연소열

Heat of combustion

일반적으로 연료나 식품(식품 에너지 참조)인 물질의 가열 값(또는 에너지 값 또는 열량 값)은 특정 양의 연소 중에 방출되는 열의 양이다.

열량은 물질이 표준 조건에서 산소와 함께 완전 연소를 겪을 때 로 방출되는 총 에너지다. 화학반응은 일반적으로 탄화수소나 다른 유기분자가 산소와 반응하여 이산화탄소을 형성하고 열을 방출하는 것이다. 다음 수량으로 표시할 수 있다.

  • 연료의 에너지/연료량
  • 연료의 에너지/질량
  • 연료의 에너지/용량

제품의 냉방 허용량과 HO
2 같은 화합물의 응축 허용 여부에 따라 더 높은 발열량과 더 낮은 발열량이라고 불리는 두 종류의 연소가 있다.
높은 열 값은 일반적으로 폭탄 칼로리계로 측정된다. 낮은 열 값은 높은 열 값 시험 데이터로 계산한다. 또한 제품과 반응제의 형성 열 ΔH의
f
차이로 계산될 수도 있다(대부분의 형성 열은 일반적으로 연소 측정 열로 계산되기 때문에 이 접근방식은 다소 인위적이다).
합성chon COUN의 경우 (높은) 연소열은 보통 좋은 근사치(±3%)[1]418 kJ/mol(c + 0.3 h - 0.5 o)이지만, o + n > c일 경우(예를 들어 니트로글리세린, CHNO
3
5
3
9 경우, 이 공식은 0의[2] 연소열을 예측할 수 있다.
분자 산소의 이중 결합이 다른 이중 결합이나 단일 결합 쌍, 특히 연소 생산물인 이산화탄소와 물보다 훨씬 약하기 때문에 이 값은 발열 반응(엔탈피의 부정적인 변화)에 해당한다; 산소의 약한 결합을 이산화탄소의 강한 결합으로 전환한다. 에너지를 [1]열로 방출하다

관례에 따라 연소열은 수소가 (액체상태에서) 물로 변환되고, 탄소가 이산화탄소가스로 변환되며, 질소가 질소 가스로 변환되는 등, 표준상태에서 화합물의 완전한 연소를 위해 방출되는 열로 정의된다. 즉, 연소열 ΔH°comb는 다음과 같은 프로세스의 반응열이다.

C
c
H
h
N
n
O
o
(std.) + O
2
(g, xs.) → cCO
2
(g) +
½HO
2
(l) + ½N
2
(g)

염소와 황은 표준화되어 있지 않다. 염소와 황은 보통 수소 염화 가스와 SO
2
또는 SO
3
가스로 변환하거나, 어느 정도의 물을 함유한 폭탄에서 연소를 실시할 때 수성 염산과 황산을 희석하는 것으로 가정한다.[3][obsolete source]

결정 방법

그로스 앤드 네트

Zwolinski와 Wilhoit는 1972년에 연소의 열을 "총"과 "순" 값을 정의했다. 총체적 정의에서 제품은 HO
2
(l), Br
2
(l), I
2
(s), HSO
2

4
(l)와 같은 가장 안정적인 화합물이다.
순 정의에서 제품은 HO(g
2
) Br
2
(g) I
2
(g) 및 SO
2
(g)와 같은 개방 불꽃에서 화합물이 연소될 때 생산되는 제품이다.
두 정의에서 C, F, Cl, N의 제품은 각각 CO
2
(g) HF(g) Cl
2
(g)와 N(g
2
)이다.[4]


둘롱스 포뮬러

연료의 가열 값은 연료의 최종 분석 결과를 사용하여 계산할 수 있다. 분석을 통해 연료 내 가연성 물질(탄소, 수소, )의 비율을 알 수 있다. 이들 원소의 연소열을 알기 때문에 두롱의 포뮬라를 이용하여 가열값을 계산할 수 있다.

HV= 33.7 + 144(H2 - O2 ÷ 8) + 9.3 S

높은 난방 값

더 높은 난방 값(HHV; 총 에너지, 높은 난방 값, 총 열량GCV 또는 더 높은 열량 값, HCV)은 연료의 완전 연소에 의해 생성되는 가용 열 에너지의 상한값을 나타낸다. 단위 질량이나 물질의 부피당 에너지의 단위로 측정한다. HHV는 모든 연소 생성물을 원래 연소 전 온도로 되돌리고, 특히 생성된 증기를 응축하여 결정한다. 이러한 측정은 종종 25 °C(77 °F, 298 K)의 표준 온도를 사용한다.[citation needed] 이는 반응에 대한 엔탈피 변화가 연소 전과 후 화합물의 공통 온도를 가정하고, 이 경우 연소에 의해 생성된 물이 액체로 응축되기 때문에 연소 열역학 열과 동일하다. 높은 난방 값은 연소 제품에서 기화 잠열을 고려하며, 반응 제품의 응결이 실용적인 연료(예: 공간 열에 사용되는 가스 연소 보일러)의 난방 값을 계산하는 데 유용하다. 즉, HHV는 모든 물 성분이 연소 종료 시 액체 상태(연소의 산물)에 있고 150 °C(302 °F) 미만의 온도에서 전달되는 열을 사용할 수 있다고 가정한다.

낮은 난방 값

낮은 난방 값(LHV, 순열량 값, NCV 또는 낮은 열량 값, LCV)은 연료 연소에 의해 생성되는 사용 가능한 열 에너지의 또 다른 척도로 단위 질량 또는 물질 부피 당 에너지 단위로 측정된다. HHV와 대조적으로, LHV는 정확한 정의가 균일하게 합의되지는 않았지만 물을 기화시키는 데 사용되는 에너지와 같은 에너지 손실을 고려한다. 한 가지 정의는 단순히 높은 난방 값에서 물의 기화 열을 빼는 것이다. 이것은 형성된 HO를2 증기로 취급한다. 따라서 물을 증발시키는 데 필요한 에너지는 열로 방출되지 않는다.

LHV 계산은 연소 과정의 모든 물이 연소 과정 후 액체 상태에 있다고 가정하는 높은 가열 값(HHV)(예: 총 열량또는CV)과는 반대로 연소 과정의 물 구성 요소가 연소 종료 시 증기 상태에 있다고 가정한다.

LHV의 또 다른 정의는 제품을 150 °C(302 °F)로 냉각할 때 방출되는 열의 양이다. 을 비롯한 반응생물의 기화잠열은 회복되지 않는다는 뜻이다. 연소 제품의 응결이 비현실적이거나 150 °C(302 °F) 미만의 온도에서 열을 사용할 수 없는 연료를 비교하는 데 유용하다.

미국석유연구소(API)가 채택한 낮은 난방 값의 정의 중 하나는 기준 온도 60°F(15+59 °C)를 사용한다.

가스프로세서공급자협회(GPSA)가 사용하고 원래 API(API 연구 프로젝트를 위해 수집된 데이터)에서 사용하는 또 다른 정의는 모든 연소생물의 엔탈피에서 기준온도에서 연료의 엔탈피를 뺀 것이다(API 연구 프로젝트 44는 25 °C를 사용한다). GPSA는 현재 60 °F)를 사용하며, 기준 온도에서 스토이히메트릭 산소(O2)의 엔탈피를 뺀 값에서 연소 제품의 증기 함량 기화 열을 뺀 값이다.

연소 생성물이 모두 기준 온도로 되돌아가는 정의는 다른 정의를 사용할 때보다 높은 가열 값에서 더 쉽게 계산되며, 실제로 약간 다른 답을 제공한다.

총 난방 값

총 난방 값은 LHV와 마찬가지로 수증기로 남기는 배기의 물을 설명하지만, 총 난방 값에는 연소 전에 연료에 액체 상태의 물이 포함된다. 이 값은 나무석탄과 같은 연료에 중요하다. 연료는 보통 연소하기 전에 어느 정도의 물을 함유한다.

가열 값 측정

더 높은 난방 값은 폭탄 칼로리계에서 실험적으로 결정된다. 25°C(77°F)에서 강철 용기의 연료와 산화제(예: 수소 두더지 및 산소 한 더미)의 스토오치계 혼합물 연소는 점화장치에 의해 시작되며 반응이 완료된다. 연소 중에 수소와 산소가 반응하면 수증기가 발생한다. 그런 다음 용기와 용기의 내용물을 원래 25°C로 냉각하고 동일한 초기 온도와 최종 온도 사이에서 방출되는 열로 더 높은 가열 값을 결정한다.

낮은 난방값(LHV)이 결정되면 냉각은 150 °C에서 멈추고 반응열은 부분적으로만 회수된다. 150 °C의 한계는 산성가스 이슬점을 기준으로 한다.

참고: 높은 가열 값(HHV)은 물이 액체 형태일 때 계산하고 낮은 가열 값(LHV)은 물이 증기 형태일 때 계산한다.

가열 값 사이의 관계

두 난방값의 차이는 연료의 화학적 구성에 따라 달라진다. 순수 탄소나 일산화탄소의 경우, 두 개의 가열 값은 거의 동일하며, 차이는 150 °C에서 25 °C 사이의 이산화탄소의 지각 있는 열 함량이다. (감지 열 교환은 온도 변화를 일으키는 반면, 상온에서 위상 전환에 대해서잠열이 추가 또는 감산된다. 예: 기화열 또는 융해열) 수소의 경우 150 °C에서 100 °C 사이의 수증기 감지열, 100 °C에서 응축수 잠열, 100 °C에서 25 °C 사이의 응축수 감지열이 포함되기 때문에 차이가 훨씬 더 크다. 전반적으로 수소의 높은 가열 값은 낮은 가열 값(142 MJ/kg 대 120 MJ/kg)보다 18.2% 높다. 탄화수소의 경우 차이는 연료의 수소 함량에 따라 달라진다. 가솔린디젤의 경우 가열 값이 높을수록 낮은 난방 값이 각각 10%와 7% 이상, 천연 가스의 경우 약 11% 이상 초과된다.

HHV와 LHV를 연결하는 일반적인 방법은 다음과 같다.

여기서 Hv 물의 기화열, nH
2
O
,out
수증기의 두더지 수, nfuel,in 연료가 연소하는 두더지 수이다.[5]

  • 연료를 태우는 대부분의 애플리케이션은 수증기를 생성하는데, 수증기는 사용되지 않아 열량이 낭비된다. 이러한 응용 프로그램에서는 공정에 대한 '벤치마크'를 제공하기 위해 낮은 난방값을 사용해야 한다.
  • 그러나 일부 특정 사례에서 실제 에너지 계산의 경우 더 높은 난방 값이 정확하다. 이것은 특히 높은 수소 함량이 많은 천연 가스를 연소에 의해 생성된 수증기를 응축하는 연도 가스 응축으로 응축 보일러발전소에서 연소할 때, 그렇지 않으면 낭비되는 열을 회수하는 것과 관련이 있다.

용어의 사용

엔진 제조업체는 일반적으로 배기 가스가 엔진에 응축되지 않기 때문에 엔진 연료 소비량을 낮은 난방 값으로 평가하며, 이를 통해 기존 발전소 용어로 사용되는 것보다 더 매력적인 수치를 발표할 수 있다. 기존 전력업계는 사실상 이들 발전소가 모두 배기가스를 응축하지 않았음에도 수십 년 동안 HHV(고열치)를 독점적으로 사용해 왔다. 미국 소비자들은 높은 난방가치에 근거한 해당 연료소비 수치가 다소 더 높을 것이라는 것을 알아야 한다.

HHV와 LHV 정의의 차이는 인용자들이 사용 중인 규약을 굳이 명시하지 않을 때 끝없는 혼란을 야기한다.[6] 발전소가 천연가스를 연소시키는 두 방법 사이에는 일반적으로 10%의 차이가 있기 때문이다. 단순하게 반응의 일부를 벤치마킹하는 경우 LHV가 적절할 수 있지만 혼동을 피하기 위한 경우 전체적인 에너지 효율 계산에 HHV를 사용해야 하며, 어떤 경우든 가치나 관행이 명확하게 명시되어야 한다.

습기회계

HHV와 LHV 모두 AR(모든 수분 계수), MF, MAF(수소 연소 시 발생하는 물만)로 표현할 수 있다. 일반적으로 AR, MF 및 MAF는 석탄의 가열 값을 나타내기 위해 사용된다.

  • AR(수신된 경우)은 모든 수분 및 재 형성 광물이 존재하는 상태에서 연료 가열 값을 측정했음을 나타낸다.
  • MF(무정수) 또는 건조는 연료가 모든 고유 습기로 건조되었지만 여전히 회분 형성 광물을 유지한 후에 연료 난방 값이 측정되었음을 나타낸다.
  • MAF(무수분 및 무회분) 또는 DAF(건조 및 무회분)는 고유 수분 및 재 형성 광물이 없을 때 연료 가열 값이 측정되었음을 나타낸다.

연소표 열

더 높은(HHV) 및 더 낮은(LHV) 가열 값
25 °C에서 일부 일반[7] 연료의
연료 HHV LHV
MJ/kg BTU/lb kJ/ MJ/kg
수소 141.80 61,000 286 119.96
메탄 55.50 23,900 890 50.00
이데인 51.90 22,400 1,560 47.62
프로판 50.35 21,700 2,220 46.35
부탄 49.50 20,900 2,877 45.75
펜탄 48.60 21,876 3,509 45.35
파라핀 왁스 46.00 19,900 41.50
등유 46.20 19,862 43.00
디젤 44.80 19,300 43.4
석탄(antracite) 32.50 14,000
석탄(라이그나이트 - 미국) 15.00 6,500
목재(MAF) 21.70 8,700
목재 연료 21.20 9,142 17.0
피트(건조) 15.00 6,500
피트(덤프) 6.00 2,500
높은 난방 값
좀 덜 흔한[7] 연료의
연료 MJ/kg BTU/lb kJ/
메탄올 22.7 9,800 726
에탄올 29.7 12,800 1,367
1-프로판올 33.6 14,500 2,020
아세틸렌 49.9 21,500 1,300
벤젠 41.8 18,000 3,268
암모니아 22.5 9,690 382.6
히드라진 19.4 8,370 622.0
헥사민 30.0 12,900 4,200.0
탄소 32.8 14,100 393.5
일부 유기 화합물의 가열 값 낮음
(25°C [77°F][citation needed]에서)
연료 MJ/kg MJ/L BTU/lb kJ/
알칸스
메탄 50.009 6.9 21,504 802.34
이데인 47.794 20,551 1,437.2
프로판 46.357 25.3 19,934 2,044.2
부탄 45.752 19,673 2,659.3
펜탄 45.357 28.39 21,706 3,272.6
헥산 44.752 29.30 19,504 3,856.7
헵탄 44.566 30.48 19,163 4,465.8
옥탄 44.427 19,104 5,074.9
노네인 44.311 31.82 19,054 5,683.3
데케인 44.240 33.29 19,023 6,294.5
언데인 44.194 32.70 19,003 6,908.0
도데케인 44.147 33.11 18,983 7,519.6
이소파라핀스
이소부탄 45.613 19,614 2,651.0
이소펜탄 45.241 27.87 19,454 3,264.1
2-메틸펜탄 44.682 29.18 19,213 3,850.7
2,3-디메틸부탄 44.659 29.56 19,203 3,848.7
2,3-디메틸펜탄 44.496 30.92 19,133 4,458.5
2,2,4-트리메틸펜탄 44.310 30.49 19,053 5,061.5
나프테네스
사이클로펜테인 44.636 33.52 19,193 3,129.0
메틸사이클로펜테인 44.636? 33.43? 19,193? 3,756.6?
사이클로헥산 43.450 33.85 18,684 3,656.8
메틸사이클로헥산 43.380 33.40 18,653 4,259.5
모놀레핀스
에틸렌 47.195
프로필렌 45.799
1-부틴 45.334
시스-2-부틴 45.194
trans-2-Butene 45.124
이소부텐 45.055
1-펜틴 45.031
2-메틸-1-펜틴 44.799
1-헥센 44.426
디올레핀스
1,3-부타디엔 44.613
이솝렌 44.078 -
질소 유도체
니트로메탄 10.513
니트로프로판 20.693
아세틸렌
아세틸렌 48.241
메틸아세틸렌 46.194
1-부티네 45.590
1-펜티네 45.217
아로마틱스
벤젠 40.170
톨루엔 40.589
오자일렌 40.961
m자일렌 40.961
p-자일렌 40.798
에틸벤젠 40.938
1,2,4-트리메틸벤젠 40.984
n-프로필벤젠 41.193
쿠메네 41.217
알코올스
메탄올 19.930 15.78 8,570 638.6
에탄올 26.70 22.77 12,412 1,230.1
1-프로판올 30.680 24.65 13,192 1,843.9
이소프로판올 30.447 23.93 13,092 1,829.9
n-부탄올 33.075 26.79 14,222 2,501.6
이소부탄올 32.959 26.43 14,172 2,442.9
테르트부탄올 32.587 25.45 14,012 2,415.3
n-펜탄올 34.727 28.28 14,933 3,061.2
이소아밀 알코올 31.416? 35.64? 13,509? 2,769.3?
에테르스
메톡시메탄 28.703 12,342 1,322.3
에톡시에탄 33.867 24.16 14,563 2,510.2
프로폭시프로판 36.355 26.76 15,633 3,568.0
부톡시부탄 37.798 28.88 16,253 4,922.4
알데히데스와 케톤
포름알데히드 17.259 570.78 [8]
아세트알데히드 24.156
프로피온알데히드 28.889
부티랄데히드 31.610
아세톤 28.548 22.62
기타종
탄소(그래피이트) 32.808
수소 120.971 1.8 52,017 244
일산화탄소 10.112 4,348 283.24
암모니아 18.646 8,018 317.56
(고체) 9.163 3,940 293.82
참고
  • 탄소, 일산화탄소 및 황의 연소에 대한 가열 하한값과 고열값 사이에는 차이가 없다. 왜냐하면 이러한 물질의 연소 중에는 물이 형성되지 않기 때문이다.
  • BTU/lb 값은 MJ/kg(1 MJ/kg = 430 BTU/lb)에서 계산한다.

다양한 천연가스의 높은 가열 값

국제 에너지 기구는 표준 입방 미터당 다음과 같은 높은 가열 값을 보고한다.[9]

천연가스의 낮은 난방가치는 보통 높은 난방가치의 약 90%이다. 이 표는 표준 입방 미터(1 atm, 15 °C)에 있으며, 일반 입방 미터(1 atm, 0 °C)당 값으로 변환하고, 위의 표에 1.0549를 곱한다.

참고 항목

참조

  • Guibet, J.-C. (1997). Carburants et moteurs. Publication de l'Institut Français du Pétrole. ISBN 978-2-7108-0704-9.
  1. ^ Jump up to: a b Schmidt-Rohr, K (2015). "Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2". J. Chem. Educ. 92 (12): 2094–2099. Bibcode:2015JChEd..92.2094S. doi:10.1021/acs.jchemed.5b00333.
  2. ^ 그러나 니트로글리세린과 같은 화합물은 공기나 산소와 반응한다는 의미에서 실제로 "혼합"되지 않는다는 점에 유의한다. 니트로글리세린은 폭발하여 열을 발산하지만, 이것은 니트로글리세린과 반응하기 위해 분자 산소가 필요하지 않은 분해물이다. 이 공식은 또한 포름알데히드일산화탄소에 대해 좋지 않은 결과를 준다.
  3. ^ Kharasch, M.S. (February 1929). "Heats of combustion of organic compounds". Bureau of Standards Journal of Research. 2 (2): 359. doi:10.6028/jres.002.007. ISSN 0091-1801.
  4. ^ Zwolinski, BJ, & Wilhoit, RC (iii) 미국물리학연구소 핸드북, 3부, D.E. Gray, Ed, McGraw-Hill, pp. 4-316-342. https://web.mit.edu/8.13/8.13c/references-fall/aip/aip-handbook-section4l.pdf
  5. ^ Air Quality Engineering, CE 218A, W. Nazaroff 및 R. 2007년 캘리포니아 버클리 대학교 할리
  6. ^ "The difference between LCV and HCV (or Lower and Higher Heating Value, or Net and Gross) is clearly understood by all energy engineers. There is no 'right' or 'wrong' definition. - Claverton Group". www.claverton-energy.com.
  7. ^ Jump up to: a b Linstrom, Peter (1997). "NIST Chemistry WebBook". webbook.nist.gov. doi:10.18434/T4D303.
  8. ^ "Methanal". webbook.nist.gov.
  9. ^ "Key World Energy Statistics (2016)" (PDF). iea.org.

외부 링크