Ciepło spalania

Wartość opałowa (lub wartość energetyczna lub kaloryczna ) substancji , zwykle paliwa lub żywności (patrz energia żywności ), to ilość ciepła uwalnianego podczas spalania określonej jej ilości.

Wartość opałowa to całkowita energia uwalniana w postaci ciepła, gdy substancja ulega całkowitemu spaleniu z tlenem w standardowych warunkach . Reakcja chemiczna polega zazwyczaj węglowodoru lub innej cząsteczki organicznej z tlenem w celu wytworzenia dwutlenku węgla i wody oraz uwolnienia ciepła. Można to wyrazić wielkościami:

  • energia / mol paliwa
  • energia/masa paliwa
  • energia/objętość paliwa

Istnieją dwa rodzaje entalpii spalania, zwane wysoką (wyższą) i niższą (niższą) wartością cieplną, w zależności od tego, jak bardzo produkty mogą ostygnąć i czy związki takie jak H 2 O mogą
się skraplać . Wysokie wartości ciepła są konwencjonalnie mierzone za pomocą bomby kalorymetrycznej . Niskie wartości opałowe są obliczane na podstawie danych testowych o wysokiej wartości opałowej. Można je również obliczyć jako różnicę między ciepłem tworzenia Δ H
⦵ f produktów i reagentów (chociaż to podejście jest nieco sztuczne, ponieważ większość ciepła tworzenia jest zwykle obliczana na podstawie zmierzonych ciepła spalania).

Zgodnie z konwencją, (wyższe) ciepło spalania definiuje się jako ciepło uwalniane w celu całkowitego spalenia związku w jego stanie standardowym w celu utworzenia stabilnych produktów w ich stanach standardowych: wodór jest przekształcany w wodę (w stanie ciekłym), węgiel jest przekształcany w gazowy dwutlenek węgla, a azot w gazowy azot. Oznacza to, że ciepło spalania, Δ H ° grzebień , jest ciepłem reakcji następującego procesu:

do
do H
godz N
n O
o (std.) + ( do + godz ⁄ 4 - o ⁄ 2 ) O
2 (g) → do CO
2 (g) + godz ⁄ 2 H
2 O ( l ) + n ⁄ 2 N
2 (g)

Chlor i siarka nie są całkowicie znormalizowane; zwykle zakłada się, że przekształcają się one odpowiednio w gazowy chlorowodór i SO2
przeprowadza lub SO3
. lub odpowiednio w rozcieńczone wodne kwasy chlorowodorowy i siarkowy , gdy spalanie się w bombie kalorymetrycznej zawierającej pewną ilość wody [ przestarzałe źródło ]

Sposoby determinacji

Brutto i netto

Zwoliński i Wilhoit zdefiniowali w 1972 r. „brutto” i „netto” wartości ciepła spalania. W definicji brutto produktami są najbardziej stabilne związki, np. H
2 O (l), Br
2 (l), I
2 (s) i H
2 SO
4 (l). W definicji netto produktami są gazy powstające podczas spalania związku w otwartym ogniu, np. H
2 O (g), Br
2 (g), I
2 (g) i SO
2 (G). W obu definicjach produktami dla C, F, Cl i N są CO2
( g), HF (g), Cl2 (
g ) i N2
( g).

Formuła Dulonga

Wartość opałowa paliwa można obliczyć na podstawie wyników ostatecznej analizy paliwa. Z analizy znane są procentowe udziały substancji palnych w paliwie ( węgiel , wodór , siarka ). Ponieważ znane jest ciepło spalania tych pierwiastków, wartość opałową można obliczyć za pomocą wzoru Dulonga:

LHV [kJ/g]= 33,87m C + 122,3(m H - mO ÷ 8) + 9,4m S

gdzie m C , m H , m O , m N i m S to odpowiednio zawartość węgla, wodoru, tlenu, azotu i siarki w dowolnej (mokrej, suchej lub bezpopiołowej) bazie.

Wyższa wartość opałowa

Wyższa wartość opałowa (HHV; energia brutto , górna wartość opałowa , wartość opałowa brutto GCV lub wyższa wartość opałowa ; HCV ) wskazuje górną granicę dostępnej energii cieplnej wytwarzanej przez całkowite spalanie paliwa. Mierzy się ją jako jednostkę energii przypadającą na jednostkę masy lub objętości substancji. HHV określa się, doprowadzając wszystkie produkty spalania do pierwotnej temperatury wstępnego spalania, aw szczególności skraplając wszelkie wytworzone opary. Takie pomiary często wykorzystują standardową temperaturę 25 ° C (77 ° F; 298 K) [ potrzebny cytat ] . Jest to to samo, co termodynamiczne ciepło spalania, ponieważ entalpii dla reakcji zakłada wspólną temperaturę związków przed i po spalaniu, w którym to przypadku woda wytwarzana podczas spalania skrapla się do postaci cieczy. Wyższa wartość opałowa uwzględnia ciepło utajone parowania wody w produktach spalania i jest przydatna do obliczania wartości opałowych paliw, w których skraplanie produktów reakcji jest praktyczne ( np . w kotle gazowym wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń). Innymi słowy, HHV zakłada, że ​​cały składnik wodny jest w stanie ciekłym pod koniec spalania (w produkcie spalania) i że ciepło dostarczane w temperaturach poniżej 150°C (302°F) można wykorzystać.

Dolny system grzewczy

Dolna wartość opałowa (LHV; wartość opałowa netto ; NCV lub dolna wartość opałowa ; LCV ) to kolejna miara dostępnej energii cieplnej wytwarzanej przez spalanie paliwa, mierzona jako jednostka energii na jednostkę masy lub objętości substancji. W przeciwieństwie do HHV, LHV uwzględnia straty energii, takie jak energia zużyta do odparowania wody - chociaż jego dokładna definicja nie jest jednolicie uzgodniona. Jedna definicja polega po prostu na odjęciu ciepła parowania wody od wyższej wartości opałowej. To traktuje dowolny H 2 O powstaje w postaci pary. Energia potrzebna do odparowania wody nie jest zatem uwalniana w postaci ciepła.

Obliczenia LHV zakładają, że składnik wodny procesu spalania jest w stanie pary pod koniec spalania, w przeciwieństwie do wyższej wartości opałowej (HHV) (inaczej wartości opałowej brutto lub CV brutto ), która zakłada, że ​​cała woda w procesie spalania proces jest w stanie ciekłym po procesie spalania.

Inną definicją LHV jest ilość ciepła uwalnianego, gdy produkty są schładzane do 150 ° C (302 ° F). Oznacza to, że ciepło utajone parowania wody i innych produktów reakcji nie jest odzyskiwane. Jest to przydatne do porównywania paliw, w których kondensacja produktów spalania jest niepraktyczna lub nie można wykorzystać ciepła w temperaturze poniżej 150 ° C (302 ° F).

Jedna definicja dolnej wartości opałowej, przyjęta przez American Petroleum Institute (API), wykorzystuje temperaturę odniesienia 60 ° F ( 15 + 5 / 9 ° C).

Inna definicja, stosowana przez Gas Processors Suppliers Association (GPSA) i pierwotnie stosowana przez API (dane zebrane w ramach projektu badawczego API 44), to entalpia wszystkich produktów spalania pomniejszona o entalpię paliwa w temperaturze odniesienia (zastosowano projekt badawczy API 44 25 ° C. GPSA obecnie wykorzystuje 60 ° F), pomniejszoną o entalpię stechiometrycznego tlenu (O 2 ) w temperaturze odniesienia, pomniejszoną o ciepło parowania zawartości oparów produktów spalania.

Definicja, w której wszystkie produkty spalania wracają do temperatury odniesienia, jest łatwiejsza do obliczenia na podstawie wyższej wartości opałowej niż w przypadku zastosowania innych definicji i faktycznie daje nieco inną odpowiedź.

Wartość opałowa brutto

Wartość opałowa brutto uwzględnia wodę w spalinach opuszczającą gaz w postaci pary, podobnie jak LHV, ale wartość opałowa brutto obejmuje również wodę w stanie ciekłym w paliwie przed spaleniem. Ta wartość jest ważna w przypadku paliw takich jak drewno lub węgiel , które zwykle zawierają pewną ilość wody przed spaleniem.

Pomiar wartości opałowych

Wyższą wartość opałową określa się doświadczalnie w bombie kalorymetrycznej . Spalanie stechiometrycznej mieszaniny paliwa i utleniacza (np. dwóch moli wodoru i jednego mola tlenu) w stalowym pojemniku w temperaturze 25 °C (77 °F) jest inicjowane przez urządzenie zapłonowe i umożliwia się zakończenie reakcji. Kiedy wodór i tlen reagują podczas spalania, powstaje para wodna. Następnie naczynie i jego zawartość schładza się do pierwotnej temperatury 25 °C, a wyższą wartość opałową określa się jako ciepło uwalniane między identycznymi temperaturami początkowymi i końcowymi.

Po określeniu dolnej wartości opałowej (LHV) chłodzenie zostaje zatrzymane przy 150 °C, a ciepło reakcji jest odzyskiwane tylko częściowo. Granica 150 °C jest oparta na punkcie rosy kwaśnego gazu .

Uwaga: Wyższa wartość opałowa (HHV) jest obliczana z iloczynu wody w stanie ciekłym , natomiast niższa wartość opałowa (LHV) jest obliczana z iloczynu wody w stanie parowym .

Zależność między wartościami opałowymi

Różnica między tymi dwoma wartościami opałowymi zależy od składu chemicznego paliwa. W przypadku czystego węgla lub tlenku węgla obie wartości opałowe są prawie identyczne, różnica polega na zawartości ciepła jawnego dwutlenku węgla między 150 °C a 25 °C (wymiana ciepła jawnego powoduje zmianę temperatury, podczas gdy ciepło utajone jest dodawane lub odejmowane dla przemian fazowych w stałej temperaturze Przykłady: ciepło parowania lub ciepło topnienia    ). W przypadku wodoru różnica jest znacznie bardziej znacząca, ponieważ obejmuje ciepło jawne pary wodnej między 150 °C a 100 °C, ciepło utajone skraplania w temperaturze 100 °C oraz ciepło jawne skroplonej wody między 100 °C a 25°C. W sumie wyższa wartość opałowa wodoru jest o 18,2% wyższa od jego dolnej wartości opałowej (142 MJ/kg vs. 120 MJ/kg). W przypadku węglowodorów różnica zależy od zawartości wodoru w paliwie. Dla benzyny i oleju napędowego wyższa wartość opałowa przewyższa dolną wartość opałową odpowiednio o około 10% i 7%, a dla gazu ziemnego o około 11%.

Powszechną metodą powiązania HHV z LHV jest:

gdzie H v to ciepło parowania wody, n H
2 O , out to liczba moli odparowanej wody, a n fuel,in to liczba moli spalonego paliwa.

  • Większość zastosowań, w których spala się paliwo, wytwarza parę wodną, ​​która nie jest wykorzystywana, a tym samym marnuje zawarte w niej ciepło. W takich zastosowaniach należy zastosować niższą wartość opałową, aby uzyskać „punkt odniesienia” dla procesu.
  • Jednak w przypadku rzeczywistych obliczeń energii w niektórych szczególnych przypadkach poprawna jest wyższa wartość opałowa. Jest to szczególnie istotne w przypadku gazu ziemnego , którego wysoka zawartość wodoru wytwarza dużo wody, gdy jest on spalany w kotłach kondensacyjnych i elektrowniach z kondensacją gazów spalinowych , które skraplają parę wodną wytwarzaną podczas spalania, odzyskując ciepło, które w przeciwnym razie zostałoby zmarnowane.

Użycie terminów

Producenci silników zazwyczaj oceniają zużycie paliwa w swoich silnikach na podstawie niższych wartości opałowych, ponieważ spaliny nigdy nie są skraplane w silniku, co pozwala im publikować bardziej atrakcyjne dane niż te stosowane w konwencjonalnych terminach dotyczących elektrowni. Energetyka konwencjonalna przez dziesięciolecia wykorzystywała wyłącznie HHV (wysoka wartość opałowa), mimo że praktycznie wszystkie te elektrownie również nie kondensowały spalin. Amerykańscy konsumenci powinni mieć świadomość, że odpowiednia wartość zużycia paliwa oparta na wyższej wartości opałowej będzie nieco wyższa.

Różnica między definicjami HHV i LHV powoduje niekończące się zamieszanie, gdy cytujący nie zawracają sobie głowy określeniem stosowanej konwencji. ponieważ zazwyczaj istnieje 10% różnica między tymi dwiema metodami dla elektrowni spalającej gaz ziemny. Dla zwykłego porównania części reakcji LHV może być odpowiednie, ale HHV powinno być używane do ogólnych obliczeń efektywności energetycznej, choćby po to, aby uniknąć nieporozumień, aw każdym przypadku wartość lub konwencja powinny być jasno określone.

Uwzględnianie wilgoci

Zarówno HHV, jak i LHV można wyrazić w kategoriach AR (cała wilgotność zliczona), MF i MAF (tylko woda ze spalania wodoru). AR, MF i MAF są powszechnie używane do wskazywania wartości opałowych węgla:

  • AR (tak jak otrzymano) wskazuje, że wartość opałowa paliwa została zmierzona przy wszystkich obecnych minerałach tworzących wilgoć i popiół.
  • MF (wolny od wilgoci) lub suchy wskazuje, że wartość opałowa paliwa została zmierzona po wysuszeniu paliwa z całej naturalnej wilgoci, ale z zachowaniem minerałów tworzących popiół.
  • MAF (wolne od wilgoci i popiołu) lub DAF (suche i wolne od popiołu) wskazuje, że wartość opałowa paliwa została zmierzona przy braku naturalnych minerałów tworzących wilgoć i popiół.

Ciepło stołów spalania


Wyższe (HHV) i niższe (LHV) wartości opałowe niektórych popularnych paliw przy 25 ° C
Paliwo HHV LHV
MJ /kg BTU / funt kJ / mol MJ/kg
Wodór 141,80 61 000 286 119,96
Metan 55,50 23 900 890 50.00
Etan 51,90 22.400 1560 47,62
propan 50.35 21700 2220 46.35
Butan 49,50 20 900 2877 45,75
Pentan 48,60 21876 3509 45.35
Parafina 46.00 19 900 41,50
Nafta oczyszczona 46.20 19862 43.00
Diesel 44,80 19300 43,4
Węgiel ( antracyt ) 32.50 14 000
Węgiel ( brunatny - USA ) 15.00 6500
Drewno ( MAF ) 21.70 8700
Paliwo drzewne 21.20 9142 17.0
Torf (suchy) 15.00 6500
Torf (wilgotny) 6.00 2500

Wyższa wartość opałowa niektórych mniej powszechnych paliw
Paliwo MJ /kg BTU / funt kJ / mol
Metanol 22.7 9800 726
Etanol 29,7 12800 1367
1-propanol 33,6 14500 2020
Acetylen 49,9 21 500 1300
Benzen 41,8 18 000 3268
Amoniak 22,5 9690 382,6
Hydrazyna 19.4 8370 622.0
Heksamina 30,0 12900 4200,0
Węgiel 32,8 14 100 393,5

Niższa wartość opałowa dla niektórych związków organicznych (przy 25 ° C [77 ° F]) [ potrzebne źródło ]
Paliwo MJ /kg MJ / Ł BTU / funt kJ / mol
alkany
Metan 50.009 6.9 21504 802.34
Etan 47.794 — 20551 1437,2
propan 46.357 25.3 19934 2044,2
Butan 45.752 — 19673 2659,3
Pentan 45.357 28.39 21706 3272,6
heksan 44.752 29.30 19504 3856,7
Heptan 44.566 30.48 19163 4465,8
Oktan 44.427 — 19104 5074,9
nonan 44.311 31.82 19054 5683,3
dekan 44.240 33.29 19023 6294,5
undekan 44.194 32,70 19 003 6908,0
Dodekan 44.147 33.11 18 983 7519,6
Izoparafiny
izobutan 45.613 — 19614 2651,0
izopentan 45.241 27.87 19454 3264,1
2-Metylopentan 44.682 29.18 19213 3850,7
2,3-dimetylobutan 44.659 29.56 19203 3848,7
2,3-dimetylopentan 44.496 30.92 19133 4458,5
2,2,4-trimetylopentan 44.310 30.49 19053 5061,5
Nafteny
Cyklopentan 44.636 33,52 19193 3129,0
metylocyklopentan 44.636? 33,43? 19193? 3756,6?
Cykloheksan 43.450 33,85 18684 3656,8
metylocykloheksan 43.380 33.40 18653 4259,5
Monoolefiny
Etylen 47.195 — — —
propylen 45.799 — — —
1-buten 45.334 — — —
cis -2-buten 45.194 — — —
trans -2-buten 45.124 — — —
izobuten 45.055 — — —
1-penten 45.031 — — —
2-Metylo-1-penten 44.799 — — —
1-heksen 44.426 — — —
Diolefiny
1,3-butadien 44.613 — — —
izopren 44.078 - — —
Pochodne azotu
nitrometan 10.513 — — —
nitropropan 20.693 — — —
Acetyleny
Acetylen 48.241 — — —
metyloacetylen 46.194 — — —
1-Butyne 45.590 — — —
1-pentyne 45.217 — — —
Aromaty
Benzen 40.170 — — —
Toluen 40.589 — — —
o -Ksylen 40.961 — — —
m -ksylen 40.961 — — —
p -Ksylen 40.798 — — —
etylobenzen 40.938 — — —
1,2,4-trimetylobenzen 40.984 — — —
n -Propylobenzen 41.193 — — —
kumen 41.217 — — —
Alkohole
Metanol 19.930 15.78 8570 638,6
Etanol 26.70 22.77 12412 1230,1
1-propanol 30.680 24.65 13192 1843,9
izopropanol 30.447 23.93 13092 1829,9
n -Butanol 33.075 26,79 14222 2501,6
izobutanol 32.959 26.43 14172 2442,9
tert -butanol 32.587 25.45 14012 2415,3
n -Pentanol 34.727 28.28 14933 3061,2
Alkohol izoamylowy 31.416? 35,64? 13509? 2769,3?
Etery
Metoksymetan 28.703 — 12342 1322,3
Etoksyetan 33.867 24.16 14563 2510,2
propoksypropan 36.355 26.76 15633 3568,0
Butoksybutan 37.798 28.88 16253 4922,4
Aldehydy i ketony
Formaldehyd 17.259 — — 570,78
aldehyd octowy 24.156 — — —
aldehyd propionowy 28.889 — — —
aldehyd masłowy 31.610 — — —
Aceton 28.548 22.62 — —
Inne gatunki
Węgiel (grafit) 32.808 — — —
Wodór 120.971 1.8 52017 244
Tlenek węgla 10.112 — 4348 283,24
Amoniak 18.646 — 8018 317,56
Siarka ( stała ) 9.163 — 3940 293,82
Notatka
  • Nie ma różnicy między niższymi i wyższymi wartościami opałowymi spalania węgla, tlenku węgla i siarki, ponieważ podczas spalania tych substancji nie powstaje woda.
  • Wartości BTU/lb są obliczane na podstawie MJ/kg (1 MJ/kg = 430 BTU/lb).

Wyższe wartości opałowe gazów ziemnych z różnych źródeł

Międzynarodowa Agencja Energii podaje następujące typowe wyższe wartości opałowe na standardowy metr sześcienny gazu:

     Niższa wartość opałowa gazu ziemnego wynosi zwykle około 90% jego wyższej wartości opałowej. Ta tabela jest w standardowych metrach sześciennych (1 atm , 15 °C), aby przeliczyć wartości na normalny metr sześcienny (1 atm, 0 °C), pomnóż powyższą tabelę przez 1,0549.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Heat_of_combustion&oldid=1139298538 ”