Крайне высокая зависимость от электропитания.

Характеристика топлива: классификация и состав

Топливо — это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии.

Классификация. По физическому состоянию топливо бывает твердое, жидкое, газообразное. Стекловаренные печи работают на жидком и газообразном топливе.

К топливу, используемому для стекловаренных печей, предъявляют ряд требований: при сгорании оно должно выделять значительное количество тепла на единицу своей массы или объема, не должно выделять газов, вредно действующих на здоровье людей, а также отрицательно влияющих на материалы топок и печей, должно быть удобным для транспортирования и сжигания.

Основной характеристикой топлива является его теплотворность Q. Теплотворностью топлива называется количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема топлива (1 кг жидкого топлива или 1 м³ газообразного). Теплотворность измеряется в ккал/кг или ккал/м³ (в СИ — кДж/кг, кДж/м³).

Теплотворность различных видов топлива колеблется в широких пределах — от 1000 до 10 000 ккал/кг.

По происхождению топливо подразделяется на естественное и искусственное. Последнее получается в результате переработки естественного топлива. В табл. 3 приводится классификация промышленного топлива.

В промышленности используют твердое, жидкое и газообразное топливо. Различают природное топливо, добываемое на поверхности земли или в ее недрах, и искусственное, получаемое путем переработки природного.

К главным требованиям, предъявляемым к технологическому топливу, относятся: низкая стоимость добычи, низкая стоимость транспортирования, удобство применения, возможность использования с высоким коэффициентом полезного действия, малое содержание вредных примесей.

Различные виды топлива (твердое, жидкое и газообразное) характеризуются общими и специфическими свойствами. К общим свойствам топлива относятся теплота сгорания и влажность, к специфическим — зольность, сернистость (содержание серы), плотность, вязкость и другие свойства.

Теплота сгорания — количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м³ топлива. Энергетическая ценность топлива в первую очередь определяется его теплотой сгорания.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Низшая теплота сгорания отличается от высшей количеством теплоты, затрачиваемой на испарение влаги, содержащейся в топливе и образующейся при сгорании водорода. Низшую теплоту сгорания учитывают для подсчета потребности в топливе и его стоимости при составлении тепловых балансов и определении коэффициентов полезного действия установок, использующих топливо. При сопоставлении различных видов топлива пользуются понятием условного топлива, характеризующимся низшей теплотой сгорания, равной 29 МДж/кг.

Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания вследствие увеличенного расхода теплоты на испарение влаги и увеличения объема продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара).

Зольность — количество золы, образующейся при сгорании минеральных веществ, содержащихся в топливе. Минеральные вещества, содержащиеся в топливе, понижают его теплоту сгорания вследствие уменьшения содержания горючих компонентов (основная причина) и увеличения расхода тепла на нагрев и плавление минеральной массы.

Сернистость (содержание серы) относится к отрицательному фактору топлива, так как при его сгорании образуются сернистые газы, загрязняющие атмосферу и разрушающие металл. Кроме того, сера, содержащаяся в топливе, частично переходит в выплавляемый металл, сваренную стекломассу, снижая их качество. Например, для варки хрустальных, оптических и других стекол нельзя использовать топливо, содержащее серу, так как сера значительно понижает оптические свойства и колер стекла.

Состав топлива. Топливо различных видов, месторождений и шахт различается по своему составу. При рассмотрении твердого и жидкого топлива принято различать следующие его составляющие: углерод, водород, серу, кислород, азот, золу и влагу. Применительно к газообразному топливу под составом понимают в основном: оксид углерода, водород, метан, этан, пропан, бутан, этилен, бензол, сероводород и др. Входящие в состав топлива кислород и азот относят к внутреннему органическому балласту топлива, а золу и влагу — к внешнему.

Состав твердого и жидкого топлива выражают в процентах по массе, газообразного — в процентах по объему.

Твердое и жидкое топливо состоит из горючей и негорючей частей. К горючей части топлива относят углерод, водород, кислород, азот и серу. Кислород и азот не горят; их включают в состав горючей массы условно. Поэтому горючую часть топлива называют условно горючей массой. Негорючая часть топлива — балласт — состоит из влаги и золы. Органическую массу топлива составляют углерод, кислород и азот.

Топливо в том виде, в каком оно поступает в топки печи для сжигания, носит название рабочего топлива. Ввиду того что содержание в нем влаги может колебаться в широких пределах, состав топлива часто характеризуют его сухой массой.

Для обозначения состава, к которому относится содержание того или иного элемента в топливе, применяют индексы о, г, с и р, которые читаются соответственно: о — органическая масса; г — горючая масса; с — сухое топливо; р — рабочее топливо. Например, CO — содержание углерода в органической массе; Sr — содержание серы в условно горючей массе; Ас — содержание, золы в сухом топливе; Wp — содержание влаги в рабочем топливе.

4 Состав твердого, жидкого и газообразного топлива

    Состав топлива. Важнейшей характеристикой топлива, определяющей ряд показателей, используемых для анализа процессов, происходящих в разных топливо использующих установках, является состав топлива. Качество твердого или жидкого топлива как источника тепловой энергии в значительной мере определяется его элементарным составом. Основным горючим компонентом этих топлив является углерод. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется 34,4 МДж теплоты. Содержание его в горючей массе разных видов топлива изменяется в широких пределах (от 50 в древесине до 95% в антраците), следовательно углерод обеспечивает преимущественную долю тепловыделения топлива.

Вторым по значению горючим компонентом является водород, при сгорании 1 кг которого выделяется 119 МДж теплоты. Содержание водорода в горючей массе твердых и жидких топлив изме­няется от 2 (антрацит) до 10,5% (мазут).

    Входящая в состав твердых и жидких топлив горючая сера (ор­ганическая и колчеданная) окисляется при горении топлива с образованием сернистого газа S0₂. При этом выделяется теплоты 9,3 МДж/кг S, что существенно меньше, чем при сгорании водорода и углерода. Содержание серы в горючей массе твердых и жидких топлив изменяется от 0,5 до 7, в горючих сланцах до 15%. Образующийся при сжигании серы сернистый газ является токсичным (опасным для жизнедеятельности в окружающей среде), а также коррозионноактивным, приводящим к интенсивной коррозии металлических элементов топливо использующих установок.

    Кислород и азот являются внутренним балластом топлива, так как их наличие снижает в топливе содержание основных горючих элементов — углерода и водорода. Содержание кислорода в топливе уменьшается по мере увеличения геологического возраста топлива. Так, например, содержание кислорода в горючей массе торфа составляет около 35, а в антраците — 2 %.

   Зола и влага являются внешним балластом твердого и жидкого топлива. Повышение содержания золы и влаги в рабочей массе топлива приводит к соответствующему уменьшению его горючей части, а значит к снижению тепловыделения при сгорании топлива. При сжигании влажных топлив затрачивается определенное количество теплоты на нагрев и испарение влаги, перегрев образующихся водяных паров, что дополнительно уменьшает количество выделившейся теплоты и соответственно снижает температуру горения.

   Балластом газообразного топлива являются негорючие его компоненты (кислород, азот, углекислый газ, водяной пар), снижающие теплоту сгорания топлива. Присутствие в искусственных го­рючих газах токсичных газов СО, H₂S усложняет условия эксплуатации топливо использующих установок. При сгорании сероводорода образуется токсичный сернистый газ, опасный для жизни и загрязняющий окружающую среду.

   Зола топлива. Минеральный несгораемый остаток, образующийся из примесей топлива при его сгорании, представляет собой золу. Содержание минеральных примесей в твердых топливах изменяется в широких пределах, составляя в древесном топливе 1…2%, в угле 10…40%, в горючих сланцах до 70% и в жидком топливе до 1 %.

   В процессе горения минеральные примеси могут из твердого состояния переходить в жидкое, образуя раствор, называемый шлаком. Важной характеристикой золы является ее плавкость. В лабораторных условиях плавкость золы определяют путем нагревания в электрической печи в пол у восстановительной газовой среде (60 % СО и 40 % С0₂) пирамидки стандартных размеров, сформированной из мелкораздробленной пробы испытуемой золы. Температура, при которой пирамидка начнет самопроизвольно сгибаться или вершина ее скругляется, носит название температуры начала деформации золы t₁. Температура, при которой вер­шина пирамидки склоняется до ее основания, называется температурой размягчения золы t₂. Температура начала жидкоплавного состояния t₃ соответствует температуре, при которой золовая пирамидка растекается по подставке.

   По характеристике плавкости золы твердые топлива разделяются на три группы: с легкоплавкой золой (h < 1350°С), с золой средней плавкости (h= 1350… 1450°С) и с тугоплавкой золой (t₃ > 1450 °С). Повышенное содержание золы в топливе снижает техникоэкономические показатели котельных установок за счет увеличения затрат на шлако и золоудаление, очистку поверхностей нагрева от загрязнения, газоочистку, а также за счет увеличе0ния потерь теплоты со шлаком и золой.

   Влага топлива. В твердом топливе принято различать внешнюю и внутреннюю влагу.

   Источниками внешней влаги являются поверхностные и грунтовые воды, влага атмосферного воздуха, которые при транс­портировке и хранении топлива увлажняют его поверхность, проникают в капилляры и поры, особо развитые у торфа и бурых углей. Внешняя влага может быть удалена подсушкой топлива (обычно при температуре около 105°С).

   К внутренней влаге относят коллоидную и гидратную (кристаллогидратную) влагу. Коллоидная влага равномерно распреде­лена по всей массе топлива, а ее количество зависит от химиче­ской природы и состава топлива. По мере увеличения геологического возраста топлива количество коллоидной влаги в нем существенно сокращается. Гидратная влага входит в структуру химических соединений минеральной части топлива. Количество гидратной влаги в топливе относительно невелико, но для ее удаления требуется нагревание топлива до высоких температур.

   При хранении на воздухе переувлажненное топливо теряет, а подсушенное приобретает влагу. Топливо с установившейся в ес­тественных условиях влажностью называют в о з д у ш н о-с у х и м.

   Повышение влажности приводит к уменьшению теплоты сгорания топлива, увеличению объема продуктов сгорания и, как следствие этого, к снижению температуры горения. В результате уменьшается производительность котельного агрегата и увеличивается расход топлива. Повышенная влажность ухудшает сыпучесть топлива, а в зимнее время приводит к его смерзаемости, что резко затрудняет условия транспортирования и использования топлива.

   Теплота сгорания топлива. Для характеристики качества топли­ва используется такой показатель, как теплота сгорания топлива — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (размерность МДж/кг) или 1 м³ газового топлива (МДж/м³).

   В твердых и жидких топливах горючие элементы являются составной частью сложных и различных по своему химическому строению соединений, учесть все разнообразие которых не представляется возможным. Точно рассчитать теплоту сгорания топлив невозможно, поэтому данный показатель для конкретных твердых и жидких топлив определяют экспериментально. С этой целью сжигают навеску топлива в атмосфере кислорода при повышенном давлении в специальном сосуде (калориметрической бомбе) и определяют с помощью водяного калориметра количество выде­лившейся при этом теплоты. По результатам измерений рассчиты­вается теплота сгорания топлива, которая называется теплотой сгорания по калориметрической бомбе Q₆.

   Количество теплоты, выделившееся при полном сгорании топ­лива, зависит от того, в каком агрегатном состоянии находится в продуктах сгорания влага (выделившаяся из топлива и образовав­шаяся в результате сгорания водорода) — в парообразном или жидком. Если в продуктах сгорания все водяные пары конденсируются и образуют жидкую фазу, то теплота сгорания называется высшей Q_B. Если же конденсации водяного пара не происходит, то теплоту сгорания называют низшей (Q_н. Разница между выс­шей и низшей теплотами сгорания равна теплоте конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива.

   Связь между высшей Q_b  и низшей Q_H теплотами сгорания определяется выражением

   где г_п— теплота конденсации водяного пара, принимаемая равной 2,51 МДж/кг; C_H2О — масса влаги, кг, содержащейся в продуктах сгорания 1 кг топлива.

   В реальных условиях продукты сгорания топлив в подавляю­щем большинстве случаев покидают котельные установки при тем­пературе более высокой, чем температура, при которой происхо­дит конденсация содержащихся в них водяных паров, т.е. выше температуры точки росы. При этом теплота конденсации во­дяных паров полезно не используется и в тепловых расчетах не учитывается. В связи с этим в теплотехнических расчетах исполь­зуется величина

   Низшая теплота сгорания сухого газового топлива определяется как суммарная теплота сгорания входящих в него индивидуальных горючих газов с учетом концентрации каждого из них, МДж/м³:

   где  Q_CmHn,  Q_CO, Q_h3,  Q_h3S — низшая теплота сгорания единицы объема соответствующих газов, МДж/м³ С_mH _n      СО, H₂, H₂S — содержание соответствующих горючих газов в сухом газовом топ­ливе, %.

   Теплота сгорания разных топлив неодинакова, колебания ее зна­чений очень широкие. Для сравнения топлив по энергетической ценности, оценке эффективности их использования, а также для сопоставления отдельных видов топлива и подсчетов потребности в топливе используется понятие условное топливо, теплота сгорания которого принимается равной Q_ycл= 29,33 МДж/кг. Тогда для пересчета расхода В — фактически используемого топлива в расход условного топлива В_усл можно применить формулу сгорания условного топлив.                                  

   Для учета влияния влажности и зольности на теплоту сгорания топлива используются также приведенные характеристики влажности Vⁿ и зольности А^п, %-кг/МДж:

 Vⁿ= W^p /Q^p_H;        

 Aⁿ = A^p/Q^p_H

   Приведенные характеристики А^п и W^п позволяют сравнивать разные топлива в сопоставимых единицах. При W^п< 0,7 %-кг/МДж топливо называется мал о влажным, при 0,7 < Wⁿ< 1,89 — средневлажным, а при W^п > 1,89 —высоковлажным. Топливо, для которого А^п < 1,0%-кг/МДж считается малозольным (антрациты и большая часть каменных углей). Для бурых уг­лей A^п= 1,9…2,4, а для горючих сланцев А^п= 5… 10 %-кг/МДж.

   Летучие вещества и кокс твердого топлива. Все твердые топлива при нагревании без доступа воздуха претерпевают термический рас­пад с выделением горючих (СО, Н₂, СmНn) и негорючих (N₂, 0₂, С0₂, Н₂0) газов. Выделяющиеся газы по совокупности определяют выходом летучи. Твердый остаток, образующийся после выделения летучих веществ, называется коксом. В состав кокса входит углерод и прокаленные минеральные примеси (зола). Выход летучих обычно относят на горючую массу топлива и обозначают V¹. Выход летучих и свойства коксового остатка являются важными теплотехническими характеристиками топлива, определяющими условия организации его сжигания.

   Летучие вещества играют существенную роль при воспламенении топлива и на начальных стадиях горения, т.е. в значительной мере определяют реакционную способность твердых топлив (их способность к воспламенению и горению).

   По мере увеличения геологического возраста природных твердых топлив выход летучих снижается, но относительное содержание горючих компонентов в их составе повышается. Одновременно повышается температура начала выхода летучих. 

Твердое жидкое топливо — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Твердое жидкое топливо

Cтраница 1

Твердое и жидкое топливо состоит из следующих элементов: углерода С, водорода Н, азота N и кислорода О, которые образуют органическую массу топлива. Кроме того, содержатся также нежелательные примеси: сера S, вода W и зола А.  [1]

Твердое и жидкое топливо на электростанции доставляется преимущественно железнодорожным транспортом. При небольшом удалении электростанции от места добычи твердого топлива в качестве альтернативного может рассматриваться конвейерный транспорт. Схема топливоподачи станции в этом случае существенно упрощается. Ведутся проработки по трубопроводному транспорту угля в виде водоугольных суспензий. С близрасположенных нефтеперерабатывающих заводов мазут может подаваться на электростанцию по трубопроводам.  [2]

Твердые и жидкие топлива представляют собой сложные соединения горючих элементов, молекулярное строение которых еще недостаточно изучено, и включают в себя минеральные примеси и влагу. Элементарный химический анализ этих топлив не раскрывает химической природы входящих в них соединений и поэтому не может дать достаточно полного представления об их свойствах, но позволяет рассчитать тепловой и материальный баланс горения топлива.  [4]

Твердое и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода Н, органической серы S0 и горючей колчеданной серы SK, кислорода О и азота N, находящихся в виде сложных соединений. Помимо указанных элементов, составляющих горючую массу топлива, в состав топлива входит еще балласт — зола Л и влага W. Состав топлива выражают в процентах по массе.  [6]

Твердые и жидкие топлива состоят из весьма сложных соединений, молекулярное строение и свойства которых недостаточно изучены. В состав этих топлив также входят влага и минеральные примеси, определяющие так называемый внешний балласт топлива.  [7]

Твердое и жидкое топливо, химическая структура которого неизвестна, но содержание важнейших составных частей определено элементарным анализом в весовых единицах. Сюда относятся все угли, различные сорта нефти и их перегоны.  [8]

Твердое и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода Н, органической серы Sop и горючей колчеданной серы SK, кислорода О и азота N, находящихся в виде сложных соединений.  [9]

Твердое и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода Нг органической серы 5ор и горючей колчеданной серы SK, кислорода О и азота N, находящихся в виде сложных соединений.  [10]

Твердое и жидкое топливо состоит из горючей и негорючей массы. Горючая масса включает сгорающую часть топлива и обозначается Сг или Нг. Негорючая масса представляет собой влагу W и золу А и называется балластом.  [11]

Твердое и жидкое топливо содержит органическую горючую массу и минеральную негорючую часть.  [12]

Замена твердого и жидкого топлива газообразным резко сокращает в отходящих газах котельных установок содержание вредных веществ — сажи, сернистого ангидрида, окиси углерода.  [13]

Для твердого и жидкого топлива величина ( Д / т) слишком мала, и ей обычно пренебрегают.  [14]

Для твердых и жидких топлив ( кроме сланцев) объем трехатомных газов ( СО2 и SCY) определяется, как и расход окислителя, на основании уравнения соответствующей реакции.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Топливо. Виды топлива — урок. Физика, 8 класс.

Все процессы жизнедеятельности человека связаны с теплом: для обогрева жилья, для приготовления пищи, для плавки металлов, для получения других видов энергии. Тепловую энергию получают с использованием топливных ресурсов.

Топливо — это вещество, способное выделять энергию в ходе определённых процессов, эту энергию можно использовать для технических целей.

Топливо активно используется людьми для получения тепла и света, то есть энергии, с тех самых пор, как человек научился пользоваться огнём. Первоначально в качестве топлива использовались дрова, а также жир рыб и животных.

В процессе эволюции и развития требования к ассортименту топлива росли. Первая промышленная революция, произошедшая в \(XIX\) веке в результате перехода от древесного топлива к ископаемому угольному, полностью преобразовала аграрные страны Европы, а затем и Америку.

Потом пришла эра электричества, открытие которого оказало огромное влияние на жизнь человечества и обусловило зарождение и рост крупнейших городов мира.

Применение в качестве топлива нефти и природного газа в сочетании с развитием электроэнергетики, а затем и освоение энергии атома позволили промышленно развитым странам осуществить грандиозные преобразования, итогом которых стало формирование современного облика Земли.

Все используемые сегодня виды топлива подразделяются на четыре группы:

1) твёрдое топливо;

2) жидкое топливо;

3) газообразное топливо;

4) ядерное топливо.

К твёрдому виду топлива относят:

1) древесину и другие продукты растительного происхождения;

2) уголь с его разновидностями:

каменный уголь;

бурый уголь и др.;

3) торф;

4) горючие сланцы.

Ископаемые твёрдые виды топлива (за исключением сланцев) являются продуктом разложения органической массы растений. Самый молодой из них — торф, представляющий собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли — землистая или чёрная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется (выветривается) и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них — антрацитов — претерпела наибольшие изменения и на \(93\) % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твёрдостью.

Горючие сланцы представляют собой полезное ископаемое, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы, близкой по составу к нефти.

Естественным жидким топливом является нефть — смесь жидких углеводородов различных молекулярных весов и групп.

Кроме того, в ней содержится некоторое количество жидких кислородных, сернистых и азотистых соединений.

Природный газ чисто газовых месторождений состоит в основном из метана (\(95-98\)% Ch5).

В искусственных газообразных топливах (газ доменных и коксовых печей, генераторный газ) метана содержится мало. Горючими составляющими в них является в основном водород h3 и окись углерода CO.

Горючая часть любого топлива содержит углерод \(C\), водород \(H\), кислород \(O\), азот \(N\) и серу \(S\). Основным элементом горючей части всех видов топлива является углерод \(C\). Кислород и азот в топливе — органические примеси. Кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, снижает количество теплоты, выделяющейся при сгорании. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде. Вредная примесь топлива — сера. При сгорании серы теплоты выделяется примерно в \(3,5\) раза меньше, чем при горении углерода. Содержание серы в топливе приводит к сильной коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева.

В топливе могут присутствовать и негорючие минеральные примеси. В газообразных топливах это углекислый газ CO2, азот N2 и водяные пары. В твёрдых топливах примеси состоят в основном из глины Al2O3⋅2SiO2⋅2h3O, свободного кремнезема SiO2 и железного колчедана FeS2. В горючих сланцах примеси — в основном карбонаты. В нефти негорючие примеси — это различные соли и окислы железа.

Ракеты на твердом и жидком топливе

Твердое топливо горит горячим, но все может быть и горячее, а также оно имеет тенденцию производить много относительно крупных частиц (вот почему они выделяют так много дыма при горении). Одно из решений — использовать жидкое топливо и порох. Жидкий водород при горении жидким кислородом горит при температуре около 3000 К, а продуктами горения являются отдельные молекулы воды. Однако жидкий водород имеет низкую плотность и поэтому требует больших резервуаров для его хранения, по этой причине керосин (авиационное топливо), сжигаемый в жидком кислороде, часто используется для пусковых установок, которые все еще находятся в низком уровне атмосферы.

Анимация твердотопливного двигателя, показывающая простую конструкцию, и единственным элементом управления скоростью горения является структура структуры топлива:

Преимущества смесей жидкое топливо / окислитель заключаются в том, что тягу можно регулировать (дросселировать) и что двигатели даже можно останавливать и запускать повторно на более позднем этапе. Кроме того, плотность энергии (Джоули на килограмм топлива) имеет тенденцию быть высокой, и что в результате высокой температуры сгорания удельный импульс (импульс [в Ньютон-секундах] на килограмм топлива) очень велик.Современная ракета на твердом топливе имеет удельный импульс примерно до 2500 Н · с · кг ^-1 , в то время как хорошая ракета на жидком топливе может производить до 4500 Н · с · кг ^-1 . Обычной практикой является сокращение единиц: на уровне земли один килограмм топлива весит чуть меньше 10 Н, и эти две цифры вычеркиваются. Две только что приведенные цифры равны 250 с и 450 с.

Самый большой недостаток жидкого топлива состоит в том, что необходимость в насосах, трубопроводах и раздельном хранении топлива и окислителя означает, что ракета-носитель должна нести дополнительную массу.

Многие ракеты-носители решают проблемы, используя комбинацию различных ракетных двигателей. И Ariane 5, и космический шаттл получают большую часть своей тяги на малой высоте от твердотопливных ускорителей с очень высокой тягой (но с низким удельным импульсом), а затем используют двигатели с жидким водородом / жидким кислородом с высоким удельным импульсом, но с меньшей тягой на больших высотах и ​​в космос. Самой большой ракетой, которая когда-либо пролетала за пределами стадии испытаний, была Сатурн-5, которая запускала миссии Аполлона к Луне.При этом использовались двигатели на жидком топливе на всех этапах, но использовались относительно «энергетически плотные» керосин / жидкий кислород на малой высоте и жидкий водород / жидкий кислород на большой высоте и в космосе.

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вам может понравиться только один раз!

видов топлива — Designing Buildings Wiki

Топливо — это материалы, которые реагируют с другими веществами с выделением тепла посредством химической или ядерной энергии:

• Вещества, которые реагируют с другими близкими веществами с выделением энергии в процессе горения, известны как химическое топливо.Они подразделяются как по своим физическим свойствам (твердое, жидкое или газообразное), так и по тому, как они возникают (в качестве основного или природного топлива, или в качестве вторичного или искусственного топлива).
• Вещества, которые могут выделять ядерную энергию путем деления или синтеза, известны как ядерное топливо.

Люди впервые использовали древесину в качестве топлива для сжигания почти 2 миллиона лет назад. Наиболее распространенными источниками топлива сегодня являются углеводороды.

Твердые материалы могут использоваться в качестве топлива для сжигания и высвобождения энергии посредством горения, которое обеспечивает тепло и свет.Наиболее распространенные примеры твердого топлива:

NB 1 мая 2021 года были введены ограничения на продажу угля и сырой древесины в качестве топлива для бытовых нужд в Великобритании. Ссылка https://www.gov.uk/government/news/restrictions-on-sale-of-coal-and-wet-wood-for-home-burning-begin

Жидкости можно использовать для создания механической энергии, хотя воспламеняется скорее дым, чем жидкость жидкого топлива. Ископаемое топливо составляет большую часть жидкого топлива.

[править] Нефть

Самый распространенный вид жидкого топлива — это нефть, получаемая из мертвых растений и животных.Примеры нефти включают:

• Бензин / бензин: производится путем извлечения сырой нефти из нефти и ее перегонки на нефтеперерабатывающих заводах.
• Дизель: Смесь алифатических углеводородов, извлеченных из нефти и обработанных для снижения уровня серы.
• Керосин: добывается из нефти.

[править] Газ природный и сжиженный углеводородный газ

Природный газ можно сжимать до жидкости, и он намного «чище», чем другие углеводородные топлива.Однако для поддержания топлива в жидком состоянии требуется постоянное высокое давление.

Сжиженный нефтяной газ (СУГ) представляет собой смесь пропана и бутана, которую легче сжимать, чем природный газ.

[править] Биодизель

Это дизельное топливо на основе растительного масла или животного жира, хотя оно дает примерно на 10% меньше энергии, чем обычное дизельное топливо.

[править] Спирты

Наиболее распространенными видами спиртового топлива являются:

• Метанол: метанол, производимый из метана, является самой легкой и простой формой спирта.
• Этанол: чаще всего содержится в напитках, но его можно смешивать с бензином для использования в качестве топлива.
• Бутанол: Обычно производится путем ферментации биомассы с использованием бактерий, бутанол имеет высокое содержание энергии.

[править] Водород

Сжиженный водород обычно используется в качестве жидкого ракетного топлива. Для успешного сгорания требуются большие объемы водорода.

[править] Synfuels

«Углеводородное жидкое топливо, получаемое путем синтеза водорода из воды, диоксида углерода и электричества.Они могут быть безуглеродными, если потребляемая электроэнергия безуглеродная, а CO2 — от прямого улавливания воздуха ». ref Making Mission Possible — Delivering A Net-Zero Economy, опубликовано Комиссией по энергетическому переходу (ETC) в сентябре 2020 года.

Газообразное топливо распределяется по трубам от места происхождения к месту использования, хотя некоторые из них сжижены для хранения. Одоризаторы часто добавляют к топливным газам, чтобы их можно было обнаружить, поскольку необнаруженное скопление газа может привести к взрыву.

Природный газ (состоящий в основном из метана) является наиболее часто используемым типом, но существует множество промышленных топливных газов, таких как:

Теплотворная способность топлива — это общая энергия, выделяемая в виде тепла при сгорании вещества. В 2015 году Департамент бизнеса, энергетики и промышленной стратегии опубликовал обновленные данные о средней теплотворной способности топлива.

(Полный список см. На Gov.uk.)

См. Также: Топливо для отопления.

Liquid Fuels — обзор

26.3 Мировое производство энергии из ископаемого топлива

Мировое производство жидкого топлива достигло примерно 15,6 миллиона кубометров ³ в день (98,05 миллиона баррелей в сутки) в 2017 году, в то время как мировое потребление в этом году составило примерно 16 миллионов кубометров ³ в день (98,55 миллиона БПД) [14]. Управление энергетической информации США (EIA) дает оценку нефтепродуктов, произведенных из 0,16 м ³ нефти (~ 1 баррель нефти [42 галлона]). В Соединенных Штатах из очищенной нефти из 1 барреля будет производиться приблизительно 20 галлонов бензина, 12 галлонов среднего дистиллята / дизельного топлива, 4 галлона реактивного топлива и 6 галлонов углеводородов для производства химикатов и пластмасс [15].Уравнения. (26.1) — (26.3) показывают химическое горение каждой фракции как

(26.1) C ₈ H ₁₈ + 12.5O ₂ → 8CO ₂ + 9H ₂ O (бензин, плотность 0,745 кг л ⁻¹ )

(26,2) C ₁₁ H ₂₄ + 17O ₂ → 11CO ₂ + 12H ₂ O (реактивное топливо, плотность 0,775 кг л ⁻¹ )

(26,3) C ₁₃ H ₂₈ + 20O ₂ → 13CO ₂ + 14H ₂ O (Дизель, плотность, 0.832 кг л ^-1 )

Приблизительное количество CO ₂ , которое может быть произведено каждой очищенной жидкой фракцией в Соединенных Штатах при ее сжигании, оценивается по единицам, показанным в уравнении. (26,4) с использованием бензина в качестве примера:

(26,4) (баррель 20 галлонов ⁻¹ C ₈ H ₁₈ ) × (3,7854 л галлон ⁻¹ ) × (0,745 кг л ⁻¹ ) × (8 моль CO ₂ 1 моль C ₈ H ₁₈ ) × (44 г на моль CO ₂ ) × (114 г на моль C ₈ H ₁₈ ) ⁻¹ = 174 кг CO ₂ баррель ⁻¹

Применение этого уравнения к оставшимся горючим фракциям дает примерно 72 кг CO ₂ на баррель из дистиллята / дизельного топлива (молекулярная масса, MM, 184 г), 27 кг CO ₂ за баррель реактивного топлива (MM, 156 г), всего 273 кг на баррель, выбрасываемых в окружающую среду в результате сгорания продуктов нефтепереработки, произведенных из 1 барреля нефти.Эти фракции продуктов нефтепереработки в США показывают, что нефть потенциально способна вносить в окружающую среду 9,8 × 10 ⁹ т (9,8 млрд метрических тонн) CO ₂ ежегодно. Эта оценка вполне может быть выше, поскольку европейские страны в большей степени полагаются на дизельное топливо в качестве основного источника топлива для транспортных средств, и, следовательно, фракции очищенной нефти изменятся, чтобы отразить это использование [16].

British Petroleum (BP) указывает, что по состоянию на 2017 год на нефть (33%) и уголь (30%) приходилось 63% мирового потребления энергии.Другой основной источник — природный газ — 25% [17]. По оценкам EIA, мировое потребление угля в 2016 г. достигло 7,6 × 10 ⁹ т (∼7,6 трлн килограммов или 8,4 млрд тонн США) [18]. Уголь в основном состоит из углерода (67%), водорода (4%), кислорода (5%), воды (10%), золы (13%) и минералов (1%) [19]. Типичное химическое уравнение, используемое для описания горения углерода в угле, показано в формуле. (26,5).

(26,5) C + O ₂ → CO ₂ + Heat

От 7.6 × 10 ⁹ т угля, сжигаемого ежегодно, до 16,7 × 10 ⁹ т CO ₂ может быть выброшено в окружающую среду при условии, что среднее содержание углерода в угле составляет около 60%:

(26,6) ( 7,6 × 10 ₉ т C) × 0,60 × (x (44 г на моль CO ₂ ) × (12 г на моль C) ⁻¹ = 16,7 × 109 т CO ₂

Углерод содержание зависит от типа угля, и обычно бывает четыре типа (антрацит: 86–97% углерода, битуминозный: 45–86% углерода, суббитуминозный: 35–45% углерода и лигнит: 25–35%. углерод).

Мировое потребление природного газа составляет приблизительно 3,4 × 10 ¹² м ³ (120 триллионов кубических футов ³ или 3,4 квадриллиона литров) в год. Природный газ считается самым чистым горящим ископаемым топливом (уравнение (26.7)) [20].

(26,7) CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O

Плотность и молекулярная масса природного газа составляют 0,0007 кг л ⁻¹ и 18 г моль ⁻¹ . Используя уравнение. (26.4) предполагает, что примерно 5.8 × 10 ⁹ т CO ₂ ежегодно образуется при его сжигании. Хотя это ископаемое топливо вносит на 40% меньше выбросов углерода в год, чем нефть, важно отметить, что оно также используется на 30% меньше, чем нефть, как показано на рис. 26.1, адаптированном из BP, Exon Mobile и EIA [17,21, 22].

Рисунок 26.1. Краткое изложение мировых тенденций в области источников энергии за последние 60 лет и прогнозы на будущее.

Было много статей и обсуждений, касающихся глобального спроса на энергию и того, как эти потребности меняются и будут меняться с ростом мирового населения, внедрением возобновляемых ресурсов, повышением эффективности технологических процессов и транспортировки, резким ростом разработок в области хранения энергии и политикой в ​​отношении выбросов углерода [ 17,21,22].Достаточно интересно, что эти темы привели к множеству различий в том, каковы будут перспективы мировой энергетики в будущем. Население Китая, Индии и Африки, как полагают, будет иметь наибольшее влияние на будущий спрос на энергию: по оценкам, численность населения мира увеличится с 7,6 миллиарда (текущий уровень) до 8,9 миллиарда к 2035 году, примерно на 1,1% в год [23].

Рис. 26.1 показывает, как тенденции в источниках энергии изменились за последние 50 или около того лет и будут продолжать меняться по мере достижения прогресса в возобновляемых источниках энергии, возобновляемых хранилищах, транспортных технологиях и транспортных технологиях наряду с изменениями в доступности ископаемого топлива.В будущем эта доступность будет корректироваться в зависимости от затрат на добычу [17,21,22]. Что интересно и уместно отметить, так это прогноз будущего использования природного газа в связи с его доступностью, универсальностью и предполагаемым более чистым воздействием на окружающую среду. Существует также прогноз приблизительно 47% -ного увеличения возобновляемых источников энергии с 9% до 17% рынка к 2035 году [17,21,22]. Хотя эти изменения положительно влияют на окружающую среду и будущее, к сожалению, рост населения и благосостояние означает, что спрос на энергию будет намного опережать развитие и использование возобновляемых источников энергии [17,21–23].Природный газ рассматривается как более чистая альтернатива нефти и углю, но по мере роста спроса сокращение общего углеродного следа в обозримом будущем не принесет никакой пользы.

В этом разделе стоит упомянуть потенциальные опасности для окружающей среды, которые могут возникнуть в результате толчка к водородной экономике [24]. Водород (33,3 кВтч кг ⁻¹ ) имеет на 61% большую плотность энергии на киловатт-час на килограмм, чем бензин (12,9 кВтч кг ⁻¹ ). К сожалению, его применение в качестве источника энергии было ограничено из-за его низкой объемной плотности хранения в киловатт-часах на литр, а также способности производить H ₂ в качестве энергоносителя [25].Газообразный водород, хранящийся при 69,9 МПа (10000 фунтов на кв. Дюйм), имеет объемную плотность энергии 1,26 кВтч л ^-1 по сравнению с бензином при 9,2 кВтч л ^-1 . Во всем мире H ₂ почти полностью производится из ископаемого топлива и используется в качестве сырья в нефтеперерабатывающей и химической промышленности [26,27].

Возможность замены двигателей внутреннего сгорания топливными элементами в сочетании с будущим потенциалом производства H ₂ из возобновляемых источников энергии привела к значительным исследованиям, направленным на улучшение объемной и гравиметрической плотности хранения H ₂ [27,28].По оценкам исследователей, более 10% всего H ₂ в настоящее время вызывает утечки в атмосферу во время его производства, хранения и транспортировки [24]. Поскольку H ₂ настолько легкий, он может достигать стратосферы, где он вступает в реакцию с кислородом с образованием воды, что приводит к дальнейшему разрушению озонового слоя [24]. Долгосрочные последствия увеличения использования H ₂ для окружающей среды должны быть полностью оценены, прежде чем эти технологии будут развиваться.

Сжигание жидкого и твердого топлива

• Юрген Варнац
• Ульрих Маас
• Роберт В.Dibble

Abstract

До этой главы в этой книге основное внимание уделялось горению топлива и окислителя в газовой фазе. Однако во многих практических процессах сгорания топливо начинается в виде жидкости или твердого вещества, которое затем сжигается в газообразном окислителе. Примеры сжигания жидкостей включают сжигание в реактивных авиационных двигателях, дизельных двигателях и топках, работающих на жидком топливе. Примеры горения твердых веществ включают горение угля, древесины (при лесных пожарах и строительных пожарах), пластмасс и мусора.

Ключевые слова

Эти ключевые слова были добавлены машиной, а не авторами. Это экспериментальный процесс, и ключевые слова могут обновляться по мере улучшения алгоритма обучения.

Это предварительный просмотр содержимого подписки,

, чтобы проверить доступ.

Предварительный просмотр

Невозможно отобразить предварительный просмотр. Скачать превью PDF.

Информация об авторских правах

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001

Авторы и членские организации

• Юрген Варнац
• Ульрих Маас
• Роберт В.Dibble

1. 1.Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches RechnenUniversität HeidelbergHeidelbergGermany
2. 2.Institut für Technische VerbrennungUniversität StuttgartStuttgart
3. . машиностроения, Калифорнийский университет, Беркли, США,

Типы двигателей: жидкостный, твердотельный и гибридный… и четвертый

Жидкостный ракетный двигатель

Чтобы сжечь ракетный двигатель, необходимы три вещи: топливо, кислород и тепло.Сжигание топлива и кислорода всегда является экзотермической реакцией, которая обеспечивает собственное тепло для продолжения горения. Чтобы запустить реакцию, необходимо тепло.

Жидкостные двигатели содержат как топливо, так и окислитель в жидкой форме при хранении в ракетных баках. Давление в баллоне обычно относительно низкое. Существуют два типа жидкостных двигателей, которые различаются способом подачи топлива и окислителя в камеру сгорания. Упрощенный эскиз этих двух типов показан на рисунке 1. Для небольших простых жидкостных ракетных ступеней топливо и окислитель могут быть нагнетены в камеру сгорания с помощью инертного газа, обычно гелия (который не способствует сгоранию).При таком подходе необходимы «только» баки, водопровод и некоторые клапаны с электронным управлением в дополнение к камере сгорания и соплу. Дополнительная конструкция топливного бака увеличивает общий вес ступени ракеты (однако это может быть выгодным компромиссом, учитывая, насколько простое решение). Более того, вес, объем и давление внутри резервуаров с гелием увеличиваются с увеличением размера ракеты, а для ракет больше определенного размера это решение нецелесообразно.

Большие жидкостные двигатели всегда будут иметь турбонасос для перекачки топлива и окислителя в камеру сгорания.Обычно это приводит к сложным практическим решениям. Насос приводится в действие за счет сжигания небольшого количества топлива и окислителя (обычно с большим отношением кислорода к топливу или топлива к кислороду, чтобы поддерживать относительно низкую температуру внутри насоса), чтобы привести в движение «водяное колесо», которое вращает турбовентилятор с очень высокой скоростью высокие скорости увеличивают давление топлива и кислорода. Для наиболее эффективных двигателей топливо и кислород, используемые газогенератором в турбонасосе, снова нагнетаются в камеру сгорания для использования энергии напоминания (имейте в виду, что газогенератор неэффективен из-за большого количества кислорода в топливе или топливе. к кислородному соотношению, чтобы поддерживать низкую температуру).Это называется ступенчатым двигателем внутреннего сгорания. Двигатель открытого цикла, с другой стороны, сбрасывает газ, выходящий из турбонасоса. Открытый цикл менее эффективен (ниже Isp), но, как правило, его проще построить. Примером двигателя открытого цикла является жидкостный двигатель первой ступени Ariane 5, Vulcain 2, показанный на рисунке 2. Выхлопная труба, видимая сбоку от сопла, которая прикреплена к турбонасосу, частично видна встроенная в трубопровод. , используется для выпуска газа турбонасоса.

Сопло может сильно нагреваться, и некоторые двигатели, обычно большого размера, нуждаются в охлаждении сопла.Это достигается путем пропускания части холодного топлива по трубкам за пределами сопла. Когда это сделано, топливо работает как охлаждающий агент. Пройдя через трубопровод сопла, топливо нагнетается в камеру сгорания.

Твердотопливные ракетные двигатели

Другой тип ракетных двигателей, который наиболее часто используется, — это твердотопливные двигатели, в которых и топливо, и окислитель находятся в твердом состоянии. Топливо и окислитель смешиваются вместе и принимают форму внутри металлической конструкции, называемой кожухом.Этот кожух является механически несущей конструкцией. Внутри смеси пороха должен быть объем, в котором топливо и окислитель, которые выделяются в виде газа при нагревании, смешиваются и сгорают до достижения сопла. См. Рисунок 3 для деталей, составляющих твердотельный двигатель.

Пропеллент обычно представляет собой перхлорат аммония (окислитель) и сверхмелкий алюминиевый порошок (топливо), смешанный с полибутадиеном с концевыми гидроксильными группами (HTPB представляет собой полупрозрачную жидкость с цветом, подобным вощеной бумаге, и вязкостью, подобной кукурузному сиропу) в качестве связующего в дополнение к некоторым катализаторам.В результате получается черная резиновая структура. Используя различные катализаторы и различные соотношения в смеси окислителя, топлива и связующего, конструкторы могут изменять характеристики двигателя. Форма пороха будет определять, как будет выглядеть кривая тяги, то есть как тяга изменяется со временем после зажигания.

Преимущество твердотопливного двигателя заключается в том, что он может обеспечивать огромную тягу, и поэтому он часто используется в качестве ускорителя, заставляя запускающую спутник ракету набирать высокую начальную скорость перед использованием более эффективных жидкостных двигателей для получения горизонтальной скорости выше самой плотной. часть атмосферы.Еще одно преимущество состоит в том, что он очень прост, и когда он воспламеняется, он горит, пока не закончится топливо (или пока не произойдет катастрофический отказ). Это также один из недостатков такого двигателя: его нельзя выключить по команде и нельзя дросселировать, как жидкостный (и гибридный, как описано в следующем разделе) двигатель. Обычно он менее эффективен, чем жидкостные двигатели, с типичным удельным импульсом ниже 3000 м / с в вакууме и 2800 м / с на уровне моря.

Гибридные ракетные двигатели

Третья категория ракет — это гибридные двигатели, в которых одно топливо находится в твердой форме, а другое — в жидкой.Классические конструкции имеют твердое топливо и жидкий окислитель, но есть и обратные конструкции, т. Е. с жидким топливом и твердым окислителем — также существует, хотя последний сложнее реализовать на практике. Исторически гибридные двигатели не пользовались большой популярностью, но развитие технологий делает гибридные двигатели все более популярными. Самыми известными ракетами, использующими гибридную технологию, являются SpaceShipOne и SpaceShipTwo, принадлежащие Virgin Galactic Ричарда Брэнсона. По иронии судьбы, они попали в новости, когда космический корабль потерпел катастрофу во время летных испытаний, в результате чего погиб один из летчиков-испытателей.

На рис. 4 показан пример гибридного двигателя, использующего перекись водорода в качестве окислителя и резиновое топливо. Катализатор используется, чтобы помочь с разложением окислителя, когда он попадает в камеру сгорания (где находится топливо). Обратите внимание на использование азота для подачи окислителя в камеру сгорания. Топливо обычно металлическое. Удельный импульс может достигать 4 000 м / с. Гибридные двигатели обычно довольно просты по конструкции, но все же сложнее твердотельных двигателей. У них более высокий удельный импульс, чем у твердотельных двигателей, но они регулируются и могут отключаться, как и жидкостные двигатели.Самой большой проблемой гибридных двигателей были проблемы, связанные с увеличением низкой скорости горения гибридных двигателей, поскольку смешивание окислителя и топлива является более трудным, но это улучшается. Они считаются очень безопасными, поскольку топливо и окислитель можно хранить и отправлять индивидуально, а каждый компонент сам по себе полностью безопасен (хотя они могут быть токсичными).

Электрическое подруливающее устройство

Четвертый тип двигателей, о котором стоит упомянуть, — это электрические подруливающие устройства. Электродвигатели имеют чрезвычайно низкую тягу (от нескольких до сотен милли ньютонов), но очень высокий удельный импульс.Это делает их непригодными для использования в качестве ракетных двигателей из-за невозможности противодействовать силе гравитации. Однако на спутниках они очень практичны, и двигатель может развивать удельный импульс более 40 000 м / с по состоянию на 2018 год. Низкое усилие означает, что двигатель должен работать в течение длительного периода времени, но снижает общее количество топлива. необходимо для достижения заданной дельта-v. Одним из примеров является ABS-3A, спутник связи на геостационарной орбите, который является первым коммерческим спутником, в котором используются только электрические двигатели.У спутника была меньше половины стартовой массы, чем у спутника на химическом двигателе (около 1900 кг, по сравнению с примерно 4000–5000 кг на спутниках, использующих химические ракеты), причем основная разница в массах объяснялась к небольшому количеству необходимого топлива, всего около 100 кг топлива, необходимого для вывода на орбиту и удержания станции.

Узнайте больше о химическом составе ракетного топлива с акцентом на очень токсичное гиперголическое топливо (используется на некоторых ракетах и ​​многих спутниках, причем российская ракета Протон является самой известной ракетой):

<< Предыдущая страница - Содержание - Следующая глава >>

Эта статья является частью программы предварительного обучения, используемой NAROM в Fly a Rocket! и подобные программы.

Основы космического полета: ракетное топливо

Шкала эффективности ракетного топлива — удельный импульс , выраженный в секундах. Удельный импульс показывает, сколько фунтов (или килограммов) тяги получается при потреблении одного фунта (или килограмма) топлива за одну секунду. Удельный импульс характерен для типа топлива, однако его точное значение будет в некоторой степени варьироваться в зависимости от условий эксплуатации и конструкции ракетного двигателя.

Жидкое топливо

В ракете на жидком топливе топливо и окислитель хранятся в отдельных баках и через систему трубопроводов, клапанов и турбонасосов поступают в камеру сгорания, где они объединяются и сжигаются для создания тяги. Двигатели на жидком топливе более сложны, чем их твердотопливные аналоги, однако они обладают рядом преимуществ. Управляя потоком топлива в камеру сгорания, двигатель можно дросселировать, останавливать или перезапускать.

Хорошее жидкое топливо — это топливо с высоким удельным импульсом или, иначе говоря, с высокой скоростью выброса выхлопных газов. Это подразумевает высокую температуру сгорания и выхлопные газы с малой молекулярной массой. Однако есть еще один важный фактор, который необходимо учитывать: плотность топлива. Использование ракетного топлива с низкой плотностью означает, что потребуются резервуары для хранения большего размера, что увеличит массу ракеты-носителя. Температура хранения также важна.Топливо с низкой температурой хранения, то есть криогенное топливо, потребует теплоизоляции, что еще больше увеличит массу пусковой установки. Не менее важна токсичность пропеллента. Угрозы безопасности существуют при обращении, транспортировке и хранении высокотоксичных соединений. Кроме того, некоторые горючие вещества очень едкие; однако материалы, устойчивые к определенным порохам, были определены для использования в ракетостроении.

Жидкое топливо, используемое в ракетной технике, можно разделить на три типа: нефть, криогены и гиперголы.

Нефть топливо — это топливо, полученное из сырой нефти и представляющее собой смесь сложных углеводородов, то есть органических соединений, содержащих только углерод и водород. Нефть, используемая в качестве ракетного топлива, представляет собой тип керосина высокой степени очистки, который в США называется RP-1. Нефтяное топливо обычно используется в сочетании с жидким кислородом в качестве окислителя. Керосин дает удельный импульс значительно меньше, чем криогенное топливо, но в целом он лучше, чем гиперголическое топливо.

Спецификации для РП-1 были впервые выпущены в США в 1957 году, когда была признана потребность в чистом сгорающем нефтяном ракетном топливе. Предыдущие эксперименты с реактивным топливом приводили к образованию смолистых остатков в охлаждающих каналах двигателя и чрезмерного количества сажи, кокса и других отложений в газогенераторе. Даже с новыми техническими условиями двигатели, работающие на керосине, по-прежнему производят достаточно остатков, поэтому срок их службы ограничен.

Жидкий кислород и РП-1 используются в качестве топлива в ускорителях первой ступени ракет-носителей Атлас и Дельта II.Он также приводил в действие первые ступени ракет Saturn 1B и Saturn V.

Криогенные топлива представляют собой сжиженные газы, хранящиеся при очень низких температурах, чаще всего жидкий водород (LH ₂ ) в качестве топлива и жидкий кислород (LO ₂ или LOX) в качестве окислителя. Водород остается жидким при температурах -253 ^o C (-423 ^o F), а кислород остается в жидком состоянии при температурах -183 ^o C (-297 ^o F).

Из-за низких температур криогенного топлива их трудно хранить в течение длительного времени. По этой причине они менее желательны для использования в военных ракетах, которые необходимо держать готовыми к запуску в течение нескольких месяцев. Кроме того, жидкий водород имеет очень низкую плотность (0,071 г / мл) и, следовательно, для его хранения требуется во много раз больший объем, чем для других видов топлива. Несмотря на эти недостатки, высокая эффективность жидкого кислорода / жидкого водорода делает эти проблемы достойными решения, когда время реакции и сохраняемость не слишком критичны.Жидкий водород дает удельный импульс примерно на 30-40% выше, чем у большинства других ракетных топлив.

Жидкий кислород и жидкий водород используются в качестве топлива в высокоэффективных главных двигателях космического корабля «Шаттл». LOX / LH ₂ также приводил в действие верхние ступени ракет Saturn V и Saturn 1B, а также верхнюю ступень Centaur, первую в США ракету LOX / LH ₂ (1962).

Еще одно криогенное топливо с желаемыми свойствами для космических силовых установок — жидкий метан (-162 ^o C).При сжигании жидким кислородом метан имеет более высокие характеристики, чем современные хранимые пропелленты, но без увеличения объема, характерного для систем LOX / LH ₂ , что приводит к общей более низкой массе транспортного средства по сравнению с обычными гиперголическими ракетными топливами. LOX / метан также является экологически чистым и нетоксичным. В будущих миссиях на Марс, вероятно, будет использоваться метановое топливо, потому что его можно частично производить из марсианских ресурсов на месте. LOX / метан не имеет истории полетов и очень ограничен в истории наземных испытаний.

Двигатели, работающие на жидком фторе (-188 ^o C), также были разработаны и успешно запущены. Фтор не только чрезвычайно токсичен; это суперокислитель, который обычно бурно реагирует почти со всем, кроме азота, более легких благородных газов и веществ, которые уже были фторированы. Несмотря на эти недостатки, фтор обеспечивает очень впечатляющие характеристики двигателя. Его также можно смешивать с жидким кислородом для улучшения характеристик двигателей, работающих на LOX; Полученная смесь называется FLOX.Из-за высокой токсичности фтора от него отказались большинство космических держав.

Некоторые фторсодержащие соединения, такие как пентафторид хлора, также рассматривались для использования в качестве «окислителя» в космических приложениях.

Hypergolic пропелленты — это топливо и окислители, которые самовоспламеняются при контакте друг с другом и не требуют источника воспламенения. Возможность легкого запуска и перезапуска гиперголов делает их идеальными для систем маневрирования космических кораблей.Кроме того, поскольку гиперголы остаются жидкими при нормальных температурах, они не создают проблем с хранением криогенного топлива. Гиперголы очень токсичны, и с ними нужно обращаться с особой осторожностью.

Гиперголическое топливо обычно включает гидразин, монометилгидразин (MMH) и несимметричный диметилгидразин (UDMH). Гидразин обладает лучшими характеристиками в качестве ракетного топлива, но он имеет высокую температуру замерзания и слишком нестабилен для использования в качестве охлаждающей жидкости. MMH более стабилен и дает наилучшие характеристики, когда возникает проблема с температурой замерзания, например, в двигателях космических аппаратов.UDMH имеет самую низкую точку замерзания и достаточную термическую стабильность для использования в больших двигателях с регенеративным охлаждением. Следовательно, UDMH часто используется в ракетах-носителях, хотя он наименее эффективен из производных гидразина. Также обычно используются смешанные топлива, такие как Aerozine 50 (или «50-50»), который представляет собой смесь 50% UDMH и 50% гидразина. Aerozine 50 почти так же стабилен, как UDMH, и обеспечивает лучшую производительность.

Окислителем обычно является четырехокись азота (NTO) или азотная кислота.В Соединенных Штатах наиболее часто используется состав азотной кислоты типа III-A, называемый ингибированной краснодымящей азотной кислотой (IRFNA), который состоит из HNO ₃ + 14% N ₂ O ₄ + 1,5- 2,5% H ₂ O + 0,6% HF (добавлен в качестве ингибитора коррозии). Четырехокись азота менее агрессивна, чем азотная кислота, и обеспечивает лучшую производительность, но имеет более высокую температуру замерзания. Следовательно, четырехокись азота обычно является предпочтительным окислителем, когда точка замерзания не является проблемой, однако температуру замерзания можно понизить путем введения оксида азота.Образующийся окислитель называется смешанными оксидами азота (МОН). Число, включенное в описание, например MON-3 или MON-25 указывает процентное содержание оксида азота по массе. В то время как чистый четырехокись азота имеет точку замерзания около -9 ^° ° C, точка замерзания MON-3 составляет -15 ^° ° C, а температура замерзания MON-25 составляет -55 ^° ° C.

Военные спецификации США для IRFNA были впервые опубликованы в 1954 году, а в 1955 году — спецификации UDMH.

Ракеты-носители семейства Titan и вторая ступень ракеты Delta II используют топливо NTO / Aerozine 50.NTO / MMH используется в системе орбитального маневрирования (OMS) и системе управления реакцией (RCS) орбитального корабля Space Shuttle. IRFNA / UDMH часто используется в тактических ракетах, таких как Lance армии США (1972-91).

Гидразин также часто используется в качестве монотоплива в двигателях каталитического разложения . В этих двигателях жидкое топливо разлагается на горячий газ в присутствии катализатора. При разложении гидразина возникают температуры примерно до 1100 ^o C (2 000 ^o F) и удельный импульс продолжительностью около 230 или 240 секунд.Гидразин разлагается либо на водород и азот, либо на аммиак и азот.

Также использовались другие топлива , некоторые из которых заслуживают упоминания:

Спирты обычно использовались в качестве топлива в первые годы ракетостроения. Немецкая ракета Фау-2, а также американская ракета Редстоун сжигали LOX и этиловый спирт (этанол), разбавленный водой для снижения температуры камеры сгорания. Однако, когда были разработаны более эффективные виды топлива, спирты вышли из употребления.

Перекись водорода когда-то привлекала большое внимание как окислитель и использовалась в британской ракете «Черная стрела». В высоких концентрациях перекись водорода называется высокопробной перекисью (HTP). По своим характеристикам и плотности HTP близок к азотной кислоте, он гораздо менее токсичен и вызывает коррозию; однако у него плохая температура замерзания и он нестабилен. Хотя ПВТ никогда не использовался в качестве окислителя в больших двухкомпонентных топливах, он нашел широкое применение в качестве монотоплива.В присутствии катализатора HTP разлагается на кислород и перегретый пар и производит удельный импульс длительностью около 150 с.

Закись азота использовалась и как окислитель, и как монотопливо. Он является предпочтительным окислителем для многих конструкций гибридных ракет и часто используется в любительской ракетной технике большой мощности. В присутствии катализатора закись азота будет экзотермически разлагаться на азот и кислород и производить удельный импульс около 170 с.

Твердое топливо

Твердотопливные двигатели — самые простые из всех ракетных конструкций.Они состоят из корпуса, обычно стального, заполненного смесью твердых компонентов (топлива и окислителя), которые сгорают с большой скоростью, выбрасывая горячие газы из сопла для создания тяги. При воспламенении твердое топливо горит от центра к краям кожуха. Форма центрального канала определяет скорость и характер горения, таким образом обеспечивая средства для контроля тяги. В отличие от жидкостных двигателей, твердотопливные двигатели не могут быть остановлены. После воспламенения они будут гореть до тех пор, пока не будет израсходовано все топливо.

Существует два семейства твердого топлива: гомогенное и составное. Оба типа плотны, стабильны при обычных температурах и легко хранятся.

Гомогенные порохы бывают либо простыми, либо двойными. Простое базовое топливо состоит из одного соединения, обычно нитроцеллюлозы, которое обладает как способностью к окислению, так и способностью к восстановлению. Двухосновные пропелленты обычно состоят из нитроцеллюлозы и нитроглицерина, к которым добавлен пластификатор.Однородные порохы обычно не имеют удельных импульсов более 210 секунд при нормальных условиях. Их главным преимуществом является то, что они не производят прослеживаемых паров и поэтому обычно используются в тактическом оружии. Они также часто используются для выполнения вспомогательных функций, таких как удаление отработанных деталей или отделение одной ступени от другой.

Современные композиционные топлива — это гетерогенные порошки (смеси), в которых в качестве окислителя используется кристаллизованная или мелкоизмельченная минеральная соль, часто перхлорат аммония, который составляет от 60% до 90% массы ракетного топлива.Само топливо, как правило, алюминиевое. Пропеллент удерживается вместе полимерным связующим, обычно полиуретаном или полибутадиенами, которое также используется в качестве топлива. Иногда включаются дополнительные соединения, такие как катализатор, помогающий увеличить скорость горения, или другие агенты, облегчающие производство порошка. Конечный продукт представляет собой резиноподобное вещество с консистенцией ластика из твердой резины.

Композитные топлива часто идентифицируются по типу используемого полимерного связующего.Двумя наиболее распространенными связующими являются акрилонитрил полибутадиенакриловой кислоты (PBAN) и полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB). Составы PBAN дают немного более высокие удельный импульс, плотность и скорость горения, чем эквивалентные составы, использующие HTPB. Однако пропеллент PBAN сложнее смешивать и обрабатывать, и он требует повышенной температуры отверждения. Связующее HTPB прочнее и гибче, чем связующее PBAN. Составы как PBAN, так и HTPB приводят к получению пропеллентов с превосходными эксплуатационными характеристиками, хорошими механическими свойствами и потенциально долгим временем горения.

Твердотопливные двигатели имеют множество применений. Мелкие твердые частицы часто приводят в действие последнюю ступень ракеты-носителя или прикрепляются к полезной нагрузке, чтобы вывести ее на более высокие орбиты. Средние твердые тела, такие как вспомогательный модуль полезной нагрузки (PAM) и инерциальный верхний каскад (IUS), обеспечивают дополнительный импульс для вывода спутников на геостационарные орбиты или на планетарные траектории.

В ракетах-носителях «Титан», «Дельта» и «Спейс шаттл» используются прикрепляемые твердотопливные ракеты для обеспечения дополнительной тяги при взлете.Space Shuttle использует самые большие твердотопливные ракетные двигатели из когда-либо построенных и запущенных. Каждый ускоритель содержит 500 000 кг (1 100 000 фунтов) топлива и может создавать тягу до 14 680 000 Ньютонов (3 300 000 фунтов).

Гибридные топлива

Гибридные топливные двигатели представляют собой промежуточную группу между твердотопливными и жидкостными двигателями. Одно из веществ твердое, обычно топливо, а другое, обычно окислитель, жидкое. Жидкость впрыскивается в твердое тело, топливный резервуар которого также служит камерой сгорания.Основным преимуществом таких двигателей является то, что они имеют высокие характеристики, аналогичные характеристикам твердого топлива, но сгорание можно замедлить, остановить или даже возобновить. Эту концепцию трудно использовать для разной большой тяги, и поэтому гибридные топливные двигатели строятся редко.

Гибридный двигатель, использующий закись азота в качестве жидкого окислителя и резину HTPB в качестве твердого топлива, приводил в действие автомобиль SpaceShipOne , который выиграл премию Ansari X-Prize.

Составлено, отредактировано и частично написано Робертом А.Брауниг, 1996, 2005, 2006, 2008.
Библиография

Сводка представленных данных — Использование твердого топлива в домашних условиях и высокотемпературное жарение

5.1. Данные о воздействии

Использование твердых веществ в качестве домашнего топлива широко распространено и затрагивает примерно половину населения, почти исключительно в странах с низкими и средними ресурсами, а биомасса используется гораздо чаще, чем уголь, в большинстве частей страны. мир.Воздействие выбросов от сжигания этих видов топлива происходит в результате приготовления пищи или обогрева, обычно в плохо вентилируемых помещениях. Особенно высокому уровню этих выбросов могут подвергаться женщины и маленькие дети.

Факторы, определяющие использование твердого топлива, включают сочетание вопросов, связанных с экономикой, социальным статусом, удобством и физической доступностью. Доход и образование играют важную роль в выборе топлива; домохозяйства, использующие твердое топливо, как правило, имеют более низкий уровень образования и дохода, потому что топливо из биомассы часто собирается из местной окружающей среды, тогда как жидкое топливо необходимо покупать на местном рынке или у розничных продавцов топлива.

Доступ как к твердому, так и к жидкому топливу также играет важную роль при выборе топлива для домашнего использования. Доступность биомассы из местной окружающей среды или сельскохозяйственных остатков способствует ее использованию в качестве топлива для приготовления пищи, поскольку не требуются денежные затраты. Когда жидкое топливо недоступно на местных рынках или значительные начальные затраты являются препятствием для его внедрения, вероятность использования твердого топлива выше.

Энергетическая политика в конкретных странах, которая включает вопросы доступа и цен на энергию, налогов или субсидий, также играет роль в выборе типа используемого топлива.Налоги на жидкое топливо снижают вероятность того, что люди будут использовать его для приготовления пищи, тогда как субсидии поощряют его использование. Дополнительные факторы, влияющие на воздействие загрязнения воздуха в помещении твердым топливом, включают тип и качество топлива, тип и состояние печей, наличие дымохода, тип вентиляции и жилья, задачу, навыки оператора печи. и погодные условия, все из которых играют роль в определении уровня загрязняющих веществ. Эти факторы различаются в зависимости от дня, сезона и года, и обобщение уровней воздействия, которое может возникнуть в результате отдельных мониторинговых исследований, проводимых в самых разных условиях, затруднительно.

При обычном сжигании биомассы и угля в домашних условиях 10–30% углеродного топлива превращается в продукты неполного сгорания. Общие выбросы этих продуктов из угля и биомассы перекрываются, в значительной степени в зависимости от вида топлива и типа печи. Тысячи химических веществ были идентифицированы в газовой фазе и фазе частиц продуктов неполного сгорания. Смесь содержит мелкие и ультратонкие частицы и большое количество полулетучих и нелетучих органических соединений, включая известные канцерогены, такие как бензол, формальдегид и бензо [ a ] пирен.На основании результатов ограниченного числа исследований, в которых измерялись коэффициенты выбросов, при сжигании того же количества угля и дров в бытовых печах образуются относительно сопоставимые количества бензола и бензо [ a ] пирена. Однако при сжигании древесины образуется большее количество формальдегида и ацетальдегида, чем при сжигании того же количества угля.

Практически все сельское население Китая (около 740 миллионов) использует твердое топливо, и большинство из них полагаются на уголь или различные виды топлива из биомассы для удовлетворения большей части своих потребностей в энергии.Значительная часть городского населения (560 миллионов) использует уголь, который все чаще используется в виде брикетов. Усовершенствованные печи, работающие на биомассе, очень распространены, как и портативные угольные печи без вентиляции. Типичные средние уровни воздействия твердых частиц размером <10 мкм в помещении находятся в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен микрограммов на кубический метр, а для бензо [ a ] пирена — от низких однозначных значений до более 40 нг / м ³ . В некоторых домохозяйствах средний уровень воздействия может быть на порядок выше.Хотя газовое топливо и электричество постепенно заменяют твердое топливо, последнее остается преобладающим даже в более богатых сельских домохозяйствах.

Воздействие загрязнителей воздуха внутри помещений, которые связаны со сжиганием твердого топлива для приготовления пищи и обогрева, широко распространено в Южной Азии. Облучения широко распространены и распространены у половины — трех четвертей населения в большинстве стран региона. В Латинской Америке почти 25% населения проживает в сельской местности, где топливо из биомассы наиболее часто используется для приготовления пищи и обогрева.В Африке топливо из биомассы используется почти исключительно в сельских районах и до сих пор широко используется в большинстве городских районов.

Несмотря на то, что существует некоторая изменчивость уровней воздействия в результате дифференциального распределения детерминант, уровни загрязнителей варьируются от нескольких сотен микрограммов на кубический метр твердых частиц различного размера в течение дня до нескольких тысяч микрограммов на кубический метр. во время приготовления пищи постоянно сообщалось во многих странах этих регионов.

Уже доступны различные вмешательства, появляются новые технологии и подходы. Небольшой объем доказательств показывает, что вмешательства могут существенно снизить воздействие и заболеваемость раком легких (дымоходные печи, переход на более чистые виды топлива) и хронической обструктивной болезнью легких (дымоходные печи). Уровни загрязнителей воздуха внутри помещений, связанных с использованием биомассы и другого твердого топлива, можно существенно снизить, особенно с помощью печей с дымоходом, но опыт показывает, что уровни воздействия остаются высокими, и люди подвергаются воздействию вблизи своих домов и из домов соседей.Печи на биомассе, использующие вторичное сжигание, могут иметь преимущества благодаря значительному снижению выбросов. Более чистые виды топлива, в частности сжиженный нефтяной газ и природный газ, обеспечивают наибольшее снижение воздействия, но затраты и практические вопросы могут привести к меньшему сокращению, достигаемому на практике. Электроэнергия важна для развития, но вряд ли будет способствовать значительному снижению воздействия, поскольку она редко используется для приготовления пищи и обогрева в бедных общинах из-за высокой стоимости снабжения, инфраструктуры и использования.Поведенческие изменения могут дополнять технические вмешательства, но, по-видимому, сами по себе имеют ограниченный потенциал.

5.2. Данные о канцерогенности для человека

5.2.1. Рак легких

(a) Сжигание угля

Более 20 исследований случай-контроль и одно когортное интервенционное исследование сообщили о связи между воздействием угольного дыма и риском рака легких. Большинство из них проводились в Китае; кроме того, было доступно несколько исследований из Северной Америки и Европы.Несколько исследований, в которых использовались различные эпидемиологические схемы, проводились в округе Сюань Вэй, Китай. Первоначально экологическое исследование в этой области показало сильную корреляцию между сообществами, которые использовали несколько различных типов дымного угля, и смертностью от рака легких. В двух популяционных исследованиях случай-контроль сообщалось о положительной связи между употреблением дымного угля и повышенным риском рака легких. В обоих этих исследованиях наблюдалась статистически значимая взаимосвязь «воздействие – реакция» между количеством использованного дымного угля и риском рака легких.В одном из них, в котором контрольные группы были сопоставлены со случаями по деревням и типу топлива, количество использованного дымного угля по-прежнему существенно ассоциировалось с риском рака легких в зависимости от воздействия. Когортное исследование, проведенное в округе Сюань Вэй, в котором приняли участие более 20000 фермеров, которые использовали дымный уголь на протяжении всей своей жизни, и около 1300 случаев рака легких, показало, что переход на использование печи с дымоходом был связан со снижением риска рака легких. как у мужчин, так и у женщин, что стало очевидным через 10 и более лет после вмешательства.

Два исследования случай-контроль в северном Китае, в которых использовался общий контроль населения, предоставили доказательства связи между воздействием загрязнения воздуха внутри помещений угольным дымом и риском рака легких. Первое, крупное, хорошо проведенное исследование в Шэньяне, сообщило о внутренне непротиворечивых положительных ассоциациях «воздействие – реакция» для различных показателей воздействия угольного дыма, включая совокупный индекс воздействия угольного дыма в помещении от отопления и приготовления пищи, скорректированный с учетом табакокурение и образование.Второе исследование, проведенное в Харбине, показало сильную взаимосвязь между воздействием и реакцией среди некурящих женщин в течение многих лет использования угольной печи в спальне и риске рака легких после поправки на несколько потенциальных факторов, влияющих на факторы.

Одно больничное исследование случай-контроль из Тайваня, Китай, выявило статистически значимое двукратное увеличение риска аденокарциномы легких при использовании «угля или антрацита» в качестве топлива для приготовления пищи с поправкой на курение и социально-экономический статус; не было предоставлено результатов воздействия-ответа.Популяционное исследование рака легких среди женщин в Лос-Анджелесе (Калифорния, США) показало двукратное повышение риска аденокарциномы легкого при использовании угля для обогрева или приготовления пищи в детстве и подростковом возрасте; результаты были скорректированы с учетом возможных искажающих факторов, но анализ «воздействие – реакция» не был предоставлен.

(b) Сжигание биомассы

Для изучения роли биомассы в риске рака легких Рабочая группа сочла, что четыре исследования, в которых собрана информация об использовании этого типа топлива для приготовления пищи и / или обогрева, были более информативными. и что среди них наиболее информативными оказались исследование случай – контроль, проведенное на Тайване, Китай, и крупное хорошо проведенное европейское многоцентровое исследование “случай – контроль”.В исследовании, проведенном на Тайване, по сравнению с людьми, которые не использовали дрова, некурящие женщины, которые использовали дрова для приготовления пищи, показали значительное двукратное повышение риска рака легких. В последующем расширенном исследовании использование древесины также было связано со значительным трехкратным повышением риска плоскоклеточного рака и аденокарциномы легкого. В крупном европейском исследовании случай-контроль по сравнению с мужчинами и женщинами, которые никогда не использовали уголь и / или дрова для приготовления пищи или обогрева, было обнаружено значительное повышение риска рака легких на 20–30% среди тех, кто готовил или топил дрова, но никогда. с углем после поправки на активное курение табака и другие потенциальные помехи.Однако ни тайваньские, ни европейские исследования не предоставили информации о продолжительности воздействия древесного дыма и, следовательно, о воздействии-реакции.

Два других информативных исследования были проведены с участием некурящих женщин, одно в Японии и одно в Мексике, и выявили повышенный риск рака легких в связи с воздействием дыма от дерева или дерева и соломы. В японском исследовании не было информации о продолжительности воздействия, и значительно повышенный риск был ограничен женщинами, которые подвергались воздействию древесного дыма в возрасте 30 лет.В мексиканском исследовании примерно вдвое повышенный риск был ограничен для женщин, которые использовали древесину более 50 лет, тогда как риски не были увеличены для тех, кто использовал древесину в течение 1–20 или 21–50 лет. Таким образом, накопленные данные свидетельствуют о том, что воздействие дыма от древесины, которая использовалась для обогрева и / или приготовления пищи, может быть связано с повышенным риском рака легких, но информации о влиянии продолжительности и интенсивности воздействия не хватало.

5.2.2. Рак пищеварительного тракта и сжигание угля или биомассы

В нескольких исследованиях изучалась взаимосвязь между использованием угля или биомассы и риском развития карциномы носоглотки (большинство из которых были проведены в Китае и одно в Индии).Одно исследование рака носоглотки среди китайцев сообщило о статистически значимом пятикратном повышении риска, связанного с текущим использованием древесины в качестве топлива после поправки на потребление соленой рыбы во время отъема; однако не было представлено никакой информации о зависимости воздействия от реакции, за исключением некоторой оценки условий вентиляции. В других исследованиях карциномы носоглотки оценка воздействия также была грубой, исходная группа сравнения не была четко указана или включала людей, которые использовали уголь или другие виды топлива, кроме угля и древесины, и никаких поправок на потребление соленой рыбы не производилось.

В нескольких исследованиях, проведенных онкологическим центром, изучалась взаимосвязь воздействия выбросов от сжигания угля или биомассы и других видов рака дыхательно-пищеварительного тракта, включая ротовую полость, глотку, гортань, носовые полости и пищевод. Эти исследования были не очень информативными, потому что они были очень небольшими, исходная группа сравнения не была четко определена, и были исследованы смешанные воздействия, или воздействие было основано на дихотомической переменной без информации о взаимосвязях «воздействие – реакция».

5.3. Данные о канцерогенности животных

5.3.1. Уголь

В одном исследовании ингаляционное воздействие высокой концентрации выбросов, образующихся при сжигании угля в условиях, аналогичных условиям воздействия на человека в округе Сюань Вэй, Китай, увеличило заболеваемость различными типами злокачественных опухолей легких (плоскоклеточные карциномы, аденосквамозные карциномы и аденокарциномы) у самцов и самок мышей Kunming и плоскоклеточные карциномы у самцов и самок крыс Wistar.В другом исследовании на мышах Куньмин, подвергшихся при вдыхании неустановленной концентрации угольных выбросов из неустановленного источника в Харбине, Китай, заболеваемость аденокарциномой увеличилась.

Интратрахеальное введение экстрактов угольной сажи из округа Сюань Вэй вызывало увеличение числа случаев аденокарциномы легких. В двух исследованиях подкожное введение экстрактов угольных выбросов из округа Сюань Вэй увеличивало частоту различных типов злокачественных опухолей легких (плоскоклеточный рак, аденосквамозный рак и аденокарциномы) у мышей Куньмин.Эти экстракты были использованы в полном исследовании канцерогенеза путем нанесения на кожу и вызвали увеличение случаев карциномы кожи у мышей SENCAR. Экстракты угольных выбросов из того же региона увеличили частоту доброкачественных папиллом кожи в двух исследованиях инициирования и стимулирования опухоли путем нанесения на кожу на мышах Kunming и SENCAR.

Ветеринарно-эпидемиологическое исследование собак также показало связь между воздействием угольных выбросов и раком носовых пазух.

5.3.2. Древесный дым

В одном исследовании вдыхание высокой концентрации выбросов, производимых древесиной, сожженной в условиях, аналогичных условиям воздействия на человека в округе Сюань Вэй, увеличивало заболеваемость аденокарциномой легких у самцов и самок мышей Куньмин. Одно и то же ингаляционное воздействие не привело к увеличению заболеваемости опухолями легких у крыс линии Вистар любого пола. Древесный дым, образовавшийся от дуба смешанных пород, который сжигали в несертифицированной дровяной печи в течение смоделированного цикла, не вызывал увеличения образования опухолей у мышей линии А, подвергнутых воздействию в течение 6 месяцев и выдержанных в течение 6 месяцев без воздействия.

Подкожно вводимые экстракты древесного дыма из округа Сюань Вэй увеличивали частоту возникновения аденокарциномы легких у самцов мышей Куньмин. Экстракты древесного дыма из той же области увеличивали частоту появления доброкачественных папиллом кожи в двух исследованиях инициирования и стимулирования опухоли путем нанесения на кожу самок мышей Kunming и SENCAR. Подобные региональные экстракты, использованные в полном исследовании канцерогенеза путем нанесения на кожу, вызвали статистически не значимое увеличение частоты карцином кожи у самок мышей SENCAR.Экстракты соответствующих твердых частиц из древесного дыма, образующегося от дровяной печи, в которой сжигали твердую и мягкую древесину, увеличили частоту появления доброкачественных папиллом кожи в исследованиях инициирования опухоли у самок мышей SENCAR после многократного местного нанесения на кожу.

5.4. Механические и другие соответствующие данные

Выбросы от сжигания органических материалов, таких как уголь или древесина, представляют собой сложные смеси, которые содержат множество различных газов, аэрозолей и химических соединений, смешанных с твердыми частицами и / или адсорбированных на них.

Основными механизмами осаждения переносимых по воздуху частиц в дыхательных путях являются осаждение, столкновение и диффузия. Осаждение путем осаждения и удара зависит от аэродинамического диаметра частицы, тогда как осаждение путем диффузии зависит от ее термодинамического диаметра. После вдыхания частицы могут либо откладываться во внегрудных, трахеобронхиальных или легочных дыхательных путях, либо оставаться в воздушном потоке и удаляться при выдохе. Отложение частиц в дыхательных путях зависит в первую очередь от размера вдыхаемой частицы, пути дыхания (т.е. через нос и / или рот) и характер дыхания (например, объем и частота).

Частицы часто представляют собой агрегаты или агломераты более мелких первичных частиц. Аэродинамические и термодинамические свойства этих агрегатов (а не первичных частиц) влияют на их поведение в воздухе и вероятность их осаждения в дыхательных путях. После осаждения такие свойства, как размер и площадь поверхности как агрегата, так и первичной частицы, могут потенциально влиять на кинетику клиренса.

Осаждение и удаление частиц различаются у разных людей по ряду причин, включая возраст, пол, статус курения табака и состояние здоровья. Существовавшие ранее заболевания легких или состояния, такие как астма или хроническая обструктивная болезнь легких, могут влиять на эффективность и характер отложения в дыхательных путях. Отложение также зависит от уровня активности и характера дыхания. Отложение и удерживание определяют начальную и удерживаемую дозу частиц в каждой области и, следовательно, могут влиять на риск развития заболеваний, специфичных для этих областей дыхательных путей.

Исследования на грызунах (в основном крысах) показали, что, в зависимости от концентраций и продолжительности воздействия, долгосрочное удерживание частиц у людей может быть больше, чем предсказано в исследованиях на грызунах, в которых использовались более низкие концентрации или более короткая продолжительность воздействия.

Каскад событий, предложенный для описания биологического процесса, который начинается с осаждения некоторых частиц на критических клетках-мишенях или тканях в легком крысы и приводит к опухолям легких крысы, включает устойчивое воспаление, выработку активных форм кислорода, истощение антиоксидантов и / или нарушение других защитных механизмов, пролиферация клеток и генные мутации.Эти отдельные этапы включают общий способ действия, который можно использовать для сравнения ответов крыс с ответами других видов, включая человека. Площадь поверхности частиц является лучшим показателем опухолей легких, чем масса частиц у крыс, подвергшихся воздействию различных плохо растворимых частиц мелкого или ультратонкого размера.

Среди других соединений полициклические ароматические углеводороды являются важными химическими компонентами выбросов при сжигании. Эти соединения всасываются через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт и кожу, а молекулы меньшего размера (два-три кольца) абсорбируются быстрее, чем более крупные.При этом задействованы как активный транспорт, так и пассивная диффузия, и после абсорбции полициклические ароматические углеводороды широко распределяются по большинству органов и тканей и имеют тенденцию накапливаться в жировой ткани. Они быстро метаболизируются до более растворимых (а в некоторых случаях более реактивных) метаболитов, таких как эпоксиды, фенолы, дигидродиолы, фенол-дигидродиолы, дигидродиол-эпоксиды, хиноны и тетролы. Участвуют по крайней мере три пути метаболизма: путь цитохрома P450, путь цитохрома P450 / альдокеторедуктазы (окислительный) и путь цитохрома P450 / пероксидазы (катион-радикал).Помимо этих метаболических путей фазы I, метаболиты полициклических ароматических углеводородов могут связываться с макромолекулами, что может приводить к токсическим, мутагенным или канцерогенным эффектам, или они могут выводиться в конъюгированной форме посредством метаболизма фазы II.

Полициклические ароматические углеводороды могут метаболизироваться в их диолэпоксиды бухты и фьорда или подвергаться циклопента-кольцевому окислению. Они могут быть электрофильными и связываться с ДНК и белками, что приводит к генотоксическим эффектам — в первую очередь за счет образования аддуктов ДНК.Полициклические ароматические углеводороды также обладают негенотоксическими эффектами, которые могут включать прерывание связи между щелевыми соединениями и изменения в экспрессии генов; катион-радикалы, орто, -хиноны и активные формы кислорода также могут образовываться в результате их метаболизма. Они также могут действовать через рецептор-опосредованные механизмы, в которых участвует арилуглеводородный рецептор. Эти соединения могут иметь иммунологические и гематологические эффекты, а также могут быть фототоксичными.

В нескольких исследованиях оценивали группы населения, подвергающиеся загрязнению воздуха внутри помещений углем, древесиной или другими парами биомассы, на предмет ассоциаций между полиморфизмами генов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков, и риском рака легких.Однако множественные сравнения и, как правило, небольшие размеры выборки могли привести как к ложноположительным, так и к ложноотрицательным результатам. Некоторые данные указывают на то, что нулевой генотип GSTM1 был связан с повышенным риском рака легких в исследованиях, в которых по крайней мере часть исследуемой популяции определенно или вероятно подвергалась воздействию загрязнения воздуха внутри помещений, особенно когда предполагалось воздействие полициклических ароматических углеводородов. содействующий агент. Однако результаты полиморфизма в других генах противоречивы или были проанализированы только в одном исследовании.Следовательно, нельзя сделать однозначного вывода относительно влияния полиморфизмов генов, отличных от GSTM1 , на риск рака легких в этих популяциях.

Доступная информация о мутагенности и генотоксичности выбросов дымного угля из округа Сюань Вэй включает широкий спектр конечных точек, которые включают мутации в генах KRAS и TP53 в опухолях легких у некурящих людей, которые подвергались воздействию выбросов дымного угля. и чьи опухоли были эпидемиологически связаны с воздействием выбросов.Кроме того, исследования показывают, что такое воздействие приводит к экскреции нескольких метаболитов полициклических ароматических углеводородов, и что подвергшиеся воздействию люди демонстрируют повышенные уровни аддуктов ПАУ-ДНК и накопление белка TP53. Два исследования также показали, что выбросы от других типов угля индуцировали обмен сестринскими хроматидами у подвергшихся воздействию людей.

Имеющаяся информация о генотоксичности и мутагенности выбросов от сжигания древесины включает ряд исследований на людях, которые показали индукцию цитогенетических повреждений у облученных людей, включая микроядра, обмен сестринских хроматид и хромосомные аберрации.Кроме того, у людей, подвергшихся воздействию, был повышенный уровень аддуктов ДНК, повреждение ДНК и накопление белка TP53. В культивируемых клетках экстракты выбросов (в основном из древесины) вызывали разрывы цепей ДНК и обмен сестринских хроматид.

Во многих экспериментах экстракты или конденсаты выбросов угля и древесины были мутагенными в отношении Salmonella. В штамме TA98 в присутствии системы метаболической активации эффективность ревертантов на миллиграмм частицы может достигать 3000 для дымного угля и 4700 для древесины.Однако в среднем выбросы дымного угля были в пять раз более мутагенными, чем выбросы из дерева, с точки зрения активности на миллиграмм частицы. Напротив, мутагенная сила этих выбросов, выраженная в виде ревертантов на кубический метр воздуха, достигла 60 000 для дымного угля и 11 000 для древесины.