Теплота сгорания

Теплотворная способность (или энергетическая ценность , или калорийность ) вещества , обычно топлива или пищи (см. Энергия пищи ), — это количество тепла, выделяемое при сгорании определенного его количества.

Теплотворная способность — это общая энергия, выделяемая в виде тепла, когда вещество полностью сгорает с кислородом при стандартных условиях . Химическая реакция обычно представляет собой реакцию углеводорода или другой органической молекулы с кислородом с образованием углекислого газа и воды и выделением тепла. Она может быть выражена величинами:

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

Существует два вида энтальпии сгорания, называемые высшей и низшей теплотой сгорания, в зависимости от того, насколько охлаждаются продукты и присутствуют ли такие соединения, как H
₂O конденсируются. Значения высокой теплоты традиционно измеряются с помощью калориметрической бомбы . Значения низкой теплоты рассчитываются на основе данных испытаний на высокую теплоту. Их также можно рассчитать как разницу между теплотой образования Δ H^⦵
_жпродуктов и реагентов (хотя этот подход несколько искусственен, поскольку большинство теплот образования обычно рассчитываются на основе измеренных теплот сгорания). ^[1]

Для топлива состава C _c H _h O _o N _n (высшая) теплота сгорания обычно составляет 419 кДж/моль × ( c + 0,3 h − 0,5 o ) с хорошим приближением (±3%) ^{[2] [3],} хотя это дает плохие результаты для некоторых соединений, таких как (газообразный) формальдегид и оксид углерода , и может быть значительно ниже, если o + n > c , например, для динитрата глицерина, C ₃ H ₆ O ₇ N ₂ . ^[4]

По соглашению (высшая) 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 превращается в углекислый газ, а азот превращается в азот. То есть теплота сгорания, Δ H ° _comb , является теплотой реакции следующего процесса:

С
_сЧАС
_часН
_нО
_о(станд.) + ( c + час ⁄ 4 - о ⁄ 2 ) O
₂(г) → с CO
₂(г) + ч ⁄ 2 Н
₂О ( л ) + н ⁄ 2 Н
₂(г)

Хлор и сера не совсем стандартизированы; обычно предполагается, что они преобразуются в газообразный хлористый водород и SO
₂или ТАК
₃газа, соответственно, или для разбавления водных растворов соляной и серной кислот , соответственно, когда сжигание проводится в калориметрической бомбе, содержащей некоторое количество воды. ^{[5] [6]}

Зволински и Вилхойт определили в 1972 году "брутто" и "чистое" значение теплоты сгорания. В брутто-определении продуктами являются наиболее стабильные соединения, например, H
₂О (л), Бр
₂(л), я
₂(с) и H
₂ТАК
₄(л). В чистом определении продуктами являются газы, образующиеся при сжигании соединения в открытом пламени, например, H
₂О (г), Бр
₂(г), я
₂(г) и ТАК
₂(g). В обоих определениях продуктами для C, F, Cl и N являются CO
₂(г), HF (г), Cl
₂(г) и Н
₂(г) соответственно. ^[7]

Теплотворную способность топлива можно рассчитать по результатам элементарного анализа топлива. Из анализа известны проценты горючих веществ в топливе ( углерод , водород , сера ). Поскольку теплота сгорания этих элементов известна, теплотворную способность можно рассчитать по формуле Дюлонга:

HHV [кДж/г]= 33,87m _C + 122,3(m _H - m _O ÷ 8) + 9,4m _S

где m _C , m _H , m _O , m _N и m _S — содержание углерода, водорода, кислорода, азота и серы на любой (влажной, сухой или беззольной) основе соответственно. ^[8]

Высшая теплотворная способность (ВТС; валовая энергия , верхняя теплотворная способность , высшая теплотворная способность ВТС или высшая теплотворная способность ; ВТС ) указывает верхний предел доступной тепловой энергии, вырабатываемой при полном сгорании топлива. Она измеряется как единица энергии на единицу массы или объема вещества. ВТС определяется путем приведения всех продуктов сгорания к исходной температуре до сгорания, включая конденсацию любого образовавшегося пара. Такие измерения часто используют стандартную температуру 25 °C (77 °F; 298 K) ^{[ необходима цитата ]} . 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. Более высокая теплота сгорания учитывает скрытую теплоту испарения воды в продуктах сгорания и полезна при расчете теплоты сгорания для видов топлива, где конденсация продуктов реакции практична (например, в газовом котле, используемом для обогрева помещений). 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.

Низшая теплотворная способность (НТС; низшая теплотворная способность ; НТС , или низшая теплотворная способность ; НКТС ) — это еще одна мера доступной тепловой энергии, вырабатываемой при сгорании топлива, измеряемая как единица энергии на единицу массы или объема вещества. В отличие от ВТС, НТС учитывает потери энергии, такие как энергия, используемая для испарения воды, хотя ее точное определение не согласовано единогласно. Одно из определений — просто вычесть теплоту испарения воды из высшей теплотворной способности. Это рассматривает любую образовавшуюся _H2O как пар, который высвобождается в качестве отходов. Таким образом, энергия, необходимая для испарения воды, теряется.

Расчеты LHV предполагают, что водный компонент процесса сгорания находится в парообразном состоянии в конце сгорания, в отличие от высшей теплоты сгорания (HHV) (также известной как высшая теплотворная способность или высшая теплотворная способность ), которая предполагает, что вся вода в процессе сгорания 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 испарения воды и других продуктов реакции не восстанавливается. Это полезно при сравнении топлив, где конденсация продуктов сгорания нецелесообразна или тепло при температуре ниже 150 °C (302 °F) не может быть использовано.

Одно из определений низшей теплоты сгорания, принятое Американским институтом нефти (API), использует опорную температуру 60 °F ( 15+5 ⁄ 9  °С).

Другое определение, используемое Ассоциацией поставщиков газоперерабатывающих предприятий (GPSA) и первоначально использовавшееся API (данные, собранные для исследовательского проекта API 44), — это энтальпия всех продуктов сгорания за вычетом энтальпии топлива при эталонной температуре (исследовательский проект API 44 использовал 25 °C. GPSA в настоящее время использует 60 °F), за вычетом энтальпии стехиометрического кислорода (O2 ₎ при эталонной температуре, за вычетом теплоты испарения паров, содержащихся в продуктах сгорания.

Определение, при котором все продукты сгорания возвращаются к исходной температуре, легче рассчитать по более высокой теплоте сгорания, чем при использовании других определений, и фактически даст несколько иной ответ.

Высшая теплотворная способность учитывает воду в выхлопных газах, выходящую в виде пара, как и LHV, но высшая теплотворная способность также включает жидкую воду в топливе до сгорания. Это значение важно для таких видов топлива, как древесина или уголь , которые обычно содержат некоторое количество воды до сгорания.

Высшая теплотворная способность экспериментально определяется в бомбовом калориметре . Сгорание стехиометрической смеси топлива и окислителя (например, двух молей водорода и одного моля кислорода) в стальном контейнере при 25 °C (77 °F) инициируется устройством зажигания, и реакциям дают завершиться. Когда водород и кислород реагируют во время горения, образуется водяной пар. Затем сосуд и его содержимое охлаждаются до исходных 25 °C, и высшая теплотворная способность определяется как тепло, выделяющееся между идентичными начальной и конечной температурами.

При определении низшей теплоты сгорания (LHV) охлаждение прекращается при 150 °C, а тепло реакции восстанавливается лишь частично. Предел 150 °C основан на точке росы кислого газа .

Примечание: Высшая теплота сгорания (ВТС) рассчитывается с учетом воды, находящейся в жидкой форме, а низшая теплота сгорания (НТС) рассчитывается с учетом воды, находящейся в парообразном состоянии.

Разница между двумя теплотворными способностями зависит от химического состава топлива. В случае чистого углерода или оксида углерода две теплотворные способности почти идентичны, разница заключается в содержании явного тепла углекислого газа 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 существенна, поскольку она включает явную теплоту водяного пара между 150 °C и 100 °C, скрытую теплоту конденсации при 100 °C и явную теплоту конденсированной воды между 100 °C и 25 °C. В целом, высшая теплотворная способность водорода на 18,2% выше его низшей теплотворной способности (142  МДж/кг против 120  МДж/кг). Для углеводородов разница зависит от содержания водорода в топливе. Для бензина и дизельного топлива высшая теплота сгорания превышает низшую примерно на 10% и 7% соответственно, а для природного газа — примерно на 11%.

Распространенный метод соотнесения HHV с LHV:

${\displaystyle \mathrm {HHV} =\mathrm {LHV} +H_{\mathrm {v} }\left({\frac {n_ {\mathrm {H_{2}O,out} }}{n_{\mathrm {топливо,в} }}}\right)}$

где H _v — теплота испарения воды, n _{H
2O ,out} — это количество молей испарившейся воды, а n _fuel,in — это количество молей сгоревшего топлива. ^[9]

• Большинство приложений, сжигающих топливо, производят водяной пар, который не используется и, таким образом, тратит свое тепло. В таких приложениях необходимо использовать низшую теплотворную способность, чтобы дать «эталон» для процесса.
• Однако для истинных энергетических расчетов в некоторых конкретных случаях более высокая теплотворная способность является правильной. Это особенно актуально для природного газа , высокое содержание водорода в котором производит много воды, когда он сжигается в конденсационных котлах и электростанциях с конденсацией дымовых газов , которые конденсируют водяной пар, полученный при сгорании, восстанавливая тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую.

Производители двигателей обычно оценивают потребление топлива двигателями по низшей теплотворной способности, поскольку выхлопные газы никогда не конденсируются в двигателе, и это позволяет им публиковать более привлекательные цифры, чем те, которые используются в терминах обычных электростанций. Традиционная энергетика десятилетиями использовала исключительно HHV (высокая теплотворная способность), хотя практически все эти станции также не конденсировали выхлопные газы. Американские потребители должны знать, что соответствующая цифра потребления топлива, основанная на более высокой теплотворной способности, будет несколько выше.

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

Как HHV, так и LHV могут быть выражены через AR (вся влажность учтена), MF и MAF (только вода от сгорания водорода). AR, MF и MAF обычно используются для указания теплотворной способности угля:

• AR (в состоянии поставки) означает, что теплотворная способность топлива измерялась с учетом всех присутствующих влаго- и золообразующих минералов.
• MF (без влаги) или сухое означает, что теплотворная способность топлива измерялась после того, как топливо было высушено от всей присущей ему влаги, но при этом сохранились его золообразующие минералы.
• MAF (без влаги и золы) или DAF (без влаги и золы) указывает на то, что теплотворная способность топлива была измерена в отсутствие присущих ему влаго- и золообразующих минералов.

Примечание

• Разницы между низшей и высшей теплотой сгорания при сгорании углерода, оксида углерода и серы нет, поскольку при сгорании этих веществ вода не образуется.
• Значения БТЕ/фунт рассчитываются из МДж/кг (1 МДж/кг = 430 БТЕ/фунт).

Международное энергетическое агентство сообщает о следующих типичных высших теплотворных способностях на стандартный кубический метр газа: ^[14]

Низшая теплотворная способность природного газа обычно составляет около 90% от его высшей теплотворной способности. Эта таблица в стандартных кубических метрах (1 атм , 15 °C), для перевода в значения на нормальный кубический метр (1 атм, 0 °C), умножьте приведенную выше таблицу на 1,0549.    

• Гибе, Ж.-К. (1997). Карбюранты и двигатели . Публикация Французского института нефти. ISBN 978-2-7108-0704-9.

• Веб-книга NIST по химии
• «Низшая и высшая теплотворная способность газового, жидкого и твердого топлива» (PDF) . Справочник по энергии биомассы . Министерство энергетики США. 2011.