Введение

Количество тепла, выделяемого при сгорании определенного количества вещества. Теплотворная способность (или энергетическая ценность, или калорийность) вещества, обычно топлива или пищевого продукта (см. пищевую энергию), – это количество тепла, выделяемого при сгорании определенного количества этого вещества. Калорийность – это полная энергия, высвобождаемая в виде тепла при полном сгорании вещества кислородом в стандартных условиях. Химическая реакция обычно представляет собой взаимодействие углеводорода или другой органической молекулы с кислородом с образованием углекислого газа и воды и выделением тепла. Она может быть выражена в следующих величинах:

энергия на моль топлива;
энергия на массу топлива;
энергия на объем топлива.

Существуют два вида энтальпии сгорания – высшая и низшая теплотворная способность, в зависимости от того, насколько сильно охлаждаются продукты сгорания и допускается ли конденсация соединений, таких как H2O. Высшие теплотворные способности обычно измеряются в калориметре бомбы. Низшие теплотворные способности рассчитываются на основе данных испытаний высшей теплотворной способности. Их также можно рассчитать как разность между теплотой образования ΔH продуктов и реагентов (хотя этот подход несколько искусственен, поскольку большинство теплот образования обычно рассчитываются на основе измеренных теплот сгорания).

Для топлива состава CcHhOoNn высшая теплотворная способность составляет 419 кДж/моль × (c + 0,3h − 0,5o), как правило, с хорошей точностью (±3%), хотя для некоторых соединений, таких как (газовый) формальдегид и оксид углерода, она дает плохие результаты и может значительно отличаться, если o + n > c, например, для динитрата глицерина, C3H6O7N2. По определению, высшая теплотворная способность – это тепло, выделяемое при полном сгорании соединения в его стандартном состоянии с образованием стабильных продуктов в их стандартных состояниях: водород превращается в воду (в жидком состоянии), углерод – в углекислый газ, а азот – в азот. То есть тепло сгорания, ΔH°comb, – это тепловая реакция следующего процесса:

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

Хлор и сера не полностью стандартизированы; обычно предполагается, что они превращаются в газообразный хлористый водород и/или сернистый газ, соответственно, или в разбавленные водные растворы соляной и серной кислот, соответственно, при проведении сгорания в калориметре бомбы, содержащем некоторое количество воды.

Более высокая нагревательная величина

Высшая теплотворная способность (HHV; валовая энергия, верхняя теплотворная способность, валовая теплота сгорания GCV или высшая теплота сгорания; HCV) указывает на максимальное количество тепловой энергии, которое может быть получено при полном сгорании топлива. Она измеряется в единицах энергии на единицу массы или объема вещества. Высшая теплотворная способность определяется путем возврата всех продуктов сгорания к исходной температуре до сгорания, включая конденсацию образовавшегося пара. При таких измерениях часто используется стандартная температура. Это соответствует термодинамической теплоте сгорания, поскольку изменение энтальпии реакции предполагает одинаковую температуру соединений до и после сгорания, при этом вода, образующаяся при сгорании, конденсируется в жидкость. Высшая теплотворная способность учитывает скрытую теплоту парообразования воды в продуктах сгорания и полезна для расчета теплотворной способности топлива, при котором конденсация продуктов реакции возможна (например, в газовом котле, используемом для отопления). Иными словами, HHV предполагает, что вся водяная составляющая находится в жидком состоянии в конце сгорания (в продуктах сгорания) и что тепло, выделяемое при температуре ниже, может быть использовано.

Низкая нагревательная величина

Нижняя тепловая величина (LHV; чистая тепловая величина; NCV, или низкая тепловая величина; LCV) – это еще одна мера доступной тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, измеряемая в единицах энергии на единицу массы или объема вещества. В отличие от верхней тепловой величины (HHV), нижняя тепловая величина учитывает потери энергии, такие как энергия, затраченная на испарение воды, хотя её точное определение не является общепринятым. Одно из определений заключается в простом вычитании теплоты парообразования воды из верхней тепловой величины. Это подразумевает, что весь образовавшийся H2O находится в парообразном состоянии и выделяется как отход, а энергия, необходимая для его испарения, считается потерянной. Расчеты LHV исходят из того, что водная составляющая процесса сгорания находится в парообразном состоянии в конце сгорания, в отличие от верхней тепловой величины (HHV) (также известной как валовая тепловая величина или валовая CV), которая предполагает, что вся вода в процессе сгорания находится в жидком состоянии после завершения сгорания. Другое определение LHV – это количество тепла, выделяющегося при охлаждении продуктов сгорания до . Это означает, что скрытая теплота парообразования воды и других продуктов реакции не учитывается. Это полезно при сравнении топлив, когда конденсация продуктов сгорания непрактична или тепло при температуре ниже не может быть использовано. Одно из определений нижней тепловой величины, принятое Американским институтом нефти (API), использует эталонную температуру 25 °C. Другое определение, используемое Ассоциацией поставщиков газоперерабатывающих предприятий (GPSA) и первоначально применяемое API (данные, собранные в рамках исследовательского проекта API 44), представляет собой разность между энтальпией всех продуктов сгорания и энтальпией топлива при эталонной температуре (в исследовательском проекте API 44 использовалась 25 °C, а GPSA в настоящее время использует 60 °F), минус энтальпия стехиометрического кислорода (O2) при эталонной температуре, минус теплота парообразования содержащегося в продуктах сгорания пара. Определение, при котором все продукты сгорания возвращаются к эталонной температуре, легче вычислить на основе верхней тепловой величины, чем при использовании других определений, и на практике дает немного отличающийся результат.

Валовая тепловая величина

Валовая теплота сгорания учитывает воду в выхлопных газах, выходящую в виде пара, как и низшая теплота сгорания, но валовая теплота сгорания также включает жидкую воду, содержащуюся в топливе до сгорания. Это значение особенно важно для таких видов топлива, как древесина или уголь, которые обычно содержат некоторое количество воды перед сжиганием.

Значения измерения нагрева

Более высокая теплота сгорания определяется экспериментально в калориметре бомбы. Сжигание стехиометрической смеси топлива и окислителя (например, двух молей водорода и одного моля кислорода) в стальной емкости инициируется устройством зажигания, и реакция доводится до завершения. При сгорании водорода и кислорода образуется водяной пар. Затем емкость и ее содержимое охлаждаются до исходных 25 °C, и более высокая теплота сгорания определяется как количество тепла, выделившегося при достижении идентичных начальной и конечной температур. При определении более низкой теплоты сгорания (LHV) охлаждение прекращается при 150 °C, и тепло реакции восстанавливается лишь частично. Ограничение в 150 °C обусловлено температурой точки росы кислотных газов. Примечание: Более высокая теплота сгорания (HHV) рассчитывается исходя из того, что продукт реакции – вода находится в жидком состоянии, а более низкая теплота сгорания (LHV) – исходя из того, что вода находится в парообразном состоянии.

Использование терминов

Производители двигателей обычно указывают расход топлива своих двигателей по нижней тепловой ценности, поскольку выхлопные газы в двигателе никогда не конденсируются, и это позволяет им публиковать более выгодные показатели, чем те, которые используются при расчетах на электростанциях. В традиционной энергетической отрасли на протяжении десятилетий использовалась исключительно ВТЦ (высокая тепловая ценность), хотя практически на всех этих станциях выхлопные газы также не конденсируются. Американским потребителям следует знать, что соответствующий показатель расхода топлива, рассчитанный по верхней тепловой ценности, будет несколько выше. Различия в определениях ВТЦ и НТЦ (низкой тепловой ценности) часто приводят к путанице, когда при цитировании не указывается используемый метод расчета. Обычно разница между этими двумя методами для электростанции, работающей на природном газе, составляет около 10%. Для простой оценки отдельной части реакции НТЦ может быть уместна, но для расчета общей энергоэффективности следует использовать ВТЦ, хотя бы для того, чтобы избежать недоразумений, и в любом случае необходимо четко указывать используемую величину или метод расчета.

Учет влаги

И HHV, и LHV могут быть выражены в терминах AR (с учетом всей влаги), MF и MAF (только вода, образовавшаяся при сгорании водорода). AR, MF и MAF обычно используются для указания теплоты сгорания угля:

AR (в поступившем виде) указывает, что теплота сгорания топлива измерена с учетом всей влаги и минералов, образующих золу. MF (без влаги) или dry указывает, что теплота сгорания топлива измерена после удаления всей внутренней влаги, но с сохранением минералов, образующих золу. MAF (без влаги и золы) или DAF (абсолютно сухой и без золы) указывает, что теплота сгорания топлива измерена в отсутствие внутренней влаги и минералов, образующих золу.