Сколько солярки сжигает за час самосвал мощностью 1000 кВт и куда уходит больше половины ее энергии? Сравни дизель, бензин, газ, водород, уголь и дрова по теплоте сгорания, воздуху и выбросам CO₂.
В дизеле, бензине, газе и угле энергия спрятана в связях между атомами углерода и водорода. При горении эти атомы соединяются с кислородом: углерод превращается в углекислый газ CO₂, водород в воду H₂O. Новые связи прочнее старых, и разница выходит наружу теплом. Сколько тепла дает один килограмм топлива, называют теплотой сгорания.
У разных топлив она разная. Водород дает больше всех на килограмм, но он самый легкий газ, и в литре бака его очень мало. Дрова и уголь содержат кислород, золу и воду, поэтому греют слабее. А двигатель превращает в полезную работу только часть тепла, обычно 25–45%, остальное уходит с выхлопом и в радиатор.
ⓘ Теплота сгорания низшая: вода в выхлопе уходит паром. Для газов объем бака дан в том виде, в каком их возят на машине: метан и водород сжатые в баллонах, пропан сжиженный.
Три формулы покрывают почти весь инженерный расчет топлива. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка, по которой сейчас считается задача, подсвечена.
Сколько тепла даст топливо
Масса топлива, умноженная на теплоту сгорания, это все тепло, которое в нем запасено. Умножив на КПД, получаешь ту часть, которая пошла в дело.
Расход двигателя
Двигатель отдает работу P · t. Топлива нужно больше во столько раз, во сколько КПД меньше единицы.
Сколько выйдет углекислого газа
Каждый атом углерода из топлива уходит в трубу в составе молекулы CO₂. Углерод весит 12, а CO₂ 44, поэтому 1 кг углерода дает 3,67 кг CO₂.
Почти все тепло топлива дают две реакции. Углерод сгорает до CO₂, это 393 кДж на моль, или 32,8 МДж на 1 кг углерода. Водород сгорает до пара, это 242 кДж на моль, или 120 МДж на 1 кг водорода. Водород легкий, моль весит всего 2 г, поэтому на килограмм он дает почти вчетверо больше тепла, чем углерод.
Отсюда правило: чем больше в топливе водорода и меньше кислорода, воды и золы, тем выше теплота сгорания. В метане CH₄ водорода 25% по массе, в дизеле 13%, в угле около 4%. Заодно на каждый мегаджоуль у богатого водородом топлива меньше CO₂: часть энергии дает водород, а он превращается в воду.
Но на литр картина обратная. Газ легкий, и даже сжатый в 200 раз метан в баллоне содержит энергии в 4–5 раз меньше, чем тот же объем солярки. Поэтому газовой и водородной технике нужны большие тяжелые баллоны.
Карьерный самосвал и экскаватор сжигают сотни литров солярки за смену. Норму расхода считают от мощности, загрузки двигателя и удельного расхода, около 210–230 г на 1 кВт·ч. Это та же формула m = P · t / (η · q).
Уголь, мазут или газ сравнивают по цене одного гигаджоуля тепла, а не одной тонны. Тонна угля дешевле тонны мазута, но тепла в ней в 1,6 раза меньше, а котел на угле еще и теряет больше.
Метан дешевле и чище солярки, но в баллоне его энергии мало. Для той же смены нужен баллон в 4–5 раз больше бака. Поэтому на газ переводят прежде всего технику, которая работает рядом с заправкой.
В шахте и руднике двигатель забирает воздух из выработки и выбрасывает выхлоп туда же. По расходу топлива и L₀ считают, сколько свежего воздуха должна подавать вентиляция на каждую машину.
Предприятия отчитываются о выбросах CO₂. Их считают не приборами на трубе, а по расходу топлива: литры умножают на плотность и коэффициент 3,16 кг CO₂ на 1 кг дизеля.
Если двигатель 1000 кВт работает с КПД 40%, еще примерно 1500 кВт тепла уходит в выхлоп и радиатор. Под эту мощность подбирают радиатор, вентилятор и систему охлаждения, особенно на высоте, где воздух редкий.
Взята низшая теплота сгорания, без тепла конденсации пара из выхлопа: так считают для двигателей и большинства котлов. Данные типичные: у реального угля теплота от 15 до 30 МДж/кг в зависимости от марки, у дров сильно зависит от влажности (взяты сухие дрова с влажностью 20%). Плотность угля и дров насыпная, с промежутками. Метан взят в баллонах на 20 МПа, водород на 70 МПа, пропан в сжиженном виде; вес самих баллонов не учтен. Воздух L₀ теоретический: дизель на самом деле работает с избытком воздуха в 1,5–2 раза. КПД считается постоянным, а у реального двигателя он зависит от нагрузки. Разделение потерь на выхлоп, охлаждение и прочее примерное.