Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 величинами:

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

Существует два вида теплоты сгорания, называемые более высокой и низкой теплотворной способностью, в зависимости от того, насколько остыть продукты и есть ли соединения, подобные H
2O могут конденсироваться. Высокая теплотворная способность обычно измеряется с помощью калориметра бомбы . Низкие значения теплоты рассчитываются на основе данных испытаний на высокую теплотворную способность. Их также можно рассчитать как разность теплоты образования Δ H⦵
fпродуктов 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%), [1] хотя это может быть в корне неверным, если o  +  n  >  c (например, в случае нитроглицерина ( C
3ЧАС
5N
3О
9) эта формула предсказывает теплоту сгорания, равную 0 [2] ). 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. [1]

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:

С х Н у N г O н (станд.) + O 2 (г, хз.) → х СО 2 (г) + у / 2 Н 2 О (л) + г / 2 Н 2 (г)

Хлор и сера не совсем стандартизированы; Обычно предполагается, что они превращаются в газообразный хлористый водород и газы SO 2 или SO 3 , соответственно, или в разбавленную водную соляную и серную кислоты, соответственно, когда сжигание проводится в бомбе, содержащей некоторое количество воды. [3] [ устаревший источник ]

Способы определения [ править ]

Более высокая теплотворная способность [ править ]

Более высокое значение нагрева ( ВГЧ ) (или полная энергия или верхнее значение нагрева или теплотворность ( GCV ) или более высокое значение теплотворной способности ( 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. В таких измерениях часто используется стандартная температура 25 ° C (77 ° F; 298 K) [ необходима ссылка ]. 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 котлаиспользуется 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.

Меньшая теплотворная способность [ править ]

Нижняя теплотворная способность ( НТС ) ( низшая теплотворная способность ( NCV ) или более низкая теплотворная способность ( LCV )) - это еще одна мера доступной тепловой энергии, производимой при сгорании топлива, которая 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 его 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 5 ⁄ 9   ° 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.

Общая теплотворная способность [ править ]

Полная теплотворная способность учитывает воду в выхлопных газах, уходящих в виде пара, и включает жидкую воду в топливе до сгорания. Это значение важно для таких видов топлива, как древесина или уголь , которые обычно содержат некоторое количество воды перед сжиганием.

Измерение значений нагрева [ править ]

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 .

Связь между теплотворной способностью [ править ]

Разница между двумя значениями нагрева зависит от химического состава топлива. В случае чистого углерода или окиси углерода, эти два значения отопления практически идентичны, с той разницей, чувственное содержание тепла углекислого газа между 150 ° C и 25 ° С ( теплосодержание обмен приводит к изменению температуры. В противоположность этому , латентное тепло добавляется или вычитается для фазовых переходов при постоянной температуре. Примеры: теплота испарения или теплота плавления ). Для водородаразница 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 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 моль испаренной воды, n - топливо, in - количество молей сожженного топлива. [4]

  • Большинство применений, сжигающих топливо, производят водяной пар, который не используется, и, таким образом, расходуется его тепло. В таких приложениях 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 сжигании, с рекуперацией тепла, которое в противном случае было бы потрачено впустую.

Использование терминов [ править ]

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 электроэнергетика десятилетиями использовала исключительно HHV (High Heat Value), хотя практически на всех этих установках 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. [5], 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 [ править ]

И HHV, и LHV могут быть выражены через 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 [ править ]

Более высокая (HHV) и более низкая (LHV) теплотворная
способность некоторых распространенных видов топлива [6] при 25 ° C.
ТопливоHHV МДж / кгHHV БТЕ / фунтHHV кДж / мольLHV МДж / кг
Водород141,8061 000286119,96
Метан55,5023 90088950.00
Этан51,9022 4001,56047,62
Пропан50,3521 7002,22046,35
Бутан49,5020 9002 87745,75
Пентан48,6021 8763 50745,35
Парафиновая свеча46.0019 90041,50
Керосин46,2019 86243.00
Дизель44,8019 30043,4
Уголь ( антрацит )32,5014 000
Уголь ( бурый уголь - США )15.006 500
Дерево ( MAF )21,708 700
Древесное топливо21.209 14217.0
Торф (сухой)15.006 500
Торф (влажный)6.002,500
Более высокая теплотворная способность
некоторых менее распространенных видов топлива [6]
ТопливоМДж / кгБТЕ / фунткДж / моль
Метанол22,79 800726,0
Спирт этиловый29,712 8001300,0
1-пропанол33,614 5002,020,0
Ацетилен49,921 5001300,0
Бензол41,818 0003 270,0
Аммиак22,59 690382,6
Гидразин19,48 370622,0
Гексамин30,012 9004 200,0
Углерод32,814 100393,5
Более низкая теплотворная способность некоторых органических соединений
(при 25 ° C [77 ° F]) [ необходима ссылка ]
ТопливоМДж / кгМДж / лБТЕ / фунткДж / моль
Алканы
Метан50,0096.921 504802.34
Этан47,794-20 5511437,2
Пропан46 35725,319 9342 044,2
Бутан45,752-19 6732 659,3
Пентан45,35728,3921 7063 272,6
Гексан44,75229.3019 5043 856,7
Гептан44,56630,4819 1634 465,8
Октан44,427-19 1045 074,9
Нонан44,31131,8219 0545 683,3
Decane44,24033,2919 0236 294,5
Ундекан44,19432,7019 0036 908,0
Додекан44,14733,1118 9837 519,6
Изопарафины
Изобутан45,613-19 6142 651,0
Изопентан45,24127,8719 4543 264,1
2-метилпентан44,68229,1819 2136 850,7
2,3-диметилбутан44,65929,5619 2033 848,7
2,3-диметилпентан44,49630,9219 1334 458,5
2,2,4-триметилпентан44,31030,4919 0535 061,5
Нафтен
Циклопентан44,63633,5219 1933,129,0
Метилциклопентан44,636?33,43?19 193?3756,6?
Циклогексан43,45033,8518 6843 656,8
Метилциклогексан43,38033,4018 6534 259,5
Моноолефины
Этилен47,195---
Пропилен45,799---
1-бутен45,334---
цис- 2-бутен45,194---
транс -2-бутен45,124---
Изобутен45,055---
1-пентен45,031---
2-метил-1-пентен44,799---
1-гексен44 426---
Диолефины
1,3-бутадиен44,613---
Изопрен44,078---
Закись азота
Нитрометан10,513---
Нитропропан20,693---
Ацетилены
Ацетилен48,241---
Метилацетилен46,194---
1-Бутыне45 590---
1-Pentyne45,217---
Ароматика
Бензол40,170---
Толуол40,589---
о- ксилол40,961---
м- ксилол40,961---
п- ксилол40,798---
Этилбензол40,938---
1,2,4-триметилбензол40,984---
н- пропилбензол41,193---
Cumene41,217---
Спирты
Метанол19,93015,788 570638,55
Спирт этиловый26,7022,7712 4121329,8
1-пропанол30,68024,6513 1921843,9
Изопропанол30,44723,9313 0921829,9
н- бутанол33,07526,7914 2222 501,6
Изобутанол32,95926,4314 1722442,9
трет- бутанол32,58725,4514 0122 415,3
н- пентанол34,72728,2814 9333061,2
Изоамиловый спирт31,416?35,64?13 509?2769,3?
Эфиры
Метоксиметан28,703-12 3421 322,3
Этоксиэтан33 86724,1614 5632 510,2
Пропоксипропан36,35526,7615,6333 568,0
Бутоксибутан37,79828,8816 2534 922,4
Альдегиды и кетоны
Формальдегид17,259--570,78 [7]
Ацетальдегид24,156---
Пропионовый альдегид28,889---
Масляный альдегид31,610---
Ацетон28,54822,62--
Другие виды
Углерод (графит)32,808---
Водород120 9711,852 017244
Монооксид углерода10.112-4 348283,24
Аммиак18,646-8 018317,56
Сера ( твердая )9,163-3 940293,82
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 [ править ]

Международное энергетическое агентство сообщает следующий типичный Высший подогрев значения на стандартный кубический метр газа: [8]

  • Алжир : 39,57 МДж / см 3
  • Бангладеш : 36,00 МДж / см 3
  • Канада : 39,00 МДж / см 3
  • Китай : 38,93 МДж / см 3
  • Индонезия : 40,60 МДж / см 3
  • Иран : 39,36 МДж / см 3
  • Нидерланды : 33,32 МДж / см 3
  • Норвегия : 39,24 МДж / см 3
  • Пакистан : 34,90 МДж / см 3
  • Катар : 41,40 МДж / см 3
  • Россия : 38,23 МДж / см 3
  • Саудовская Аравия : 38,00 МДж / см 3
  • Туркменистан : 37,89 МДж / см 3
  • Соединенное Королевство : 39,71 МДж / см 3
  • США : 38,42 МДж / см 3
  • Узбекистан : 37,89 МДж / см 3

Низкая теплотворная способность природного газа обычно составляет около 90 процентов 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.

См. Также [ править ]

  • Температура адиабатического пламени
  • Плотность энергии
  • Энергетическая ценность угля
  • Экзотермическая реакция
  • Огонь
  • Топливная эффективность # Энергетическая ценность топлива
  • Пищевая энергия
  • Внутренняя энергия
  • Тепловая эффективность
  • Индекс Воббе : плотность тепла
  • ISO 15971
  • Электрический КПД
  • Механический КПД
  • Показатель заслуг
  • Относительная стоимость электроэнергии, произведенной из разных источников
  • Эффективность преобразования энергии

Ссылки [ править ]

  • Гибет, Ж.-К. (1997). Carburants et moteurs . Publication de l'Institut Français du Pétrole. ISBN 978-2-7108-0704-9.
  1. ^ а б Шмидт-Рор, K (2015). «Почему процессы сгорания всегда экзотермичны, давая около 418 кДж на моль O 2 » . J. Chem. Educ. 92 (12): 2094–2099. Bibcode : 2015JChEd..92.2094S . DOI : 10.1021 / acs.jchemed.5b00333 .
  2. ^ Однако обратите внимание, что такое соединение, как нитроглицерин, для которого формула предсказывает нулевую теплоту сгорания, на самом деле не «сгорает» в смысле реакции с воздухом или кислородом. Нитроглицерин взорвется с выделением тепла, но это разложение, при котором молекулярный кислород не вступает в реакцию с нитроглицерином. Формула также дает плохие результаты для (газообразного) формальдегида и окиси углерода .
  3. ^ Kharasch, MS (февраль 1929). «Теплоты сгорания органических соединений». Бюро стандартов, журнал исследований . 2 (2): 359. DOI : 10,6028 / jres.002.007 . ISSN 0091-1801 . 
  4. ^ Качество воздуха Engineering, CE 218A, В. Nazaroff и Р. Харли, Калифорнийский университет в Беркли, 2007
  5. ^ «Разница между LCV и HCV (или более низкой и высокой теплотворной способностью, или чистой и валовой) ясно понимается всеми инженерами-энергетиками. Не существует« правильного »или« неправильного »определения. - Claverton Group» . www.claverton-energy.com .
  6. ^ a b "Интернет-книга по химии NIST" . webbook.nist.gov .
  7. ^ «Метанал» . webbook.nist.gov .
  8. ^ «Ключевая статистика мировой энергетики (2016)» (PDF) . iea.org .

Внешние ссылки [ править ]

  • Интернет-книга NIST по химии
  • «Более низкие и высокие значения нагрева газа, жидкого и твердого топлива» (PDF) . Книга данных по энергии биомассы . Министерство энергетики США. 2011 г.