Лекции по "Теплотехнике"

Рудничный газ

 
http://allfuel.ru/c898.htmlРудничный газ - горючий  газ, выделяющийся в каменноугольных  шахтах, реже в соляных, металлорудных  и серных рудниках. Р. г. бесцветен,  легче воздуха, так как состоит  в основном из метана, содержит  также азот, неон, аргон, водород,  углекислый газ, следы этана,  пропана, этилена и других углеводородов.  Возникает в месторождениях полезных  ископаемых в результате разложения  органических веществ под воздействием  микроорганизмов, тепла, давления, иногда радиации.

Болотный газ

 
http://allfuel.ru/c899.htmlБолотный газ - бесцветный  газ с очень слабым запахом,  простейший углеводород, образующийся  в стоячей воде от гниения  растительных остатков. Образуется  при брожении клетчатки и других  растительных остатков в болотном  иле без доступа воздуха под  влиянием бактерий. Содержит метан  CH4 и небольшие количества N2 и  СО2.

Биогаз

 
http://allfuel.ru/c900.htmlБиогаз — это газ,  который получается метановым  брожением биомассы. Разложение  биомассы на компоненты происходит  под воздействием 3-х видов бактерий. В цепочке питания последующие  бактерии питаются продуктами  жизнедеятельности предыдущих. Первый  вид — бактерии гидролизные,  второй кислотообразующие, третий  — метанообразующие. В производстве  биогаза участвуют не только  бактерии класса метаногенов,  а все три вида. Биогаз - смесь  газов, в которой преобладают  метан (55-65%) и диоксид углерода (35-45%). Биогаз образуется в процессе  анаэробного разложения навоза, соломы и других органических  отходов. Как источник энергии  Биогаз получается в специальных  установках (метантенках), в которых сбраживается биомасса остатков продуктов растениеводства, животноводства, навоз, фекалии и т. д.

Лэндфилл-газ

 
http://allfuel.ru/c901.htmlЛэндфилл-газ — газ,  образующийся в результате анаэробного  разложения органических муниципальных  отходов. Гниение мусора происходит  под воздействием бактерий, принадлежащих  к двум большим семействам: асидогенов  и метаногенов. Асидогены производят  первичное разложение мусора  на летучие жирные кислоты,  метаногены перерабатывают летучие  жирные кислоты в метан CH4 и  диоксид углерода CO2. В результате  лэндфилл-газ состоит из примерно 50% метана CH4, 50% CO2, включая небольшие  примеси H2S и органических веществ.

Сергей Агапкин: "Похудеть на 9 кг за неделю можно, если пить утром..."

 

 1 2 3 4 5

Гидрат метана

 
http://allfuel.ru/c902.htmlГидрат метана –  это кристаллическая клатратная  структура из воды и метана. Актуальность всестороннего изучения  Гидрата метана связана с тем,  что он широко распространен  в природе и рассматривается  как перспективный источник топлива.  По некоторым оценкам мировые  запасы Гидрата метана могут  дать вдвое больше энергии,  чем можно получить из ископаемых  видов топлива. 

Водород

 
http://allfuel.ru/c903.htmlВодород - бесцветный  газ, без вкуса и запаха, по  виду не отличающийся от воздуха.  Впервые замечен он был Парацельсом  в первой половине XVI века; но только  Лемери, в конце XVII века, отличил  Водород от обыкновенного воздуха,  показав его горючесть. Более  подробно изучил это вещество  Кавендиш в прошлом столетии. Это самый легкий газ: один  литр Водород, при 0°и 760 мм. давления, весит 0,089538 гр. для широты 45° и  при уровне моря. Плотность относительно  воздуха - 0,06949, т. е. Водород  почти в 141/2 раз легче воздуха;  благодаря этому он удерживается  на некоторое время в сосуде, обращенном открытым горлом книзу,  и очень быстро улетает при  приведении сосуда в нормальное  положение. 

Сжатый природный  газ (CNG)

 
Сжатый природный газ CNG — это  практически чистый метан. Он транспортируется по магистральным газопроводам и  используется для тепло- и электростанций, промышленных предприятий, а также  для бытовых целей. По газопроводу  метан идет под давлением 50–70 АТ. А в квартиры подается под низким давлением, чуть превышающим атмосферное.

Продукты газификации  твёрдого топлива

 
http://allfuel.ru/c905.htmlГазификация топлив, превращение твёрдого или жидкого  топлива в горючие газы путём  неполного окисления воздухом (кислородом, водяным паром) при высокой  температуре. При Газификация  топливо получают главным образом  горючие продукты (окись углерода  и водород).Газифицировать можно  любое топливо: ископаемые угли, торф, мазут, кокс, древесину и  др. Газификация топливо проводят  в газогенераторах; получаемые  газы называются генераторными.  Их применяют как топливо в  металлургических, керамических, стекловаренных  печах, в бытовых газовых приборах, двигателях внутреннего сгорания  и др. Кроме того, они служат  сырьём для производства водорода, аммиака, метанола, искусственного  жидкого топлива и др.

Смеси

 
Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих  газов. Горючая часть состоит  из предельных (?СnH2n+2) и непредельных (?СnH2n) углеводородов, водорода Н2, окиси  углерода СО, и сернистого водорода (Н2S). В состав негорючих элементов  входит азот (N2), углекислый газ (СO2)и  кислород (О2). Составы природного и  искусственного газообразных топлив различны. Природный газ характеризуется  высоким содержанием метана (СH4), а также небольшого количества других углеводородов: этана (С2H6), пропана (С3H8), бутана (С4H10), этилена (С2H4), и пропилена (С3H6). В искусственных газах содержание горючих составляющих (водорода и  окиси углерода) достигает 25-45%, в  балласте преобладают азот и углекислота  – 55-75%.

4.     
Нетипичные топлива

 
 
 
Ракетное топливо - вещество или  совокупность веществ, представляющих собой источник энергии и рабочего тела для ракетного двигателя. Ракетное топливо должно удовлетворять следующим  основным требованиям: иметь высокий  удельный импульс, высокую плотность, требуемое агрегатное состояние  компонентов в условиях эксплуатации, должно быть стабильным, безопасным в  обращении, нетоксичным, совместимым  с конструкционными материалами, иметь  сырьевые ресурсы и др. Ядерное  топливо, которое используется в  ядерных реакторах для осуществления  ядерной цепной реакции деления. Существует только одно природное ядерное  топливо — урановое, которое содержит делящиеся ядра 235U, обеспечивающие поддержание цепной реакции (ядерное  горючее), и т. н. "сырьевые" ядра 238U, способные, захватывая нейтроны, превращаться в новые делящиеся ядра 239U, не существующие в природе вторичное  горючее. 
 

Ядерное топливо

 
http://allfuel.ru/c919.htmlЯдерное топливо - различные химические и физические  формы УРАНА и ПЛУТОНА, используемые  в ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ. Жидкие  виды топлива применяются в  гомогенных реакторах; в гетерогенных  реакторах используются различные  формы топлива - чистые металлы  и сплавы, а также оксиды и  карбиды. Ядерное топливо обязательно  должно иметь высокую теплопроводность, быть устойчивым к радиационному  повреждению и доступным для  производства. Служит для получения  энергии в ядерном реакторе. Обычно  представляет собой смесь веществ  (материалов), содержащих делящиеся  ядра (например, 239Pu, 235U). Иногда ядерное  топливо называют также ядерным  горючим. 

Термоядерное топливо

 
Термоядерное топливо - относящийся  к ядерным реакциям при сверхвысоких температурах. Термоядерная установка. Термоядерное оружие. Термоядерное топливо. Термоядерная реакция (реакция слияния  атомных ядер лёгких элементов, протекающая  при сверхвысоких температурах и  сопровождающаяся огромным выделением энергии. Термоядерная реакция реакция  слияния (синтеза) легких атомных ядер в более тяжелые, происходящая при  сверхвысоких температурах и сопровождающаяся выделением огромного количества энергии.

Ракетное топливо

 
http://allfuel.ru/c921.htmlРакетное топливо  — вещество, комбинация, или смесь  веществ используемое в двигателях  ракет самых разнообразных конструкций  и принципа действия для получения  реактивной тяги и ускорения  ракеты. Понятие ракетного топлива  в настоящее время имеет очень  широкое толкование, так как с  развитием ракетной техники и  разработкой ракетных двигателей  основаных на различных принципах,  появились новые способы ускорения  рабочих тел. Так например ядерный  ракетный двигатель, ионный и  т. д. Поэтому понятие ракетного  топлива как некой горючей  жидкости и окислителя не будет  отражать весь возможный диапазон  ракетных топлив, от химических  одно- и двухкомпонентных, до ядерных  и термоядерных, а также использования  антивещества. Ракетное топливо  подразделяется на разнообразные  группы, типы и виды, и такое  же подразделение имеет место  при рассмотрении отдельных видов  ракетных топлив.  
 
 
 
5.Перспективы развития. Биотоплива. 
В мире все больше говорят о необходимости замены нефти, угля и газа на биотоплива. Отголоски уже доходят и до России, где, впрочем, пока немногие понимают, что же это такое на самом деле. В прессе иногда можно встретить рассказы о чудесных веществах, совершенно не загрязняющих окружающую среду и более эффективных, чем бензин, керосин и дизельное топливо. 
 
В действительности ничего принципиально нового в биотопливах нет. Биотоплива использовались тысячелетиями и для многих остаются единственным источником тепла и средством приготовления пищи. Главным биотопливом были и остаются дрова, причем их экологичность совсем не очевидна - достаточно лишь вспомнить о неконтролируемой вырубке лесов. Впрочем, теперь под словом "биотоплива" редко подразумевают дрова. Речь, как правило, идёт о более высокотехнологичных продуктах, получаемых из сельскохозяйственных культур или отходов переработки растительного и животного сырья. С возобновляемостью у них все в порядке, чуть сложнее обстоит дело с вредными выбросами. Сторонники говорят, что биотоплива меньше загрязняют атмосферу, а противники возражают, что при сгорании биотоплив выделяются те же продукты, что и при сжигании ископаемых топлив. 
 
Истина же, как водится, лежит посередине. Действительно, в процессе сгорания и тех, и других топлив образуются, главным образом, углекислый газ, вода и несколько примесей, многие из которых являются вредными: моноксид углерода, оксиды азота, углеводороды и т.п. Наибольшее внимание обычно уделяется вредным компонентам выхлопа и одному из виновников парникового эффекта - углекислому газу. 
 
Одним из главных преимуществ биотоплив называют сокращение выбросов парниковых газов. Это, однако, не означает, что при сгорании биотоплив образуется меньше диоксида углерода (хотя и такое возможно). При сгорании биотоплива в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остаётся неизменным. Ископаемые топлива - совсем другое дело: углерод в их составе миллионы лет оставался "законсервированным" в земных недрах. Когда он попадает в атмосферу, концентрация углекислого газа повышается. 
 
В том, что касается вредных выбросов, биотоплива несколько выигрывают у нефтяных. Большинство исследований показывают, что биотоплива обеспечивают снижение выбросов моноксида углерода и углеводородов. Кроме того, биотоплива практически не содержат серы. Вместе с тем, несколько увеличивается выброс оксидов азота, вдобавок, при неполном сгорании многих биотоплив в атмосферу попадают альдегиды. Но, в целом, по уровню вредных выхлопов биотоплива выигрывают у нефтяных. 
 
Видов топлив из биомассы предлагается великое множество. Это и биогаз - метан, получаемый за счет разложения органических остатков (например, навоза) бактериями, и твердые топлива, но больше всего разговоров идет о биотопливах для автомобилей: этаноле и "биодизеле". 
 
Тем более, если брать нынешнюю цену за баррель нефти (около 100$), то открываются невостребованные возможности производства альтернативных видов топлива, которые доселе были попросту нерентабельны ввиду дороговизны. Повышение цены на нефть более чем в два раза за последние три года так или иначе должно было "вывести" в рентабельность ряд проектов, положенных ранее под сукно до лучших времён. 
Нефть – не единственное сырьё для получения высокооктановой органики для двигателя нашего автомобиля. Разумеется, ветряк на автомобиль не поставишь, равно как ядерный или термоядерный реактор; аккумуляторы для работы в качестве источника энергии для двигателя автомобиля, значительно усовершенствованные в последнее время в плане ёмкости, всё же пока не дают идеального решения. 
 
Раз уж природа, запасая на будущее ископаемые виды органики, не предусмотрела многочисленности людского племени и его алчности, придётся человечеству обратить свой взор на органику, растущую вокруг и самостоятельно придумывать способы создания горючки из подручных и, по возможности, возобновляемых источников. 
 
Логичный выход на ближайшее время – поиски среди альтернативных способов синтеза высокооктановой органики, без применения истощающихся ископаемых ресурсов. Способов таких множество, один из наиболее популярных ввиду сравнительно низкой себестоимости производства - это получение спирта средствами возобновляемых природных ресурсов, сиречь, из биомассы с грядки. Получаемый таким способом спирт можно заливать в бак в чистом виде, можно для дополнительной экономии смешивать с продуктами перегонки нефти. Всё бы хорошо, да мест с подходящим климатом, где можно выращивать кукурузу да пшеницу для перегонки в спиртовое топливо с достаточной рентабельностью, ограниченное количество. 
 
По сути, водоросли – это та же органика, прекрасно подходящая для получения биодизельного топлива , разве что, обеспечивает отличный выход биомассы на каждый квадратный метр культивируемых площадей - в отличие от "сухопутных" растений; не содержит серы и других токсичных веществ - в отличие от нефти; наконец, отлично разлагается микроорганизмами и, главное, обеспечивает высокий процент выхода готового к использованию топлива: для некоторых типов водорослей - до 50% от исходной массы! 
6.Использование Спиртов в качестве топлива. 
Использование спиртов в качестве топлива для автомобильных двигателей - давно не новость. Разработчики первых двигателей внутреннего сгорания уделяли спиртовым моторам не меньше внимания, чем бензиновым. Спирты имеют высокие октановые числа - более 100 единиц, но меньшую по сравнению с нефтяными топливами теплоту сгорания (при сгорании топлива выделяется меньше энергии, мощность падает, а расход топлива увеличивается).  
 
Использование спиртов в качестве топлива для автомобильных двигателей - давно не новость. Разработчики первых двигателей внутреннего сгорания уделяли спиртовым моторам не меньше внимания, чем бензиновым. Спирты имеют высокие октановые числа - более 100 единиц, но меньшую по сравнению с нефтяными топливами теплоту сгорания (при сгорании топлива выделяется меньше энергии, мощность падает, а расход топлива увеличивается). 
 
Начало крупномасштабной добычи нефти сделало применение спирта в качестве моторного топлива невыгодным. Спиртовые топлива стали нишевым продуктом: например, на метиловом спирте работают двигатели мотоциклов для спидвея и многих спортивных картов. Спиртовое автомобильное горючее пользуется определённой популярностью в Бразилии, где нет больших запасов нефти, но зато есть идеальные условия для выращивания сахарного тростника и производства из него дешевого спирта. 
 
Помимо этанола и метанола, в качестве моторных топлив предлагается использовать и другие спирты. Компании BP и Du Pont делают ставку на бутанол. 
 
Наибольшее внимание сейчас уделяется именно этиловому спирту. В лентах научно-технических и экономических новостей сообщения о планах по строительству новых заводов появляются чуть ли не каждый день. В США сахарный тростник не растет, поэтому главным источником биоэтанола должна стать кукуруза. "Царицей полей" дело, впрочем, не ограничивается: в ход планируется пустить все - от картофеля и пшеницы до различных органических отходов. Ряд стран планируют наладить экспорт биоэтанола в США и другие государства, заинтересованные в переходе на спиртовое горючее. Бразилия планирует к 2025 г. заменить тростниковым спиртом до 10% потребляемого в мире бензина. 
 
Бензиновые двигатели, в общем случае, не годятся для использования спиртового топлива, хотя конструктивные изменения для перевода их на спирт минимальны. Часто удается ограничиться использованием стойких к спиртам материалов и установкой элементов для отделения водяного конденсата. В настоящее время многие ведущие автопроизводители выпускают универсальные двигатели, способные работать на бензине, спирте или их смесях. При использовании смесей бензина с небольшим количеством спирта (до 10%) топливо, как правило, подходит и для обычных бензиновых двигателей. 
 
Именно смесевыми топливами сейчас наиболее увлечены в мире. Смеси бензина с этанолом обычно обозначают буквой E (от слова этанол) и числом, показывающим содержание спирта в процентах. Наиболее распространено топливо E10 или газохол, содержащее 10% этанола. Оно широко используется в Дании, Таиланде и других странах. В США топливо E10 набирает популярность из-за вступивших в силу ограничений на применение в бензине эфиров. 
7.     
Заключение. 
 
Несмотря на огромное разнообразие видов топлива, основными источниками энергии остаются нефть, природный газ, и уголь. Положение дел 100 лет назад было освещено Менделеевым. Первые два ископаемых топлива закончатся в ближайшем будущем. Нефтяные топлива обладают особой ценностью для транспортных средств (основных потребителей энергии), в силу удобства перевозки, поэтому в настоящий момент ведутся исследования по использованию угля для выработки жидких топлив, в том числе и моторных. Также огромны запасы ядерного топлива, однако его использование накладывает высокие требования к безопасности, высокие затраты на подготовку, эксплуатацию и утилизацию топлива и попутных материалов. 
 
Мировое потребление ископаемых топлив составляет около 12 млрд т. у.т. в год. По данным BP Statistical review of World Energy потребление ископаемого топлива составило:

• В Европейском союзе (EU-15) — 1396 млн тонн нефтяного эквивалента (2,1 млрд т. у.т.)
• 45 % — нефть, 25 % — газ (природный), 16 % — уголь, 14 % — ядерное топливо
• В США — 2235 млн тонн нефтяного эквивалента (3,4 млрд т. у.т.)
• 40 % — нефть, 27 % — газ (природный), 26 % — уголь, 8 % — ядерное топливо

 
Доля возобновимых источников энергии  в энергобалансах

• Европы — 5 %
• США — 2 %

 
По приблизительным оценкам энергопотребление  России составляет 1,3 млрд т. у.т. в год.

• 6 % — ядерное топливо
• 4 % — возобновимые источники

 
За последние 20 лет мировое энергопотребление  возросло на 30 % (и этот рост, по-видимому, продолжится в связи ростом потребности бурно развивающихся стран азиатского региона). В развитых странах за тот же период сильно изменилась структура потребления — произошло замещение части угля более экологичным газом (Европа и прежде всего Россия, где доля газа в потреблении составила до 40 %), а также возросла с 4 % до 10 % доля атомной энергии. 
 
После приведения цифр стоит указать пример Австралии, в балансе которой солнечная энергетика занимает около 30 %. Эту долю потребляет солевая промышленность, вырабатывающая продукцию естественным испарением на солнце. 
Источники

 
: кладировать необходимо: жидкое топливо, сжиженный газ, уголь, древесину и биомассу.  
 
- Жидкое топливо. Для хранения жидкого топлива требуется резервуар (резервуары) емкостью по меньшей мере 1-2 м3. Резервуары емкостью, превышающей 1 м3, запрещено устанавливать в помещении котельной. Для них нужно выделить другое помещение (склад) или установить его за пределами дома. В любом случае следует обеспечить возможность подъезда цистерны с жидким топливом к резервуару.  
 
- Сжиженный газ. Резервуар для сжиженного газа (независимо от размера) должен быть установлен за пределами дома (для обогрева большинства домов с потребностью в тепле до 30 кВт достаточно резервуара емкостью 3 м3). Правила безопасности требуют, чтобы он находился на расстоянии как минимум 3 м от других объектов и зданий, 5 м - от рвов, колодцев и входных канализационных отверстий. Резервуары со сжиженным газом, как и резервуары для жидкого топлива, могут быть размещены под землей, но такой вариант используется реже.  
 
- Уголь. Его можно хранить в любом помещении, но поскольку он тяжелый, а также представляет собой источник загрязнения, место его хранения следует расположить вдали от чистых помещений, но при этом как можно ближе к котельной и месту, к которому есть удобный подъезд для автомобиля, чтобы избежать обременительной переноски угля. Для обогрева дома площадью 100 м2 на отопительный сезон понадобится около 3 т угля со средней теплотой сгорания.  
 
- Древесина. Хранить ее нужно под навесом, причем достаточно большим, чтобы там поместилось топливо на весь отопительный сезон, а то и больше. Необходимо учитывать, что древесина не должна быть свежей, лучше, если она будет выдержана на протяжении полутора-двух лет. Для непрерывного обогрева дома площадью около 100 м2 (с использованием каминного вкладыша с системой РГВ) за отопительный сезон расходуется около 15 м3 древесины.  
 
- Солома. Пользователи котлов, работающих на соломе, из-за ее низкой калорийности могут иметь проблемы с размером склада для топлива. В результате сжигания брикета соломы размерами 0,4 х 0,4 х 0,8 м выделяется столько тепла, сколько мы получаем при сжигании около 7 кг каменного угля. Запас соломы на весь отопительный сезон для дома средних размеров займет очень много места. Кроме того, место хранения соломы должно быть защищено от осадков.  
 
Пеллеты. Все более популярны в последнее время пеллеты (гранулы из опилок). Они приблизительно в четыре раза тяжелее соломы, но учитывая их меньший объем, их проще транспортировать и хранить. Для обогрева дома площадью около 100 м2 понадобится около 3,5-5 т пеллет. Такой запас займет 5-8 м3.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ВОЗДУХА, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ  ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

 

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

Характерной особенностью горения является высокая  скорость протекания окислительных  реакций, при которых выделяемая теплота не успевает рассеиваться. Горение сложный процесс, при  котором химические реакции сопровождаются такими физическими процессами, как  перемешивание топлива и воздуха, диффузия, теплообмен.

Различают, гомогенные, гетерогенные и взрывное горения. В первом случае топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии, во втором вступающие в реакцию вещества находятся в различном агрегатном состоянии (например, в твердом или газообразном).

Процесс горения  топлива может протекать как  при недостатке, так и при избытке  окислителя. Полное сгорание топлива  происходит при стехнометрическом соотношении топлива, и окислителя, которые соответствуют химическим реакциям полного окисления горючих элементов.

Количество  кислорода, теоретически необходимое  для сгорания 1 кг твердого или жидкого  топлива, состава С, Н, S и О может быть подсчитано на основании уравнений реакций окисления (горения) элементов горючей массы топлива. Углерод реагирует с кислородом по уравнению С+О₂=СО₂ (12+32 → 44), то есть для сгорания 1 кг углерода необходимо 32/12=2,67 кг кислорода. Водород реагирует с кислородом в соответствии с уравнением 2Н₂+О₂=2Н₂О (4+32 → 36). Значит, для сгорания 1 кг водорода необходимо 32/4=8кг кислорода.

Сера реагирует  с кислородом по уравнению S+C₂=SO₂ (32+32 → 64), то есть для сгорания 1 кг серы требуется 32/32=1 кг кислорода. Значит, для полного сгорания 1кг топлива рассматриваемого элементного состава (в массовых процентах) потребуется кислорода (кг) 

 

O = (2,67C+8H+S-O)/100 (1.7) 

 

Предполагается, что содержащийся в топливе кислород полностью затрачивается на горении. На практике при сжигании топлива  подводится не чистый кислород, а воздух, в котором содержится лишь 23,2 процента кислорода по массе. В этом случае теоретически необходимое для полного  сгорания 1кг топлива количество воздуха (кг) может быть определено по выражению:  

 

Lтв = (2,67С+8Н+8-О)/23,2 (1.8) 

 

В случае, когда  количество воздуха определяют в  объемных единицах, то выражение нужно  разделить на плотность воздуха, равную 1,293 при нормальных условиях. Тогда теоретически необходимое  количество воздуха(м ) выразится так: