Digitální učební materiál Autor: Ing. Bc. Pavel Kolář Předmět/vzdělávací oblast: Základy přírodních věd - Fyzika Tematická oblast: TERMIKA Téma: Spalování paliv (výhřevnost, spalné teplo) Ročník: 2. Datum vytvoření: listopad 2013 Název: VY_32_INOVACE_08.2.09.FYZ Anotace: Učební materiál je věnován spalování paliv. Kvalitativně i kvantitativně hodnotí tento proces. Pozornost je věnována výběru paliv z hlediska výhřevnosti a dopadům na životní prostředí. Metodický pokyn: Prezentace je primárně určena ke zkvalitnění výuky v hodinách fyziky, ale může být využita i k samostudiu nebo pro distanční formu vzdělávání. Otázky na konci tématu ověří u žáků pochopení probíraného učiva. Materiál vyžaduje použití multimediálních prostředků (PC a dataprojektoru).

Výhřevnost, spalné teplo Spalování paliv Výhřevnost, spalné teplo

Spalování paliv Spalování paliv je chemický proces, při kterém dochází ke slučování prvků obsažených v palivu s kyslíkem; Při hoření paliva se uvolňuje teplo; Kvalita spalování závisí na: Správném poměru paliva a kyslíku; Teplotě spalování; Době hoření; Konstrukci a technickém stavu spalovacího zařízení.

Dokonalé spalování Hořením uhlíku (C) vznikne při dostatečném přísunu vzduchu (O2) nehořlavý oxid uhličitý (CO2); V kouři nejsou odnášeny hořlavé plyny; Kyslíku nesmí být zbytečně mnoho, aby se netvořilo velké množství teplého kouře.

Nedokonalé spalování Hořením uhlíku (C) při nedostatečném přísunu vzduchu (O2) vznikne hořlavý oxid uhelnatý (CO); Příliš nízká teplota spalování nebo příliš krátký čas hoření; Oxid uhelnatý je prudce jedovatý plyn, který se dá ještě spalovat:

Zplodiny hoření Kouřové plyny jsou směsí produktů hoření (CO, CO2, SO2, NOx), zbytku kyslíku (O2), vzdušného dusíku, vodních par a dalších složek; Oxid uhelnatý (CO): Silně toxický bezbarvý plyn bez chuti a zápachu; Lehčí než vzduch; Vzniká při nedokonalém spalování (lokální topeniště, automobily); Oxid uhličitý (CO2): Nedýchatelný bezbarvý plyn bez chuti a zápachu; Těžší než vzduch; Má vliv na globální oteplování (skleníkový efekt);

Zplodiny hoření Oxid siřičitý (SO2): Jedovatý bezbarvý plyn, ostře zapáchající; Těžší než vzduch; Vzniká hořením paliv s vysokým obsahem síry (S); Podporuje korozi kovů, v podobě kyselých dešťů ničí vegetaci, ohrožuje lidské zdraví; Oxidy dusíku (NOx): Jedovaté plyny Oxid dusnatý (NO) a Oxid dusičitý (NO2); Vznikají při spalování paliv při teplotách plamene nad 1100 °C; Vodní pára (H2O): Voda obsažená v palivu se při spalování uvolňuje ve formě páry; Zvětšuje objem spalin, snižuje spalovací teplotu, prodlužuje spalování; Zvyšuje nebezpečí koroze.

Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: Rozdělení paliv Přírodní paliva: Uhlí; Ropa; Zemní plyn; Dřevo. Obrázek 9.1. Těžba ropy HOWE, Stanley. cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AWytch_Farm_oilfield_(1980)_-_geograph.org.uk_-_860599.jpg

Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: Rozdělení paliv Vyrobená paliva: Koks; Brikety; Nafta; Benzín; Petrolej; Propan-butan. Obrázek 9.2. Brikety FOTOGRAFEUR. cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ABrennende_Braunkohlebriketts.jpg

Rozdělení paliv Druhotná paliva: Komunální odpad; Průmyslový odpad; Agroodpad; Dřevní odpad; Kaly odpadních vod. Obrázek 9.3. Spalovna komunálního odpadu Praha Malešice GROH, Jan. cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ASpalovna_Male%C5%A1ice-094.jpg

Výhřevnost Kvalita paliv se nejčastěji posuzuje podle jejich výhřevnosti; Výhřevnost h udává, jaké množství tepla Q se uvolní dokonalým spálením 1 kg (1 m3) paliva; Předpokládá se, že vodní pára uniká spolu se zplodinami.

Tabulka 9.1. Výhřevnost paliv Pevná paliva Výhřevnost MJ/kg Kapalná paliva HU tříděné Sokolov 14,17 Těžký topný olej 40,61 HU tříděné Most 17,18 Lehký topný olej 42,30 ČU energetické Kladno 22,61 Motorová nafta 42,61 ČU energetické Ostrava 29,21 Autobenzín 43,59 Koks otopový 27,49 Brikety 23,05 Plynná paliva Výhřevnost MJ/m3 Dřevěné brikety 16,21 Zemní plyn 33,48 Dřevo palivové 14,62 Propan-Butan 46,40 Sláma obilná 15,50 Bioplyn 22,50 Papír 14,11 Koksárenský plyn 15,62 Komunální odpad 9,12 Svítiplyn 14,50 Tabulka 9.1. Výhřevnost paliv

Spalné teplo Spalné teplo H udává množství tepla Q získaného při dokonalém spálení 1 kg (1 m3) paliva, za předpokladu, že jsou spaliny ochlazeny na výchozí teplotu (20 °C) a dojde ke kondenzaci vodní páry; Nabývá vždy vyšších hodnot než výhřevnost; Kondenzační kotel pro spalování zemního plynu: Funguje na principu ochlazení zplodin pod rosný bod a využití kondenzačního tepla vody. Teplo obsažené ve spalinách tak neuniká bez užitku do atmosféry. Až o 15 % vyšší účinnost něž běžné plynové kotle.

Obrázek 9.4. Nástěnný plynový kotel TURBOJET. cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AWall-mounted_boiler_Junkers_Novatherm_1.jpg Obrázek 9.5. Nástěnný plynový kotel (odkrytý) TURBOJET. cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AWall-mounted_boiler_Junkers_Novatherm_2.jpg

Ekologické hledisko spalování paliv Spalování tuhých paliv (uhlí, komunální odpad): Vznik škodlivých látek znečišťujících ovzduší (CO, CO2, SO2, NOx); Zanechávají pevné zbytky (popel, saze); Nutnost odsiřování a snižování emisí NOx u velkých znečišťovatelů; Spalování kapalných paliv (topné oleje, nafta, benzín): Vyšší výhřevnost, menší emise škodlivin, nepatrný obsah popelovin; Zavedení řízených katalyzátorů u benzínových motorů; Použití filtrů pevných částic u naftových motorů; Spalování plynných paliv (zemní plyn, propan-butan): Ekologické palivo jehož spalováním vznikají CO2 a vodní páry; Nezanechává pevné zbytky; Možnost dosažení vyšší účinnosti kotlů.

Obrázek 9.6. Znečištění ovzduší spalováním fosilních paliv PALMER, Alfred. cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAlfedPalmersmokestacks.jpg

Obrázek 9.7. Následky kyselých dešťů (Jizerské hory) NIPIK. cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAcid_rain_woods1.JPG

Obrázek 9.8. Škodlivé výfukové plyny De RIJCKE, Ruben. cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAutomobile_exhaust_gas.jpg

Obrázek 9.9. Smog SERVUS. cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AHaze_in_Kuala_Lumpur.jpg

Shrnutí nejdůležitějších poznatků Při spalování paliv se uvolňuje teplo; Dokonalým spalováním uhlíku (C) vzniká nehořlavý oxid uhličitý (CO2); Nedokonalým spalováním uhlíku (C) vzniká hořlavý oxid uhelnatý (CO); Výhřevnost h udává, jaké množství tepla Q se uvolní dokonalým spálením 1 kg (1 m3) paliva: Spalování fosilních paliv má negativní vliv na životní prostředí.

Otázky a úkoly Popište rozdíl mezi dokonalým a nedokonalým spalováním. Dokonalé spalování: Hořením uhlíku vznikne nehořlavý oxid uhličitý (CO2). Nedokonalé spalování: Hořením uhlíku vznikne hořlavý oxid uhelnatý (CO). Jaké podmínky je třeba vytvořit pro dokonalé spálení paliva? Správný poměr paliva a kyslíku, dostatečná teplota spalování a čas hoření. Jakou vlastnost paliva udává veličina výhřevnost? Výhřevnost udává, jaké množství tepla se uvolní dokonalým spálením 1 kg (1 m3) paliva. Jaký vliv na výhřevnost má vlhkost obsažená v palivu? Proč není vhodné spalovat čerstvé dřevo? Vlhkost snižuje výhřevnost paliva, protože část tepla se spotřebuje na vypaření vody. Vlhké dřevo silně kouří, zanáší komín, působí korozi kovových částí, zůstává více popela.

Otázky a úkoly Vyjmenujte složky obsažené ve spalinách hoření ? Kouřové plyny jsou směsí produktů hoření (CO, CO2, SO2, NOx), zbytku kyslíku (O2), vzdušného dusíku, vodních par a dalších složek. Která opatření je nutné učinit, pro zmírnění negativních dopadů spalování paliv na životní prostředí? Například spalování ekologicky šetrnějších paliv (zemní plyn, propan-butan, vodík). Zhodnoťte výhody a nevýhody paliv, která doma používáte.

Použité zdroje BLAŽEK, Jaroslav, FABINI, Ján. Chemie pro studijní obory SOŠ a SOU netechnického zaměření. 2. vyd. Praha: SPN, 1986, s. 336. Učebnice pro střední školy. ŠRAMKO, Tibor a kolektiv. Chemie pro 8. ročník základní školy. 6. vyd. Praha: SPN, 1992, s. 176. Učebnice pro základní školy. ISBN 80-04-26250-3. Kolektiv. Schiedel.cz: Něco málo o spalování. online. cit. 2013-11-20. Dostupný z WWW: http://www.schiedel.cz/cz/neco-malo-o-spalovani NOVÁK, Jan. Výhřevnosti paliv. [online]. [cit. 2013-11-20]. Dostupný z WWW: http://vytapeni.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/11-vyhrevnosti-paliv Autorem obrázků a tabulek, pokud není uvedeno jinak, je autor výukového materiálu.

Použité zdroje Obrázek 9.1.: HOWE, Stanley. Commons.wikimedia.org: Wytch Farm oilfield (1980) - geograph.org.uk - 860599.jpg online. 1980 cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AWytch_Farm_oilfield_(1980)_-_geograph.org.uk_-_860599.jpg Obrázek 9.2.: FOTOGRAFEUR. Commons.wikimedia.org: Brennende Braunkohlebriketts.jpg online. cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ABrennende_Braunkohlebriketts.jpg Obrázek 9.3.: GROH, Jan. Commons.wikimedia.org: Spalovna Malešice-094.jpg online. 2012-02-28 cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ASpalovna_Male%C5%A1ice-094.jpg Obrázek 9.4.: TURBOJET. Commons.wikimedia.org: Wall-mounted boiler Junkers Novatherm 1.jpg online. 2010-01-22 cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AWall-mounted_boiler_Junkers_Novatherm_1.jpg

Použité zdroje Obrázek 9.5.: TURBOJET. Commons.wikimedia.org: Wall-mounted boiler Junkers Novatherm 2.jpg online. 2010-01-22 cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AWall-mounted_boiler_Junkers_Novatherm_2.jpg Obrázek 9.6.: PALMER, Alfred. Commons.wikimedia.org: AlfedPalmersmokestacks.jpg online. 1942 cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAlfedPalmersmokestacks.jpg Obrázek 9.7.: NIPIK. Commons.wikimedia.org: Acid rain woods1.JPG online. 2006-07-07 cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAcid_rain_woods1.JPG Obrázek 9.8.: De RIJCKE, Ruben. Commons.wikimedia.org: Automobile exhaust gas.jpg online. 2009-12-13 cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAutomobile_exhaust_gas.jpg Obrázek 9.9.: SERVUS. Commons.wikimedia.org: Haze in Kuala Lumpur.jpg online. 2010-11-14 cit. 2013-11-30. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AHaze_in_Kuala_Lumpur.jpg