Wypalanie ceramiki
Zużycie energii podczas wypalania ceramiki
Wyobraźmy sobie proces wypału ceramiki. Czy nie ciekawiło Was nigdy ile energii potrzebne jest, tak mocno szacunkowo do wypalenia 1 kg suchej ( wysuszonej przed wypałem ) ceramiki?
Spróbujmy odpowiedzieć na to pytanie.
Wypalanie ceramiki potrzebuje dostarczenia energii. Jednak niezależnie czy wypalamy ją w piecu elektrycznym, gazowym, opalanym drewnem ilość energii dla wypalania 1 kg ceramiki jest podobna. Zmienia się tylko ilość energii potrzebna do ogrzania pieca. Czyli straty energii. Ale to już zależy tylko od naszego pieca!
Wypalanie ceramiki dzielimy na kilka procesów
- Wysuszenie ( dosuszenie ) – pozbycie się resztek wody wolnej ( odparowanie)
- Pozbycie się wody uwięzionej w porach gliny
- Rozerwanie wiązań wody związanej krystalicznie
- Odparowanie wody związanej krystalicznie
- Podgrzanie suchej gliny
- Pozostałe reakcje ( mniej znaczące energetycznie )
Wypalanie ceramiki dzielimy na kilka procesów
Jak powiedzieliśmy sobie kiedyś, przy okazji sucha glina nadająca się do wypału zawiera ok. 1 % wody wolnej ( związanej z plastycznością ). Co daje ok 10 g w 1 kg oraz ok. 9% wody w porach gliny ( wody uwięzionej ). To kolejne 90 g które musimy podgrzać do temperatury ok. 100 C. To co tu obliczymy to będzie ilość ciepła potrzebna do jej podgrzania.
Aby podgrzać 1 litr wody od 20°C do 100°C, potrzebujesz około 0,093 kWh energii. Można to obliczyć za pomocą wzoru:
Q=m⋅c⋅ΔT
gdzie:
( Q ) to ilość energii (w dżulach),
( m ) to masa wody (w kilogramach),
( c ) to ciepło właściwe wody (około 4,18 kJ/kg°C),
( \Delta T ) to zmiana temperatury (w stopniach Celsjusza).
Podstawiając wartości:
Q=1kg⋅4,18kJ/kg°C⋅(100°C−20°C)=334,4kJ
Przeliczając na kilowatogodziny:
334,4kJ÷3600s=0,093kWh
Ponieważ my tej wody mamy tylko 100 g to ilość potrzebnej energii to 0,0093 kWh ( 9 Wh )
Wypalanie ceramiki a odparowanie wody wolnej (zarobowej) i wody z porów gliny
Aby odparować 1 litr wody o temperaturze 20°C, należy najpierw podgrzać wodę do temperatury wrzenia (100°C),
a następnie dostarczyć energię potrzebną do zmiany stanu skupienia z cieczy na parę.
Podgrzanie wody od 20°C do 100°C:
Jak wcześniej obliczyliśmy, potrzeba około 0,0093 kWh energii.
Odparowanie wody:
Ciepło parowania wody wynosi około 2260 kJ/kg (czyli 2,26 kWh/kg).
Zwróćmy uwagę na to, że do odparowania wody potrzeba ok. 24 razy więcej ( czyli 2400 % ) ciepła niż do jej podgrzania do 100 C!!!
Podsumowując, całkowita energia potrzebna do podgrzania i odparowania 1 litra wody wynosi:
0,0093kWh+0,226kWh= 0,2353kWh
Wypalanie ceramiki a rozerwanie wiązań wody związanej krystalicznie
Energia wiązania O-H: Średnia energia wiązania O-H wynosi około 463 kJ/mol1.
Ilość wody w glinie: Zakładając, że sucha glina zawiera około 10% wody (co może się różnić w zależności od rodzaju gliny), mamy 0.1 kg wody na 1 kg suchej gliny.
Obliczenia:
Masa molowa wody (H₂O) wynosi 18 g/mol.
0.1 kg wody to 100 g, co odpowiada ( {100 \{ g}}{18 \{ g/mol}} \approx 5.56 \{ mol} ).
Całkowita energia:
Energia potrzebna do rozerwania wiązań w 5.56 molach wody wynosi ( 5.56 \{ mol} \razy 463 \{ kJ/mol} \approx 2574.28 \{ kJ} ).
Przeliczenie na kilowaty:
1 kJ to 0.00027778 kWh.
( 2574.28 { kJ} * 0.00027778 { kWh/kJ} \approx 0.715 \{ kWh} ).
Zatem, do rozerwania wiązań kowalencyjnych wody w 1 kg suchej gliny potrzebne jest około 0.715 kWh energii. Co nam dla ok. 100g daje 0,0715 kWh
Wypalanie ceramiki a odparowanie wody związanej krystalicznie
Ponownie:
Odparowanie wody:
Ciepło parowania wody wynosi około 2260 kJ/kg (czyli 2,26 kWh/kg). Ponieważ mamy znowu ok. 100 gram:
0,226kWh= 0,2353kWh
No dobrze ale gdzie jest coś o glinie? Przecież to tę glinę też musimy podgrzać!
Wypalanie ceramiki a podgrzewanie gliny ( suchej! - bez grama wody!!!) od 20 C do 1000 C
Aby obliczyć ilość energii potrzebnej do podgrzania 800 g suchej gliny od 20°C do 1000°C. Dlaczego 800g? Bo 200g to była woda ( resztka zarobowej, woda z porów i woda krystaliczna). Musimy znać ciepło właściwe gliny. Przyjmijmy, że ciepło właściwe suchej gliny wynosi około 0.92 J/g°C.
Masa gliny: 800 g
Różnica temperatur: 1000°C – 20°C = 980°C
Ciepło właściwe: 0.92 J/g°C
Obliczamy energię za pomocą wzoru: [ Q = mc\Delta T ]
Gdzie:
( m ) to masa (800 g),
( c ) to ciepło właściwe (0.92 J/g°C),
( \Delta T ) to różnica temperatur (980°C).
[ Q = 800 {g} * 0.92 {J/g°C} * 980 , {°C} ] [ Q = 720640 {J} ]
Przeliczamy dżule na kilowatogodziny: [ 1 {kWh} = 3,600,000 , t{J} ] [ Q = \frac{720640 t{J}}{3,600,000 ,{J/kWh}} \approx 0.2 {kWh} ]
Zatem, do podgrzania 800 g suchej gliny od 20°C do 1000°C potrzebne jest około 0.2 kWh energii
Podsumujmy wypalanie gliny od 20 C do 1000 C
Zużycie energii podczas wypalania ceramiki - wnioski
Aby wypalić 1 kg suchej ( wysuszonej przed wypałem ) gliny potrzeba:
Podgrzanie wody od 20 C do 100 C
– wody mieliśmy 200 g ( resztka wody zarobowej, woda w porach gliny, woda krystaliczna ) – ilość potrzebnej energii to 0,0186 kWh ( 19 Wh )
Odparowanie wody
2,26 kWh/kg – mamy 200 g czyli 0,452 kWh
Zerwanie wiązań ( dehydroksylacja ) wody krystalicznie związanej
Czyli przemiana kaolintu w metakaolin
100g daje 0,0715 kWh
Podgrzewanie gliny ( suchej! – bez grama wody!!!) od 20 C do 1000 C
Czyli przemiana kaolintu w metakaolin:
0.2 kWh
Razem:
0,0186 +0,452+0,0715+0,2 = 0,7421 kWh
To teraz pokażmy to w ujęciu procentowym:
podgrzanie wody w glinie od 20 C do 100 C – 2,5% energii
odparowanie wody z gliny – 61 % !!!
zerwanie wiązań kowalencyjnych wody związanej krystalicznie – ok 10%
podgrzanie suchej gliny od 20 C do 1000 C – ok. 27% !!!
I co? ciekawe ? Spodziewaliście się takich wyliczeń? Tak wyobrażaliście sobie bilans energetyczny wypalania ceramiki? Co to oznacza? np: że 10 kg wysuszonej gliny włożonej do pieca w bardzo, bardzo, bardzo dużym przybliżeniu wymaga 7,5 kWh na wypał na biskwit! …w tym 4,5 kWh na odparowanie wody, której “teoretycznie” nie ma 🙂
Wypalenie gliny ( tej takiej suchej masy bez uwzględnienia w niej wody to tylko 27% energii 🙂