Calor de combustión - Heat of combustion
El poder calorífico (o valor energético o poder calorífico ) de una sustancia , generalmente un combustible o un alimento (ver energía alimentaria ), es la cantidad de calor liberado durante la combustión de una cantidad específica de la misma.
El poder calorífico es la energía total liberada en forma de calor cuando una sustancia experimenta una combustión completa con oxígeno en condiciones estándar . La reacción química es típicamente un hidrocarburo u otra molécula orgánica que reacciona con oxígeno para formar dióxido de carbono y agua y liberar calor. Puede expresarse con las cantidades:
- energía / mol de combustible
- energía / masa de combustible
- energía / volumen del combustible
Hay dos tipos de entalpía de combustión, llamados poder calorífico superior y menor, dependiendo de cuánto se permita que se enfríen los productos y si compuestos como H
2Se permite que O se condense. Los altos valores caloríficos se miden convencionalmente con un calorímetro de bomba . Los valores de calor bajo se calculan a partir de datos de prueba de alto valor de calor. También se pueden calcular como la diferencia entre el calor de formación Δ H⦵
fde los productos y reactivos (aunque este enfoque es algo artificial ya que la mayoría de los calores de formación se calculan típicamente a partir de los calores de combustión medidos). Para un combustible de composición C c H h O o N n , el calor (más alto) de combustión es 418 kJ / mol ( c + 0.3 h - 0.5 o ) usualmente con una buena aproximación (± 3%), aunque puede ser significativamente apagado si o + n > c (por ejemplo, en el caso de la nitroglicerina , C
3H
5norte
3O
9, esta fórmula predeciría un calor de combustión de 0). El valor corresponde a una reacción exotérmica (un cambio negativo en la entalpía ) porque el doble enlace en el oxígeno molecular es mucho más débil que otros dobles enlaces o pares de enlaces simples, particularmente los de los productos de combustión dióxido de carbono y agua; la conversión de los enlaces débiles en oxígeno a enlaces más fuertes en dióxido de carbono y agua libera energía en forma de calor.
Por convención, el calor (más alto) de combustión se define como el calor liberado para la combustión completa de un compuesto en su estado estándar para formar productos estables en sus estados estándar: el hidrógeno se convierte en agua (en su estado líquido), el carbono se convierte en gas dióxido de carbono y el nitrógeno se convierte en gas nitrógeno. Es decir, el calor de combustión, Δ H ° comb , es el calor de reacción del siguiente proceso:
-
C
CH
hnorte
norteO
o(estándar) + O
2(g, xs.) → c CO
2(g) + h ⁄ 2 H
2O (l) + n ⁄ 2 N
2 (gramo)
El cloro y el azufre no están completamente estandarizados; generalmente se supone que se convierten en gas cloruro de hidrógeno y SO
2o SO
3 gas, respectivamente, o para diluir los ácidos clorhídrico y sulfúrico acuosos, respectivamente, cuando la combustión se realiza en una bomba que contiene alguna cantidad de agua.
Formas de determinación
Bruto y neto
Zwolinski y Wilhoit definieron, en 1972, valores "brutos" y "netos" para los calores de combustión. En la definición bruta, los productos son los compuestos más estables, por ejemplo, H
2O (l), Br
2(l), yo
2(s) y H
2ASI QUE
4(l). En la definición neta, los productos son aquellos producidos cuando el compuesto se quema en una llama abierta, por ejemplo, H
2O (g) Br
2(g) yo
2(g) y SO
2(gramo). En ambas definiciones, los productos de C, F, Cl y N son CO
2(g) HF (g) Cl
2(g) y N
2(g) respectivamente.
Fórmula de Dulong
El poder calorífico de un combustible se puede calcular con los resultados del análisis final del combustible. A partir del análisis, se conocen los porcentajes de los combustibles en el combustible ( carbono , hidrógeno , azufre ). Dado que se conoce el calor de combustión de estos elementos, el poder calorífico se puede calcular utilizando la fórmula de Dulong.
HV = 33,7 + 144 (H 2 - O 2 ÷ 8) + 9,3 S
Mayor poder calorífico
El poder calorífico superior (HHV; energía bruta , poder calorífico superior , poder calorífico bruto GCV o poder calorífico superior ; HCV ) indica el límite superior de la energía térmica disponible producida por una combustión completa de combustible. Se mide como una unidad de energía por unidad de masa o volumen de sustancia. El HHV se determina devolviendo todos los productos de combustión a la temperatura original de precombustión y, en particular, condensando cualquier vapor producido. Estas medidas suelen utilizar una temperatura estándar de 25 ° C (77 ° F; 298 K). Este es el mismo que el calor termodinámico de combustión ya que el cambio de entalpía para la reacción asume una temperatura común de los compuestos antes y después de la combustión, en cuyo caso el agua producida por la combustión se condensa a un líquido. El valor calorífico más alto tiene en cuenta el calor latente de vaporización del agua en los productos de combustión y es útil para calcular los valores caloríficos de combustibles en los que la condensación de los productos de reacción es práctica (por ejemplo, en una caldera de gas utilizada para calentar espacios). . En otras palabras, HHV asume que todo el componente de agua está en estado líquido al final de la combustión (en el producto de la combustión) y que el calor entregado a temperaturas por debajo de 150 ° C (302 ° F) se puede utilizar.
Valor mínimo de calefacción
El poder calorífico inferior (LHV; poder calorífico neto ; NCV , o poder calorífico inferior ; LCV ) es otra medida de energía térmica disponible producida por una combustión de combustible, medida como una unidad de energía por unidad de masa o volumen de sustancia. A diferencia del HHV, el LHV considera las pérdidas de energía como la energía utilizada para vaporizar el agua, aunque su definición exacta no está uniformemente acordada. Una definición es simplemente restar el calor de vaporización del agua del poder calorífico más alto. Esto trata el H 2 O formado como vapor. Por tanto, la energía necesaria para vaporizar el agua no se libera en forma de calor.
Los cálculos de LHV asumen que el componente de agua de un proceso de combustión está en estado de vapor al final de la combustión, a diferencia del valor calorífico más alto (HHV) (también conocido como valor calorífico bruto o CV bruto ) que asume que toda el agua en una combustión El proceso está en estado líquido después de un proceso de combustión.
Otra definición de LHV es la cantidad de calor que se libera cuando los productos se enfrían a 150 ° C (302 ° F). Esto significa que no se recupera el calor latente de vaporización del agua y otros productos de reacción. Es útil para comparar combustibles en los que la condensación de los productos de combustión no es práctica, o el calor a una temperatura inferior a 150 ° C (302 ° F) no se puede utilizar.
Una definición de valor calorífico inferior, adoptada por el Instituto Americano del Petróleo (API), utiliza una temperatura de referencia de 60 ° F ( 15 ° C).+5 ⁄ 9 ° C).
Otra definición, utilizada por la Asociación de Proveedores de Procesadores de Gas (GPSA) y utilizada originalmente por API (datos recopilados para el proyecto de investigación API 44), es la entalpía de todos los productos de combustión menos la entalpía del combustible a la temperatura de referencia (se utilizó el proyecto de investigación API 44). 25 ° C. GPSA actualmente usa 60 ° F), menos la entalpía del oxígeno estequiométrico (O 2 ) a la temperatura de referencia, menos el calor de vaporización del contenido de vapor de los productos de combustión.
La definición en la que todos los productos de combustión vuelven a la temperatura de referencia se calcula más fácilmente a partir del valor calorífico superior que cuando se utilizan otras definiciones y, de hecho, dará una respuesta ligeramente diferente.
Poder calorífico bruto
El valor calorífico bruto tiene en cuenta el agua en el escape que sale como vapor, al igual que el LHV, pero el poder calorífico bruto también incluye el agua líquida en el combustible antes de la combustión. Este valor es importante para combustibles como la madera o el carbón , que normalmente contienen cierta cantidad de agua antes de quemar.
Medición de valores caloríficos
El poder calorífico superior se determina experimentalmente en un calorímetro de bomba . La combustión de una mezcla estequiométrica de combustible y oxidante (por ejemplo, dos moles de hidrógeno y un mol de oxígeno) en un recipiente de acero a 25 ° C (77 ° F) se inicia mediante un dispositivo de encendido y se deja que las reacciones se completen. Cuando el hidrógeno y el oxígeno reaccionan durante la combustión, se produce vapor de agua. El recipiente y su contenido se enfrían luego a los 25 ° C originales y el poder calorífico más alto se determina como el calor liberado entre temperaturas inicial y final idénticas.
Cuando se determina el valor calorífico inferior (LHV), el enfriamiento se detiene a 150 ° C y el calor de reacción se recupera solo parcialmente. El límite de 150 ° C se basa en el punto de rocío del gas ácido .
Nota: El poder calorífico más alto (HHV) se calcula con el producto del agua en forma líquida, mientras que el poder calorífico más bajo (LHV) se calcula con el producto del agua en forma de vapor .
Relación entre valores caloríficos
La diferencia entre los dos valores caloríficos depende de la composición química del combustible. En el caso de carbono puro o monóxido de carbono, los dos valores caloríficos son casi idénticos, siendo la diferencia el contenido de calor sensible del dióxido de carbono entre 150 ° C y 25 ° C. (El intercambio de calor sensible provoca un cambio de temperatura, mientras que el calor latente se agrega o se resta para las transiciones de fase a temperatura constante. Ejemplos: calor de vaporización o calor de fusión ). Para el hidrógeno, la diferencia es mucho más significativa ya que incluye el calor sensible de vapor de agua entre 150 ° C y 100 ° C, el calor latente de condensación a 100 ° C y el calor sensible del agua condensada entre 100 ° C y 25 ° C. Con todo, el poder calorífico más alto del hidrógeno es un 18,2% por encima de su poder calorífico más bajo (142 MJ / kg frente a 120 MJ / kg). Para los hidrocarburos, la diferencia depende del contenido de hidrógeno del combustible. Para la gasolina y el diesel, el poder calorífico más alto excede el poder calorífico más bajo en aproximadamente un 10% y un 7%, respectivamente, y para el gas natural en aproximadamente un 11%.
Un método común para relacionar HHV con LHV es:
donde H v es el calor de vaporización del agua, n H
2O , out es el número de moles de agua vaporizada yn combustible, in es el número de moles de combustible quemado.
- La mayoría de las aplicaciones que queman combustible producen vapor de agua, que no se utiliza y, por lo tanto, desperdicia su contenido de calor. En tales aplicaciones, el valor calorífico más bajo debe usarse para dar un "punto de referencia" para el proceso.
- Sin embargo, para cálculos de energía real en algunos casos específicos, el valor calorífico más alto es correcto. Esto es particularmente relevante para el gas natural , cuyo alto contenido de hidrógeno produce mucha agua, cuando se quema en calderas de condensación y centrales eléctricas con condensación de gases de combustión que condensan el vapor de agua producido por la combustión, recuperando el calor que de otro modo se desperdiciaría.
Uso de términos
Los fabricantes de motores suelen calificar el consumo de combustible de sus motores por los valores de calentamiento más bajos, ya que el escape nunca se condensa en el motor, y hacer esto les permite publicar números más atractivos que los que se utilizan en términos de centrales eléctricas convencionales. La industria de la energía convencional había utilizado HHV (alto valor calorífico) exclusivamente durante décadas, aunque prácticamente todas estas plantas tampoco condensaron los gases de escape. Los consumidores estadounidenses deben ser conscientes de que la cifra de consumo de combustible correspondiente basada en el valor calorífico superior será algo mayor.
La diferencia entre las definiciones de HHV y LHV causa una confusión infinita cuando los cotizadores no se molestan en indicar la convención que se está utilizando. ya que normalmente hay una diferencia del 10% entre los dos métodos para una planta de energía que quema gas natural. Para comparar simplemente parte de una reacción, el LHV puede ser apropiado, pero el HHV debe usarse para los cálculos generales de eficiencia energética, aunque solo sea para evitar confusiones y, en cualquier caso, el valor o la convención deben indicarse claramente.
Contabilización de la humedad
Tanto HHV como LHV se pueden expresar en términos de AR (toda la humedad contada), MF y MAF (solo agua de la combustión de hidrógeno). AR, MF y MAF se utilizan comúnmente para indicar los valores caloríficos del carbón:
- AR (como se recibió) indica que el valor calorífico del combustible se ha medido con todos los minerales formadores de humedad y cenizas presentes.
- MF (sin humedad) o seco indica que el poder calorífico del combustible se ha medido después de que el combustible se haya secado de toda la humedad inherente, pero aún conserva sus minerales formadores de cenizas.
- MAF (sin humedad ni cenizas) o DAF (seco y sin cenizas) indica que el poder calorífico del combustible se ha medido en ausencia de minerales inherentes que forman humedad y cenizas.
Mesas de calor de combustión
Combustible | HHV | LHV | ||
---|---|---|---|---|
MJ / kg | BTU / libra | kJ / mol | MJ / kg | |
Hidrógeno | 141,80 | 61.000 | 286 | 119,96 |
Metano | 55,50 | 23,900 | 890 | 50,00 |
Etano | 51,90 | 22,400 | 1,560 | 47,62 |
Propano | 50,35 | 21,700 | 2.220 | 46,35 |
Butano | 49,50 | 20,900 | 2.877 | 45,75 |
Pentano | 48,60 | 21,876 | 3,509 | 45,35 |
Cera parafina | 46,00 | 19,900 | 41,50 | |
Queroseno | 46,20 | 19,862 | 43,00 | |
Diesel | 44,80 | 19,300 | 43,4 | |
Carbón ( antracita ) | 32,50 | 14.000 | ||
Carbón ( lignito - EE . UU. ) | 15.00 | 6.500 | ||
Madera ( MAF ) | 21,70 | 8.700 | ||
Combustible de madera | 21.20 | 9.142 | 17.0 | |
Turba (seca) | 15.00 | 6.500 | ||
Turba (húmeda) | 6,00 | 2500 |
Combustible | MJ / kg | BTU / libra | kJ / mol |
---|---|---|---|
Metanol | 22,7 | 9,800 | 726 |
Etanol | 29,7 | 12,800 | 1367 |
1-propanol | 33,6 | 14.500 | 2.020 |
Acetileno | 49,9 | 21.500 | 1300 |
Benceno | 41,8 | 18.000 | 3,268 |
Amoníaco | 22,5 | 9,690 | 382,6 |
Hidracina | 19,4 | 8.370 | 622.0 |
Hexamina | 30,0 | 12,900 | 4.200,0 |
Carbón | 32,8 | 14.100 | 393,5 |
Combustible | MJ / kg | MJ / L | BTU / libra | kJ / mol |
---|---|---|---|---|
Alcanos | ||||
Metano | 50.009 | 6,9 | 21,504 | 802.34 |
Etano | 47.794 | - | 20,551 | 1.437,2 |
Propano | 46.357 | 25,3 | 19,934 | 2.044,2 |
Butano | 45.752 | - | 19,673 | 2.659,3 |
Pentano | 45.357 | 28,39 | 21,706 | 3.272,6 |
Hexano | 44.752 | 29.30 | 19.504 | 3.856,7 |
Heptano | 44.566 | 30,48 | 19,163 | 4.465,8 |
Octano | 44.427 | - | 19,104 | 5.074,9 |
Nonano | 44.311 | 31,82 | 19,054 | 5.683,3 |
Decano | 44.240 | 33,29 | 19.023 | 6.294,5 |
Undecano | 44.194 | 32,70 | 19,003 | 6.908,0 |
Dodecano | 44.147 | 33.11 | 18,983 | 7.519,6 |
Isoparafinas | ||||
Isobutano | 45.613 | - | 19,614 | 2.651,0 |
Isopentano | 45.241 | 27,87 | 19,454 | 3.264,1 |
2-metilpentano | 44.682 | 29.18 | 19,213 | 3.850,7 |
2,3-dimetilbutano | 44.659 | 29,56 | 19,203 | 3.848,7 |
2,3-dimetilpentano | 44.496 | 30,92 | 19,133 | 4.458,5 |
2,2,4-trimetilpentano | 44.310 | 30.49 | 19,053 | 5.061,5 |
Naftenos | ||||
Ciclopentano | 44.636 | 33,52 | 19.193 | 3.129,0 |
Metilciclopentano | 44.636? | 33,43? | 19.193? | 3.756,6? |
Ciclohexano | 43.450 | 33,85 | 18,684 | 3.656,8 |
Metilciclohexano | 43.380 | 33,40 | 18,653 | 4.259,5 |
Monoolefinas | ||||
Etileno | 47.195 | - | - | - |
Propileno | 45.799 | - | - | - |
1-buteno | 45.334 | - | - | - |
cis -2-buteno | 45.194 | - | - | - |
trans -2-buteno | 45.124 | - | - | - |
Isobuteno | 45.055 | - | - | - |
1-penteno | 45.031 | - | - | - |
2-metil-1-penteno | 44.799 | - | - | - |
1-hexeno | 44.426 | - | - | - |
Diolefinas | ||||
1,3-butadieno | 44.613 | - | - | - |
Isopreno | 44.078 | - | - | - |
Derivado nitroso | ||||
Nitrometano | 10.513 | - | - | - |
Nitropropano | 20.693 | - | - | - |
Acetilenos | ||||
Acetileno | 48.241 | - | - | - |
Metilacetileno | 46.194 | - | - | - |
1-Butyne | 45.590 | - | - | - |
1-Pentyne | 45.217 | - | - | - |
Aromáticos | ||||
Benceno | 40.170 | - | - | - |
Tolueno | 40.589 | - | - | - |
o -Xileno | 40.961 | - | - | - |
m -Xileno | 40.961 | - | - | - |
p -xileno | 40.798 | - | - | - |
Etilbencina | 40.938 | - | - | - |
1,2,4-trimetilbenceno | 40.984 | - | - | - |
n -propilbenceno | 41.193 | - | - | - |
Cumeno | 41.217 | - | - | - |
Alcoholes | ||||
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 |
terc- butanol | 32.587 | 25.45 | 14.012 | 2.415,3 |
n- pentanol | 34.727 | 28.28 | 14,933 | 3.061,2 |
Alcohol isoamílico | 31.416? | 35,64? | 13.509? | 2.769,3? |
Éteres | ||||
Metoximetano | 28.703 | - | 12,342 | 1.322,3 |
Etoxietano | 33.867 | 24.16 | 14,563 | 2.510,2 |
Propoxipropano | 36.355 | 26,76 | 15,633 | 3.568,0 |
Butoxibutano | 37.798 | 28,88 | 16,253 | 4.922,4 |
Aldehídos y cetonas | ||||
Formaldehído | 17.259 | - | - | 570,78 |
Acetaldehído | 24.156 | - | - | - |
Propionaldehído | 28.889 | - | - | - |
Butiraldehído | 31.610 | - | - | - |
Acetona | 28.548 | 22,62 | - | - |
Otras especies | ||||
Carbono (grafito) | 32.808 | - | - | - |
Hidrógeno | 120.971 | 1.8 | 52,017 | 244 |
Monóxido de carbono | 10.112 | - | 4.348 | 283,24 |
Amoníaco | 18.646 | - | 8.018 | 317.56 |
Azufre ( sólido ) | 9.163 | - | 3.940 | 293,82 |
- Nota
- No hay diferencia entre los valores caloríficos inferior y superior para la combustión de carbono, monóxido de carbono y azufre, ya que no se forma agua durante la combustión de esas sustancias.
- Los valores de BTU / lb se calculan a partir de MJ / kg (1 MJ / kg = 430 BTU / lb).
Mayor poder calorífico de los gases naturales de diversas fuentes.
La Agencia Internacional de Energía informa los siguientes valores caloríficos típicos más altos por metro cúbico estándar de gas:
- Argelia : 39,57 MJ / Sm 3
- Bangladesh : 36,00 MJ / Sm 3
- Canadá : 39,00 MJ / Sm 3
- China : 38,93 MJ / Sm 3
- Indonesia : 40,60 MJ / Sm 3
- Irán : 39,36 MJ / Sm 3
- Holanda : 33,32 MJ / Sm 3
- Noruega : 39,24 MJ / Sm 3
- Pakistán : 34,90 MJ / Sm 3
- Qatar : 41,40 MJ / Sm 3
- Rusia : 38,23 MJ / Sm 3
- Arabia Saudita : 38,00 MJ / Sm 3
- Turkmenistán : 37,89 MJ / Sm 3
- Reino Unido : 39,71 MJ / Sm 3
- Estados Unidos : 38,42 MJ / Sm 3
- Uzbekistán : 37,89 MJ / Sm 3
El poder calorífico más bajo del gas natural es normalmente alrededor del 90% de su poder calorífico más alto. Esta tabla está en metros cúbicos estándar (1 atm , 15 ° C), para convertir a valores por metro cúbico normal (1 atm, 0 ° C), multiplique la tabla anterior por 1.0549.
Ver también
- Temperatura de llama adiabática
- Densidad de energia
- Valor energético del carbón
- Reacción exotérmica
- Fuego
- Eficiencia de combustible # Contenido energético del combustible
- Energía alimentaria
- Energía interna
- Eficiencia térmica
- Índice de Wobbe : densidad de calor
- ISO 15971
- Eficiencia electrica
- Eficiencia mecánica
- Figura de mérito
- Costo de la electricidad por fuente
- Eficiencia de conversión de energía
Referencias
- Guibet, J.-C. (1997). Carburants et moteurs . Publication de l'Institut Français du Pétrole. ISBN 978-2-7108-0704-9.
enlaces externos
- Libro web de química del NIST
- "Valores de calefacción más bajos y más altos de combustibles gaseosos, líquidos y sólidos" (PDF) . Libro de datos de energía de biomasa . Departamento de Energía de Estados Unidos. 2011.