Теплота сгорания - Heat of combustion

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Теплота сгорания»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Июнь 2015 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В теплотворная способность (или же Энергия значение или же теплотворная способность) из вещество, обычно топливо или же еда (видеть пищевая энергия ), - количество высокая температура выделяется при сгорании определенное его количество.

В теплотворная способность это общая энергия выпущен как высокая температура когда вещество подвергается полному горение с кислород под стандартные условия. Химическая реакция обычно углеводород или другая органическая молекула, реагирующая с кислородом с образованием углекислый газ и воды и высвободить тепло. Это может быть выражено в количествах:

• энергия /крот 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 от того, являются ли такие соединения, как ЧАС
₂О могут конденсироваться. значения обычно измеряются с калориметр бомбы. Их также можно рассчитать как разницу между теплота образования ΔЧАС^⦵
_ж продуктов и реагентов (хотя этот подход несколько искусственен, поскольку большинство теплоты образования обычно рассчитывается на основе измеренных теплоты сгорания). Для топлива состава С_cЧАС_часО_оN_п, (высшая) теплота сгорания равна 418 кДж / моль (c + 0.3 час – 0.5 о) обычно с хорошим приближением (± 3%),^[1] хотя это может быть совершенно неверно, если о + п > c (например, в случае нитроглицерин (C
₃ЧАС
₅N
₃О
₉) эта формула предсказывала бы теплоту сгорания 0^[2]). Значение соответствует экзотермический реакция (отрицательное изменение энтальпия ) потому что двойной связь в молекулярном кислороде намного слабее, чем в других двойных связях или парах одинарных связей, особенно в продуктах сгорания углекислого газа и воды; преобразование слабых связей в кислород к более сильным связям в углекислый газ и воды 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 ΔЧАС°_{гребень}, - теплота реакции следующего процесса:

C_ИксЧАС_уN_zО_п (стд.) + O₂ (g, xs.) → ИксCO₂ (г) +^у⁄₂ЧАС₂О (л) +^z⁄₂N₂ (грамм)

Хлор и сера не совсем стандартизированы; обычно предполагается, что они превращаются в газообразный хлористый водород и SO₂ или так₃ газа, соответственно, или для разбавления водной соляной и серной кислот, соответственно, когда горение проводится в бомбе, содержащей некоторое количество воды.^{[3][устаревший источник ]}

Способы определения

Более высокая теплотворная способность

Величина, известная как высшая теплотворная способность (HHV) (или же валовая энергия или же верхняя теплота сгорания или же высшая теплотворная способность (GCV) или же более высокая теплотворная способность (ВГС)) определяется путем доведения всех продуктов сгорания до исходной температуры перед сгоранием и, в частности, конденсации любого образующегося пара. Для таких измерений часто используется стандартная температура 25 ° C (77 ° F; 298 K).^{[нужна цитата ]}. Это то же самое, что и термодинамическая теплота сгорания, поскольку энтальпия Изменение 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 скрытая теплота испарения из воды в продуктах сгорания и полезен при расчете теплотворной способности топлива, где конденсация продуктов реакции практично (например, в газовом котел используется для обогрева помещений). Другими словами, HHV предполагает, что весь водный компонент в конце сгорания находится в жидком состоянии (в продукте сгорания) и что тепло, выделяемое при температурах ниже 150 ° C (302 ° F), может быть использовано.

Низкая теплотворная способность

Величина, известная как нижняя теплотворная способность (LHV) (низшая теплотворная способность (NCV) или же низкая теплотворная способность (LCV)) не так однозначно определено. Одно определение - просто вычесть теплота испарения воды с более высокой теплотворной способностью. Это относится к любому H₂O образовался в виде пара. 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 высокая теплотворная способность (HHV) (a.k.a. высшая теплотворная способность или же CV брутто), который 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 из воды и другие продукты реакции не восстанавливаются. 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 нижней теплотворной способности, принятое Американский нефтяной институт (API), используется справочная температура 60 ° F (15 ⁵⁄₉ ° С).

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 (в исследовательском проекте API 44 использовалось 25 ° C. GPSA в настоящее время использует 60 ° F), за вычетом энтальпии стехиометрический кислород (O₂) при стандартной температуре за вычетом теплоты 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

Общая теплотворная способность учитывает воду в выхлопе, уходящую в виде пара, и включает жидкую воду в топливе до сгорания. Это значение важно для таких видов топлива, как дерево или же каменный уголь, который перед сжиганием обычно содержит некоторое количество воды.

Измерение теплотворной способности

Более высокая теплотворная способность определяется экспериментально в калориметр бомбы. Горение стехиометрический смесь топлива и окислителя (например, два моля водорода и один моль 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 низкая теплотворная способность (LHV), охлаждение прекращают при 150 ° C и тепло реакции восстанавливается только частично. Предел 150 ° C основан на кислый газ точка росы.

Примечание: более высокая теплотворная способность (HHV) рассчитывается с помощью продукт воды в жидкой форме в то время как нижняя теплотворная способность (LHV) рассчитывается с продукт воды в форме пара.

Соотношение между теплотворной способностью

Разница между двумя значениями нагрева зависит от химического состава топлива. В случае чистого углерода или монооксида углерода две величины нагрева почти идентичны, разница заключается в содержании явной теплоты в диоксиде углерода между 150 ° C и 25 ° C (явное тепло обмен вызывает изменение температуры. В отличие, скрытая теплота добавляется или вычитается для фазовые переходы при постоянной температуре. Примеры: теплота испарения или же теплота плавления ). За водород 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 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). За углеводороды разница зависит от содержания водорода в топливе. За бензин и дизель 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:

${ displaystyle mathrm {HHV} = mathrm {LHV} + H _ { mathrm {v}} left ({ frac {n _ { mathrm {H_ {2} O, out}}} {n _ { mathrm {топливо, дюйм}}}} right)}$

куда ЧАС_v - теплота испарения воды, n_{ЧАС2О, из} - моль испаренной воды, а n_{топливо, в} 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» процесса.
• Однако для истинных расчетов энергии в некоторых конкретных случаях более высокая теплотворная способность является правильной. Это особенно актуально для натуральный газ, чей высокий водород содержимое производит много воды, когда оно сжигается в конденсационные котлы и электростанции с конденсация дымовых газов которые конденсируют водяной пар, образующийся при сгорании, с рекуперацией тепла, которое иначе было бы потрачено впустую.

Использование терминов

Производители двигателей обычно оценивают расход топлива своих двигателей по более низким показателям нагрева, поскольку выхлопные газы никогда не конденсируются в двигателе. 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

И HHV, и LHV могут быть выражены в единицах 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 указывает на то, 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 (сухой и беззольный) означает, что теплотворная способность топлива была измерена при отсутствии врожденных минералов, образующих влагу и золу.

Таблицы теплоты сгорания

Примечание

• Нет разницы между более низкой и высокой теплотворной способностью при сгорании углерода, оксида 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

В Международное энергетическое агентство сообщает о следующих типичных более высоких значениях нагрева:^[8]

Низкая теплотворная способность природного газа обычно составляет около 90 процентов от его более высокой теплотворной способности.

Смотрите также

Рекомендации

• Гибет, Ж.-К. (1997). Carburants et moteurs. Publication de l'Institut Français du Pétrole. ISBN  978-2-7108-0704-9.

внешняя ссылка

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