Putere calorifică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare

Puterea calorifică, (căldura de ardere) reprezintă numărul de unități de căldură degajate prin arderea completă a unei unități de masă de combustibil în condițiile prevăzute de standarde. Unitatea de masă poate fi molul, kilogramul sau metrul cub normal.

Reacția chimică de ardere este în mod obișnuit o oxidare a hidrocarburilor, rezultând dioxid de carbon, apă și căldură.

Puterea calorifică a combustibililor solizi (și lichizi grei, care nu se evaporă) este măsurată cu bomba calorimetrică, iar cea a combustibililor gazoși (și lichizi volatili) cu calorimetrul cu circulație de apă. Ea poate fi calculată ca diferență dintre entalpiile produselor arderii și cea a combustibilului, dacă acestea sunt cunoscute.

Termenul de putere calorifică nu este corect, deoarece unitatea de măsură nu se raportează la timp (nu este o „putere”). În limba română el provine din franceză pouvoir calorifique, la fel ca în toate limbile latine, și, deși s-a propus înlocuirea sa cu termenul căldură de ardere,[1] în lucrările de specialitate din termoenergetică[2][3][4][5] și în toate standardele de profil[6][7][8][9] se folosește expresia putere calorifică. Termenul căldură de ardere cu varianta entalpie de combustie se folosește în lucrările de termochimie și este acceptat în standardul general de terminologie privind căldura[10].

Puteri calorifice[modificare | modificare sursă]

Există două tipuri de putere calorifică:

  • puterea calorifică superioară (Q_s \,) în care vaporii de apă formați în timpul arderii se condensează, cedând căldura lor latentă de vaporizare,[2]
  • puterea calorifică inferioară (Q_i \,) în care vaporii de apă formați în timpul arderii rămân în formă gazoasă, ca urmare nu cedează căldura lor latentă de vaporizare.[2]

Se consideră că vaporii de apă rezultați din ardere provin din arderea hidrogenului, și din apa conținută inițial în combustibil. La combustibilii care nu conțin hidrogen sau apă, de exemplu carbonul, monoxidul de carbon și sulful, deoarece în timpul arderii nu se formează apă, puterile calorifice inferioară și superioară sunt egale.

În termoenergetică până recent n-a fost economică condensarea vaporilor de apă rezultați din ardere, astfel că era simplu și convenabil ca proiectarea și exploatarea instalațiilor să se facă pe baza puterii calorifice inferioare. Odată cu apariția cazanelor cu condensare a apărut necesitatea folosirii puterii calorifice superioare.

Deoarece combustibilii solizi, respectiv cei gazoși au stări de agregare diferite, pentru determinarea puterilor lor calorifice este nevoie de metode diferite și apar și diferențe de formulare ale definițiilor puterilor calorifice.

Puterea calorifică a combustibililor solizi și lichizi grei[modificare | modificare sursă]

Bombă calorimetrică.

Puterea calorifică superioară la volum constant a probei de analiză (Q_{s,V}^a \,) a unui combustibil reprezintă numărul de unități de căldură degajată prin arderea completă a unei unități de masă din combustibilul preparat pentru analiză, în atmosferă de oxigen, în bomba calorimetrică, în condiții standard. Produsele arderii sunt formate din dioxid de carbon, dioxid de sulf, azot și oxigen sub formă gazoasă, apă în stare lichidă în echilibru cu vaporii săi și saturată cu dioxid de carbon și cenușă solidă.[6] Q_{s,V}^a \, se determină experimental prin arderea completă în bomba calorimetrică a unei cantități cunoscute de combustibil, căldura degajată prin ardere fiind cedată sistemului calorimetric ce cuprinde o cantitate cunoscută de apă, a cărei temperatură se înregistrează.[11]

Puterea calorifică inferioară la presiune constantă a probei inițiale (Q_{i,p}^i \,) a unui combustibil reprezintă numărul de unități de căldură care s-ar degaja prin arderea completă a unei unități de masă din combustibilul în starea inițială, în atmosferă de oxigen, la presiune constantă. Produsele arderii sunt toate la temperatura de 25 °C și sunt formate din dioxid de carbon, dioxid de sulf, azot și oxigen sub formă gazoasă, apă în stare de vapori și cenușă solidă. Q_{i,p}^i \, se obține prin calcul:

Q_{i,p}^i = (Q_{s,V}^a - 212 H^a - 0,8 O^a) \frac {100 - W_t^i}{100 -W^a} - 24,5 W_t^i

unde H^a \, și O^a \, sunt procentele hidrogenului și oxigenului din masa pentru analiză, W_t^i \, și W^a \, sunt procentele de umiditate din masa inițială, respectiv din masa pentru analiză, iar coeficienții 212, 0,8 și 24,5 țin cont de căldurile masice ale apei și vaporilor de apă, respectiv de căldura masică latentă de vaporizare a apei, exprimate în unități din SI.[6]

Mărimea care interesează de obicei în energetică este Q_{i,p}^i \,, care în limbajul curent este denumită putere calorifică inferioară și este notată Q_i \,. Pentru cazanele cu condensare interesează puterea calorifică superioară la presiune constantă a probei inițiale Q_{s,p}^i \,, notată uzual Q_s \,.

Puterea calorifică a combustibililor solizi se raportează la 1 kg de combustibil și se exprimă în MJ/kg cu două zecimale.[6]

Puterea calorifică a combustibililor gazoși[modificare | modificare sursă]

Calorimetru cu circulaţie de apă de tip Junkers.

Puterea calorifică superioară (Q_s \,) a unui combustibil gazos reprezintă numărul de unități de căldură dezvoltată prin arderea completă la presiune constantă a cantității de combustibil cuprinsă în unitatea de volum în condiții de presiune și temperatură date, produsele arderii fiind răcite până la temperatura de 20 ºC, iar apa formată în cursul arderii fiind considerată după ardere în stare lichidă. STAS 3361/1–87 dă o definiție inadecvată, având erori de exprimare.[12]

Puterea calorifică inferioară (Q_i \,) a unui combustibil gazos se definește la fel ca puterea calorifică superioară, cu deosebirea că apa din combustibil și apa formată prin ardere se consideră după ardere în stare de vapori.[7]

Puterile calorifice se raportează la gazul combustibil în stare normală (presiunea de 101325 Pa și temperatura de 0 ºC) sau, mai rar, convențională (presiunea de 101235 Pa și temperatura de 15 ºC, indice S – „standard”) și se exprimă în MJ/m3N, (respectiv în MJ/m3S) cu două zecimale.[12]

Dacă compoziția combustibilului gazos este cunoscută exact, toate proprietățile sale fizice, inclusiv puterea calorifică, se pot determina prin calcul.[8][9] În caz contrar este necesară determinarea experimentală a puterii calorifice superioare în calorimetrul cu circulație de apă. Metoda constă în arderea completă a unei cantități cunoscute de gaz și transmiterea practic fără pierderi a căldurii degajate în procesul de ardere unui debit de apă care circulă prin calorimetru.[12] Puterea calorifică inferioară se determină prin calcul:

Q_i = Q_s - m c_L \,

unde m \, este masa apei condensate rezultate din arderea a 1 m3N (respectiv 1  m3S) de combustibil gazos, iar c_L \, este căldura masică de vaporizare a apei la 20 ºC, de 2454 kJ/kg.[7]

Puterea calorifică a unor substanțe[modificare | modificare sursă]

Qi a câtorva substanțe la 15,4 °C
Substanța Qi (MJ/kg)
Alcani
Metan 50,009
Etan 47,794
Propan 46,357
Butan 45,752
Pentan 45,357
Hexan 44,752
Heptan 44,566
Octan 44,427
Nonan 44,311
Decan 44,240
Undecan 44,194
Dodecan 44,147
Izoalcani
Izobutan 45,613
Izopentan 45,241
2-Metilpentan 44,682
2,3-Dimetilbutan 44,659
2,3-Dimetilpentan 44,496
2,2,4-Trimetilpentan 44,310
Cicloalcani
Ciclopentan 44,636
Metilciclopentan 44,636
Ciclohexan 43,450
Metilciclohexan 43,380
Alchene
Etenă (etilenă) 47,195
Propenă (propilenă) 45,799
1-Butenă (1-butilenă) 45,334
cis-2-Butenă 45,194
trans-2-Butenă 45,124
Izobutenă 45,055
1-Pentenă 45,031
2-Metil-1-pentenă 44,799
1-Hexenă 44,426
1,3-Butadienă 44,613
Izopren 44,078
Nitro-compuși
Nitrometan 10,513
Nitropropan 20,693
Alchine
Etină (acetilenă) 48,241
Propină (metilacetilenă) 46,194
1-Butină 45,590
1-Pentină 45,217
Aromatice
Benzen 40,170
Toluen 40,589
o-Xilen 40,961
m-Xilen 40,961
p-Xilen 40,798
Etilbenzen 40,938
1,2,4-Trimetilbenzen 40,984
Propilbenzen 41,193
Cumen 41,217
Alcooli
Metanol 19,930
Etanol 28,865
n-Propanol 30,680
Izopropanol 30,447
n-Butanol 33,075
Izobutanol 32,959
Terț-butanol 32,587
n-Pentanol 34,727
Eteri
Metoximetan 28,703
Etoxietan 33,867
Propoxipropan 36,355
Butoxibutan 37,798
Aldehide și cetone
Metanal (formaldehidă) 17,259
Etanal (acetaldehidă) 24,156
Propanal (propionaldehidă) 28,889
Butanal (butiraldehidă) 31,610
Propanonă (acetonă) 28,548
Alte specii
Grafit 32,808
Hidrogen 120,971
Monoxid de carbon 10,112
Amoniac 18,646
Sulf (solid) 9,163

Puterea calorifică a substanțelor pure are o valoare bine determinată, însă cea a amestecurilor depinde de compoziție, astfel că pentru majoritatea combustibililor valorile din tabele sunt orientative.

Puterea calorifică a câtorva combustibili[13]
Combustibil Qs (MJ/kg) Combustibil Qs (MJ/kg)
Hidrogen 141,80 Benzină 47,30
Metan 55,50 Parafină 46,00
Etan 51,90 Kerosen 46,20
Propan 50,35 Motorină 44,80
Butan 49,50 Metanol 22,7
Pentan Etanol 29,7
Lemn 15,00 Propanol 33,6
Turbă (umedă) 6,00 Etină 49,9
Turbă (uscată) 15,00 Benzen 41,8
Lignit 15,00 Amoniac 22,5
Antracit 27,00 Hidrazină 19,4
Carbon 32,8 Hexamină 30,0

Puterile calorifice ale combustibililor solizi și lichizi folosiți în România sunt (în paranteză puterea calorifică inferioară aproximativă, diferită la fiecare sortiment):

Puterea calorifică a gazului natural din diverse surse[modificare | modificare sursă]

Puterea calorifică superioară a gazului natural depinde de compoziția acestuia, care în practica companiilor distribuitoare de gaz natural se determină prin cromatografie în fază gazoasă. Expresia folosită de ei „puterea calorifică se determină cu cromatograful” trebuie înțeleasă în sensul SR ISO 6976+C2:1999, adică se calculează pe baza compoziției.

Agenția Internațională a Energiei (engleză International Energy Agency - IEA) oferă următoarele date:

Țara Qs (MJ/m3N)
(2005)[23] (2007)[24] (2009)[25]
Algeria 42,000 42,000 42,000
Arabia Saudită 38,000
Bangladesh 36,000
Canada 38,200 38,260 38,110
China 38,931
Indonezia 40,600 40,600 40,600
Iran 39,536 39,356
Olanda 33,320 33,320 33,339
Norvegia 39,877 40,029 39,668
Qatar 41,400
Regatul Unit 39,710 39,799
Rusia 38,231 37,578 37,578
Statele Unite 38,416 38,347 38,341
Turkmenistan 37,700
Uzbekistan 37,889

Puterea calorifică a gazului natural din România[14] este 42 MJ/m3N)[20].

Puterea calorifică inferioară a gazelor naturale este de c. 90 % din cea superioară.

Formule de interpolare[modificare | modificare sursă]

Dacă pentru combustibilii gazoși puterea calorifică se poate determina exact prin calcul pe baza compoziției chimice,[8][9] la combustibilii solizi nu se cunoaște o asemenea metodă.

În tehnica arderii combustibililor compoziția chimică a combustibililor solizi se exprimă ca sumă a participărilor masice ale carbonului, hidrogenului, sulfului, oxigenului, azotului, apei (Wasser) și cenușii (Asche), exprimată de obicei procentual:

C + H + S + O + N + W + A = 100 \,

Din punct de vedere istoric, toate formulele au fost propuse în perioada când căldura se măsura în kcal, astfel că în cele ce urmează ele vor fi prezentate ca atare. Conversia în unități SI se poate face pe baza valorii caloriei folosită în chimie: 1 kcal = 4,184 kJ (exact), sau pe baza valorii caloriei internaționale: 1 kcalIT = 4,1868 kJ (exact), după interpretări.

Pierre Louis Dulong (1785-1838) a presupus că puterea calorifică a unei hidrocarburi este dată de căldura de ardere a carbonului, respectiv a hidrogenului (din care se scade partea de o optime din masa oxigenului, corespunzătoare formării apei, parte considerată chimic deja legată) din componența sa:

Q_s = 80,8 C + 344,62 (H - O/8) \,

unde coeficienții 80,8 și 344,62 sunt puterile calorifice ale carbonului și hidrogenului. Această presupunere s-a dovedit greșită încă din 1845, valorile experimentale diferind cu până la 10 % de cele teoretice.[26] Cu toate astea, această formulă, completată cu influența sulfului, a mai fost folosită încă mult timp:[27]

Q_s = 80,8 C + 344,62 (H - O/8) + 22,5 S \,

Dintre formulele empirice propuse cea mai cunoscută este cea a lui Mendeleev:[28]

Q_s = 81 C + 300 H - 26(O - S) \,

În general, stabilirea unor formule empirice nu este dificilă. Dacă se dispune de o serie de valori determinate experimental, coeficienții formulei de interpolare se pot stabili prin metoda celor mai mici pătrate după eliminarea valorilor cu abateri extreme prin metodele statisticii matematice. Evident, formula obținută este valabilă exclusiv pentru domeniul din care provin valorile măsurate.

Vezi și[modificare | modificare sursă]


Note[modificare | modificare sursă]

  1. ^ Ion C. Ioniță, Despre corectitudinea utilizării termenului putere calorifică, în Lucrările simpozionului de Termotehnică și Mașini Termice, Timișoara, 4-5 nov 1988, vol I, pp. I-01 - I-03
  2. ^ a b c Bazil Popa și colab. Manualul inginerului termotehnician (MIT), vol. 1, București: Editura Tehnică, 1986
  3. ^ Pănoiu, pp. 30-32
  4. ^ Constantin C. Neaga Tratat de generatoare de abur, vol I, București: Editura AGIR, 2001, ISBN 973-8130-67-0
  5. ^ Corneliu Ungureanu ș.a. Combustibili, instalații de ardere, cazane, Timișoara: Editura „Politehnica”, 2006, ISBN 973-9389-21-0
  6. ^ a b c d SR ISO 1928:1995 Combustibili minerali solizi. Determinarea puterii calorifice superioare prin metoda bombei calorimetrice și calculul puterii calorifice inferioare
  7. ^ a b c STAS 3361/1-87 Gaze combustibile naturale. Determinarea puterii calorifice în calorimetru cu circulație de apă
  8. ^ a b c STAS 3361/2-87 Gaze combustibile naturale. calculul puterii calorifice pe baza compoziției chimice
  9. ^ a b c SR ISO 6976+C2:1999 Gaz natural. Calculul puterii calorifice, densității, densității relative și indicelui Wobbe din compoziție
  10. ^ STAS 1647-85 Căldură. Terminologie și simboluri
  11. ^ Ionel, pp. 23-30
  12. ^ a b c Ionel, pp. 31-36
  13. ^ en NIST Chemistry WebBook
  14. ^ a b c d e f g h Hotărârea nr. 179 din 24 aprilie 1993 cu privire la stabilirea prețurilor și tarifelor la unele produse și servicii destinate populației, în condițiile eliminării subvențiilor de la bugetul de stat, București: Monitorul Oficial, nr. 82/30 apr 1993
  15. ^ a b c MIT, vol I, p. 538
  16. ^ a b Cazane pe combustibil solid - Considerații generale, centrale-termice.ro, accesat 2010-02-07
  17. ^ Ioana Ionel ș.a. - Managementul valorificării energetice a biomasei, Timișoara, Ed. „Politehnica”, 2007, p. 21
  18. ^ MIT, vol I, p. 539
  19. ^ Decret nr.240/29 iunie 1982 privind stabilirea unor măsuri pentru gospodarirea judicioasa și reducerea în continuare a consumului de energie electrica, energie termica, gaze naturale, București: Buletinul Oficial nr. 61/30 iun. 1982
  20. ^ a b Ordin nr. 50 din 19 februarie 2002 al ministrului industriei și resurselor pentru aprobarea Listei cuprinzând tipurile de gaze și presiunile de alimentare utilizate la aparatele consumatoare de combustibili gazoși, București: Monitorul Oficial nr. 150/28 feb 2002
  21. ^ a b MIT, vol I, p. 549
  22. ^ STAS 54-80 Combustibil lichid ușor, steauaromana.ro, accesat 2010-02-07
  23. ^ en Key World Energy Statistics (2005), p. 59, iea.org, accesat 2010-08-07
  24. ^ en Key World Energy Statistics (2007), p. 59, iea.org, accesat 2010-08-07
  25. ^ en Key World Energy Statistics (2009), p. 60, iea.org, accesat 2010-08-07
  26. ^ fr Louis Médard, La légende de la loi de Dulong, Revue d'histoire des sciences, 1982, vol. 35, no. 35-4. pp. 321-330
  27. ^ en Babcock and Wilcox Co., Steam/Its Generation and Use, 40th edition, 1992, p. 9-9
  28. ^ Pănoiu, p. 30

Bibliografie[modificare | modificare sursă]

  • Ioana Ionel ș.a. Energoecologia combustibililor fosili, Timișoara, Ed. „Politehnica”, 2004, ISBN 973-625-186-1
  • Nicolae Pănoiu Cazane de abur, București: Editura Didactică și Pedagogică, 1982

Legături externe[modificare | modificare sursă]