las reacciones de combustión exotérmica de carbono, hidrógeno y azufre (con un signo más). El oxígeno, que forma parte del combustible, reemplaza parcialmente al oxígeno del aire, por lo que el término correspondiente en la fórmula (5.1) se toma con signo menos. Cuando la humedad se evapora, se consume calor, por lo que el término correspondiente que contiene W también se toma con un signo menos.
La comparación de los datos calculados y experimentales sobre el poder calorífico de diferentes combustibles (madera, turba, carbón, petróleo) mostró que el cálculo según la fórmula de Mendeleev (5.1) da un error que no excede el 10%.
Valor calorífico neto Q norte(MJ / m 3) de gases combustibles secos se puede calcular con suficiente precisión como la suma de los productos del poder calorífico de los componentes individuales y su porcentaje en 1 m 3 de combustible gaseoso.
Q norte= 0.108[Н 2 ] + 0.126[СО] + 0.358[CH 4 ] + 0.5[С 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)
donde se indica entre paréntesis el contenido porcentual (vol.%) de los gases correspondientes en la mezcla.
El poder calorífico medio del gas natural es de aproximadamente 53,6 MJ/m 3 . En los gases combustibles producidos artificialmente, el contenido de CH 4 metano es insignificante. Los principales componentes combustibles son hidrógeno H 2 y monóxido de carbono CO. En el gas de coquería, por ejemplo, el contenido de H 2 alcanza (55 ÷ 60)%, y el poder calorífico neto de dicho gas alcanza 17,6 MJ/m 3 . En el gas generador, el contenido de CO ~ 30% y H 2 ~ 15%, mientras que el poder calorífico neto del gas generador Q norte= (5,2÷6,5) MJ/m 3 . En el gas de alto horno, el contenido de CO y H 2 es menor; magnitud Q norte= (4,0÷4,2) MJ/m 3 .
Considere ejemplos de cómo calcular el valor calorífico de las sustancias utilizando la fórmula de Mendeleev.
Determinemos el valor calorífico del carbón, cuya composición elemental se da en la Tabla. 5.4.
Cuadro 5.4
Composición elemental carbón
Sustituyamos lo dado en tab. 5.4 datos en la fórmula de Mendeleev (5.1) (el nitrógeno N y la ceniza A no están incluidos en esta fórmula, ya que son sustancias inertes y no participan en la reacción de combustión):
Q norte=0,339∙37,2+1,025∙2,6+0,1085∙0,6–0,1085∙12–0,025∙40=13,04 MJ/kg.
Determinemos la cantidad de leña necesaria para calentar 50 litros de agua de 10°C a 100°C, si el 5% del calor liberado durante la combustión se gasta en calefacción, y la capacidad calorífica del agua Con\u003d 1 kcal / (kg ∙ grado) o 4.1868 kJ / (kg ∙ grado). La composición elemental de la leña se da en la Tabla. 5.5:
Cuadro 5.5
Composición elemental de la leña
Encontremos el poder calorífico de la leña según la fórmula de Mendeleev (5.1):
Q norte=0,339∙43+1,025∙7–0,1085∙41–0,025∙7= 17,12 MJ/kg.
Determine la cantidad de calor que se gasta en calentar agua al quemar 1 kg de leña (teniendo en cuenta que el 5% del calor (a = 0.05) liberado durante la combustión se gasta en calentarla):
q 2 = un Q norte=0,05 17,12=0,86 MJ/kg.
Determine la cantidad de leña necesaria para calentar 50 litros de agua de 10 °C a 100 °C:
kg.Por lo tanto, se requieren alrededor de 22 kg de leña para calentar agua.
