- Визначення та одиниці вимірювання
- Питома витрата палива
- Одиниці виміру
- Вища і нижча теплота згоряння палива
- Вимірювання енергоємності палива
- Питома теплота згоряння різних видів палива
Визначення та одиниці вимірювання
щільність енергії
Питома витрата палива
Одиниці виміру
Вища і нижча теплота згоряння палива
Вимірювання енергоємності палива
Конвертер щільності енергії і питомої теплоти згорання (за обсягом) використовується для перетворення одиниць декількох фізичних величин, які використовуються для кількісної оцінки енергетичних властивостей речовин в різних областях науки і техніки.
Визначення та одиниці вимірювання
щільність енергії
Щільність енергії палива, що також називається енергоємністю, визначається як кількість енергії, що виділяється при повному згорянні палива, на одиницю його маси або об'єму. На відміну від англійської мови, де є два терміни для позначення щільності енергії по масі і об'єму, в російській мові використовується один термін - щільність енергії, коли говорять про щільності енергії як за масою, так і за обсягом.
Таким чином, щільність енергії, питома теплота згоряння і енергоємність характеризують речовину або термодинамічну систему. Щільність енергії може характеризувати і систему, в якій ніякого згоряння взагалі не відбувається. Наприклад, енергія може зберігатися в літієвої батареї або літій-іонному акумуляторі в формі хімічної енергії, іоністорів або навіть в звичайному трансформаторі в формі енергії електромагнітного поля і в цьому випадку теж можна говорити про щільність енергії.
Трансформатори і конденсатори можуть короткочасно зберігати електричну енергію і можна говорити про щільність енергії в них
Питома витрата палива
Питома витрата палива - це також енергетична характеристика, але вже не речовини, а конкретного двигуна, в якому паливо згорає для перетворення хімічної енергії палива в корисну роботу по переміщенню транспортного засобу. Питома витрата дорівнює відношенню витрат палива в одиницю часу до потужності (для автомобільних двигунів) або до тяги (для авіаційних і ракетних двигунів, що створюють тягу; сюди не входять авіаційні поршневі і турбогвинтові двигуни). В англійській термінології чітко розділяють два види питомої витрати палива: питома витрата (витрата палива на одиницю часу) на одиницю потужності (англ. Brake specific fuel consumption) або на одиницю тяги (англ. Thrust specific fuel consumption). Слово «гальмо» (англ. Brake) вказує на те, що питома витрата палива визначається на динамометричному стенді, основним елементом якого є гальмівний пристрій.
Термін «питома витрата палива на одиницю тяги» є мірою ефективності будь-якого двигуна, в якому паливо спалюється для одержання тяги; прикладами таких двигунів є турбовентиляторні двигуни (на фотографії), турбореактивні, прямоточні і пульсуючі повітряно-реактивні двигуни, ракетні і інші типи двигунів; відзначимо, що використовуються в авіації турбогвинтові та турбовальні двигуни описуються питомою витратою по відношенню до потужності, а не до тяги двигуна
Питома витрата палива за обсягом, одиниці якого можна перетворювати в даному конвертері, дорівнює відношенню об'ємної витрати палива (наприклад, літри на годину) до потужності двигуна або, що те ж саме, стосовно обсягу палива, що витрачається на виконання певної роботи. Наприклад, питома витрата палива 100 г / кВт ∙ год означає, що на створення потужності в 1 кіловат двигун повинен витрачати 100 грам палива на годину або, що те ж саме, на виконання корисної роботи в 1 кіловат-годину двигун повинен витратити 100 г палива .
Одиниці виміру
Густина енергії вимірюється в одиницях енергії на одиницю об'єму, наприклад, в джоулях на кубічний метр (Дж / м³, в системі СІ) або в британських теплотехнічних одиницях на кубічний фут (BTU / фут³, в британській традиційній системі заходів).
Як ми зрозуміли, одиниці виміру Дж / м³, Дж / л, ккал / м³, BTU / фунт³ використовуються для вимірювання декількох фізичних величин, які мають багато спільного. Вони використовуються для вимірювання:
- вмісту енергії в паливі, тобто, енергоємності палива за обсягом
- теплоти згорання палива на одиницю об'єму
- об'ємної щільності енергії в термодинамічній системі.
Під час окислювально-відновної реакції палива з киснем виділяється відносно велику кількість енергії. Кількість виділеної при згорянні енергії визначається типом палива, умовами його згоряння і масою або об'ємом сгораемого палива. Наприклад, частково окислене паливо, таке як етиловий спирт (етанол C₂H₅OH) є менш ефективним в порівнянні з вуглеводневим паливом, наприклад гасом або бензином. Енергію зазвичай вимірюють в джоулях (Дж), калоріях (кал) або британських теплотехнічних одиницях (BTU). Енергоємність палива або його теплота згоряння являє собою енергію, отриману, коли згорає певний обсяг або певна маса палива. Питома теплота згоряння палива показує кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні одиниці об'єму або маси палива.
Енергоємність палива може бути виражена таким чином:
- в одиницях енергії на моль палива, наприклад, кДж / моль;
- в одиницях енергії на масу палива, наприклад, в BTU / фунт;
- в одиницях енергії на обсяг палива, наприклад в ккал / м³.
Здогадайтеся що спільного між природним газом і смаженим м'ясом з рисом! Енергетична цінність продуктів харчування, так само, як і енергоємність палива, вимірюється одним і тим же способом - шляхом спалювання продуктів або палива в калориметр
Ті ж одиниці, фізичні величини і навіть методи вимірювань (рідинний калориметр-інтегратор) використовуються для вимірювання енергетичної цінності їжі. В цьому випадку енергетична цінність визначається як кількість тепла, виділене при згорянні певної кількості харчового продукту. Відзначимо ще раз, що даний конвертер використовується для перетворення одиниць вимірювання об'ємних, а не масових кількостей.
Вища і нижча теплота згоряння палива
Виміряна теплота згоряння палива залежить від того, що відбувається з водою під час згорання. Нагадаємо, що на освіту пара потрібно витратити багато тепла і що при перетворенні водяної пари в рідкий стан виділяється велика кількість тепла. Якщо при згорянні палива і вимірі його характеристик вода залишається в пароподібному стані, значить, вона містить тепло, яке не буде виміряно. Таким чином, буде виміряна тільки чиста енергія, що міститься в паливі. Кажуть, що при цьому вимірюється нижча теплота згоряння палива. Якщо ж при вимірі (або експлуатації двигуна) вода повністю конденсується з пароподібного стану і охолоджується до вихідної температури палива до початку його горіння, буде виміряно істотно більшу кількість виділеного тепла. При цьому говорять, що вимірюється вища теплота згоряння палива. Слід врахувати, що двигун внутрішнього згоряння не може використовувати додаткову енергію, яка виділяється при конденсації пари. Тому правильніше вимірювати нижчу теплоту згоряння, що і роблять багато виробників при вимірюванні витрати палива двигунів. Однак американські виробники часто вказують в характеристиках випускаються двигунів дані з урахуванням вищої теплоти згорання. Різниця між цими величинами для одного і того ж двигуна становить приблизно 10%. Це не дуже багато, але призводить до плутанини, якщо в технічних характеристиках двигуна не вказано метод вимірювання.
Відзначимо, що вища і нижча теплота згоряння відносяться тільки до видів палива, що містить водень, наприклад, до бензину або дизельного палива. При згорянні чистого вуглецю або монооксиду вуглецю вищу і нижчу теплоту згоряння визначити не можна, так як ці речовини не містять водню і, отже, при їх згорянні вода не утворюється.
При згорянні палива в двигуні реальна величина механічної роботи, виконаної в результаті згоряння палива, у великій мірі залежить від самого двигуна. Бензинові двигуни в цьому відношенні менш ефективні в порівнянні з дизельними двигунами. Наприклад, дизельні двигуни легкових автомобілів мають КДП по енергії 30-40%, в той час аналогічна величина для бензинових двигунів становить лише 20-30%.
Вимірювання енергоємності палива
Питома теплота згоряння палива зручна для порівняння різних видів палива. У більшості випадків енергоємність палива визначають в рідинному калориметр-інтеграторі з ізотермічної оболонкою, в якому вимір виконується при підтримці постійного обсягу в так званій «калориметричних бомбі», тобто товстостінній посудині високого тиску. Теплота згоряння або енергоємність визначається як кількість теплоти, яка виділилася в посудині при згорянні точно зваженої маси зразка палива в кисневому середовищі. При цьому обсяг судини, в якому згорає паливо, не змінюється.
У таких калориметрах посудину високого тиску, в якому відбувається горіння зразка, заповнюється чистим киснем під тиском. Кисню додають трохи більше, ніж потрібно для повного згоряння зразка. Посудина високого тиску калориметр повинен витримувати тиск газів, що утворюються при згорянні палива. При згорянні весь вуглець і водень реагують з киснем з утворенням діоксиду вуглецю і води. Якщо згорання відбувається в повному обсязі, наприклад, при нестачі кисню, утворюється монооксид вуглецю (чадний газ СО) або паливо просто не згорає, що призводить до неправильних, зниженням результатами.
Енергія, що виділяється при згорянні зразка палива в посудині високого тиску, розподіляється між посудиною високого тиску і поглинає середовищем (зазвичай водою), навколишнього посудину високого тиску. Вимірюється підвищення температури в результаті реакції. Потім розраховується теплота згоряння палива. Для цього використовуються результати вимірювання температури і калібрувальних тестів, для чого в даному калориметр спалюють матеріал з відомими характеристиками.
Будь-рідинний калориметр-інтегратор складається з наступних частин:
Рідинний калориметр-інтегратор
- товстостінний посудину високого тиску ( «бомба»), в якому відбувається хімічна реакція горіння (4);
- калориметрический посудину з рідиною, зазвичай має ретельно відполіровані зовнішні стінки для зменшення теплопередачі; в цю посудину з водою (5) поміщається «бомба»;
- мешалка
- теплоізольований кожух, який захищає калориметрический посудину з посудиною високого тиску від зовнішніх температурних впливів (7);
- датчик температури або термометр, що вимірює зміна температури в калориметричному посудині (1)
- електричний запал з плавкою дротом і електродами (6) для запалення палива в чашці для зразка (3), встановленої в посудині високого тиску (4); і
- трубка (2) для подачі кисню O₂.
У зв'язку з тим, що при реакції горіння в середовищі кисню в міцному посудині створюється високий тиск протягом короткого проміжку часу, вимірювання можуть бути небезпечними і слід чітко дотримуватися правил безпеки. Калориметр, його клапани безпеки і електроди запалювання повинні підтримуватися в робочому стані і чистоті. Вага зразка не повинен перевищувати максимально допустимий для даного калориметр.
Питома теплота згоряння різних видів палива
Вид палива Питома теплота згоряння, BTU на галон Біодизельне паливо: 117 000 Дизельне паливо 129 000 Етанол 76 000 Бензин 115 000 Водень 113 000 Реактивний пальне 119 000 Гас 128 000 Зріджений природний газ 75 000 Скраплені вуглеводневі гази (ЗВГ) 84 000
Питома витрата палива на одиницю тяги є мірою ефективності будь-якого двигуна, в якому паливо спалюється для одержання тяги. Саме такі двигуни встановлені на багаторазовому транспортному космічному кораблі «Атлантіс».
Автор статті: Анатолій Золотков
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.
