Verbrennungswärme - Heat of combustion

Der Heizwert (oder Energiewert oder Brennwert ) eines Stoffes , meist ein Brennstoff oder Lebensmittel (siehe Lebensmittelenergie ), ist die Wärmemenge, die bei der Verbrennung einer bestimmten Menge davon freigesetzt wird.

Der Brennwert ist die Gesamtenergie, die als Wärme freigesetzt wird, wenn ein Stoff unter Normalbedingungen vollständig mit Sauerstoff verbrennt . Die chemische Reaktion ist typischerweise ein Kohlenwasserstoff oder ein anderes organisches Molekül, das mit Sauerstoff reagiert, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden und Wärme freizusetzen. Es kann mit den Mengen ausgedrückt werden:

  • Energie/ Mol Kraftstoff
  • Energie/Masse Brennstoff
  • Energie/Volumen des Brennstoffs

Es gibt zwei Arten von Verbrennungsenthalpie, die als höherer und niedrigerer Heizwert bezeichnet werden, je nachdem, wie stark die Produkte abkühlen dürfen und ob Verbindungen wie H
2
O
kondensieren. Die hohen Wärmewerte werden konventionell mit einem Bombenkalorimeter gemessen . Niedrige Heizwerte werden aus Testdaten für hohe Heizwerte berechnet. Sie können auch als Differenz zwischen der Bildungswärme Δ H
f
der Produkte und Reaktanten (obwohl dieser Ansatz etwas künstlich ist, da die meisten Bildungswärmen typischerweise aus gemessenen Verbrennungswärmen berechnet werden). Für einen Kraftstoff der Zusammensetzung C c H h O o N n beträgt die (höhere) Verbrennungswärme 418 kJ/mol ( c + 0,3 h − 0,5 o ) in der Regel in guter Näherung (±3%), kann aber auch deutlich aus, wenn o + n > c (zum Beispiel bei Nitroglycerin , C
3
h
5
n
3
Ö
9
, würde diese Formel eine Verbrennungswärme von 0 vorhersagen. Der Wert entspricht einer exothermen Reaktion (einer negativen Enthalpieänderung ), da die Doppelbindung im molekularen Sauerstoff viel schwächer ist als bei anderen Doppelbindungen oder Einfachbindungspaaren, insbesondere bei den Verbrennungsprodukten Kohlendioxid und Wasser; Die Umwandlung der schwachen Bindungen von Sauerstoff in die stärkeren Bindungen von Kohlendioxid und Wasser setzt Energie in Form von Wärme frei.

Konventionell ist die (höhere) Verbrennungswärme definiert als die Wärme, die bei der vollständigen Verbrennung einer Verbindung im Standardzustand zu stabilen Produkten im Standardzustand freigesetzt wird: Wasserstoff wird in Wasser (im flüssigen Zustand) umgewandelt, Kohlenstoff wird in Kohlendioxidgas umgewandelt und Stickstoff wird in Stickstoffgas umgewandelt. Das heißt, die Verbrennungswärme Δ H ° Kamm ist die Reaktionswärme des folgenden Prozesses:

C
C
h
h
n
n
Ö
Ö
(std.) + O
2
(g, xs.) → c CO
2
(g) + h2 H
2
O
(l) + n2 N
2
(g)

Chlor und Schwefel sind nicht ganz standardisiert; es wird normalerweise angenommen, dass sie sich in Chlorwasserstoffgas und SO . umwandeln
2
oder SO
3
Gas bzw. um wässrige Salz- bzw. Schwefelsäure zu verdünnen, wenn die Verbrennung in einer Bombe durchgeführt wird, die eine gewisse Menge Wasser enthält.

Wege der Bestimmung

Brutto und Netto

Zwolinski und Wilhoit haben 1972 "Brutto-" und "Netto"-Werte für Verbrennungswärme definiert. In der Bruttodefinition sind die Produkte die stabilsten Verbindungen z. B. H
2
O
(l), Br
2
(l), ich
2
(s) und H
2
SO
4
(l). In der Nettodefinition sind die Produkte diejenigen, die beim Verbrennen der Verbindung in einer offenen Flamme entstehen, z. B. H
2
O
(g) Br
2
(g) Ich
2
(g) und SO
2
(g). In beiden Definitionen sind die Produkte für C, F, Cl und N CO
2
(g) HF (g) Cl
2
(g) und N
2
(g) bzw.


Dulongs Formel

Der Heizwert eines Brennstoffs kann mit den Ergebnissen der Endanalyse des Brennstoffs berechnet werden. Aus Analysen sind die prozentualen Anteile der Brennstoffe im Kraftstoff ( Kohlenstoff , Wasserstoff , Schwefel ) bekannt. Da die Verbrennungswärme dieser Elemente bekannt ist, kann der Heizwert mit der Dulong-Formel berechnet werden.

HV= 33,7 + 144(H 2 - O 2 ÷ 8) + 9,3 S

Höherer Heizwert

Der höhere Heizwert (HHV; Bruttoenergie , oberer Heizwert , Brennwert GCV oder höherer Heizwert ; HCV ) gibt die Obergrenze der zur Verfügung stehenden thermischen Energie an, die durch eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs erzeugt wird. Es wird als Energieeinheit pro Masse- oder Volumeneinheit des Stoffes gemessen. Der HHV wird bestimmt, indem alle Verbrennungsprodukte auf die ursprüngliche Temperatur vor der Verbrennung zurückgebracht werden und insbesondere der erzeugte Dampf kondensiert wird. Bei solchen Messungen wird oft eine Standardtemperatur von 25 °C (77 °F; 298 K) verwendet. Dies ist das gleiche wie die thermodynamische Verbrennungswärme, da die Enthalpieänderung für die Reaktion eine gemeinsame Temperatur der Verbindungen vor und nach der Verbrennung annimmt, wobei in diesem Fall das bei der Verbrennung entstehende Wasser zu einer Flüssigkeit kondensiert wird. Der höhere Heizwert berücksichtigt die latente Verdampfungswärme von Wasser in den Verbrennungsprodukten und ist nützlich bei der Berechnung von Heizwerten für Brennstoffe, bei denen eine Kondensation der Reaktionsprodukte sinnvoll ist (z. B. in einem gasbefeuerten Kessel für Raumwärme). . Mit anderen Worten, HHV geht davon aus, dass die gesamte Wasserkomponente am Ende der Verbrennung (als Produkt der Verbrennung) in flüssigem Zustand ist und dass Wärme, die bei Temperaturen unter 150 °C (302 °F) geliefert wird, genutzt werden kann.

Unteren Heizwert

Der untere Heizwert (LHV; Heizwertes ; NCV oder unterer Heizwert ; LCV ) ist ein weiteres Maß der verfügbaren Wärmeenergie durch eine Verbrennung von Kraftstoff erzeugt wird , als eine Einheit der Energie pro Masseneinheit oder Volumen der Substanz gemessen. Im Gegensatz zum HZV berücksichtigt der LZV Energieverluste wie die Energie, die zum Verdampfen von Wasser aufgewendet wird – obwohl die genaue Definition nicht einheitlich festgelegt ist. Eine Definition ist einfach, die Verdampfungswärme des Wassers vom höheren Heizwert abzuziehen . Dadurch wird das gebildete H 2 O als Dampf behandelt. Die zum Verdampfen des Wassers erforderliche Energie wird daher nicht als Wärme freigesetzt.

LHV-Berechnungen gehen davon aus, dass sich die Wasserkomponente eines Verbrennungsprozesses am Ende der Verbrennung im Dampfzustand befindet, im Gegensatz zum höheren Heizwert (HHV) (auch bekannt als Bruttoheizwert oder Brutto-VK ), der davon ausgeht, dass das gesamte Wasser in einer Verbrennung Prozess befindet sich nach einem Verbrennungsprozess in einem flüssigen Zustand.

Eine andere Definition des LHV ist die Wärmemenge, die freigesetzt wird, wenn die Produkte auf 150 °C (302 °F) abgekühlt werden. Dies bedeutet, dass die latente Verdampfungswärme von Wasser und anderen Reaktionsprodukten nicht zurückgewonnen wird. Es ist nützlich beim Vergleich von Kraftstoffen, bei denen die Kondensation der Verbrennungsprodukte nicht praktikabel ist oder Wärme bei einer Temperatur unter 150 °C (302 °F) nicht verwendet werden kann.

Eine Definition des unteren Heizwerts, die vom American Petroleum Institute (API) übernommen wurde, verwendet eine Referenztemperatur von 60 ° F ( 15 ° C).+5 / 9  ° C).

Eine andere Definition, die von der Gas Processors Suppliers Association (GPSA) verwendet und ursprünglich von API verwendet wurde (Daten für API-Forschungsprojekt 44 gesammelt), ist die Enthalpie aller Verbrennungsprodukte abzüglich der Enthalpie des Brennstoffs bei der Referenztemperatur (API-Forschungsprojekt 44 verwendet 25 ° C. GPSA verwendet derzeit 60 ° F), abzüglich der Enthalpie des stöchiometrischen Sauerstoffs (O 2 ) bei der Referenztemperatur abzüglich der Verdampfungswärme des Dampfgehalts der Verbrennungsprodukte.

Die Definition, bei der die Verbrennungsprodukte alle auf die Referenztemperatur zurückgeführt werden, lässt sich aus dem höheren Heizwert leichter berechnen als bei anderen Definitionen und gibt tatsächlich eine etwas andere Antwort.

Bruttoheizwert

Der Bruttoheizwert berücksichtigt Wasser im Abgas, das als Dampf austritt, ebenso wie das Lang-Lkw, aber der Bruttoheizwert umfasst auch flüssiges Wasser im Kraftstoff vor der Verbrennung. Dieser Wert ist wichtig für Brennstoffe wie Holz oder Kohle , die vor dem Verbrennen normalerweise eine gewisse Menge Wasser enthalten.

Heizwerte messen

Der höhere Heizwert wird experimentell in einem Bombenkalorimeter bestimmt . Die Verbrennung eines stöchiometrischen Gemisches aus Brennstoff und Oxidationsmittel (zB zwei Mol Wasserstoff und ein Mol Sauerstoff) in einem Stahlbehälter bei 25 °C (77 °F) wird durch eine Zündvorrichtung eingeleitet und die Reaktionen ablaufen gelassen. Wenn Wasserstoff und Sauerstoff bei der Verbrennung reagieren, entsteht Wasserdampf. Anschließend werden das Gefäß und sein Inhalt auf die ursprünglichen 25 °C abgekühlt und der höhere Heizwert als Wärmeabgabe zwischen identischer Anfangs- und Endtemperatur bestimmt.

Wenn der untere Heizwert (LHV) bestimmt wird, wird die Kühlung bei 150 °C gestoppt und die Reaktionswärme wird nur teilweise zurückgewonnen. Die Grenze von 150 ° C wird auf der Grundlage Säuregas Taupunkt.

Hinweis: Der höhere Heizwert (HHV) wird mit dem Produkt aus Wasser in flüssiger Form berechnet, während der niedrigere Heizwert (LHV) mit dem Produkt aus Wasser in Dampfform berechnet wird .

Zusammenhang zwischen Heizwerten

Die Differenz der beiden Heizwerte hängt von der chemischen Zusammensetzung des Brennstoffs ab. Bei reinem Kohlenmonoxid oder Kohlenmonoxid sind die beiden Heizwerte nahezu identisch, der Unterschied liegt im sensiblen Wärmegehalt von Kohlendioxid zwischen 150 °C und 25 °C. ( Sensibler Wärmeaustausch bewirkt eine Temperaturänderung, während bei Phasenübergängen bei konstanter Temperatur latente Wärme hinzugefügt oder abgezogen wird. Beispiele: Verdampfungs- oder Schmelzwärme .) Für Wasserstoff ist die Differenz viel bedeutender, da sie die fühlbare Wärme von Wasserdampf zwischen 150 °C und 100 °C, die latente Kondensationswärme bei 100 °C und die fühlbare Wärme des Kondenswassers zwischen 100 °C und 25 °C. Insgesamt liegt der höhere Heizwert von Wasserstoff um 18,2 % über seinem unteren Heizwert (142 MJ/kg vs. 120 MJ/kg). Bei Kohlenwasserstoffen hängt die Differenz vom Wasserstoffgehalt des Kraftstoffs ab. Bei Benzin und Diesel übersteigt der höhere Heizwert den unteren Heizwert um ca. 10 % bzw. 7 % und bei Erdgas um ca. 11 %.   

Eine gängige Methode, um HHV mit LHV in Beziehung zu setzen, ist:

wobei H v die Verdampfungswärme von Wasser ist, n H
2
O
,out
ist die Anzahl der Mole des verdampften Wassers und n Brennstoff,in ist die Anzahl der Mole des verbrannten Brennstoffs.

  • Die meisten Anwendungen, die Kraftstoff verbrennen, erzeugen Wasserdampf, der ungenutzt bleibt und somit seinen Wärmeinhalt verschwendet. Bei solchen Anwendungen muss der untere Heizwert als „Benchmark“ für den Prozess verwendet werden.
  • Für echte Energieberechnungen in bestimmten Fällen ist jedoch der höhere Heizwert richtig. Besonders relevant ist dies für Erdgas , dessen hoher Wasserstoffgehalt viel Wasser produziert, wenn es in Brennwertkesseln und Kraftwerken mit Rauchgaskondensation verbrannt wird, die den bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampf kondensieren und so verlorene Wärme zurückgewinnen.

Verwendung von Begriffen

Motorenhersteller bewerten den Kraftstoffverbrauch ihrer Motoren typischerweise nach den niedrigeren Heizwerten, da die Abgase nie im Motor kondensiert werden, und können so attraktivere Zahlen veröffentlichen, als sie in konventionellen Kraftwerksbegriffen verwendet werden. Die konventionelle Energiewirtschaft hatte jahrzehntelang ausschließlich HHV (hoher Heizwert) verwendet, obwohl praktisch alle diese Anlagen auch keine Abgase kondensierten. Amerikanische Verbraucher sollten sich bewusst sein, dass der entsprechende Kraftstoffverbrauch aufgrund des höheren Heizwertes etwas höher ausfallen wird.

Der Unterschied zwischen HHV- und LLV-Definitionen führt zu endloser Verwirrung, wenn sich die Zitate nicht die Mühe machen, die verwendete Konvention anzugeben. da es typischerweise einen Unterschied von 10 % zwischen den beiden Methoden für ein Kraftwerk gibt, das Erdgas verbrennt. Für ein einfaches Benchmarking eines Teils einer Reaktion mag der Lang-Lkw geeignet sein, jedoch sollte der Lang-Lkw für die Gesamtenergieeffizienzberechnungen verwendet werden, um Verwirrung zu vermeiden, und in jedem Fall sollte der Wert oder die Konvention klar angegeben werden.

Feuchtigkeit berücksichtigen

Sowohl HHV als auch LHV können als AR (alle Feuchtigkeit gezählt), MF und MAF (nur Wasser aus der Verbrennung von Wasserstoff) ausgedrückt werden. AR, MF und MAF werden häufig zur Angabe der Heizwerte von Kohle verwendet:

  • AR (wie erhalten) zeigt an, dass der Heizwert des Brennstoffs mit allen vorhandenen feuchtigkeits- und aschebildenden Mineralien gemessen wurde.
  • MF (feuchtigkeitsfrei) oder trocken bedeutet, dass der Brennwert des Brennstoffs gemessen wurde, nachdem der Brennstoff von aller Eigenfeuchtigkeit getrocknet wurde, aber noch seine aschebildenden Mineralien erhalten hat.
  • MAF (feuchtigkeits- und aschefrei) oder DAF (trocken und aschefrei) zeigt an, dass der Brennstoffheizwert ohne inhärente feuchtigkeits- und aschebildende Mineralien gemessen wurde.

Wärme von Verbrennungstischen

Höhere (HHV) und niedrigere (LHV) Heizwerte
einiger gängiger Brennstoffe bei 25 °C
Kraftstoff HHV Lang-Lkw
MJ /kg BTU /lb kJ / mol MJ/kg
Wasserstoff 141,80 61.000 286 119,96
Methan 55,50 23.900 890 50,00
Ethan 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
Paraffinwachs 46.00 19.900 41,50
Kerosin 46,20 19.862 43.00
Diesel 44,80 19.300 43,4
Kohle ( anthrazit ) 32,50 14.000
Kohle ( Braunkohle - USA ) 15.00 6.500
Holz ( MAF ) 21.70 8.700
Holzbrennstoff 21.20 9.142 17.0
Torf (trocken) 15.00 6.500
Torf (feucht) 6.00 2.500
Höherer Heizwert
einiger weniger verbreiteter Brennstoffe
Kraftstoff MJ /kg BTU /lb kJ / mol
Methanol 22.7 9.800 726
Ethanol 29,7 12.800 1.367
1-Propanol 33,6 14.500 2.020
Acetylen 49,9 21.500 1.300
Benzol 41,8 18.000 3.268
Ammoniak 22,5 9.690 382.6
Hydrazin 19.4 8.370 622.0
Hexamin 30,0 12.900 4.200,0
Kohlenstoff 32,8 14.100 393.5
Unterer Heizwert für einige organische Verbindungen
(bei 25 °C [77 °F])
Kraftstoff MJ /kg MJ / L BTU /lb kJ / mol
Alkane
Methan 50.009 6.9 21.504 802.34
Ethan 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
Hexan 44.752 29.30 19.504 3.856,7
Heptan 44.566 30.48 19.163 4.465,8
Oktan 44.427 19.104 5.074,9
Nonan 44.311 31.82 19.054 5.683,3
Dekan 44.240 33,29 19.023 6.294,5
Undecan 44.194 32,70 19.003 6.908,0
Dodekan 44.147 33.11 18.983 7.519,6
Isoparaffine
Isobutan 45,613 19.614 2.651,0
Isopentan 45.241 27,87 19.454 3.264,1
2-Methylpentan 44.682 29.18 19.213 3.850,7
2,3-Dimethylbutan 44.659 29.56 19.203 3.848,7
2,3-Dimethylpentan 44.496 30.92 19.133 4.458,5
2,2,4-Trimethylpentan 44.310 30.49 19.053 5.061,5
Naphthene
Cyclopentan 44.636 33,52 19.193 3.129,0
Methylcyclopentan 44.636? 33,43? 19.193? 3.756,6?
Cyclohexan 43.450 33,85 18.684 3.656,8
Methylcyclohexan 43.380 33,40 18.653 4.259,5
Monoolefine
Ethylen 47,195
Propylen 45.799
1-Buten 45.334
cis -2-Buten 45.194
trans -2-Buten 45.124
Isobuten 45.055
1-Penten 45.031
2-Methyl-1-penten 44.799
1-Hexen 44.426
Diolefine
1,3-Butadien 44.613
Isopren 44.078 -
Nitrose abgeleitet
Nitromethan 10.513
Nitropropan 20.693
Acetylene
Acetylen 48.241
Methylacetylen 46.194
1-Butin 45.590
1-Pentyne 45.217
Aromaten
Benzol 40.170
Toluol 40.589
o -Xylol 40.961
m -Xylol 40.961
p- Xylol 40.798
Ethylbenzol 40.938
1,2,4-Trimethylbenzol 40.984
n -Propylbenzol 41.193
Cumol 41.217
Alkohole
Methanol 19.930 15.78 8.570 638.6
Ethanol 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? 2.769.3?
Äther
Methoxymethan 28.703 12.342 1.322,3
Ethoxyethan 33.867 24,16 14.563 2.510,2
Propoxypropan 36.355 26.76 15.633 3.568,0
Butoxybutan 37.798 28.88 16.253 4.922,4
Aldehyde und Ketone
Formaldehyd 17.259 570.78
Acetaldehyd 24.156
Propionaldehyd 28.889
Butyraldehyd 31.610
Aceton 28.548 22.62
Andere Arten
Kohlenstoff (Graphit) 32.808
Wasserstoff 120.971 1,8 52.017 244
Kohlenmonoxid 10.112 4.348 283.24
Ammoniak 18.646 8.018 317,56
Schwefel ( fest ) 9.163 3.940 293.82
Notiz
  • Bei der Verbrennung von Kohle, Kohlenmonoxid und Schwefel besteht kein Unterschied zwischen den niedrigeren und höheren Heizwerten, da bei der Verbrennung dieser Stoffe kein Wasser entsteht.
  • BTU/lb-Werte werden aus MJ/kg (1 MJ/kg = 430 BTU/lb) berechnet.

Höhere Heizwerte von Erdgasen aus verschiedenen Quellen

Die Internationale Energieagentur meldet die folgenden typischen höheren Heizwerte pro Normkubikmeter Gas:

Der untere Heizwert von Erdgas beträgt normalerweise etwa 90 % seines höheren Heizwertes. Diese Tabelle ist in Standard-Kubikmeter (1 atm , 15 °C), um in Werte pro Normal-Kubikmeter (1 atm, 0 °C) umzuwandeln, multiplizieren Sie die obige Tabelle mit 1,0549.     

Siehe auch

Verweise

  • Guibet, J.-C. (1997). Vergaser und Motoren . Veröffentlichung des Instituts Français du Pétrole. ISBN 978-2-7108-0704-9.

Externe Links