2.4. Объем, масса, плотность, удельный объем

По всей России 8 800 707-75-89
Санкт-Петербург +7 (812) 611-25-89

2.4. Объем, масса, плотность, удельный объем

Объем газов V измеряют в кубических метрах (м3). Вследствие того, что объем газов сильно изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, за его единицу принимают 1 м3 газа при нормальных условиях (температура — 0°С, давление — 101,3 кПа). Для указанных условий определяют основные характеристики газов и выполняются теплотехнические расчеты. При учете расхода газов для коммерческого (финансового) расчета за единицу объема принимают 1 м3 при стандартных условиях (температура — 20°С, давление — 101,3 кПа, влажность — 0%).

Зависимость между объемом при нормальных и стандартных условиях:

Vо = V [273/(273 + t)][(Рб + ри)/101,3] = 2,695V (рабс/T); (2.7)

V20 = V0 (273 + 20)/273 = 1,073 V0, (2.8)

где V — объем газа, м3, измеренный при рабочих условиях; V0 — то же, м3, при нормальных условиях; V20 — то же, м3, при t = 20°С и р = 101,3 кПа.

Любой газ способен неограниченно расширяться. Следовательно, знание объема, который занимает газ, недостаточно для определения его массы, так как в любом объеме, целиком заполненном газом, его масса может быть различной.
Масса — мера вещества какого-либо тела (жидкости, газа) в состоянии покоя; скалярная величина, характеризующая инерционные и гравитационные свойства тела. Единица массы в СИ — килограмм (кг).

Плотность, или масса единицы объема, обозначаемая буквой p, — отношение массы тела m, кг, к его объему, V, м3

р = m/V (2.9)

или с учетом химической формулы газа:

р = m/Vм = М/22,4, (2.10)

где М —молекулярная масса (см. табл. 2.3).

Единица плотности в СИ — килограмм на кубический метр (кг/м3).

Зная состав газовой смеси и плотность ее компонентов, определяем по правилу смешения среднюю плотность смеси:

Рсм =(P1V1 + P2V2 + ... + PnVn)/100, (2.11)

где P1, P2...Pn — плотность компонентов газового топлива, кг/м3; V1, V2...Vn — содержание компонентов, объем в %.
Величину, обратную плотности, называют удельным, или массовым, объемом Vуд и измеряют в кубических метрах на килограмм (м3/кг).

В практике часто, чтобы показать, на сколько 1 м3 газа легче или тяжелее 1 м3 воздуха, пользуются понятием «относительная плотность d» — отношение плотности газа к плотности воздуха:

d = р/1,293 или d = М/(22,4х1,293) (2.12–2.13)

Таблица 2.3. Основные характеристики некоторых газов, входящих в состав углеводородных газов, и их продуктов сгорания.

Показатель Азот Воздух Водяной пар Диоксид углерода Кислород Водород Оксид углерода Метан
Химическая формула N2 H2O CO2 O2 H2 CO CH4
Молекулярная масса М 28,013 28,960 18,016 44,011 32,000 2,016 28,011 16,043
Молярный объем VM, м3/кмоль 22,395 22,398 22,405 22,262 22,393 22,425 22,400 22,38
Плотность газовой фазы, кг/м3;
при 0°С и 101,3 кПа ρП0 1,251 1,293 0,804 1,977 1,429 0,090 1,250 0,717
при 20°С и 101,3 кПа ρП20 1,166 1,205 0,750 1,842 1,331 0,0837 1,165 0,668
Плотность жидкой фазы, кг/м3, при 0 °С и 101,3 кПа Жо 0,416
Относительная плотность газа dn 0,9675 1,000 0,6219 1,529 1,105 0,0695 0,9667 0,5544
Удельная газовая постоянная R, Дж/(кг•К) 296,65 281,53 452,57 185,26 259,7 4122,2 291,1 518,04
Температура, °С, при 101,3 кПа:
кипения tкиn -195,8 -195 100 -78,5 -183 -253 -192 -161
плавления tпл -210 -213 0 -56,5 -219 -259 -205 -182,5
Температура критическая tкрит, °C -146,8 -139,2 374,3 31,84 -118,4 -240,2 -140 -82,5
Давление критическое ркр, МПа 3,35 3,84 22,56 7,53 5,01 1,28 3,45 4,58
Теплота плавления Qпл, кДж/кг 25,62 190,26 13,86 173,40 33,60 255,80
Теплота сгорания, МДж/м3:
высшая Qв 12,80 12,68 39,93
низшая Qн 10,83 12,68 35,76
Теплота сгорания, МДж/кг:
высшая Qв 141,90 10,09 55,56
низшая Qн 120,10 10,09 50,08
Число Воббе, МДж/м3;
высшее WoB 48,49 12,90 53,30
низшее WoH 41,03 12,9 48,23
Удельная теплоемкость газа сг, кДж/(кг•°С), при О °С и:
постоянном давлении ср 1,042 1,008 1,865 0,819 0,920 14,238 1,042 2,171
постоянном объеме сV 0,743 0,718 1,403 0,630 0,655 10,097 0,743 1,655
Удельная теплоемкость жидкой фазы сж, кДж/(кг•°С), при 0°С и 101,3 кПа 3,461
Показатель адиабаты Χ, К, при 0°С и 101,3 кПа 1,401 1,404 1,330 1,310 1,404 1,410 1,401 1,320
Теоретически необходимое количество воздуха для горения Lт.в, м33 2,38 2,38 9,52
Теоретически необходимое количество кислорода для горения Lт.к, м33 0,5 0,5 2,0
Объем влажных продуктов сгорания, м33, при α = 1;
CO2 1,0 1,0
H2O 1,0 2,0
N2 1,88 1,88 7,52
Всего 2,88 2,88 10,52
Скрытая теплота испарения при 101,3 кПа:
кДж/кг 512,4
кДж/л
Объем паров с 1 кг сжиженных газов при нормальных условиях Vп, м3
Объем паров с 1 л сжиженных газов при нормальных условиях Vп, м3
Динамическая вязкость μ:
паровой фазы, 107 Н•с/м2 165,92 171,79 90,36 138,10 192,67 83,40 166,04 102,99
жидкой фазы, 106 Н•с/м2 66,64
Кинематическая вязкость ν, 106 м2 13,55 13,56 14,80 7,10 13,73 93,80 13,55 14,71
Растворимость газа в воде, см3/см3, при 0 °С и 101,3 кПа 0,024 0,029 1,713 0,049 0,021 0,035 0,056
Температура воспламенения, tBC, °C 410–590 610–658 545–800
Жаропроизво- дительность tж, °C 2210 2370 2045
Пределы воспламеняемости газов в смеси с воздухом при 0°С и 101,3 кПа, об. %:
нижний 4,0 12,5 5,0
верхний 75,0 74,0 15,0
Содержание в смеси, об. %, с максимальной скоростью распространения пламени 38,5 45,0 9,8
Максимальная скорость распространения пламени vmax, м/с, в трубе D=25,4 мм 4,83 1,25 0,67
Коэффициент теплопроводности компонентов при 0°С и 101,3 кПа, Вт/(м•К):
парообразных λп 0,0243 0,0244 0,2373 0,0147 0,0247 0,1721 0,0233 0,0320
жидких λж 0,306
Отношение объема газа к объему жидкости при температуре кипения и давлении 101,3 кПа 580
Октановое число 110


Примечания:
1. Число Воббе — отношение теплоты сгорания газа к квадратному корню относительной плотности при стандартных условиях, характеризующее постоянство теплового потока, получаемого при сжигании газа.
2. Показатель адиабаты — отношение теплоемкостей газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме.
3. Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Различают динамическую (единицы измерения: пуаз, Па*с) и кинематическую вязкости (единицы измерения: стокс, м2/с). Кинематическая вязкость может быть получена как отношение динамической вязкости к плотности вещества.
4. Жаропроизводительность — максимальная температура, которая может быть получена при полном сгорании газа в теоретически необходимом объеме сухого воздуха при температуре 0°С и отсутствии потерь тепла.

© 1997 — 2021
FAS