Жанау жылуының мөлшері және есептелу жолдары

Кіріспе

Заттың күйгенде бөлінетін жылу мөлшері Заттың жылулық мәні (немесе энергиялық мәні немесе калориялық мәні), әдетте отынның немесе тағамның (тағам энергиясын қараңыз), – оның белгілі бір мөлшерінің жану кезінде бөлінетін жылу мөлшері. Калориялық мән – заттың стандартты жағдайда оттегімен толық жануы кезінде жылу түрінде бөлінетін жалпы энергия. Химиялық реакция әдетте көмірсутек немесе басқа органикалық молекуланың оттегімен әрекеттесіп, көмірқышқыл газы мен суды түзетін және жылуды бөліп шығаратын процесс болып табылады. Ол келесі шамалармен өрнектелуі мүмкін:

* отынның моліне шаққандағы энергия
* отынның массасына шаққандағы энергия
* отынның көлеміне шаққандағы энергия

Жану энтальпиясының екі түрі бар: жоғары және төмен жылулық мән. Бұл мәндердің айырмашылығы өнімдердің қаншалықты салқындауына және H2O сияқты қосылыстардың конденсациялануына рұхсат етілуіне байланысты. Жоғары жылулық мәндер әдетте бомба калориметрімен өлшенеді. Төмен жылулық мәндер жоғары жылулық мән бойынша сынақ деректерінен есептеледі. Оларды өнімдер мен реагенттердің түзілу жылулығының (ΔH) арасындағы айырма ретінде де есептеуге болады (бірақ бұл тәсіл біршама жасанды, өйткені түзілу жылулығының көп бөлігі өлшенген жану жылулығынан есептеледі).

CcHhOoNn құрамындағы отын үшін (жоғары) жану жылулығы әдетте жақсы жуықтаумен (±3%) 419 кДж/моль × (c + 0.3h − 0.5o) тең, бірақ бұл (газ тәрізді) формальдегид және көміртек оксиді сияқты кейбір қосылыстар үшін нашар нәтижелер береді және егер o + n > c болса, айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін, мысалы, глицерин динитраты үшін |C3H6O7N2|. Келісім бойынша, (жоғары) жану жылулығы – стандартты күйдегі қосылыстың толық жануы кезінде бөлінетін жылу, нәтижесінде стандартты күйдегі тұрақты өнімдер пайда болады: сутек сұйық күйдегі суға, көміртек көмірқышқыл газына, ал азот азот газына айналады. Яғни, жану жылулығы ΔH°comb келесі процестің реакциялық жылулығы болып табылады:

(std.) + (c + h/4 o/2) (g) → c (g) + h/2H2O (l) + n/2 (g)

Хлор мен күкірт толық стандартталмаған; олар, әдетте, жану бомба калориметрінде белгілі бір мөлшерде су болған жағдайда, сутек хлориді газына және/немесе күкірт диоксиді газына айналады, немесе сұйытылған хлорлы және күкірт қышқылдарына айналады деп есептеледі.

Жоғары жылулық мәні

Жоғары жылулық мәні (HHV; жалпы энергия, жоғарғы жылулық мәні, жалпы жылулық мәні GCV немесе жоғары жылулық мәні; HCV) отынның толық жануынан алынатын қолжетімді жылулық энергияның ең жоғары шегін көрсетеді. Ол заттың массасының немесе көлемінің бірлігіне шаққандағы энергия бірлігі ретінде өлшенеді. HHV анықталуы үшін барлық жану өнімдері бастапқы жану алдындағы температураға дейін қайта әкелінеді, соның ішінде пайда болған будың конденсациялануы да ескеріледі. Мұндай өлшемдер көбінесе стандартты температураны пайдаланады. Бұл жанудың термодинамикалық жылуымен сәйкес келеді, себебі реакция үшін энталпияның өзгеруі жануға дейін және кейінгі қосылыстардың бірдей температурасын қарастырады, осылайша жанудан түзілген су сұйық күйге конденсацияланады. Жоғары жылулық мәні жану өнімдеріндегі судың булануының жасырын жылуын ескереді және реакция өнімдерін конденсациялау мүмкін болған жағдайларда отынның жылулық мәнін есептеу үшін пайдалы (мысалы, кеңістікті жылытуға арналған газбен жұмыс істейтін қазандықта). Басқаша айтқанда, HHV жану процесінің соңында судың барлық бөлігі сұйық күйде болады деп есептейді (жану өнімдерінде) және төмен температурада бөлінетін жылуды пайдалануға болады деп қарастырады.

Төменгі қыздыру мәні

Төменгі жылулық мәні (LHV; таза жылулық мәні; NCV, немесе төменгі жылулық мәні; LCV) – отынның жануынан түзілген қолжетімді жылу энергиясының бір өлшемі, заттың массасының немесе көлемінің бірлігіне шаққандағы энергия бірлігі ретінде өлшенеді. Жоғары жылулық мәнінен (HHV) айырмашылығы, LHV суды буландыруға кеткен энергия сияқты энергия шығындарын ескереді, бірақ оның нақты анықтамасы толық келісім таппаған. Бір анықтама бойынша, судың булану жылуын жоғары жылулық мәнінен алып тастау керек. Бұл жағдайда, түзілген H2O барлық дерлік бу түрінде және қалдық ретінде шығарылады деп есептеледі. Сондықтан, суды буландыруға жұмсалған энергия жоғалады. LHV есептеулері жану процесіндегі судың жану процесінің соңында бу күйінде болатынын болжайды, ал жоғары жылулық мәні (HHV) (бұқаралық жылулық мәні немесе жалпы CV) жану процесіндегі судың жану процесінен кейін сұйық күйде болатынын болжайды. LHV-нің тағы бір анықтамасы – өнімдерді белгілі бір температураға дейін салқындатқанда бөлінетін жылу мөлшері. Бұл судың және басқа реакциялық өнімдердің булануының жасырын жылуы қайтарылмайды дегенді білдіреді. Ол жану өнімдерінің конденсациясы тиімсіз немесе төмен температурадағы жылуды пайдалану мүмкін болмайтын отындарды салыстыру үшін пайдалы. Америкалық Мұнай Институты (API) қабылдаған төменгі жылулық мәнінің анықтамасы, Газ өңдеушілердің жеткізушілер қауымдастығы (GPSA) қолданатын және бастапқыда API қолданған (API 44 зерттеу жобасында жиналған деректер) анықтамаға сәйкес, барлық жану өнімдерінің энтальпиясы мен эталондық температурадағы отынның энтальпиясы арасындағы айырманы (API 44 зерттеу жобасы 25 °C температурасын пайдаланған, ал GPSA қазіргі уақытта 60 °F пайдаланады), эталондық температурадағы стехиометриялық оттегінің (O2) энтальпиясын және жану өнімдерінің бу құрамының булану жылуын алып тастау қажет. Жану өнімдерінің барлығы эталондық температураға қайтарылатын анықтама, басқа анықтамаларға қарағанда жоғары жылулық мәнінен есептеуге оңай, және нәтижесі сәл өзгеше болады.

The lower heating value (LHV; net calorific value; NCV, or lower calorific value; LCV) is another measure of available thermal energy produced by a combustion of fuel, measured as a unit of energy per unit mass or volume of substance. In contrast to the HHV, the LHV considers energy losses such as the energy used to vaporize water although its exact definition is not uniformly agreed upon. One definition is simply to subtract the heat of vaporization of the water from the higher heating value. This treats any H2O formed as a vapor that is released as a waste. The energy required to vaporize the water is therefore lost. LHV calculations assume that the water component of a combustion process is in vapor state at the end of combustion, as opposed to the higher heating value (HHV) (a. k. a. gross calorific value or gross CV) which assumes that all of the water in a combustion process is in a liquid state after a combustion process. Another definition of the LHV is the amount of heat released when the products are cooled to This means that the latent heat of vaporization of water and other reaction products is not recovered. It is useful in comparing fuels where condensation of the combustion products is impractical, or heat at a temperature below cannot be put to use. One definition of lower heating value, adopted by the American Petroleum Institute (API), uses a reference temperature of
Another definition, used by Gas Processors Suppliers Association (GPSA) and originally used by API (data collected for API research project 44), is the enthalpy of all combustion products minus the enthalpy of the fuel at the reference temperature (API research project 44 used 25 °C. GPSA currently uses 60 °F), minus the enthalpy of the stoichiometric oxygen (O2) at the reference temperature, minus the heat of vaporization of the vapor content of the combustion products. The definition in which the combustion products are all returned to the reference temperature is more easily calculated from the higher heating value than when using other definitions and will in fact give a slightly different answer.

Жалпы жылулық мәні

Жалпы жылулық мәні, LHV сияқты, түтінмен бу түрінде шығатын суды ескереді, бірақ жалпы жылулық мәні жануға дейін отындағы сұйық суды да қамтиды. Бұл мән әсіресе ағаш немесе көмір сияқты, жағу алдында әдетте біршама суы бар отындар үшін маңызды.

Жылудың өлшеу мәндері

Жоғары жылулық мәні эксперименттік түрде бомба калориметрінде анықталады. Отын мен тотықтырғыштың стехиометриялық қоспасының (мысалы, екі моль сутегі мен бір моль оттегі) мықты болат ыдыста жану құрылғысымен қозғалады және реакциялардың толық аяқталуына мүмкіндік беріледі. Сутегі мен оттегі жану барысында әрекеттескенде су буы түзіледі. Кейін ыдыс пен оның ішіндегі заттар бастапқы 25 °C температураға дейін салқындатылады, ал жоғары жылулық мәні бастапқы және соңғы температуралар бірдей болғанда бөлінген жылу мөлшері ретінде анықталады. Төменгі жылулық мәнін (LHV) анықтағанда салқындату 150 °C-да тоқтатылады және реакция кезіндегі жылудың бір бөлігі ғана қалпына келтіріледі. 150 °C шегі қышқыл газдардың конденсация температурасына негізделген. Ескерту: Жоғары жылулық мәні (HHV) су өнімінің сұйық күйде ескерілуімен, ал төменгі жылулық мәні (LHV) су өнімінің газ күйде ескерілуімен есептеледі.

Терминдерді қолдану

Қозғалтқыш өндірушілері әдетте қозғалтқыштардың жанармай тұтынуын төменгі жылулық мәндері бойынша бағалайды, себебі шығарылатын газдар қозғалтқышта конденсацияланбайды, және бұл оларға дәстүрлі электр станцияларында қолданылатын көрсеткіштерге қарағанда көбірек тартушы көрсеткіштерді жариялауға мүмкіндік береді. Дәстүрлі энергетика индустриясы ондаған жылдар бойы тек HHV (жоғары жылулық құндылығы) қолданды, тіпті осы станциялардың көпшілігінде де шығарылатын газдар конденсацияланбады. Американдық тұтынушылар жоғары жылулық құндылығына сәйкес жанармай тұтыну көрсеткішінің сәл жоғары болатынын білуі керек. HHV және LHV анықтамалары арасындағы айырмашылық, егер сілтеме жасаушылар қолданылып жатқан әдіс-тәсілді көрсетпесе, ұзаққа созылатын шатасуға себеп болады. Өйткені, табиғи газды жасайтын электр станциялары үшін екі әдіс арасындағы айырмашылық әдетте 10% құрайды. Реакцияның бір бөлігін салыстыру үшін LHV қолдануға болады, бірақ жалпы энергия тиімділігін есептеу үшін HHV қолдану керек, ең болмағанда шатасуды болдырмау үшін, және кез келген жағдайда қолданылған мән немесе әдіс-тәсіл нақты көрсетілуі тиіс.

Ылғалдылықты есепке алу

ЖЖМ және ТЖМ екі түрін де АR (барлық ылғал ескеріледі), MF және MAF (сутегінің жануынан түскен су ғана) арқылы көрсетуге болады. АR, MF және MAF көмірдің жылу сыйымдылығын көрсету үшін жиі қолданылады:

AR (қабылдану кезіндегідей) отынның жылу сыйымдылығы барлық ылғал және күлге айналатын минералдармен өлшенгенін көрсетеді. MF (ылғалсыз) немесе құрғақ отынның барлық табиғи ылғалдан құрғатылғаннан кейін, бірақ күлге айналатын минералдары сақталған күйінде жылу сыйымдылығы өлшенгенін білдіреді. MAF (ылғал және күлсіз) немесе DAF (құрғақ және күлсіз) отынның жылу сыйымдылығы табиғи ылғал мен күлге айналатын минералдардың болмауында өлшенгенін көрсетеді.