Для чего служит спиртовка в химии 8 класс кратко

Все о спиртовках назначениe, устройство, принцип работы и технические данные
автор к.т.н. Ф.А.Бронин

Введение

Представленный материал предназначен для персонала организаций, в которых используются лабораторные горелки.

На станице «Устройство назначение принцип действия и характеристики лабораторных горелок» рассмотрены лабораторные газовые горелки.

В настоящей работе рассмотрены лабораторные спиртовые горелки (далее спиртовки), использующих для нагрева материалов жидкое топливо (этиловый спирт).

Для удобства работы статья разбита на отдельные разделы, к которым можно непосредственно перейти из оглавления.

По всему тексту с правой стороны имеются вертикальные стрелки, щелкнув на которых, можно вернуться в раздел оглавление.

Содержание

Что такое спиртовая горелка (спиртовка)

Прежде всего установим, что такое спиртовая горелка (далее спиртовка). Предлагается следующие определение:

Назначение и области применения спиртовок

Спиртовки служат для нагрева материалов и изделий в открытом пламени с температурой не более 900°C и тепловой мощностью не более 170 Вт.

Используется в химических и школьных лабораториях, микробиологических, цитологических, биотехнических лабораториях, медицинских учреждениях а также везде, где требуется применение открытого пламени небольшой тепловой мощности.

Применяются для подогрева и плавления материалов, стерилизации в открытом пламени инструментов, для фламбирования в медицине, для нагрева небольших лабораторных сосудов (пробирок, колб, тиглей и т.п.) и других подобных термических процессов.

Устройство спиртовок

Спиртовка содержит емкость для спирта (резервуар), который имеет горловину с крышкой. Через крышку резервуара пропущен фитиль. При этом один конец фитиля находится внутри резервуара вблизи его донной части, а второй конец фитиля расположен вне резервуара на открытом воздухе.

Спирт из резервуара поднимается по фитилю за счет капиллярного давления и испаряется, когда достигнет выступающей из резервуара верхней части фитиля.

Пары спирта поджигаются и спиртовка горит с температурой пламени не выше 900°Цельсия. При этом кислород воздуха поддерживает горение.

Таким образом в каждой спиртовке имеются две основные части. Это резервуар для спирта и устройство для его сгорания (т.е. собственно сам фитиль и связанные с ним конструктивные элементы).

Фитиль спиртовки

Резервуар для спирта является основной несущей частью спиртовки, а важнейшей и главной ее частью является фитиль, который переносит жидкое топливо (спирт) из резервуара на конец фитиля, где это топливо горит, образуя пламя, которое используется для нагревания.

Способность фитиля переносить спирт в зону горения обеспечивается действием капиллярных сил, которые, в свою очередь, обусловлены эффектами смачивания и поверхностного натяжения в капиллярных каналах материала фитиля.

Если фитиль расположен вертикально, спирт поднимается к зоне горения, преодолевая силу тяжести. Необходимый баланс сил определяется размерами капиллярных каналов материала фитиля.

В верхней части резервуара расположена горловина, через которую пропускается фитиль. Также через горловину спиртовка заправляется жидким топливом.

Так как спиртовка имеет две рабочие зоны, в одной из которых спирт поступает в фитиль, а во второй этот спирт горит, то для того чтобы разделить вышеуказанные рабочие зоны горловина резервуара снабжается крышкой, через которую и пропускается фитиль.

Фитиль пропускается через фитильную трубку, которая является необходимым элементом крышки резервуара, при этом последняя может устанавливаться как внутри горловины, так и вне ее, охватывая последнюю с внешней стороны.

Фитиль должен размешаться в фитильной трубке крышки таким образом, чтобы, с одной стороны, иметь возможность плавно и легко перемещаться в трубке, а с другой стороны, контакт трубки с фитилем должен быть достаточно плотным (т.е. фитиль должен быть установлен в фитильную трубку с некоторым обжатием).

Установка фитиля в фитильную трубку с некоторым обжатием позволяет, с одной стороны, практически исключить вытекание спирта через фитильную трубку в нештатных ситуациях, т.к. гидродинамическое сопротивление фитильной трубки, плотно заполненной волокнистой массой фитиля, очень велико; с другой стороны, обжатие фитиля не позволяет фитилю самопроизвольно сползти вниз по фитильной трубке при работе спиртовки.

Однако последнее обстоятельство не является важным для спиртовок, имеющих механизмы удержания фитиля в фитильной трубке и перемещения его относительно последней.

Практически во всех указанных выше случаях необходимо стремится к тому, чтобы обжатие фитиля в фитильной трубке было минимальным, так как при увеличении обжатия диаметр капиллярных каналов уменьшается и скорость подъема спирта по фитилю резко падает.

Отличительные характеристики спиртовок

В лабораторной практике применяются спиртовки многочисленных конструкций. Однако все различие между спиртовками можно свести к некоторым основным признакам, которыми являются:

Материал резервуара может быть изготовлен из стекла или металла. Применяется стекло лабораторное толщиной 2 мм и бутылочное толщиной 3 мм. Спиртовки изготовленные из бутылочного стекла более предпочтительны для использования, так как имеют высокую механическую прочность.

В качестве металла для изготовления резервуара спиртовки используются латунь или бронза, поскольку эти металлы при случайном ударе не образуют искр, которые могли бы привести к воспламенению спирта в резервуаре. По этой же причине и все другие конструктивные элементы спиртовок изготавливаются из материалов не образующих при ударе искру.

Материал резервуара следует выбирать исходя из условий работы спиртовки. Если спиртовка эксплуатируется в помещениях с твердым полом (каменным или металлическим), то предпочтительно использовать спиртовку с металлическим резервуаром.

Поэтому в помещениях с повышенными требованиями по пожарной безопасности применение стеклянных спиртовок не рекомендуется.

Форма резервуара определяет внешний вид спиртовки. Применяются круглые спиртовки (цилиндрической, конусообразной и шаровой формы) и спиртовки, у которых резервуар имеет граненую форму. Круглые спиртовки имеют наиболее широкое применение.

Граненый корпус (резервуар) позволяет устанавливать спиртовку, как в вертикальном так и в наклонном положении. Наклонное положение удобно при работе с легкоплавкими материалами (например, восками). Наклонное положение исключает попадание капель воска на фитиль.

Но граненые спиртовки дороже круглых, что иногда следует учитывать.

Внутренний объем резервуара не имеет решающего значения для работы спиртовки. Скорее этот вопрос надо увязывать с требованиями пожарной безопасности. Внутренний объем резервуара спиртовки надо выбирать таким, чтобы при при ее эксплуатации, как минимум, не требовалось бы вновь заправлять спиртовку в течении одного часа ее работы..

Материал, толщина фитиля и его форма важные элементы для работы спиртовки. В основном используются фитили из хлопчатобумажной ткани и асбестового шнура. Наибольшее распространение получили фитили из хлопчатобумажной ткани, так как они дают более стабильное и ровное пламя по сравнению с асбестовыми фитилями, другими недостатками которых являются относительно низкая температура пламени и малый ресурс службы.

Кроме того, при использовании асбестовых фитилей возможно попадание в дыхательные пути волокон асбеста, находящихся в составе этих фитилей, что может привести к повреждению здоровья. Поэтому, по возможности, избегайте использование для спиртовок асбестовых фитилей.

В качестве материала фитиля также применяют стекловолокно, керамическое волокно, углеродное волокно. Скрученные в жгут, с добавлением связующего такие фитили вследствие своей жаростойкости имеют сравнительно большой срок службы. Однако, надо учитывать, что такие волокнистые фитили имеют температуру пламени не выше 600°С, что значительно меньше температуры хлопчатобумажных фитилей (900°С)

На рис. 1 показан хлопчатобумажный фитиль для спиртовок.

Что касается толщины фитилей, то надо исходить из того, что чем толще фитиль тем больше топлива он подает в зону его сгорания. Более толстые фитили дают и более объемное пламя с большей высотой последнего.

В результате тепловая мощность у спиртовок с более толстым фитилем несколько выше, однако при этом выше и расход спирта. Для большинства лабораторных работ, выполняемых при помощи спиртовок достаточна толщина фитиля не менее 4,8 мм и не более 6,4 мм.

Более толстые фитили необходимы для выполнения некоторых профессиональных работ, где требуется высокое и объемное пламя. Желательно в наборе иметь спиртовки с разной толщиной фитиля и использовать их в зависимости технологических требований, предъявляемых к выполняемой работе.

Две формы фитилей применяются в спиртовках: круглые (в сечении) фитили и плоские, изготовленные из тканной ленты. Спиртовки с плоскими фитилями применяются для нагрева изделий большой протяженности, например, стеклянных трубок.

Устройство для регулировки размеров выступающей части фитиля обеспечивает большое удобство при работе со спиртовками, так как не требуется каждый раз гасить пламя спиртовки, чтобы отрегулировать параметры пламени (высоту и объем) путем изменения размеров выступающей части фитиля.

Большинство спиртовок последних моделей имеют устройства для регулировки выступающей верхней части фитиля, рекомендуемая величина которой составляет не менее 3 мм и не более 15 мм.

Регулировка выступающей верхней части фитиля может производиться либо перемещением фитильной трубки относительно фитиля, либо, наоборот, перемещением фитиля относительно фитильной трубки.

В первом варианте фитильная трубка выполнена в виде раздвижной системы, состоящей из двух трубчатых элементов, верхний из которых выполнен в виде подвижной втулки и установлен на скользящей посадке на другом нижнем неподвижно закрепленном трубчатом элементе. При перемещении верхнего трубчатого элемента ( вниз или вверх) уменьшается или увеличивается общая длина системы из двух трубок. Поэтому размеры выступающей части фитиля соответственно либо увеличиваются, либо уменьшаются.

Во втором варианте устройство для регулирования длины верхней части фитиля выполнено в виде механизма преобразующего вращательное движение в поступательное. Основным элементом этого устройства является зубчатое колесо с заостренными зубьями. Трубка для фитиля имеет продольный сквозной паз, в который входит небольшой сегмент зубчатого колеса. Высота этого сегмента выбирается таким образом, чтобы зубья колеса входили в тело фитиля на глубину не более 1-2 мм.

Указанное зубчатое колесо закрепляется неподвижно на валу на одном из концов которого установлена рукоятка. От рукоятки вращательное движение передается зубчатому колесу, которое посредством зубьев, имеющих плотный контакт с телом фитиля перемещает фитиль вверх или вниз относительно фитильной трубки.

Спиртовки с устройствами регулировки выступающей части фитиля дороже, чем спиртовки без этих устройств. Однако несколько более высокая цена с лихвой покрывается удобствами для профессиональной работы, которые это устройство обеспечивает.

Сводная классификация спиртовок с учетом вышеприведенных признаков приведена на сайте «Практические рекомендации по выбору спиртовок для лабораторных работ» .

Конструкции спиртовок

Рассмотрим на примерах основные конструкции спиртовок.

На рис. 3 изображено устройство стандартной спиртовки CЛ-1.

Эта спиртовка изготовлена из лабораторного стекла толщиной 2мм, имеет круглую форму и хлопчатобумажный фитиль. Устройство для регулировки выступающей части фитиля отсутствует.

Резервуар (поз.1) заполнен спиртом (поз.2). Фитиль (поз.3) размещается в спиртовке таким образом, чтобы его нижний конец был в резервуаре, погруженным в спирт, а верхний конец должен быть вне резервуара в открытом воздухе.

Крышка резервуара выполнена в виде втулки (поз.4), которая установлена внутри горловины резервуара, и через осевое отверстие в которой с некоторым обжатием пропущен фитиль. Спиртовка имеет колпачок (поз.5), который используется как для тушения пламени спиртовки, так и для предотвращения испарения топлива с верхней части фитиля.

Внешний вид этой спиртовки можно увидеть на этом же рисунке, если к нему подвести курсор.

На рис.4 показан внешний вид спиртовки мод.306.

Эта спиртовка изготовлена из бутылочного стекла толщиной 3мм, имеет граненую форму и хлопчатобумажный фитиль. Имеется устройство для регулировки выступающей части фитиля путем перемещения фитильной трубки относительно фитиля.

Одно из наклонных положений этой спиртовки можно увидеть, если к рисунку подвести курсор.

Пламя спиртовки, имеющий граненый резервуар, при установке на различные грани показано на рис.5

На рис.6 показан внешний вид спиртовки мод.304.

Эта спиртовка изготовлена из бутылочного стекла толщиной 3мм, имеет цилиндрическую форму и хлопчатобумажный фитиль. Имеется устройство для регулировки выступающей части фитиля путем перемещения фитиля относительно фитильной трубки.

Спиртовка имеет рукоятку (поз.1), посредством которой через вал (поз.2) вращение передается зубчатому колесу (на рисунке не показано). Острые зубья этого колеса взаимодействуют с фитилем (поз.3), перемещая его относительно трубки (поз.4) вверх или вниз в зависимости от направления вращения рукоятки.

Трубка стабилизатора пламени (поз.5) закреплена соосно относительно трубки в которой находится фитиль.В зазор между трубками поступают пары спирта через отверстие диаметром 1,5 мм (поз.6). На выходе трубки стабилизатора пламени пары поджигаются и в результате вокруг выступающей части фитиля создается дополнительное круговое пламя. Вышеупомянутое отверстие имеет и другое назначение. Посредством него выравнивается давление внутри резервуара и вне его.

Внешний вид этой спиртовки можно увидеть на этом же рисунке слева, если к нему подвести курсор.

Обычно топливо для спиртовки заливается через верхнее отверстие резервуара после снятия крышки. Однако имеются спиртовки, резервуар которых имеет боковую заправочную горловину с притертой пробкой.

Свойства топлива для спиртовок

Все спиртовки в качестве топлива преимущественно используют этиловый спирт.

Для оценки пожарной опасности этилового спирта при использовании спиртовок необходимо учитывать температуру вспышки и температуру самовоспламенения.

На рынке имеются три вида этилового спирта: спирт этиловый ректификованный из пищевого сырья; спирт этиловый технический гидролизный и спирт этиловый технический синтетический.

Спирт этиловый технический синтетический иногда окрашивают в сине-фиолетовый цвет путем добавления красителя метилвиолета С₂₄H₂₈N₃Cl. Одновременно с красителем добавляют и вещества с резким запахом, для чего обычно используют пиридин С₅H₅N. Такой спирт называется денатуратом.

Согласно последним нормативным документам (ГОСТ Р 52574-2006) денатурат может быть изготовлен и в виде бесцветной жидкости, но имеющей резкий запах, для чего в спирт добавляют кротоновый альдегид CH₃-CH=CH-CHO в объемной доле около 0,2%.

Все эти виды спиртов можно использовать в качестве жидкого топлива для спиртовок.

Нормы расхода спирта

Все виды этилового спирта (из пищевого сырья, технический гидролизный и синтетический) по воздействию на организм человека относят к 4-му классу опасности (малотоксичным веществам). Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров этилового спирта в воздухе рабочей зоны производственных помещений должна быть не более 1000 мг/м³.

В спиртовках происходит горение спирта по химической реакции

Кислород (О₂) берется из окружающего воздуха и как видно из уравнения горения этилового спирта при горении образуется только вода (Н₂О) и углекислый газ (СО₂). И то и другое присутствует вокруг нас в огромных количествах, поэтому можно считать, что использование спиртовок для выполнения лабораторных работ абсолютно безвредно для окружающего персонала.

Параметры горения топлива

Основными параметрами, характеризующими процеcс горения топлива в спиртовках являются: температура горения, тепловая мощность спиртовки и расход топлива (спирта). Эти три параметра следует учитывать при практической работе со спиртовками.

Температурой горения называется максимальная температура, которая может быть достигнута при полном сгорании спирта. Для спиртовок эта температура не превышает 900°Цельсия.

На рис. 7 показано распределение температуры вдоль пламени фитиля. В нижней части пламени спиртовки температура не превышает 350°Цельсия а максимальная температура в 900°Цельсия достигается в верхней части пламени.

Более подробная информация о пламени спиртовки представлена в приложении 01.

О пламени спиртовки

При горении спиртовки имеет место диффузионное пламя, при котором спирт сгорает на границе пламени, где происходит взаимная диффузия воздуха и топлива.

При этом процессы горения и смешивания паров спирта с воздухом развиваются параллельно. Так как процессы смешивания протекают значительно медленнее процессов горения, то скорость и полнота сгорания определяются скоростью и полнотой смешивания паров спирта и воздуха. Смешение топлива с воздухом при этом протекает путем медленной молекулярной диффузии.

Граница 4 между зонами 2 и 3 представляет собою гладкий конусный фронт пламени, к которому снаружи диффундируют молекулы воздуха, а изнутри молекулы спирта. Образовавшиеся во фронте пламени продукты горения диффундируют навстречу парам спирта, интенсивно нагревая их в предпламенной зоне, и частично вытесняются в воздух, окружающий факел.

Достоинствами диффузионного пламени спиртовки является сравнительное постоянство температуры по всей высоте (длина пламени), компактность спиртовок и простота их изготовления.

На рис.8 показано крупным планом изображение пламени спиртовки.

Важной характеристикой спиртовки является тепловая мощность спиртовки, т.е. количество тепла, образующегося в результате сгорания жидкого топлива (этилового спирта) в единицу времени. Тепловая мощность спиртовок измеряется в ваттах.

Тепловая мощность спиртовки прямо пропорциональна расходу и теплоте сгорания этилового спирта и колеблется для спиртовок в пределах 150. 220 ватт в зависимости от конструкции спиртовки.

Имеет значение и для спиртовок и расход этилового спирта, максимальное фактическое значение которого обычно составляет не более 30. 35 мл/час.

Типовой расчет мощности спиртовки приведен в приложении 02.

О тепловой мощности спиртовки

Тепловая мощность спиртовки вычисляется как произведение часового расхода спирта на его теплоту сгорания.

Расчет производится по формуле:

Рассмотрим пример: 27 мл (или с учетом плотности 21,3 г) этилового спирта сгорело в спиртовке за 1 час. Найдем мощность спиртовки.

Техника безопасности при работе со спиртовками

При работе со спиртовками надо соблюдать правила техники безопасности, указанные ниже.

Ниже на видеоролике показано, как надо работать со спиртовкой.

Спиртовки от компании ООО ФИРМА БСТ-3

Для изготовления спиртовок использованы самые современные и совершенные материалы.

Все металлические части спиртовок выполнены из высококачественной бронзы или латуни с гальваническим никелевым или хромированным покрытием. Все стеклянные элементы изготовлены из прочного толстого стекла, достаточно стойкого против разрушения при механических воздействиях.

В качестве стекла для изготовления резервуара для спирта применяется толстостенное бутылочное стекло толщиной 3 мм или такой же толщины высокопрочное граненое стекло.

Спиртовки оборудованы механическими устройствами для регулировки длины выступающей части фитиля, при этом сами фитили изготовлены из высококачественных сортов хлопка, что гарантирует стабильную работу спиртовок при эксплуатации.

Защитные элементы спиртовок, а именно металлические колпачки, соединены с корпусом спиртовки прочной металлической цепочкой, что позволяет колпачкам всегда находится «под рукой» и экстренно их использовать при необходимости.

В высоком качестве изготовления и в современном дизайне этих спиртовок можно убедиться, если сравнить их с некоторыми аналогами отечественного рынка.

В таблице приведены технические характеристики спиртовок, которые поставляет на отечественный рынок компания ООО ФИРМА БСТ-3. Все спиртовки имеют максимальную температуру горения 900° Цельсия и срок службы не менее 5 лет.

Спиртовки. Технические характеристики

Параметры	Модель
	304	305	306
Материал резервуара	стекло	стекло	стекло
Внутренний объем резервуара, мл	85	115	115
Толщина фитиля, мм	6,4	6,4	12,7
Расход спирта, мл/час	28	29	30
Тепловая мощность, ватт	183	190	197
Высота, мм	100	110	117
Ширина, мм	65	85	83
Масса (нетто), г	153	220	200

Условия эксплуатации

Спиртовки должны эксплуатироваться в хорошо проветриваемом закрытом отапливаемом помещении при температуре от +10° до +35°Цельсия и относительной влажности до 80% при температуре +25°Цельсия. Помещение должно быть оборудовано первичными средствами пожаротушения.

Преимущества и недостатки

В заключение приведем преимущества и недостатки лабораторных спиртовок (горелок спиртовых) по сравнению с другими видами лабораторных горелок.

ПРЕИМУЩЕСТВА

НЕДОСТАТКИ

Мы надеемся, что представленный материал поможет специалистам определиться во всем многообразии лабораторных спиртовок, представленных на отечественном рынке, и сделать правильный выбор при их приобретении.

Как непосредственно выбрать необходимую модель спиртовки подробно изложено на странице «Практические рекомендации по выбору спиртовок для лабораторных работ» .

Сводные данные по всем газовым и спиртовым горелкам для профессионального лабораторного и бытового использования (всего 36 моделей) имеются на сайте «Горелки открытого пламени для пропана, метана и спирта» .

Музыкальная пауза. Отдыхаем!

Материал для данной статьи предоставлен компанией
ООО «ФИРМА БСТ-3»

Автор к.т.н Ф.А.Бронин
Все права защищены.

При частичном или полном использовании материалов данного сайта ссылка на компанию ООО «ФИРМА БСТ-3» или на автора публикации обязательна.

Источник