Топливо и его виды

Топливо и его  виды 

Вся история  развития человечества связана с  получением и использованием энергии. С древнейших времен люди научились  использовать различные виды топлива  для обогрева жилища и приготовления  еды. В более поздние периоды  тепловую энергию использовали для изготовления из меди, бронзы, железа и других металлов предметов быта, инструментов, оружия т.п. 

Вообще, формулировка "топливо" включает все вещества, которые дают при сжигании большое  количество теплоты. Наиболее распространены в природе и добываются промышленным способом такие виды топлива, как нефть и нефтепродукты (керосин, бензин, мазут, дизельное топливо) , уголь, природный горючий газ, древесина и растительные отходы (солома, лузга и т.п.) , торф, горючие сланцы, а в настоящее время и вещества, используемые в ядерных реакторах на АЭС и ракетных двигателях.

Обычно классификацируют топливо по его агрегатному состоянию: твердое (уголь, торф, древесина, сланцы) , жидкое (нефть и нефтепродукты) и газообразное (природный газ). Также  можно разделить виды топлива и по его происхождению: растительное, минеральное и продукты промышленной переработки. 

Свойства топлива  зависят главным образом от его  химического состава, основным элементом  любого топлива природного происхождения  является углерод (его содержание составляет от 30 до 85% массы) . В состав топлива также входят H, O, N, S, зола, вода. 

Практическая  ценность топлива определяется количеством  теплоты, выделяющейся при его полном сгорании. Так, при сжигании 1 кг древесины  выделяется теплота, равная 10,2 МДж, каменного угля - 22 МДж, бензина - 44 МДж. Эта величина прямо зависит от содержания в топливе углерода и водорода и обратно - от содержания кислорода и азота. Другая важнейшая характеристика топлива - его жаропроизводительность, оцениваемая значением максимальной температуры, какую теоретически можно получить при полном сгорании топлива в воздухе. При сгорании дров, например, максимальная температура не превышает 1600 С, каменного угля - 2050 С, бензина - 2100 С. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Теплота сгорания топлива. Условное топливо. Количество воздуха необходимое для горения топлива.

О качестве топлива  судят по его теплоте сгорания. Для характеристики твердых и  жидких видов топлива служит показатель удельной теплоты сгорания, который  представляет собой количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг). Для газообразных видов топлива применяется показатель объемной теплоты сгорания, представляющий собой количество теплоты выделяемое при сгорании единицы объема (кДж/м3). Кроме того, газообразное топливо в ряде случаев оценивают по количеству теплоты, выделяемой при полном сгорании одного моля газ (кДж/моль).

Теплоту сгорания определяют не только теоретически, но и опытным путем, сжигая определенное количество топлива в специальных  приборах, называемых калориметрами. Теплоту сгорания оценивают по повышению температуры воды в колориметре. Результаты, полученные этим методом, близки к значениям, рассчитанным по элементарному составу топлива.

При сжигании одинаковых масс различных видов топлива выделяется различная теплота сгорания. Поэтому для удобства сравнительной оценки введено понятие условного топлива. За единицу его принято топлива, при полном сгорании 1 кг или 1 м3 которого выделяется 29307,6 кДж. Таким топливом является донецкий каменный уголь.

Горение – химический процесс соединения горючего вещества и окислителя. Практически горение  представляет собой окисление топлива  кислородом воздуха. В результате этого  процесса выделяется определенное количество тепловой энергии и резко повышается температура.

Процесс горения  топлива может протекать как  при не достатке, так и при избытке  окислителя. Топливо полностью сгорает  при стехиометрическом соотношении  топлива и окислителя, которое  соответствует уравнениям химических реакций окисления горючих элементов. Для того чтобы судить о полноте сгорания топлива, необходимо знать: количество воздуха, теоретически необходимого для горения топлива; действительное количество воздуха, которое потребуется для полного сгорания топлива; теоретическую температуру горения; состав продуктов сгорания.

Количество кислорода, теоретически необходимое для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива  может быть подсчитано на основании  стехиометрических соотношений  для реакций горения элементов  горючей массы топлива 

В этом случае предполагается, что содержащийся в топливе кислород полностью затрачивается на горение. В действительности же при сжигании топлива подводится не чистый кислород, а воздух, в котором содержится лишь 23,2 % кислорода по массе. 

Однако в реальных условиях невозможно добиться полного  сгорания топлива при наличии  только теоретически необходимого количества воздуха. Поэтому, для полного сгорания топлива в двигатели внутреннего  сгорания подают несколько большее  количество воздуха, по сравнению с теоретически рассчитанным, называемое действительным.

Действительное  количество воздуха при сгорании топлива определяют с помощью  специальных газовых счетчиков  или по коэффициенту избытка воздуха.

Коэффициентом избытка воздуха называется отношение количества воздуха действительно израсходованного на сгорание топлива Qд, к количеству воздуха теоретически рассчитанного необходимого для полного сгорания топлива Qт  

Уменьшение коэффициента избытка воздуха по отношению  к его оптимальному значению приводит к повышенному расходу топлива за счет не полного его сгорания. При чрезмерном увеличении коэф. избытка воздуха процесс сгорания будет менее эффективным из-за потерь на нагрев избыточного воздуха. Температуру, которую приобретают газообразные продукты сгорания, называют температурой горения топлива.

Процесс горения  можно определять по составу продуктов  сгорания топлива. Так, отсутствие в  продуктах сгорания оксида углерода СО свидетельствует о полном сгорании топлива, и наоборот.

Для определения  состава продуктов сгорания предназначены специальные приборы, которые позволяют в контролируемой трубе определить содержание углекислого газа СО2, оксида углерода СО и кислорода О2.

Так для карбюраторных  двигателей содержание СО не должно превышать 1,5 % по массе от всех выхлопных газов, на минимальных оборотах холостого хода, и 2,0 % при повышенной частоте вращения коленчатого вала. Повышенная частота вращения коленчатого вала указывается в технических условиях эксплуатации для каждого двигателя индивидуально. А в общем случае она лежит в диапазоне от 2000 мин–1 до 0,8 частоты коленчатого вала, при которой двигатель развивает максимальную мощность. Однако во время эксплуатации при контрольных проверках на линии, допускается содержание СО до 3 % при минимальной частоте вращения коленчатого вала.

Дымность дизельных  двигателей в эксплуатации не должна превышать 40 % в режиме свободного ускорения  и 15 % при минимальной частоте  вращения коленчатого вала. Содержание углеводородов не должно превышать 1200 объемных частей на 1 млн. объемных частей воздуха для двигателей с числом цилиндров до четырех включительно, и 3000 объемных частей на 1 млн. объемных частей воздуха для двигателей с числом цилиндров более четырех на минимальных оборотах холостого хода. 
Условное топливо. Дж/кг 

Порох        3.8·106 [2]

 Торф                                                               8.1·106 [1], 15·106 [4]

 Дрова (березовые,  сосновые)                                          10.2·106 [1]

 Щепа (опил)                                                                                9.7·106 [1]

 Бурый уголь                                                          15·106 [1], 14,7·106 [4]

 Бытовой газ                                                                              31.8·106 [3]

 Каменный  уголь                                                 22·106 [1], 29,3·106 [4]

 Спирт этиловый                                                                      25·106 [4]

 Метанол                                                                               22.7·106 [4]

 Условное  топливо                                      29.308·106 (7000 ккал/кг)  [1]

 Древесный  уголь                                                                       31·106 [4]

 Мазут                                                                                             39.2·106 [1]

 Нефть                                                                                     41·106 [4]

 Керосин                                                                                  40,8·106 [4]

 Дизельное  топливо                                                                      42.7·106 [4]

 Бензин                                                                  44·106 [1], 42·106 [4]

 Пропан                                                                                47.54·106 [3]

 Этилен                                                                                  48.0·106 [3]

 Метан                                                                                  50.1·106 [3]

 Водород                                                                                120.9·106 [3]