Теплота сгорания - Heat of combustion

Теплотворное (или значение энергии или теплотворный ) из вещества , как правило, топливо или пищи (см энергии пищи ), это количество тепла выделяется при сжигании определенного количества его.

Теплотворный является полной энергией выпущен в качестве тепла , когда вещество подвергается полному сгоранию с кислородом при стандартных условиях . Химическая реакция обычно представляет собой реакцию углеводорода или другой органической молекулы с кислородом с образованием диоксида углерода и воды и выделением тепла. Это может быть выражено в количествах:

  • энергия / моль топлива
  • энергия / масса топлива
  • энергия / объем топлива

Существует два типа энтальпии сгорания, называемые более высокой и низкой теплотворной способностью, в зависимости от того, насколько остыть продукты и от того, могут ли такие соединения, как H
2
O
могут конденсироваться. Высокая теплотворная способность обычно измеряется с помощью калориметра бомбы . Низкая теплотворная способность рассчитывается на основе данных испытаний на высокую теплотворную способность. Их также можно рассчитать как разность теплоты образования Δ H
f
продуктов и реагентов (хотя этот подход несколько искусственен, поскольку большинство теплоты образования обычно рассчитывается на основе измеренных теплоты сгорания). Для топлива состава C c H h O o N n (более высокая) теплота сгорания составляет 418 кДж / моль ( c + 0,3 ч - 0,5 o ), как правило, с хорошим приближением (± 3%), хотя это может быть значительно меньше, если o + n > c (например, в случае нитроглицерина , C
3
ЧАС
5
N
3
О
9
, эта формула предсказывает теплоту сгорания равную 0). Значение соответствует экзотермической реакции (отрицательное изменение энтальпии ), потому что двойная связь в молекулярном кислороде намного слабее, чем другие двойные связи или пары одинарных связей, особенно в продуктах сгорания диоксида углерода и воды; преобразование слабых связей в кислороде в более сильные связи в диоксиде углерода и воде выделяет энергию в виде тепла.

По соглашению (более высокая) теплота сгорания определяется как тепло, выделяемое для полного сгорания соединения в его стандартном состоянии с образованием стабильных продуктов в их стандартных состояниях: водород превращается в воду (в жидком состоянии), углерод преобразуется в газообразный диоксид углерода, а азот - в газообразный азот. То есть теплота сгорания Δ H ° comb - это теплота реакции следующего процесса:

C
c
ЧАС
час
N
п
О
о
(стд.) + O
2
(g, xs.) → c CO
2
(г) + h2 H
2
O
(l) + n2 N
2
(грамм)

Хлор и сера не совсем стандартизированы; обычно предполагается, что они превращаются в газообразный хлористый водород и SO
2
или ТАК
3
газа, соответственно, или для разбавления водной соляной и серной кислот, соответственно, когда сжигание проводится в бомбе, содержащей некоторое количество воды.

Способы определения

Брутто и нетто

В 1972 г. Зволинский и Уилхойт определили «брутто» и «нетто» значения теплоты сгорания. По общему определению продукты являются наиболее стабильными соединениями, например, H
2
O
(l), Br
2
(л), я
2
(s) и H
2
ТАК
4
(л). В сетевом определении продукты - это продукты, полученные при сжигании компаунда в открытом пламени, например H
2
O
(г) Br
2
(г) я
2
(g) и SO
2
(грамм). В обоих определениях продуктами для C, F, Cl и N являются CO.
2
(г) HF (г) Cl
2
(g) и N
2
(g) соответственно.


Формула Дулонга

Теплотворная способность топлива может быть рассчитана по результатам окончательного анализа топлива. Из анализа известно процентное содержание горючих веществ в топливе ( углерод , водород , сера ). Поскольку теплота сгорания этих элементов известна, теплота сгорания может быть рассчитана по формуле Дюлонга.

HV = 33,7 + 144 (H 2 - O 2 ÷ 8) + 9,3 S

Более высокая теплотворная способность

Более высокое значение нагрева (ВГЧ; полная энергия , верхнее значение нагрева , теплотворность GCV , или более высокое значение теплотворной ; ВГС ) указывает верхний предел доступной тепловой энергии , вырабатываемой с помощью полного сгорания топлива. Он измеряется как единица энергии на единицу массы или объема вещества. HHV определяется путем приведения всех продуктов сгорания к исходной температуре перед сгоранием и, в частности, конденсации любого образующегося пара. Для таких измерений часто используется стандартная температура 25 ° C (77 ° F; 298 K). Это то же самое, что и термодинамическая теплота сгорания, поскольку изменение энтальпии для реакции предполагает общую температуру соединений до и после сгорания, и в этом случае вода, полученная при сгорании, конденсируется в жидкость. Чем выше значение нагрева учитывает скрытую теплоту парообразования из воды в продуктах сгорания, и является полезным при вычислении значения нагрева для топлива , где конденсации продуктов реакции является практичной (например, в газовом топливе котла , используемый для космического тепла) . Другими словами, HHV предполагает, что весь водный компонент находится в жидком состоянии в конце сгорания (в продукте сгорания) и что тепло, выделяемое при температурах ниже 150 ° C (302 ° F), может быть использовано.

Низкая теплотворная способность

Нижняя теплотворная способность (LHV; низшая теплотворная способность ; NCV или более низкая теплотворная способность ; LCV ) - это еще одна мера доступной тепловой энергии, производимой при сгорании топлива, и измеряется как единица энергии на единицу массы или объема вещества. В отличие от HHV, LHV учитывает потери энергии, такие как энергия, используемая для испарения воды, хотя ее точное определение не согласовано однозначно. Одно определение - просто вычесть теплоту испарения воды из более высокой теплотворной способности. Это рассматривает любую образовавшуюся H 2 O как пар. Таким образом, энергия, необходимая для испарения воды, не выделяется в виде тепла.

Расчеты LHV предполагают, что водный компонент процесса сгорания находится в парообразном состоянии в конце сгорания, в отличие от более высокой теплотворной способности (HHV) (также известной как высшая теплотворная способность или брутто CV ), которая предполагает, что вся вода в процессе сгорания процесс находится в жидком состоянии после процесса сгорания.

Другое определение LHV - это количество тепла, выделяемого при охлаждении продуктов до 150 ° C (302 ° F). Это означает , что скрытая теплота парообразования из воды и других продуктов реакции не восстанавливается. Это полезно при сравнении видов топлива, в которых конденсация продуктов сгорания нецелесообразна или тепло при температуре ниже 150 ° C (302 ° F) невозможно использовать.

Одно определение более низкой теплотворной способности, принятое Американским институтом нефти (API), использует стандартную температуру 60 ° F ( 15+59  ° C).

Другое определение, используемое Ассоциацией поставщиков газоперерабатывающих предприятий (GPSA) и первоначально используемое API (данные, собранные для исследовательского проекта API 44), - это энтальпия всех продуктов сгорания за вычетом энтальпии топлива при эталонной температуре (использован исследовательский проект API 44). 25 ° C. В настоящее время GPSA использует 60 ° F) минус энтальпия стехиометрического кислорода (O 2 ) при эталонной температуре, минус теплота испарения паросодержащих продуктов сгорания.

Определение, в котором все продукты сгорания возвращаются к эталонной температуре, легче рассчитать исходя из более высокой теплотворной способности, чем при использовании других определений, и фактически даст несколько иной ответ.

Брутто теплотворная способность

Полная теплотворная способность учитывает воду в выхлопе, уходящую в виде пара, как и LHV, но полная теплотворная способность также включает жидкую воду в топливе перед сгоранием. Это значение важно для таких видов топлива, как древесина или уголь , которые обычно содержат некоторое количество воды перед сжиганием.

Измерение теплотворной способности

Более высокая теплотворная способность экспериментально определяется в калориметре бомбы . Сгорание стехиометрической смеси топлива и окислителя (например, двух моль водорода и одного моля кислорода) в стальном контейнере при 25 ° C (77 ° F) инициируется устройством зажигания, и реакции позволяют завершиться. Когда водород и кислород вступают в реакцию во время горения, образуется водяной пар. Затем сосуд и его содержимое охлаждают до исходных 25 ° C, и более высокая теплотворная способность определяется как тепло, выделяющееся между идентичными начальной и конечной температурами.

Когда определяется нижняя теплотворная способность (LHV), охлаждение прекращается при 150 ° C, и тепло реакции восстанавливается только частично. Предел 150 ° C основан на точке росы кислого газа .

Примечание: более высокая теплотворная способность (HHV) рассчитывается исходя из того, что вода находится в жидкой форме, а более низкая теплотворная способность (LHV) рассчитывается для воды, находящейся в форме пара .

Соотношение между теплотворной способностью

Разница между двумя значениями нагрева зависит от химического состава топлива. В случае чистого углерода или монооксида углерода две величины нагрева почти идентичны, разница заключается в содержании явного тепла в диоксиде углерода между 150 ° C и 25 ° C. ( Явный теплообмен вызывает изменение температуры, в то время как скрытая теплота добавляется или вычитается для фазовых переходов при постоянной температуре. Примеры: теплота испарения или теплота плавления .) Для водорода разница гораздо более значительна, поскольку она включает в себя явную теплоту водяной пар между 150 ° C и 100 ° C, скрытая теплота конденсации при 100 ° C и явная теплота конденсированной воды между 100 ° C и 25 ° C. В целом, более высокая теплотворная способность водорода на 18,2% выше его более низкой теплотворной способности (142  МДж / кг против 120  МДж / кг). Для углеводородов разница зависит от содержания водорода в топливе. Для бензина и дизельного топлива более высокая теплотворная способность превышает более низкую теплотворную способность примерно на 10% и 7% соответственно, а для природного газа примерно на 11%.

Распространенный метод соотнесения HHV с LHV:

где H v - теплота испарения воды, n H
2
O
, out
- количество молей испаренной воды и n топлива, in - количество молей сожженного топлива.

  • Большинство применений, сжигающих топливо, производят водяной пар, который не используется, и, таким образом, расходуется его теплосодержание. В таких случаях необходимо использовать более низкую теплотворную способность, чтобы дать «ориентир» для процесса.
  • Однако для истинных расчетов энергии в некоторых конкретных случаях более высокая теплотворная способность является правильной. Это особенно актуально для природного газа , в котором из-за высокого содержания водорода образуется много воды, когда он сжигается в конденсационных котлах и на электростанциях с конденсацией дымовых газов, которые конденсируют водяной пар, образующийся при сгорании, с рекуперацией тепла, которое в противном случае было бы потрачено впустую.

Использование терминов

Производители двигателей обычно оценивают потребление топлива своими двигателями по более низкой теплотворной способности, поскольку выхлопные газы никогда не конденсируются в двигателе, и это позволяет им публиковать более привлекательные цифры, чем те, которые используются в обычных терминах для электростанций. Традиционная энергетическая промышленность использовала исключительно HHV (высокая теплотворная способность) в течение десятилетий, хотя практически на всех этих электростанциях не производилась конденсация выхлопных газов. Американские потребители должны знать, что соответствующий показатель расхода топлива, основанный на более высокой теплотворной способности, будет несколько выше.

Разница между определениями HHV и LHV вызывает бесконечную путаницу, когда цитирующие не удосуживаются указать используемое соглашение. поскольку обычно существует разница в 10% между двумя методами для электростанции, сжигающей природный газ. Для простого сравнительного анализа части реакции может быть подходящим LHV, но HHV следует использовать для общих расчетов энергоэффективности, хотя бы во избежание путаницы, и в любом случае значение или соглашение должны быть четко указаны.

Учет влажности

И HHV, и LHV могут быть выражены в единицах AR (учитывается вся влажность), MF и MAF (только вода от сгорания водорода). AR, MF и MAF обычно используются для обозначения теплотворной способности угля:

  • AR (как получено) означает, что теплотворная способность топлива была измерена с учетом всех присутствующих минералов, образующих влагу и золу.
  • MF (без влаги) или сухой означает, что теплотворная способность топлива была измерена после того, как топливо было высушено от всей присущей ему влаги, но все еще сохраняло золообразующие минералы.
  • MAF (без влаги и золы) или DAF (без содержания влаги и без золы) указывает на то, что теплотворная способность топлива была измерена при отсутствии присущих ему минералов, образующих влагу и золу.

Таблицы теплоты сгорания

Более высокая (HHV) и более низкая (LHV) теплотворная
способность некоторых обычных видов топлива при 25 ° C
Топливо HHV LHV
МДж / кг БТЕ / фунт кДж / моль МДж / кг
Водород 141,80 61 000 286 119,96
Метан 55,50 23 900 890 50.00
Этан 51,90 22 400 1,560 47,62
Пропан 50,35 21 700 2,220 46,35
Бутан 49,50 20 900 2 877 45,75
Пентан 48,60 21 876 3 509 45,35
Парафиновая свеча 46.00 19 900 41,50
Керосин 46,20 19 862 43.00
Дизель 44,80 19 300 43,4
Уголь ( антрацит ) 32,50 14 000
Уголь ( бурый уголь - США ) 15.00 6 500
Дерево ( MAF ) 21,70 8 700
Древесное топливо 21.20 9 142 17.0
Торф (сухой) 15.00 6 500
Торф (влажный) 6.00 2,500
Более высокая теплотворная способность
некоторых менее распространенных видов топлива
Топливо МДж / кг БТЕ / фунт кДж / моль
Метанол 22,7 9 800 726
Спирт этиловый 29,7 12 800 1,367
1-пропанол 33,6 14 500 2,020
Ацетилен 49,9 21 500 1,300
Бензол 41,8 18 000 3 268
Аммиак 22,5 9 690 382,6
Гидразин 19,4 8 370 622,0
Гексамин 30,0 12 900 4 200,0
Углерод 32,8 14 100 393,5
Более низкая теплотворная способность некоторых органических соединений
(при 25 ° C [77 ° F])
Топливо МДж / кг МДж / л БТЕ / фунт кДж / моль
Алканы
Метан 50,009 6.9 21 504 802.34
Этан 47,794 - 20 551 1437,2
Пропан 46 357 25,3 19 934 2 044,2
Бутан 45,752 - 19 673 2 659,3
Пентан 45,357 28,39 21 706 3 272,6
Гексан 44,752 29.30 19 504 3 856,7
Гептан 44,566 30,48 19 163 4 465,8
Октан 44,427 - 19 104 5 074,9
Нонан 44,311 31,82 19 054 5 683,3
Decane 44,240 33,29 19 023 6 294,5
Ундекан 44,194 32,70 19 003 6 908,0
Додекан 44,147 33,11 18 983 7 519,6
Изопарафины
Изобутан 45,613 - 19 614 2 651,0
Изопентан 45,241 27,87 19 454 3 264,1
2-метилпентан 44,682 29,18 19 213 3 850,7
2,3-диметилбутан 44,659 29,56 19 203 3 848,7
2,3-диметилпентан 44,496 30,92 19 133 4 458,5
2,2,4-триметилпентан 44,310 30,49 19 053 5 061,5
Нафтен
Циклопентан 44,636 33,52 19 193 3,129,0
Метилциклопентан 44,636? 33,43? 19 193? 3756,6?
Циклогексан 43,450 33,85 18 684 3 656,8
Метилциклогексан 43,380 33,40 18 653 4 259,5
Моноолефины
Этилен 47,195 - - -
Пропилен 45,799 - - -
1-бутен 45,334 - - -
цис- 2-бутен 45,194 - - -
транс -2-бутен 45,124 - - -
Изобутен 45,055 - - -
1-пентен 45,031 - - -
2-метил-1-пентен 44,799 - - -
1-гексен 44 426 - - -
Диолефины
1,3-бутадиен 44,613 - - -
Изопрен 44,078 - - -
Закись азота
Нитрометан 10,513 - - -
Нитропропан 20,693 - - -
Ацетилены
Ацетилен 48,241 - - -
Метилацетилен 46,194 - - -
1-Бутыне 45 590 - - -
1-Pentyne 45,217 - - -
Ароматика
Бензол 40,170 - - -
Толуол 40,589 - - -
о- ксилол 40,961 - - -
м- ксилол 40,961 - - -
п- ксилол 40,798 - - -
Этилбензол 40,938 - - -
1,2,4-триметилбензол 40,984 - - -
н- пропилбензол 41,193 - - -
Cumene 41,217 - - -
Спирты
Метанол 19,930 15,78 8 570 638,6
Спирт этиловый 26,70 22,77 12 412 1230,1
1-пропанол 30,680 24,65 13 192 1843,9
Изопропанол 30,447 23,93 13 092 1829,9
н- бутанол 33,075 26,79 14 222 2 501,6
Изобутанол 32,959 26,43 14 172 2442,9
трет- бутанол 32,587 25,45 14 012 2 415,3
н- пентанол 34,727 28,28 14 933 3061,2
Изоамиловый спирт 31,416? 35,64? 13 509? 2769,3?
Эфиры
Метоксиметан 28,703 - 12 342 1 322,3
Этоксиэтан 33 867 24,16 14 563 2 510,2
Пропоксипропан 36,355 26,76 15,633 3 568,0
Бутоксибутан 37,798 28,88 16 253 4 922,4
Альдегиды и кетоны
Формальдегид 17,259 - - 570,78
Ацетальдегид 24,156 - - -
Пропионовый альдегид 28,889 - - -
Масляный альдегид 31,610 - - -
Ацетон 28,548 22,62 - -
Другие виды
Углерод (графит) 32,808 - - -
Водород 120 971 1,8 52 017 244
Монооксид углерода 10.112 - 4 348 283,24
Аммиак 18,646 - 8 018 317,56
Сера ( твердая ) 9,163 - 3 940 293,82
Примечание
  • Нет разницы между более низкой и высокой теплотворной способностью при сгорании углерода, окиси углерода и серы, поскольку при сгорании этих веществ не образуется вода.
  • Значения БТЕ / фунт рассчитываются из МДж / кг (1 МДж / кг = 430 БТЕ / фунт).

Более высокая теплотворная способность природного газа из различных источников

Международное энергетическое агентство сообщает следующее типичные Высший подогрев значений за стандартный кубический метр газа:

Низкая теплотворная способность природного газа обычно составляет около 90% от его более высокой теплотворной способности. В этой таблице представлены стандартные кубические метры (1 атм , 15 ° C), чтобы преобразовать их в значения на нормальный кубический метр (1 атм, 0 ° C), умножив вышеупомянутую таблицу на 1,0549.     

Смотрите также

использованная литература

  • Гибет, Ж.-К. (1997). Carburants et moteurs . Publication de l'Institut Français du Pétrole. ISBN 978-2-7108-0704-9.

внешние ссылки