Forbrenningsvarme - Heat of combustion
Den varmeverdi (eller energiverdi eller brennverdi ) av en substans , vanligvis et brensel eller mat (se mat energi ), er mengden av varme som frigjøres under forbrenningen av en spesifisert mengde av det.
Den brennverdi er den totale energien frigjøres som varme når en substans som gjennomgår fullstendig forbrenning med oksygen i henhold til standardbetingelser . Den kjemiske reaksjonen er vanligvis et hydrokarbon eller annet organisk molekyl som reagerer med oksygen for å danne karbondioksid og vann og frigjøre varme. Det kan uttrykkes med mengdene:
- energi/ mol drivstoff
- energi/masse drivstoff
- drivstoffets energi/volum
Det er to typer forbrenningsentalpi, kalt høyere og lavere oppvarmingsverdi, avhengig av hvor mye produktene får avkjøle og om forbindelser som H
2O får kondensere. De høye varmeverdiene måles konvensjonelt med et bombekalorimeter . Lave varmeverdier beregnes ut fra testdata med høy varmeverdi. De kan også beregnes som differansen mellom dannelsesvarme Δ H⦵
fav produktene og reaktantene (selv om denne tilnærmingen er noe kunstig siden de fleste formasjonsvarmer vanligvis beregnes ut fra målte forbrenningsvarmer). For et drivstoff med sammensetning C c H h O o N n er (høyere) forbrenningsvarme 418 kJ/mol ( c + 0,3 t - 0,5 o ) vanligvis til en god tilnærming (± 3%), selv om det kan være betydelig av hvis o + n > c (for eksempel når det gjelder nitroglyserin , C
3H
5N
3O
9, vil denne formelen forutsi en forbrenningsvarme på 0). Verdien tilsvarer en eksoterm reaksjon (en negativ endring i entalpi ) fordi dobbeltbindingen i molekylært oksygen er mye svakere enn andre dobbeltbindinger eller par enkeltbindinger, spesielt de i forbrenningsproduktene karbondioksid og vann; konvertering av de svake bindingene i oksygen til de sterkere bindingene i karbondioksid og vann frigjør energi som varme.
Etter konvensjon er (høyere) forbrenningsvarme definert som varmen som frigjøres for fullstendig forbrenning av en forbindelse i standardtilstand for å danne stabile produkter i standardtilstandene: hydrogen omdannes til vann (i flytende tilstand), karbon omdannes til karbondioksidgass, og nitrogen omdannes til nitrogengass. Det vil si at forbrenningsvarmen, Δ H ° kam , er reaksjonsvarmen for følgende prosess:
-
C
cH
hN
nO
o(std.) + O
2(g, xs.) → c CO
2(g) + h ⁄ 2 H
2O (l) + n ⁄ 2 N
2 (g)
Klor og svovel er ikke helt standardiserte; de antas vanligvis å konvertere til hydrogenkloridgass og SO
2eller SÅ
3 henholdsvis gass eller for å fortynne henholdsvis vandige saltsyrer og svovelsyrer når forbrenningen utføres i en bombe som inneholder en viss mengde vann.
Måter å bestemme seg på
Brutto og netto
Zwolinski og Wilhoit definerte i 1972 "brutto" og "netto" verdier for forbrenningsvarmer. I brutto definisjonen er produktene de mest stabile forbindelsene, f.eks. H
2O (l), Br
2(l), jeg
2(s) og H.
2SÅ
4(l). I nettdefinisjonen er produktene de som produseres når forbindelsen brennes i åpen flamme, f.eks. H
2O (g) Br
2(g) jeg
2(g) og SO
2(g). I begge definisjonene er produktene for C, F, Cl og N CO
2(g) HF (g) Cl
2(g) og N
2(g) henholdsvis.
Dulongs formel
Oppvarmingsverdien til et drivstoff kan beregnes med resultatene av den endelige analysen av drivstoff. Fra analyse er prosentandeler av det brennbare i drivstoffet ( karbon , hydrogen , svovel ) kjent. Siden forbrenningsvarmen til disse elementene er kjent, kan oppvarmingsverdien beregnes ved hjelp av Dulongs formel.
HV = 33,7 + 144 (H 2 - O 2 ÷ 8) + 9,3 S
Høyere oppvarmingsverdi
Den høyere oppvarmingsverdien (HHV; bruttoenergi , øvre oppvarmingsverdi , brutto brennverdi GCV eller høyere brennverdi ; HCV ) indikerer den øvre grensen for tilgjengelig termisk energi produsert ved fullstendig forbrenning av drivstoff. Det måles som en enhet for energi per masseenhet eller volum av stoffet. HHV bestemmes ved å bringe alle forbrenningsproduktene tilbake til den opprinnelige forbrenningstemperaturen, og spesielt kondensere eventuell produsert damp. Slike målinger bruker ofte en standardtemperatur på 25 ° C (77 ° F; 298 K). Dette er det samme som den termodynamiske forbrenningsvarmen siden endalpiendringen for reaksjonen forutsetter en vanlig temperatur på forbindelsene før og etter forbrenning, i hvilket tilfelle vannet som produseres ved forbrenning kondenseres til en væske. Den høyere oppvarmingsverdien tar hensyn til den latente fordampningsvarmen av vann i forbrenningsproduktene, og er nyttig ved beregning av oppvarmingsverdier for drivstoff der kondensering av reaksjonsproduktene er praktisk (f.eks. I en gassfyrt kjele som brukes til romvarme) . Med andre ord antar HHV at all vannkomponenten er i flytende tilstand ved forbrenningens slutt (i forbrenningsprodukt) og at varme levert ved temperaturer under 150 ° C (302 ° F) kan tas i bruk.
Lavere oppvarmingsverdi
Den lavere oppvarmingsverdien (LHV; netto brennverdi ; NCV eller lavere brennverdi ; LCV ) er et annet mål på tilgjengelig termisk energi produsert ved forbrenning av drivstoff, målt som en enhet for energi per masseenhet eller stoffvolum. I motsetning til HHV, vurderer LHV energitap som energien som brukes til å fordampe vann - selv om den nøyaktige definisjonen ikke er ensartet. En definisjon er ganske enkelt å trekke fordampningsvarmen til vannet fra den høyere oppvarmingsverdien. Denne behandler en hvilken som helst H 2 O formet som en damp. Energien som kreves for å fordampe vannet frigjøres derfor ikke som varme.
LHV -beregninger antar at vannkomponenten i en forbrenningsprosess er i damptilstand ved slutten av forbrenningen, i motsetning til den høyere oppvarmingsverdien (HHV) (alias brutto brennverdi eller brutto CV ) som antar at alt vannet i en forbrenning prosessen er i flytende tilstand etter en forbrenningsprosess.
En annen definisjon av LHV er mengden varme som frigjøres når produktene avkjøles til 150 ° C (302 ° F). Dette betyr at den latente fordampningsvarmen av vann og andre reaksjonsprodukter ikke gjenvinnes. Det er nyttig å sammenligne drivstoff der kondensering av forbrenningsproduktene er upraktisk, eller varme ved en temperatur under 150 ° C (302 ° F) ikke kan tas i bruk.
En definisjon av lavere oppvarmingsverdi, vedtatt av American Petroleum Institute (API), bruker en referansetemperatur på 60 ° F ( 15+5 ⁄ 9 ° C).
En annen definisjon, brukt av Gas Processors Suppliers Association (GPSA) og opprinnelig brukt av API (data samlet inn for API -forskningsprosjekt 44), er entalpien til alle forbrenningsprodukter minus entalpien til drivstoffet ved referansetemperaturen (API -forskningsprosjekt 44 brukes 25 ° C. GPSA bruker for tiden 60 ° F), minus entalpien til det støkiometriske oksygenet (O 2 ) ved referansetemperaturen, minus fordampningsvarmen til dampinnholdet i forbrenningsproduktene.
Definisjonen der forbrenningsproduktene alle returneres til referansetemperaturen, blir lettere beregnet ut fra den høyere oppvarmingsverdien enn ved bruk av andre definisjoner og vil faktisk gi et litt annet svar.
Brutto oppvarmingsverdi
Brutto oppvarmingsverdi står for at vann i eksosen forlater som damp, det samme gjør LHV, men brutto oppvarmingsverdi inkluderer også flytende vann i drivstoffet før forbrenning. Denne verdien er viktig for drivstoff som tre eller kull , som vanligvis vil inneholde en mengde vann før brenning.
Måling av varmeverdier
Den høyere oppvarmingsverdien bestemmes eksperimentelt i et bombekalorimeter . Forbrenningen av en støkiometrisk blanding av drivstoff og oksydasjonsmiddel (f.eks. To mol hydrogen og ett mol oksygen) i en stålbeholder ved 25 ° C (77 ° F) initieres av en tenningsanordning og reaksjonene tillates fullført. Når hydrogen og oksygen reagerer under forbrenning, dannes vanndamp. Beholderen og innholdet avkjøles deretter til de opprinnelige 25 ° C, og den høyere oppvarmingsverdien bestemmes som varmen som frigjøres mellom identiske start- og sluttemperaturer.
Når den nedre oppvarmingsverdien (LHV) er bestemt, stoppes kjøling ved 150 ° C og reaksjonsvarmen gjenvinnes bare delvis. Grensen på 150 ° C er basert på sur gass duggpunkt.
Merk: Høyere oppvarmingsverdi (HHV) beregnes med produktet av vann i flytende form, mens lavere oppvarmingsverdi (LHV) beregnes med produktet av vann i dampform .
Forholdet mellom varmeverdier
Forskjellen mellom de to oppvarmingsverdiene avhenger av drivstoffets kjemiske sammensetning. Når det gjelder rent karbon eller karbonmonoksid, er de to oppvarmingsverdiene nesten identiske, forskjellen er det fornuftige varmeinnholdet i karbondioksid mellom 150 ° C og 25 ° C. ( Fornuftig varmeveksling forårsaker en endring av temperaturen, mens latent varme tilsettes eller trekkes fra for faseoverganger ved konstant temperatur. Eksempler: fordampningsvarme eller fusjonsvarme .) For hydrogen er forskjellen mye mer signifikant ettersom den inkluderer den fornuftige varmen til vanndamp mellom 150 ° C og 100 ° C, den latente kondensvarmen ved 100 ° C og den fornuftige varmen til kondensvannet mellom 100 ° C og 25 ° C. Alt i alt er den høyere oppvarmingsverdien for hydrogen 18,2% over den lavere oppvarmingsverdien (142 MJ/kg mot 120 MJ/kg). For hydrokarboner avhenger forskjellen av hydrogeninnholdet i drivstoffet. For bensin og diesel overstiger den høyere oppvarmingsverdien den lavere oppvarmingsverdien med henholdsvis omtrent 10%og 7%, og for naturgass med omtrent 11%.
En vanlig metode for å relatere HHV til LHV er:
hvor H v er fordampningsvarmen til vann, n H
2O , ut er antall mol vann fordampet og n drivstoff, inn er antall mol brensel som forbrennes.
- De fleste applikasjoner som brenner drivstoff produserer vanndamp, som er ubrukt og dermed sløser med varmeinnholdet. I slike applikasjoner må den lavere oppvarmingsverdien brukes for å gi en "referanse" for prosessen.
- For sanne energiberegninger i noen spesifikke tilfeller er imidlertid den høyere oppvarmingsverdien riktig. Dette er spesielt relevant for naturgass , hvis høye hydrogeninnhold produserer mye vann, når det brennes i kondenserende kjeler og kraftverk med røykskondensasjon som kondenserer vanndampen som produseres ved forbrenning, og gjenvinner varme som ellers ville gå til spill.
Bruk av vilkår
Motorprodusenter vurderer vanligvis motorens drivstofforbruk til de lavere oppvarmingsverdiene siden eksosen aldri blir kondensert i motoren, og ved å gjøre dette kan de publisere mer attraktive tall enn det som brukes i konvensjonelle kraftverksterminer. Den konvensjonelle kraftindustrien hadde brukt HHV (høy varmeverdi) utelukkende i flere tiår, selv om praktisk talt ikke alle disse anleggene kondenserte eksos heller. Amerikanske forbrukere bør være klar over at det tilsvarende drivstofforbrukstallet basert på den høyere oppvarmingsverdien vil være noe høyere.
Forskjellen mellom HHV- og LHV -definisjoner forårsaker uendelig forvirring når sitater ikke gidder å oppgi konvensjonen som brukes. siden det vanligvis er 10% forskjell mellom de to metodene for et kraftverk som brenner naturgass. For ganske enkelt å sammenligne en del av en reaksjon kan LHV være passende, men HHV bør brukes til generelle energieffektivitetsberegninger, bare for å unngå forvirring, og i alle fall bør verdien eller konvensjonen være tydelig angitt.
Regnskap for fuktighet
Både HHV og LHV kan uttrykkes i form av AR (all fuktighet talt), MF og MAF (bare vann fra forbrenning av hydrogen). AR, MF og MAF brukes ofte for å indikere oppvarmingsverdiene for kull:
- AR (som mottatt) indikerer at drivstoffoppvarmingsverdien er målt med alle fuktighets- og askedannende mineraler.
- MF (fuktighetsfritt) eller tørt indikerer at drivstoffoppvarmingsverdien er målt etter at drivstoffet er tørket av all iboende fuktighet, men fortsatt beholder askedannende mineraler.
- MAF (fuktighets- og askefritt) eller DAF (tørt og askefritt) indikerer at drivstoffoppvarmingsverdien er målt i fravær av iboende fuktighets- og askedannende mineraler.
Varme av forbrenningsbord
Brensel | HHV | LHV | ||
---|---|---|---|---|
MJ /kg | BTU /lb | kJ / mol | MJ/kg | |
Hydrogen | 141,80 | 61 000 | 286 | 119,96 |
Metan | 55,50 | 23 900 | 890 | 50,00 |
Ethane | 51,90 | 22 400 | 1.560 | 47,62 |
Propan | 50,35 | 21.700 | 2.220 | 46,35 |
Butan | 49,50 | 20 900 | 2.877 | 45,75 |
Pentan | 48,60 | 21 876 | 3.509 | 45,35 |
Parafin voks | 46,00 | 19 900 | 41,50 | |
Parafin | 46,20 | 19 862 | 43,00 | |
Diesel | 44,80 | 19 300 | 43.4 | |
Kull ( antrasitt ) | 32,50 | 14 000 | ||
Kull ( brunkull - USA ) | 15.00 | 6.500 | ||
Tre ( MAF ) | 21.70 | 8700 | ||
Tre drivstoff | 21.20 | 9 142 | 17.0 | |
Torv (tørr) | 15.00 | 6.500 | ||
Torv (fuktig) | 6.00 | 2500 |
Brensel | MJ /kg | BTU /lb | kJ / mol |
---|---|---|---|
Metanol | 22.7 | 9 800 | 726 |
Etanol | 29.7 | 12 800 | 1 367 |
1-propanol | 33,6 | 14 500 | 2.020 |
Acetylen | 49,9 | 21 500 | 1300 |
Benzen | 41.8 | 18.000 | 3.268 |
Ammoniakk | 22.5 | 9 690 | 382,6 |
Hydrazin | 19.4 | 8.370 | 622,0 |
Heksamin | 30.0 | 12 900 | 4.200,0 |
Karbon | 32.8 | 14 100 | 393,5 |
Brensel | MJ /kg | MJ / L. | BTU /lb | kJ / mol |
---|---|---|---|---|
Alkaner | ||||
Metan | 50,009 | 6.9 | 21.504 | 802,34 |
Ethane | 47.794 | - | 20 551 | 1.437,2 |
Propan | 46,357 | 25.3 | 19 934 | 2.044,2 |
Butan | 45,752 | - | 19 673 | 2.659,3 |
Pentan | 45,357 | 28.39 | 21 706 | 3.272,6 |
Heksan | 44,752 | 29.30 | 19 504 | 3.856,7 |
Heptan | 44.566 | 30,48 | 19 163 | 4.465,8 |
Octane | 44.427 | - | 19.104 | 5.074,9 |
Nonane | 44.311 | 31.82 | 19 054 | 5.683,3 |
Decane | 44.240 | 33,29 | 19 023 | 6 294,5 |
Uaktuelt | 44.194 | 32,70 | 19.003 | 6 908,0 |
Dodecane | 44.147 | 33.11 | 18 983 | 7.519,6 |
Isoparaffiner | ||||
Isobutan | 45.613 | - | 19 614 | 2.651,0 |
Isopentan | 45.241 | 27,87 | 19 454 | 3.264,1 |
2-metylpentan | 44,682 | 29.18 | 19 213 | 3.850,7 |
2,3-dimetylbutan | 44,659 | 29.56 | 19.203 | 3.848,7 |
2,3-dimetylpentan | 44.496 | 30,92 | 19 133 | 4.458,5 |
2,2,4-trimetylpentan | 44.310 | 30.49 | 19 053 | 5.061,5 |
Naftenes | ||||
Syklopentan | 44.636 | 33,52 | 19.193 | 3.129,0 |
Metylsyklopentan | 44.636? | 33,43? | 19.193? | 3.756,6? |
Sykloheksan | 43.450 | 33,85 | 18.684 | 3.656,8 |
Metylcykloheksan | 43.380 | 33,40 | 18.653 | 4.259,5 |
Monoolefiner | ||||
Etylen | 47.195 | - | - | - |
Propylen | 45.799 | - | - | - |
1-Butene | 45.334 | - | - | - |
cis -2 -Butene | 45.194 | - | - | - |
trans -2 -Butene | 45,124 | - | - | - |
Isobuten | 45.055 | - | - | - |
1-Pentene | 45.031 | - | - | - |
2-metyl-1-penten | 44.799 | - | - | - |
1-heksen | 44.426 | - | - | - |
Diolefiner | ||||
1,3-Butadien | 44.613 | - | - | - |
Isopren | 44.078 | - | - | - |
Nitrous avledet | ||||
Nitrometan | 10.513 | - | - | - |
Nitropropan | 20.693 | - | - | - |
Acetylener | ||||
Acetylen | 48.241 | - | - | - |
Metylacetylen | 46.194 | - | - | - |
1-Butyne | 45,590 | - | - | - |
1-Pentyne | 45.217 | - | - | - |
Aromater | ||||
Benzen | 40.170 | - | - | - |
Toluen | 40,589 | - | - | - |
o -Xylen | 40,961 | - | - | - |
m -Xylen | 40,961 | - | - | - |
p -Xylen | 40.798 | - | - | - |
Etylbenzen | 40.938 | - | - | - |
1,2,4-trimetylbenzen | 40,984 | - | - | - |
n -Propylbenzen | 41.193 | - | - | - |
Cumene | 41.217 | - | - | - |
Alkoholer | ||||
Metanol | 19.930 | 15,78 | 8.570 | 638,6 |
Etanol | 26.70 | 22,77 | 12 412 | 1,230,1 |
1-propanol | 30.680 | 24,65 | 13 192 | 1.843,9 |
Isopropanol | 30.447 | 23,93 | 13 092 | 1.829,9 |
n -Butanol | 33.075 | 26,79 | 14 222 | 2.501,6 |
Isobutanol | 32,959 | 26.43 | 14 172 | 2.442,9 |
tert -Butanol | 32.587 | 25.45 | 14.012 | 2.415,3 |
n -Pentanol | 34.727 | 28.28 | 14 933 | 3.061,2 |
Isoamylalkohol | 31.416? | 35,64? | 13.509? | 2769,3? |
Ethers | ||||
Metoksymetan | 28.703 | - | 12 342 | 1.322,3 |
Etoksyetan | 33.867 | 24.16 | 14 563 | 2 510,2 |
Propoksypropan | 36.355 | 26.76 | 15 633 | 3.568,0 |
Butoksybutan | 37.798 | 28,88 | 16 253 | 4.922,4 |
Aldehyder og ketoner | ||||
Formaldehyd | 17.259 | - | - | 570,78 |
Acetaldehyd | 24.156 | - | - | - |
Propionaldehyd | 28.889 | - | - | - |
Butyraldehyd | 31.610 | - | - | - |
Aceton | 28.548 | 22,62 | - | - |
Andre arter | ||||
Karbon (grafitt) | 32,808 | - | - | - |
Hydrogen | 120.971 | 1.8 | 52.017 | 244 |
Karbonmonoksid | 10.112 | - | 4.348 | 283,24 |
Ammoniakk | 18.646 | - | 8.018 | 317,56 |
Svovel ( fast stoff ) | 9.163 | - | 3.940 | 293,82 |
- Merk
- Det er ingen forskjell mellom de lavere og høyere oppvarmingsverdiene for forbrenning av karbon, karbonmonoksid og svovel siden det ikke dannes vann under forbrenningen av disse stoffene.
- BTU/lb -verdier beregnes ut fra MJ/kg (1 MJ/kg = 430 BTU/lb).
Høyere oppvarmingsverdier for naturgasser fra forskjellige kilder
Det internasjonale energibyrået rapporterer følgende typiske høyere oppvarmingsverdier per standard kubikkmeter gass:
- Algerie : 39,57 MJ/Sm 3
- Bangladesh : 36,00 MJ/Sm 3
- Canada : 39,00 MJ/Sm 3
- Kina : 38,93 MJ/Sm 3
- Indonesia : 40,60 MJ/Sm 3
- Iran : 39,36 MJ/Sm 3
- Nederland : 33,32 MJ/Sm 3
- Norge : 39,24 MJ/Sm 3
- Pakistan : 34,90 MJ/Sm 3
- Qatar : 41,40 MJ/Sm 3
- Russland : 38,23 MJ/Sm 3
- Saudi -Arabia : 38,00 MJ/Sm 3
- Turkmenistan : 37,89 MJ/Sm 3
- Storbritannia : 39,71 MJ/Sm 3
- USA : 38,42 MJ/Sm 3
- Usbekistan : 37,89 MJ/Sm 3
Den lavere oppvarmingsverdien til naturgass er normalt omtrent 90% av den høyere oppvarmingsverdien. Denne tabellen er i Standard kubikkmeter (1 atm , 15 ° C), for å konvertere til verdier per Normal kubikkmeter (1 atm, 0 ° C), multiplisere over tabellen med 1.0549.
Se også
- Adiabatisk flammetemperatur
- Energi tetthet
- Energiverdi av kull
- Eksoterm reaksjon
- Brann
- Drivstoffeffektivitet#Energiinnhold i drivstoff
- Mat energi
- Indre energi
- Termisk effektivitet
- Wobbe -indeks : varmetetthet
- ISO 15971
- Elektrisk effektivitet
- Mekanisk effektivitet
- Figur av fortjeneste
- Kostnad for strøm etter kilde
- Energieffektivitet
Referanser
- Guibet, J.-C. (1997). Forgasser og motører . Publikasjon de l'Institut Français du Pétrole. ISBN 978-2-7108-0704-9.
Eksterne linker
- NIST Chemistry WebBook
- "Lavere og høyere oppvarmingsverdier for gass, flytende og fast brensel" (PDF) . Biomasse Energidatabok . Det amerikanske energidepartementet. 2011.