Le Samovar esprit (7 / 7 étapes)

Étape 7: Problème deux : les détails (partie 3 - (in) efficacité!)

Bon, voilà où le bât blesse la route... ou le trouble obsessionnel-compulsif frappe le mur de brique.  Est-ce une façon raisonnable et écologique de chauffer l’eau ?  Voici mes observations (avec la mise en garde suivante - je ne suis pas M. physique-guy, alors si vous pensez que j’ai pris un mauvais tournant, s’il vous plaît laissez-moi savoir... un peu bien) :

Avec la veste et le couvercle en verre, l’eau viendra à une pleine ébullition en environ 20 minutes.  Lorsque remplis d’alcool isopropylique, la lampe à l’intérieur de l’esprit Samovar restera allumée pour environ une heure et 20 minutes.  C’est assez pour trois tasses de thé.  Semble raisonnable pour moi.  Mais il est respectueux de l’environnement ?

Pour savoir, je suis retourné à mon texte de chimie d’un recyclage sur l’enthalpie et de capacité calorifique.  L’équation est assez simple :

L’énergie nécessaire pour changer l’eau d’un liquide à un gaz est égal à g de l’eau, temps du changement de température en degrés Celsius, multiplié la capacité calorifique de l’eau (4.186 J/g ° C).  Diviser le résultat par 1000 pour obtenir les kilojoules.  Ajouter l’énergie requise pour vaporiser de l’eau, qui est grammes d’eau pour être vaporisé fois l’enthalpie de vaporisation (2260 kJ/kG), et voila !  Donc :

100 grammes * (100 ° C - 20 ° C) * 4.186 J/g ° C = 33488 J = 33.48kJ
100 g H2O *(2260 J/g)/1000 = 226 kJ
33.48kJ + 226 kJ = 259.048 kJ

Sorte de.  Le problème est que chaque fois que chem manuels en parler (et il m’a fallu un certain temps - gênant - à comprendre cela), ils parlent de vaporisation tous l’eau.  Tout en une chose intéressante à faire, convertir toute l’eau dans la casserole à vapeur n’aidera pas avec autre chose que notre sinus de compensation.  Ce que nous devons faire est de vaporiser un montant spécifique de l’eau, et mesurer la quantité d’énergie qui a eu.  Voilà mon approche :

• J’ai mesuré 20 ml de méthanol dans la lampe.
• J’ai mesuré à 100 ml (100g) d’eau distillée dans la cuve
• J’ai brûlé tout carburant avec la casserole d’eau sur le samovar (couvercle).
• J’ai mesuré la quantité d’eau est restée.
• J’ai ensuite branché ce montant dans l’enthalpie de l’équation de la vaporisation.

J’ai utilisé le méthanol parce que les chiffres de densité d’énergie pour le méthanol sont assez faciles à trouver en ligne.  J’ai bouilli à 24 ml d’eau au cours de mon expérience, ce qui équivaut à 24g d’eau ; J’ai chauffé également tous les 100g d’eau à environ 100º C.  brancher ces valeurs les équations ci-dessus, on obtient :

(100*(100-20)*4.1855/1000) + (24*(2260/1000)) = 87,33 kJ

J’ai ensuite trouvé une valeur pour la quantité d’énergie, on pourrait raisonnablement s’attendre de la combustion de méthanol (http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density).  Multiplier ce chiffre par le nombre de grammes de carburant.  Avec une densité de 79 g/cc, j’ai eu 15,01 grammes de combustible (le méthanol de marque Heet que j’ai utilisé est de 95 % de méthanol, par FS).  Le site ci-dessus répertorie la valeur de carburant à environ 19,7 MJ/kg, soit 19,7 kJ/g, ce qui signifie que ma lampe tenait 295,7 kJ d’énergie - à peu près.  J’ai divisé la quantité d’énergie qui a été effectivement transmise à la casserole (comme indiqué par la quantité de bouillie à l’eau) par l’énergie maximale qu’on pourrait attendre de la quantité de carburant que j’ai utilisé.

87,33 kJ / 295,7 kJ =.295

Cela signifie que mon samovar tournait à environ 29,5 % efficacité.  Je vais supposer que l’efficacité de la samovar sera à peu près la même chose quand j’utilise de l’alcool isopropylique, qui est un carburant plus riches en énergie (qui savait?).  Dans mon test de l’alcool isopropylique, j’ai bouilli loin 34 ml d’eau.  En utilisant le même calcul ci-dessus, le résultat est 109,94 kJ à bouillir cette quantité de liquide.  Parce que je sais maintenant l’efficacité du samovar, je peux diviser l’énergie requise par l’efficacité et arriver à la valeur énergétique totale pour le 20 ml d’alcool isopropylique à 91 %: kJ/.295=372.68 109.94 kJ.  Cette somme est divisée par la masse de carburant :

ml. de 20 ml *.91 = 18,2 18,2 ml * densité de.786 g / ml = 14,3 g de carburant (j’ai omis les 9 % H2O, qui n’est pas combustible ici) de carburant

nous donne la densité d’énergie pour l’alcool isopropylique :

372.68 kJ / 14,3 g = 26.06 kJ/g

Comment cela se compare-t-il à un four à micro-ondes ?  Quelle est l’empreinte carbone ?  J’ai trouvé un article intéressant sur Treehugger que par rapport à l’eau bouillante dans un four à micro-ondes et une bouilloire à l’aide d’un compteur Kill-a-Watt (demander Pablo : bouilloire électrique, four ou micro-ondes?).  L’auteur a trouvé que le micro-ondes a été efficace pour transformer l’électricité en chaleur d’environ 47 % (alerte spoiler : battre le poêle au micro-ondes, mais a été battu par la bouilloire).  N’ayant ne pas un Kill-a-Watt, je ne peux pas estimer l’efficacité de la même façon, mais je peux estimer l’empreinte carbone.  J’ai fait mon test basé sur la méthode suivante :

J’ai mesuré 100g H2O distillée en une mesure tasse et chronométré combien de temps il a fallu faire pour bouillir au large de 34 ml (34g) d’eau.  J’ai trouvé la puissance nominale de mon micro-ondes (1100W), et puis en utilisant le calcul carbone EPA (920,8 grammes de CO2/kWh) pour les États où l’électricité est produite à l’aide de charbon (comme moi), j’ai calculé la quantité de carbone a été libéré de mon eau de chauffage.  Avec le four à micro-ondes en cours d’exécution pour 165 secondes, il a appelé 50.14W.  920,8 g CO2/kWh, c'est-à-dire 46,42 g CO2 a été généré.

Mais combien a été généré par mon samovar ?  Plus la chimie !

La formule pour l’alcool isopropylique est C3H7OH.  L’équation chimique de la combustion du carburant est :

2 C3H7OH (l) + 9 O2 (g)---> 6 CO2 (g) + 8 H2O (g)

Cela signifie que pour chaque 2 mol de C3H7OH, nous générons 6 mol de CO2, qui est un rapport de 1:3

J’ai 91 % C3H7OH, ce qui signifie que les 20 ml contient 18,2 ml de C3H7OH, soit 14,31 g C3H7OH, qui, à une masse molaire de 60,10 g, nous donne 0,238 mol de C3H7OH.  Le CO2 généré sera trois fois ce nombre de moles et la masse molaire du CO2 est de 44g.  Cela signifie que mon samovar généré 31,42 g CO2 à ébullition au large de la même quantité d’eau.  Nous avons un gagnant !

Qui est en fait peu triste.  Si un samovar assemblés à partir de ferraille, en cours d’exécution à 29,5 % d’efficacité, bat micro-ondes 1100 watt, à 47 % d’efficacité maximum, tirant l’électricité provenant d’une génératrice au charbon multimillionnaire, sur leur empreinte carbone au prorata respectifs, il y a certainement un besoin pour un changement de régime.  Peut-être pas tellement avec le charbon et pas tellement avec la production d’électricité centralisée.

Note rapide : méthanol ou alcool isopropylique

De ce qui précède, vous pouvez voir que le méthanol est un beaucoup moins combustible dense de l’énergie.  Il est également très toxique.  Alcool isopropylique, cependant, tend à générer une bonne quantité de suie lorsqu’il brûle, comme vous pouvez le voir sur la couche riche et luxueuse sur l’unité de haut et samovar de lanterne.  (Buvable) d’alcool éthylique ou alcool dénaturé (éthylique avec une petite quantité de méthanol à le rendre imbuvable) ont tendance à être un compromis raisonnable, avec energy density mieux que le méthanol et une combustion plus propre que l’alcool isopropylique.  J’ai aussi vu quelques preuves anecdotiques en ligne des gens mélange méthanol et l’alcool isopropylique pour atténuer les problèmes de suie et de la densité d’énergie.  Je n’ai pas essayé ces options, donc je ne peux pas commenter sur les autres que pour dire « ils sont là-bas. »  Si vous avez essayés, j’aimerais bien en entendre parler !