Теплотворная способность (или энергетическая ценность , или теплотворная способность ) вещества , обычно топлива или пищи (см. Энергия пищи ), — это количество тепла , выделяющееся при сгорании определенного его количества.
Теплотворная способность — это общая энергия , выделяющаяся в виде тепла при полном сгорании вещества 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. Ее можно выразить величинами:
Существует два вида энтальпии сгорания, называемые высокой (эр) и низкой (эр) теплотворной способностью, в зависимости от того, насколько продуктам разрешено охлаждаться и являются ли такие соединения, как H
2O позволяют конденсироваться. Высокую теплоту обычно измеряют с помощью бомбового калориметра . Низкая теплота сгорания рассчитывается на основе данных испытаний на высокую теплотворность. Их также можно рассчитать как разницу между теплотой образования Δ H⦵
жпродуктов 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 (высшая) 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, C 3 H 6 O 7 N 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:
Хлор и сера не совсем стандартизированы; Обычно предполагается, что они преобразуются в газообразный хлористый водород и SO.
2или так
3газа соответственно или для разбавления водной соляной и серной кислот соответственно, когда сжигание проводится в бомбе-калориметре, содержащей некоторое количество воды. [5] [6]
Зволинский и Уилхойт определили в 1972 году «валовые» и «чистые» значения теплоты сгорания. В валовом определении продуктами являются наиболее стабильные соединения, например H
2О (л), Бр
2(л), я
2(с) и Н
2ТАК
4(л). В чистом определении продуктами являются газы, образующиеся при сжигании соединения в открытом огне, например H
2О (г), Бр
2(г), 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. Из анализа известно процентное содержание горючих веществ в топливе ( углерод , водород , сера ). 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]
Высшая теплотворная способность (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 ) . 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 теплота сгорания учитывает скрытую теплоту испарения воды в продуктах сгорания и полезна при расчете теплоты сгорания топлива, где практична конденсация продуктов реакции ( например , в газовом котле , используемом для обогрева помещений). . Другими словами, HHV предполагает, что весь водный компонент находится в жидком состоянии в конце сгорания (в продуктах сгорания) и что тепло, выделяемое при температуре ниже 150 ° C (302 ° F), может быть использовано.
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 образующаяся H 2 O рассматривается в виде пара. Поэтому энергия, необходимая для испарения воды, не выделяется в виде тепла.
Расчеты LHV предполагают, что водный компонент процесса сгорания находится в состоянии пара в конце сгорания, в отличие от более высокой теплоты сгорания (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).
В одном определении низшей теплотворной способности, принятом Американским институтом нефти (API), используется эталонная температура 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), 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 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.
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 точке росы кислого газа .
Примечание. Высшая теплотворная способность (HHV) рассчитывается с учетом того, что вода находится в жидкой форме , а более низкая теплотворная способность (LHV) рассчитывается с учетом того, что вода находится в форме пара .
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 парообразования 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 теплотворная способность 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
2O ,out — количество молей испарившейся воды и n топлива, in — количество молей сгоревшего топлива. [9]
Производители двигателей обычно оценивают расход топлива своих двигателей по более низкой теплоте сгорания, 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 может подойти LHV, 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.
И HHV, 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:
Международное энергетическое агентство сообщает о следующих типичных более высоких значениях теплотворной способности на стандартный кубический метр газа: [13]
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 перевода в значения на нормальный кубический метр (1 атм, 0 °C) умножьте приведенную выше таблицу на 1,0549.
