Ande samovaren (7 / 7 steg)

Steg 7: Problem två: Detaljer (del 3 - (i) effektivitet!)

Okej, detta är där gummit träffar vägen... eller OCD träffar tegelväggen. Är detta ett rimligt, miljövänliga sätt att uppvärmning av vatten? Här är mina observationer (med följande förbehållet - jag är inte Mr fysik-kille, så om du känner att jag har tagit fel, låt mig veta... ganska fint):

Med jackan och glaslock kommer vatten till en full koka i ca 20 minuter. När den är fylld med isopropylalkohol, bor lampan inuti anda samovaren upplysta för ungefär en timme och 20 minuter. Detta är nog för tre koppar te. Låter rimligt för mig. Men är det miljövänligt?

Vill du veta, återvände jag till min kemi text för en repetitionskurs på enthalpy och värmekapacitet. Ekvationen är ganska enkelt:

Energin som krävs för att ändra vatten från en vätska till gas är lika med antalet gram vatten, tider förändringen i temperatur i Celsius, tider Värmekapaciteten för vatten (4.186 J/g ° C). Dela resultatet av 1000 att få kilojoule. Lägg till den energi som krävs för att förånga vatten, som är gram vatten för att vara förgasas gånger enthalpyen av vaporization (2260 kJ/kG), et voila! Så:

100 gram * (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

Slags. Problemet är att när chem läroböcker talar om detta (och det tog mig ett tag - pinsamt - för att lista ut) de talar om vaporizing alla vatten. Medan en intressant sak att göra, hjälp konvertera allt vatten i pannan till ånga inte med något annat än clearing våra bihålor. Vad vi behöver göra är att förånga en viss mängd vatten, och mäta hur mycket energi som ägde. Här var min strategi:

• Jag mätte ut 20 ml metanol i lampan.
• Jag mätte ut 100 ml (100g) destillerat vatten i pannan
• Jag brände allt bränsle med kastrull med vatten på samovaren (locket från).
• Jag mätte hur mycket vatten kvar.
• Jag kopplade sedan detta belopp i enthalpyen av förångning ekvation.

Jag använde metanol eftersom energitäthet siffrorna för metanol är ganska lätt att få tag på online. Jag kokade bort 24 ml vatten under mitt experiment, vilket motsvarar 24g vatten. Jag också uppvärmd alla 100g vatten till ungefär 100˚ C. ansluta dessa värden till ovanstående ekvationer, får vi:

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

Jag hittade sedan ett värde för energi man kan rimligen förvänta sig från brinnande metanol (http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density). Multiplicera detta med hur många gram bränsle. Med en densitet på 79 g/cc hade jag 15.01 gram bränsle (Heet varumärke metanol jag använt är 95% metanol, per belastningsbesvär). På ovanstående webbplats listar bränsle värdet vid ungefär 19.7 MJ/kg eller 19.7 kJ/g, vilket innebär att min lampa höll 295.7 kJ energi - ungefär. Jag delade mängden energi som var faktiskt överförs till pannan (som anges av mängden kokt av vattnet) av den Max energin som kan förväntas från mängden bränsle som jag använde.

87,33 kJ / 295.7 kJ =.295

Detta innebar att min samovar var igång på ca 29,5% effektivitet. Jag ska anta att den samovar effektivitet kommer att vara ungefär samma när jag använder isopropylalkohol, som är en mer energirika bränslet (som visste?). I min isopropylalkohol test kokade jag bort 34 ml vatten. Använder samma beräkning ovan, resultatet är 109.94 kJ koka den mängden vätska. Eftersom jag nu vet samovar effektivitet, jag kan dela upp den energi som krävs av effektiviteten, och komma fram till det totala energivärdet för de 20 ml av 91% isopropylalkohol: 109.94 kJ/.295=372.68 kJ. Detta belopp dividerat med massa bränsle:

20 ml *.91 = 18,2 ml. 18.2 ml * bränsle täthet.786 g / ml = 14,3 g bränsle (jag utelämnats på 9% H2O, som inte är bränsle här)

ger oss energitäthet för isopropylalkohol:

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

Hur jämför detta med en mikrovågsugn? Vad är klimatpåverkan? Jag hittade en intressant artikel på Treehugger som jämförde kokande vatten i mikrovågsugn vs. vattenkokare med en Kill-a-Watt meter (be Pablo: elektrisk vattenkokare, ugn eller mikrovågsugn?). Författaren fann att mikrovågsugnen var cirka 47% effektiv med att omvandla el till värme (spoiler alert: mikrovågsugn slå kaminen, men blev slagen av vattenkokaren). Inte ha en Kill-a-Watt, jag inte kan uppskatta effektiviteten på samma sätt, men jag kan uppskatta klimatpåverkan. Jag gjorde min test baserat på följande metod:

Jag mätte 100g destillerat H2O i en mätning cup och tidsmässigt för hur lång tid det tog för att koka bort 34 ml (34g) vatten. Jag hittade det nominella watt-tal för min mikrovågsugn (1100), och sedan använda EPA kol beräkning (920.8 gram CO2/kWh) för stater där El genereras med kol (som mig), jag räknat ut hur mycket koldioxid släpptes från uppvärmning av mitt vatten. Med mikro kör för 165 sekunder, drog det 50.14W. Vid 920.8g CO2/kWh, det betyder 46.42 g CO2 genererades.

Men hur mycket genererades av min samovar? Mer kemi!

Formeln för isopropylalkohol är C3H7OH. Den kemiska likställanden för förbränning av bränslet är:

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

Detta innebär att för varje 2 mol av C3H7OH, vi genererar 6 mol CO2, som är förhållandet 1:3

Jag har 91% C3H7OH, vilket betyder att de 20 ml innehåller 18.2 ml C3H7OH eller 14.31g C3H7OH, som på en Molmassa 60.10 g, ger oss 0.238 mol av C3H7OH. CO2 genereras kommer att vara tre gånger så många mullvadar och Molmassa CO2 är 44g. Detta innebär att min samovar genereras 31.42g CO2 koka bort samma mängd vatten. Vi har en vinnare!

Som är faktiskt slags sorgligt. Om en samovar samlat från skrot, kör på 29,5% effektivitet, slår 1100 watt mikrovågsugn, på 47% verkningsgrad, dra el från en flera miljoner dollar koleldade generator, på deras respektive proportionellt beräknad kolspår, det finns definitivt ett behov för en ändring av planen. Kanske inte så mycket med kol, och inte så mycket med den centraliserad kraftproduktionen.

Snabb anteckning: metanol vs isopropylalkohol

Av ovanstående, kan du se att metanol är mycket mindre energi tät bränsle. Det är också ganska giftig. Isopropylalkohol, dock tenderar att generera en hel del sot när det brinner, som ni kan se från rik, lyxiga pälsen på lykta topp och samovar enheten. Etylalkohol (drickbart) eller denaturerad alkohol (etanol med en liten mängd metanol att återge det odrickbart) tenderar att vara en rimlig kompromiss, med bättre energy density än metanol och en renare bränna än isopropylalkohol. Jag har också sett några anekdotiska bevis online människor blandning av metanol och isopropylalkohol att mildra problem som sot och energitäthet. Jag har inte provat dessa alternativ, så jag inte kan kommentera dem annat än för att säga "de är ute." Om du har provat dem, skulle jag älska att höra om det ändå!