✖


Jump to content

Теплота сгорания

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

Теплотворная способность — это общая энергия, вещества выделяющаяся в виде тепла при полном сгорании 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. Это можно выразить величинами:

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

Существует два типа энтальпии сгорания, называемые высокой (эр) и низкой (эр) теплотой сгорания, в зависимости от того, насколько продуктам разрешено охлаждаться и являются ли такие соединения, как H
2 O могут конденсироваться.Высокую теплоту обычно измеряют с помощью бомбового калориметра . Низкая теплотворность рассчитывается на основе данных испытаний на высокую теплотворность. Их также можно рассчитать как разницу между теплотой образования Δ H ⦵
f продуктов и реагентов (хотя этот подход несколько искусственный, поскольку большая часть теплоты образования обычно рассчитывается на основе измеренных теплот сгорания). [1]

Для топлива состава C c H h O o N n (более высокая) теплота сгорания составляет 419 кДж/моль × ( c + 0,3 h - 0,5 o ), обычно с хорошим приближением (±3%), [2] [3] хотя он дает плохие результаты для некоторых соединений, таких как (газообразный) формальдегид и окись углерода , и может быть значительно отклонен, если o + n > c , например, для динитрата глицерина, С 3 Н 6 О 7 Н 2 . [4]

Условно (высшая) теплота сгорания определяется как теплота, выделяемая при полном сгорании соединения в стандартном состоянии с образованием стабильных продуктов в стандартном состоянии: водород превращается в воду (в жидком состоянии), углерод превращается в углекислый газ, а азот превращается в газообразный азот. То есть теплота сгорания, ΔH ° гребень , является теплотой реакции следующего процесса:

С
в ч
ч Н
нет ​
o (станд.) + ( c + h ⁄ 4 - о ⁄ 2 ) О
2 (г) → c CO
2 (г) + h ⁄ 2 H
2 О ( л ) + n ⁄ 2 N
2 (г)

Хлор и сера не совсем стандартизированы; Обычно предполагается, что они преобразуются в газообразный хлористый водород и SO.
2 или ТАК
3 газа соответственно или разбавленными водными растворами соляной и серной кислот соответственно, когда сжигание ведется в бомбовом калориметре, содержащем некоторое количество воды. [5] [6]

Способы определения

[ редактировать ]

Валовая и чистая

[ редактировать ]

Зволинский и Уилхойт определили в 1972 году «валовые» и «чистые» значения теплоты сгорания. В валовом определении продуктами являются наиболее стабильные соединения, например H
2 О (л), Бр
2 (л), я
2 (с) и Н
2 ТАК
4 (л). В чистом определении продуктами являются газы, образующиеся при сжигании соединения в открытом огне, например H
2 О (г), Бр
2 (ж), я
2 (г) и ТАК
2 (г). В обоих определениях продуктами C, F, Cl и N являются CO .
2 (г), HF (г), Cl
2 (г) и Н
2 (г) соответственно. [7]

Формула Дюлонга

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

HHV [кДж/г]= 33,87м С + 122,3(м Н - м О ÷ 8) + 9,4м С

где m C , m H , m O , m N и m S – содержание углерода, водорода, кислорода, азота и серы в пересчете на любую (влажную, сухую или беззольную) основу соответственно. [8]

Более высокая теплотворная способность

[ редактировать ]

Высшая теплота сгорания (HHV; валовая энергия , верхняя теплота сгорания , высшая теплота сгорания GCV или высшая теплота сгорания ; HCV ) указывает на верхний предел доступной тепловой энергии, вырабатываемой при полном сгорании топлива. Она измеряется как единица энергии на единицу массы или объема вещества. HHV определяется путем возвращения всех продуктов сгорания к исходной температуре до сгорания, включая конденсацию образующегося пара. В таких измерениях часто используется стандартная температура 25 ° C (77 ° F; 298 К). [ нужна ссылка ] . Это то же самое, что термодинамическая теплота сгорания, поскольку изменение энтальпии реакции предполагает общую температуру соединений до и после сгорания, и в этом случае вода, образующаяся при сгорании, конденсируется в жидкость. Более высокая теплотворная способность учитывает скрытую теплоту испарения воды практична в продуктах сгорания и полезна при расчете теплотворной способности топлива, где конденсация продуктов реакции (например, в газовом котле, используемом для обогрева помещений). . Другими словами, HHV предполагает, что в конце сгорания весь водный компонент находится в жидком состоянии (в продуктах сгорания) и что тепло, выделяемое при температуре ниже 150 °C (302 °F), может быть использовано.

Низкая теплотворная способность

[ редактировать ]

Низшая теплота сгорания (LHV; низшая теплотворная способность ; NCV , или низшая теплотворная способность ; LCV ) — это еще одна мера доступной тепловой энергии, вырабатываемой при сгорании топлива, измеряемая 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 его точное определение не является общепринятым. Одно из определений состоит в том, чтобы просто вычесть теплоту испарения воды из более высокой теплотворной способности. При этом любая образовавшаяся H 2 O рассматривается как пар, который выбрасывается в виде отходов. Таким образом, энергия, необходимая для испарения воды, теряется.

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

Другое определение LHV — это количество тепла, выделяющегося 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 видов топлива, в которых конденсация продуктов сгорания нецелесообразна или невозможно использовать тепло при температуре ниже 150 ° C (302 ° F).

Одно из определений низшей теплотворной способности, принятое Американским институтом нефти (API), использует эталонную температуру 60 °F ( ° C ) 15 + 5/9 .

Другое определение, используемое Ассоциацией поставщиков газоперерабатывающих предприятий (GPSA) и первоначально использовавшееся API (данные, собранные для исследовательского проекта API 44), представляет собой энтальпию всех продуктов сгорания за вычетом энтальпии топлива при базовой температуре (используется исследовательский проект API 44). 25 °C. GPSA в настоящее время использует 60 °F) минус энтальпия стехиометрического кислорода (O 2 ) при эталонной температуре минус теплота испарения паров продуктов сгорания.

Определение, в котором все продукты сгорания возвращаются к исходной температуре, легче рассчитать на основе более высокой теплотворной способности, чем при использовании других определений, и фактически дает несколько иной ответ.

Валовая теплотворная способность

[ редактировать ]

Валовая теплота сгорания учитывает воду в выхлопных газах, уходящих в виде пара, как и LHV, но валовая теплота сгорания также включает жидкую воду в топливе перед сгоранием. Это значение важно для таких видов топлива, как древесина или уголь , которые перед сгоранием обычно содержат некоторое количество воды.

Измерение теплотворной способности

[ редактировать ]

Более высокая теплота сгорания экспериментально определена в бомбовом калориметре . Горение стехиометрической смеси топлива и окислителя (например, двух молей водорода и одного моля кислорода) в стальном контейнере при температуре 25 °C (77 °F) инициируется запальным устройством и реакции завершаются. Когда водород и кислород реагируют во время горения, образуется водяной пар. Затем сосуд и его содержимое охлаждают до исходной температуры 25 °C, а более высокую теплотворную способность определяют как тепло, выделяющееся при одинаковых начальной и конечной температурах.

Когда определяется нижняя теплота сгорания (LHV), охлаждение прекращают при 150 °C и тепло реакции рекуперируется лишь частично. Предел 150 °C основан на кислого газа точке росы .

Примечание. Высшая теплота сгорания (HHV) рассчитывается с использованием воды, находящейся в жидкой форме, тогда как более низкая теплота сгорания (LHV) рассчитывается с использованием воды, находящейся в форме пара.

Связь между теплотворной способностью

[ редактировать ]

Разница между двумя значениями теплоты сгорания зависит от химического состава топлива. В случае чистого углерода или монооксида углерода обе теплотворные способности почти идентичны, разница заключается в содержании явного тепла в углекислом газе между 150 °C и 25 °C ( явный теплообмен вызывает изменение температуры, тогда 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 водяного пара между 150 °C и 100 °C, скрытую теплоту конденсации при 100 °C и явную теплоту конденсированной воды между 100 °C и 100 °C. 25 °С. В целом высшая теплота сгорания водорода на 18,2% превышает его низшую теплоту сгорания (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 теплоту сгорания примерно на 10% и 7% соответственно, а для природного газа примерно на 11%.

Распространенный метод связи HHV и LHV:

где H v – теплота парообразования воды, n H
2 O ,out — количество молей испарившейся воды и n топлива, in — количество молей сгоревшего топлива. [9]

  • Большинство приложений, сжигающих топливо, производят водяной пар, который не используется и, таким образом, теряет свое тепло. В таких случаях в качестве «эталона» процесса необходимо использовать более низкую теплоту сгорания.
  • Однако для истинных расчетов энергии в некоторых конкретных случаях правильна более высокая теплота сгорания. Это особенно актуально для природного газа , высокое содержание водорода в котором приводит к образованию большого количества воды при его сжигании в конденсационных котлах и электростанциях с конденсацией дымовых газов , которая конденсирует водяной пар, образующийся при сжигании, восстанавливая тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую.

Использование терминов

[ редактировать ]

Производители двигателей обычно оценивают расход топлива своих двигателей по более низким значениям 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 электростанций. Традиционная энергетика десятилетиями использовала исключительно HHV (высокую теплотворную способность), хотя практически все эти станции также не конденсировали выхлопные газы. Американские потребители должны знать, что соответствующий показатель расхода топлива, основанный на более высокой теплоте сгорания, будет несколько выше.

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

Учет влаги

[ редактировать ]

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

  • AR (в том виде, в котором он получен) указывает на то, что теплотворная способность топлива была измерена при наличии всех влаго- и золообразующих минералов.
  • MF (без влаги) или сухое указывает на то, что теплотворная способность топлива была измерена после того, как топливо было высушено от всей присущей ему влаги, но все еще сохраняло свои золообразующие минералы.
  • MAF (без влаги и золы) или DAF (сухой и без золы) указывает на то, что теплотворная способность топлива измерена при отсутствии присущих ему минералов, образующих влагу и золу.

Таблицы теплоты сгорания

[ редактировать ]
Высшая (HHV) и низшая (LHV) теплотворность
некоторых распространенных видов топлива [11] при 25 °С
Топливо ВХВ ЛХВ
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
Парафиновый воск 46.00 19,900 41.50
Керосин 46.20 19,862 43.00
Реактивный керосин [12] 46.42 - 44.1
Дизель 44.80 19,300 43.4
Уголь ( антрацит ) 32.50 14,000
Уголь ( лигнит – США ) 15.00 6,500
Дерево ( МАФ ) 21.70 8,700
Древесное топливо 16.0 6,400 17.0
Торф (сухой) 15.00 6,500
Торф (влажный) 6.00 2,500
Более высокая теплотворная способность
некоторых менее распространенных видов топлива [11]
Топливо МДж /кг БТЕ /фунт кДж / моль
Метанол 22.7 9,800 726
Этанол 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
Низкая теплота сгорания некоторых органических соединений.
(при 25 °C [77 °F]) [ нужна ссылка ]
Топливо МДж /кг МДж / Л БТЕ /фунт кДж / моль
Алканы
Метан 50.009 6.9 21,504 802.34
Этан 47.794 — 20,551 1,437.2
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
Октановое число 44.427 — 19,104 5,074.9
Нонан 44.311 31.82 19,054 5,683.3
Декан 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? 3,756.6?
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 — — —
Диолефин
1,3-бутадиен 44.613 — — —
Изопрен 44.078 - — —
Азотистые производные
Нитрометан 10.513 — — —
Нитропропан 20.693 — — —
Ацетилены
Ацетилен 48.241 — — —
Метилацетилен 46.194 — — —
1-бутин 45.590 — — —
1-Пентин 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 — — —
Общий 41.217 — — —
Спирты
Метанол 19.930 15.78 8,570 638.6
Этанол 26.70 22.77 12,412 1,230.1
1-Пропанол 30.680 24.65 13,192 1,843.9
Изопропанол 30.447 23.93 13,092 1,829.9
н -бутанол 33.075 26.79 14,222 2,501.6
изобутанол 32.959 26.43 14,172 2,442.9
трет -бутанол 32.587 25.45 14,012 2,415.3
н -пентанол 34.727 28.28 14,933 3,061.2
изоамиловый спирт 31.416? 35.64? 13,509? 2,769.3?
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 [13]
ацетальдегид 24.156 — — —
Пропиональдегид 28.889 — — —
Бутиральдегид 31.610 — — —
Ацетон 28.548 22.62 — —
Другие виды
Углерод (графит) 32.808 — — —
Водород 120.971 1.8 52,017 244
Окись углерода 10.112 — 4,348 283.24
Аммиак 18.646 — 8,018 317.56
Сера ( твердая ) 9.163 — 3,940 293.82
Примечание
  • Нет никакой разницы между низшей и высшей теплотой сгорания углерода, угарного газа и серы, поскольку при сгорании этих веществ не образуется вода.
  • Значения БТЕ/фунт рассчитываются из МДж/кг (1 МДж/кг = 430 БТЕ/фунт).

Более высокие теплотворные способности природных газов из различных источников

[ редактировать ]

Международное энергетическое агентство сообщает о следующих типичных более высоких значениях теплотворной способности на стандартный кубический метр газа: [14]

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

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ «Влияние структурной проводимости и теплопотерь на горение в микроканалах» . Тейлор и Фрэнсис Онлайн.
  2. ^ Шмидт-Рор, Клаус (8 декабря 2015 г.). «Почему горение всегда экзотермическое, с выделением около 418 кДж на моль O 2» . Журнал химического образования . 92 (12): 2094–2099. Бибкод : 2015JChEd..92.2094S . doi : 10.1021/acs.jchemed.5b00333 .
  3. ^ Длугогорский, БЗ; Мохинни-младший; Дык, В.Х. (1994). «Измерение скорости тепловыделения методом калориметрии потребления кислорода при тушении пожаров». Наука пожарной безопасности 1007 : 877.
  4. ^ Это дает 545 кДж/моль, тогда как значение, рассчитанное по теплоте образования, составляет около 1561 кДж/моль. Для тринитрата глицерина (нитроглицерина) это дает 0, хотя нитроглицерин фактически не горит.
  5. ^ Хараш, М.С. (февраль 1929 г.). «Теплота сгорания органических соединений» . Журнал исследований Бюро стандартов . 2 (2): 359. doi : 10.6028/jres.002.007 .
  6. ^ «Теоретический анализ утилизации отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания в гибридном автомобиле» . Джстор.
  7. ^ Зволинский, Бруно Дж; Уилхойт, Рэндольф К. (1972). «Теплота образования и теплота сгорания» (PDF) . В Дуайт Э., Грей; Биллингс, Брюс Х. (ред.). Справочник Американского института физики . МакГроу-Хилл. стр. 316–342. ISBN  978-0-07-001485-5 . Архивировано из оригинала (PDF) 6 августа 2021 г. Проверено 6 августа 2021 г.
  8. ^ Хосокай, Со; Мацуока, Коичи; Курамото, Кодзи; Сузуки, Ёсидзо (1 ноября 2016 г.). «Модификация формулы Дюлонга для оценки теплотворной способности газа, жидкого и твердого топлива». Технология переработки топлива . 152 : 399–405. дои : 10.1016/j.fuproc.2016.06.040 .
  9. ^ Инженерия качества воздуха, CE 218A, В. Назаров и Р. Харли, Калифорнийский университет в Беркли, 2007 г.
  10. ^ «Разницу между LCV и HCV (или низшей и высшей теплотворной способностью, или чистой и валовой теплотой) ясно понимают все инженеры-энергетики. Не существует «правильного» или «неправильного» определения. – Claverton Group» . www.claverton-energy.com .
  11. ^ Перейти обратно: а б Линстрем, Питер (2021). Интернет-книга NIST по химии . Стандартная справочная база данных NIST, номер 69. Управление данных и информатики NIST. дои : 10.18434/T4D303 .
  12. ^ «Техническое примечание CDP: преобразование данных о топливе в МВтч» (PDF) .
  13. ^ «Метанал» . webbook.nist.gov .
  14. ^ «Ключевая мировая энергетическая статистика (2016 г.)» (PDF) . iea.org .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • Гибе, Ж.-К. (1997). Топливо и двигатели . Издание Французского нефтяного института. ISBN  978-2-7108-0704-9 .
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Heat_of_combustion&oldid=1230921653"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f1bc4fbb77392b0b374136657e907305__1719308580
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f1/05/f1bc4fbb77392b0b374136657e907305.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Heat of combustion - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)