Расчет теплотворной способности топлива. Задачи 50 — 54

Возможность использования вещества в качестве альтернативного топлива 

 

 

Видео:Энергия топлива, удельная теплота сгорания топлива. Практическая часть - решение задачи. 8 класс.Скачать

Энергия топлива, удельная теплота сгорания топлива. Практическая часть - решение задачи. 8 класс.

Как правильно рассчитать теплотворную способность топлива (топливно-воздушной смеси)

 

 

Сравнительные характеристики (QН, Lовозд., qН)бензина
1. Низшая теплотворная способность QН = 43,3 – 44,0 МДж/кг;
2. Стехиометрическая потребность воздуха в процессе сгорания Lовозд. = 14,9;
3. Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси qН = 3439 – 3910 кДж/м3.

Теплота сгорания топлива – это тепловой эффект химической реакции сгорания топлива в воздухе. При составлении уравнения этой реакции необходимо учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Так как на 1 моль кислорода в воздухе приходится 3,75 моля азота, реакция сгорания топлива может быть выражена следующим уравнением:

CnHmOr + (n + m/4 — r/2)•(O2 + 3,75N2) → nCO2(г) + m/2H2O(ж) + (n + m/4 — r/2)•3,75N2(г), где

CnHmOr — органическое вещество (топливо);
n — число атомов углерода;
m — число атомов водорода;
r — число атомов кислорода.

Согласно первому закону термодинамики, высшая теплота сгорания топлива:

QB = ∆Носгор.топлива, где

∆Носгор.топлива — высшая энтальпия сгорания топлива при стандартных условиях.

∆Носгор.топлива = (∑∆Нокон.прод — ∑∆Ноисх.веществ).

Высшая удельная теплота сгорания топлива (теплотворная способность топлива) QВ (кДж/кг топлива) рассчитывается по уравнению:

QB = ΔНоВ/(M.10-3), где

ΔНоВ — высшая энтальпия сгорания топлива (ΔНоВ = ∆Носгор.топлива), кДж/моль;
М — масса моля топлива, г/моль.

Низшая энтальпия сгорания топлива ΔНоН (кДж/моль топлива) рассчитывается по уравнению реакции (1):

∆НоН = ∑∆Нокон.прод — ∑∆Ноисх.веществ 

Низшая энтальпия сгорания топлива отличается от высшей на величину энтальпии конденсации водяного пара (∆Ноконд.2О)пар = -44,01 кДж/моль:

∆НоН = ΔНоВ — ∆Ноконд.2О)пар

Низшая удельная теплота сгорания топлива QН (кДж/кг топлива) составит:

QH = ΔНоН/(M.10-3), где

М — масса моля топлива, г/моль.

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым.
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха/кг топлива) для реакции (1) рассчитывается по уравнению:

Lовозд. = (n + m/4 — r/2) • [М(O2) + 3,75M(N2)]/Мтоплива, где

М(O2), M(N2)], Мтоплива – масса моля кислорода, азота и топлива соответственно, г/моль.

Количество топливовоздушной смеси (М1, моль) для реакции (1) равно:

М1 = 1 моль топлива + (n + m/4 — r/2)•(O2 + 3,75N2).

Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси (калорийность стехиометрической смеси топлива с воздухом, qН, кДж/м3) рассчитывается как отношение низшей теплоты сгорания единицы топлива к общему количеству горючей смеси: 

qH = ∆НоН/[M1.22,4.10-3)].

Полученные результаты сравниваются с характеристиками бензина (приведенными выше) и веществом, предлагаемого в качестве альтернативного топлива. Затем, делается вывод о возможности использования данного вещества в качестве топлива. 


Видео:Урок 114 (осн). Удельная теплота сгорания топлива. КПД нагревателяСкачать

Урок 114 (осн). Удельная теплота сгорания топлива. КПД нагревателя

 Примеры расчетных задач на возможность использования вешества в качестве альтернативного топлива 

 

Задача 50.
На основании зависимости эксплуатационных свойств и от физико-химических характеристик и термодинамических расчетов рассмотреть возможность использования изопропилового спирта в качестве альтернативного топлива или добавки к традиционным видам топлив.
Решение:
М(С3Н7ОН) = 60,0952 г/моль;
∆Носгор.3Н7ОН) =  –2003,8 кДж/моль.

1. Реакция горения в воздухе:

С3Н7ОН(ж) + 4,5(O2 + 3,75N2)(г) = 3CO2(г) + 4H2O(ж) + 16,8755N2(г).

2. Табличное значение стандартной энтальпии сгорания изопропилового спирта ΔНосгор. = –2003,8 кДж/моль.  

Следовательно, высшая энтальпия сгорания топлива (ΔНоВ = ∆Носгор.топлива = –2003,8 кДж/моль С3Н7ОН.

3. Высшая теплота сгорания топлива QВ

QB = 2003,8/(60.10-3) = 33,40 МДж/кг С3Н7ОН.

4. Низшая энтальпия сгорания (∆НоН, кДж /моль топлива) отличается от высшей на величину энтальпии конденсации водяного пара 
∆Ноконд.Н2О(пара) = –44,01 кДж/моль. Поэтому

∆НоН = ∆Носгор.топлива — ∆Ноконд.Н2О(пара) = -2003,8 + 4.44,01 = -1827,76.

5. Низшая теплота сгорания топлива (МДж/кг топлива):

QH = ∆НоН/(M.10-3) = -1827,76/(60.10-3) = 30,46.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха/кг топлива):

Lовозд. = (n + m/4 — r/2) • [М(O2) + 3,75M(N2)]/Мтоплива, где

М(O2), M(N2)], Мтоплива – масса моля кислорода, азота и топлива соответственно, г/моль.

Тогда

Lовозд. = 4,5(32 + 3,75. 28)]/60 = 10,275

7. Количество топливовоздушной смеси (М1, моль):

М1 = 1 моль топлива + 4,5(1 + 3,75) = 22,375 моль.

8. Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси (qН, кДж/м3), она же калорийность стехиометрической смеси топлива с воздухом:

qH = ∆НоН/[M1.22,4.10-3)] = -1827,76/[22,375 22,4.10-3)] = 3817,37 кДж/м3.

Выводы:
1) Судя по калорийности стехиометрической смеси изопропилового спирта с воздухом, его вполне можно применять как альтернативное топливо. 


Задача 51.
На основании зависимости эксплуатационных свойств и от физико-химических характеристик и термодинамических расчетов рассмотреть возможность использования метана в качестве альтернативного топлива или добавки к традиционным видам топлив.
Решение:
М(СН4) = 16 г/моль;
∆Носгор.(СН4) =  –890,31  кДж/моль;
1. Реакция горения в воздухе:

СН4(г) + 2(O2 + 3,75N2)(г) = CO2(г) + 2H2O(ж) + 7,5N2(г).

2. Табличное значение стандартной энтальпии сгорания метана ΔНосгор. = –890,31 кДж/моль.  

Следовательно, высшая энтальпия сгорания топлива (ΔНоВ = ∆Носгор.топлива = –890,31 кДж/моль С3Н7ОН.

3. Высшая теплота сгорания топлива QВ

QB = 890,31/(16.10-3) = 55,64 МДж/кг СН4.

4. Низшая энтальпия сгорания (∆НоН, кДж /моль топлива) отличается от высшей на величину энтальпии конденсации водяного пара 

∆Ноконд.Н2О(пара) = –44,01 кДж/моль. Поэтому

∆НоН = ∆Носгор.топлива — ∆Ноконд.Н2О(пара) = –890,31 + 2.44,01 = -802,29 кДж/моль.

5. Низшая теплота сгорания топлива (МДж/кг топлива):

QH = ∆НоН/(M.10-3) = -802,29/(16.10-3) = 50,14.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха/кг топлива):

Lовозд. = (n + m/4 — r/2) * [М(O2) + 3,75M(N2)]/Мтоплива, где

М(O2), M(N2)], Мтоплива – масса моля кислорода, азота и топлива соответственно, г/моль.

Тогда

Lовозд. = 2(32 + 3,75 . 28)]/16 = 17,125

7. Количество топливовоздушной смеси (М1, моль):

М1 = 1 мольтоплива + 2(1 + 3,75) = 10,5 моль.

8. Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси (qН, кДж/м3), она же калорийность стехиометрической смеси топлива с воздухом:

qH = -∆НоН/[M122,4.10-3)] = 802,29/[10,5 . 22,4.10-3)] = 3411 кДж/м3.

Выводы:
1) Судя по калорийности стехиометрической смеси метана с воздухом, его вполне можно применять как альтернативное топливо. 


Расчет теплотворной способности газзобразного топлива

 

Задача 52.
В печи сожгли смесь, в которой было 25% измельчённого угля, остальное – отходы древесины. Какова была теплотворная способность этой смеси?
Решение:
q1(уголь) = 30,0 мДж/кг;
q2(отходы древесины) = 10,0 мДж/кг.
Q = qw%(уголь) + qw%(дерево) = (30 0,25) + (10 0,75) = 15 мДж/кг = 15 000 000 Дж/кг, где

Q — теплотворная способность топлива;
q1 -удельная теплота сгорания угля;
q2 -удельная теплота сгорания древесных отходов;
w%(уголь) и w%(дерево) — соответственно, массовые доли угля и древесины в смеси для сжигания.


Как правильно рассчиать  массу заправленного в бак топлива

Задача 53.
В топливный бак залили при температуре 15 оС 30 л бензина АИ-95 (р420 = 0,7650 г/мл). Исходя из уравнения Д.И. Менделеева (температурную поправку найти по таблице), рассчитайте массу заправленного в этих условиях бензина.
Решение:
Для рассчета используем формулу Менделеева:

р4(t) = p4(20) — a(t — 20), где 

р4(t) — относительная плотность нефти (нефтепродукта) при температуре испытания t, оС; 
p4(20) — плотность нефтепродукта при стандартных условиях (у нас 0,7650 г/мл = или 765 кг/м3;
а — средняя температурная поправка плотности (ее мы найдем по таблице, получим: 0,000818); 
t — температура испытания, оС ( у нас 15 оС). 

Тогда

р4(15) = p4(20) — a(t — 20) = 0,7650 — 0,000818(5 — 20) = 0,7650 — 0,0127 = 0,77727 г/л.
По формуле: m = р•V, рассчитаем массу бензина, получим:

mтоплива = р•V = р4(5) V = 0,77727 г/л . 30 л = 23,3 кг.

Ответ: mтоплива = 23,3 кг.
 


Определение потери тепла с уходящими газами

 

Задача 54.
Определить по формуле: q2 = 0,01(t — tВ)Z,% потерю тепла с уходящими газами если СО2 = 9%, СО = 0,2%, СН4 = 0,1%, Н2 = 0,3%, О2 = 4,4%, N2 = 86% температура уходящих газов равна 320 °С, температура воздуха равна 20 °С, Z = 5,05.
Решение:
Таким образом, при снижении температуры продуктов сгорания с 300 до 20 °С экономия топлива в результате снижения потерь тепла составит:

q2 = 0,01(t — tВ)Z% = 0,01(320 °С — 20 °С)5,05% = 15,15%, где
q2 — потеря тепла с продуктами сгорания; 
t — температура продуктов сгорания (уходящих газов), оС;
tВ — температура воздуха поступающего к горелкам, оС;
Z – табличная величина, зависящая от содержания СО2 в продуктах сгорания и их температуры, определяется по таблице Равича;
  
Теперь по формуле Д.И. Менделеева рассчитаем низшую теплотворность смеси газов, получим:

q1 = 0,126(CO) + 0,358(CH4) + 0,108(H2) = (0,126 . 0,2) + (0,358 . 0,1) + (0,108 . 0,3) = 0,0934 МДж/м3.

Тогда потеря теплоты составит:

Qпотери = (q2 . q1)/100% = (15,15% . 0,0934 МДж/м3)/100% = 0,01415 МДж/м3.

Таким образом, потеря тепла будет составлять 0,01415 МДж/м3.

 


 

📹 Видео

Энергия топлива, удельная теплота сгорания топлива. 8 класс.Скачать

Энергия топлива, удельная теплота сгорания топлива. 8 класс.

Физика 8 класс : Расчет количества теплоты сгорания топливаСкачать

Физика 8 класс : Расчет количества теплоты сгорания топлива

Физика. Объяснение темы "Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива"Скачать

Физика. Объяснение темы "Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива"

Урок 109 (осн). Задачи на вычисление количества теплотыСкачать

Урок 109 (осн). Задачи на вычисление количества теплоты

Теплота сгорания топливаСкачать

Теплота сгорания топлива

Сгорание топлива 8 классСкачать

Сгорание топлива 8 класс

ФИЗИКА 8 класс : Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении телаСкачать

ФИЗИКА 8 класс : Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении тела

8 класс урок №8 Энергия топлива Удельная теплота сгорания топливаСкачать

8  класс урок №8  Энергия топлива  Удельная теплота сгорания топлива

Урок 115 (осн). Задачи на удельную теплоту сгорания и КПД нагревателяСкачать

Урок 115 (осн). Задачи на удельную теплоту сгорания и КПД нагревателя

8 класс, 6 урок, Энергия топлива Удельная теплота сгоранияСкачать

8 класс, 6 урок, Энергия топлива  Удельная теплота сгорания

Количество теплоты, удельная теплоемкость вещества. 8 класс.Скачать

Количество теплоты, удельная теплоемкость вещества. 8 класс.

Физика 8 класс. §10 Энергия топлива. Удельная теплота сгоранияСкачать

Физика 8 класс. §10 Энергия топлива. Удельная теплота сгорания

Энергия топлива Удельная теплота сгоранияСкачать

Энергия топлива  Удельная теплота сгорания

Энергия топливаСкачать

Энергия топлива

Тепловые явления. Тема 5. Горение. Удельная теплота сгорания топлива. Решение задач по теме ГорениеСкачать

Тепловые явления. Тема 5. Горение. Удельная теплота сгорания топлива. Решение задач по теме Горение

Теория и практика сжигания топливаСкачать

Теория и практика сжигания топлива

Физика 8 класс (Урок№10 - Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей.)Скачать

Физика 8 класс (Урок№10 - Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей.)

Удельная теплота сгорания топлива. Видеоурок 9. Физика 8 классСкачать

Удельная теплота сгорания топлива. Видеоурок 9. Физика 8 класс
Поделиться или сохранить к себе:
Конспекты лекций по химии