Chaleur de combustion - Heat of combustion
Le pouvoir calorifique (ou valeur énergétique ou pouvoir calorifique ) d'une substance , généralement un combustible ou un aliment (voir énergie alimentaire ), est la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion d'une quantité spécifiée de celle-ci.
Le pouvoir calorifique est l' énergie totale libérée sous forme de chaleur lorsqu'une substance subit une combustion complète avec de l' oxygène dans des conditions standard . La réaction chimique est généralement un hydrocarbure ou une autre molécule organique réagissant avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone et de l' eau et libérer de la chaleur. Elle peut être exprimée avec les quantités :
- énergie/ mole de carburant
- énergie/masse de carburant
- énergie/volume du carburant
Il existe deux types d'enthalpie de combustion, appelées pouvoir calorifique supérieur et inférieur, selon le degré de refroidissement des produits et si des composés comme H
2O sont autorisés à se condenser. Les valeurs calorifiques élevées sont classiquement mesurées avec un calorimètre à bombe . Les faibles valeurs calorifiques sont calculées à partir des données d'essai à haute valeur calorifique. Ils peuvent également être calculés comme la différence entre la chaleur de formation Δ H⦵
fdes produits et des réactifs (bien que cette approche soit quelque peu artificielle puisque la plupart des chaleurs de formation sont généralement calculées à partir des chaleurs de combustion mesurées). Pour un combustible de composition C c H h O o N n , la chaleur (plus élevée) de combustion est de 418 kJ/mol ( c + 0,3 h − 0,5 o ) généralement à une bonne approximation (± 3 %), bien qu'elle puisse être significativement off si o + n > c (par exemple dans le cas de la nitroglycérine , C
3H
5N
3O
9, cette formule prédirait une chaleur de combustion de 0). La valeur correspond à une réaction exothermique (une variation négative de l' enthalpie ) car la double liaison dans l'oxygène moléculaire est beaucoup plus faible que les autres doubles liaisons ou paires de liaisons simples, en particulier celles dans les produits de combustion dioxyde de carbone et eau ; la conversion des liaisons faibles de l' oxygène en liaisons plus fortes du dioxyde de carbone et de l' eau libère de l'énergie sous forme de chaleur.
Par convention, la chaleur (plus élevée) de combustion est définie comme la chaleur dégagée pour la combustion complète d'un composé dans son état standard pour former des produits stables dans leurs états standard : l'hydrogène est converti en eau (à l'état liquide), en carbone est converti en dioxyde de carbone gazeux et l'azote est converti en azote gazeux. C'est-à-dire que la chaleur de combustion, H ° comb , est la chaleur de réaction du processus suivant :
-
C
cH
hN
mO
o(standard) + O
2(g, xs.) → c CO
2(g) + h / 2 H
2O (l) + n / 2 N
2 (g)
Le chlore et le soufre ne sont pas tout à fait standardisés ; ils sont généralement supposés se convertir en chlorure d'hydrogène gazeux et en SO
2ou SO
3 respectivement, ou pour diluer les acides chlorhydrique et sulfurique aqueux, respectivement, lorsque la combustion est conduite dans une bombe contenant une certaine quantité d'eau.
Moyens de détermination
Brut et net
Zwolinski et Wilhoit ont défini, en 1972, des valeurs « brutes » et « nettes » pour les chaleurs de combustion. Dans la définition brute, les produits sont les composés les plus stables, par exemple H
2O (l), Br
2(l), je
2(s) et H
2DONC
4(l). Dans la définition nette, les produits sont ceux produits lorsque le composé est brûlé dans une flamme nue, par exemple H
2O (g) Br
2(g) je
2(g) et SO
2(g). Dans les deux définitions, les produits pour C, F, Cl et N sont CO
2(g) HF (g) Cl
2(g) et N
2(g) respectivement.
La formule de Dulong
Le pouvoir calorifique d'un combustible peut être calculé avec les résultats de l'analyse finale du combustible. A partir de l'analyse, les pourcentages des combustibles dans le carburant ( Carbone , Hydrogène , Soufre ) sont connus. Puisque la chaleur de combustion de ces éléments est connue, la valeur calorifique peut être calculée à l'aide de la formule de Dulong.
HV= 33,7 + 144(H 2 - O 2 8) + 9,3 S
Pouvoir calorifique supérieur
Le pouvoir calorifique supérieur (HHV; énergie brute , la valeur calorifique supérieure , le pouvoir calorifique GCV , ou le pouvoir calorifique supérieur ; HCV ) indique la limite supérieure de l'énergie thermique disponible produite par une combustion complète du combustible. Elle est mesurée en unité d'énergie par unité de masse ou de volume de substance. La HHV est déterminée en ramenant tous les produits de combustion à la température initiale de précombustion, et en particulier en condensant toute vapeur produite. Ces mesures utilisent souvent une température standard de 25 °C (77 °F; 298 K). C'est la même que la chaleur thermodynamique de combustion puisque le changement d' enthalpie pour la réaction suppose une température commune des composés avant et après la combustion, auquel cas l'eau produite par la combustion est condensée en un liquide. Le pouvoir calorifique supérieur tient compte de la chaleur latente de vaporisation de l' eau dans les produits de combustion et est utile pour calculer les pouvoirs calorifiques des combustibles où la condensation des produits de réaction est pratique (par exemple, dans une chaudière à gaz utilisée pour le chauffage des locaux) . En d'autres termes, HHV suppose que tout le composant eau est à l'état liquide à la fin de la combustion (en produit de combustion) et que la chaleur délivrée à des températures inférieures à 150 °C (302 °F) peut être utilisée.
Valeur de chauffage plus basse
La valeur calorifique inférieur (PCI, le pouvoir calorifique inférieur ; NCV ou le pouvoir calorifique inférieur ; LCV ) est une autre mesure de l' énergie thermique disponible produite par une combustion de carburant, mesurée comme une unité d'énergie par unité de masse ou de volume de la substance. Contrairement au HHV, le LHV considère les pertes d'énergie telles que l'énergie utilisée pour vaporiser l'eau - bien que sa définition exacte ne soit pas uniformément acceptée. Une définition consiste simplement à soustraire la chaleur de vaporisation de l'eau du pouvoir calorifique supérieur. Cela traite tout H 2 O formé comme une vapeur. L'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau n'est donc pas libérée sous forme de chaleur.
Les calculs de PCI supposent que la composante eau d'un processus de combustion est à l'état de vapeur à la fin de la combustion, par opposition au pouvoir calorifique supérieur (PCS) (alias pouvoir calorifique brut ou CV brut ) qui suppose que toute l'eau dans une combustion processus est à l'état liquide après un processus de combustion.
Une autre définition du PCI est la quantité de chaleur dégagée lorsque les produits sont refroidis à 150 °C (302 °F). Cela signifie que la chaleur latente de vaporisation de l' eau et des autres produits de réaction n'est pas récupérée. Il est utile pour comparer les combustibles où la condensation des produits de combustion est peu pratique, ou la chaleur à une température inférieure à 150 °C (302 °F) ne peut pas être utilisée.
Une définition de pouvoir calorifique inférieur, adoptée par l' American Petroleum Institute (API), utilise une température de référence de 60 °F ( 15+5 ± 9 °C).
Une autre définition, utilisée par la Gas Processors Suppliers Association (GPSA) et utilisée à l'origine par l'API (données collectées pour le projet de recherche API 44), est l' enthalpie de tous les produits de combustion moins l'enthalpie du carburant à la température de référence (projet de recherche API 44 utilisé 25 ° C. GPSA utilise actuellement 60 ° F), moins l'enthalpie de l' oxygène stoechiométrique (O 2 ) à la température de référence, moins la chaleur de vaporisation de la teneur en vapeur des produits de combustion.
La définition dans laquelle les produits de combustion sont tous ramenés à la température de référence se calcule plus facilement à partir du pouvoir calorifique supérieur qu'en utilisant d'autres définitions et donnera en fait une réponse légèrement différente.
Pouvoir calorifique brut
Le pouvoir calorifique brut tient compte de l'eau dans les gaz d'échappement qui s'échappe sous forme de vapeur, tout comme le PCI, mais le pouvoir calorifique brut comprend également l'eau liquide dans le carburant avant la combustion. Cette valeur est importante pour les combustibles comme le bois ou le charbon , qui contiennent généralement une certaine quantité d'eau avant de brûler.
Mesure des valeurs calorifiques
Le pouvoir calorifique supérieur est déterminé expérimentalement dans un calorimètre à bombe . La combustion d'un mélange stoechiométrique de combustible et de comburant (par exemple deux moles d'hydrogène et une mole d'oxygène) dans un récipient en acier à 25 °C (77 °F) est amorcée par un dispositif d'allumage et les réactions se terminent. Lorsque l'hydrogène et l'oxygène réagissent lors de la combustion, de la vapeur d'eau est produite. Le récipient et son contenu sont ensuite refroidis à 25 °C d'origine et la valeur calorifique la plus élevée est déterminée comme la chaleur libérée entre des températures initiale et finale identiques.
Lorsque le pouvoir calorifique inférieur (PCI) est déterminé, le refroidissement est arrêté à 150 °C et la chaleur de réaction n'est que partiellement récupérée. La limite de 150 °C est basée sur le point de rosée des gaz acides .
Remarque : Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) est calculé avec le produit de l'eau sous forme liquide, tandis que le pouvoir calorifique inférieur (LHV) est calculé avec le produit de l'eau sous forme de vapeur .
Relation entre les valeurs calorifiques
La différence entre les deux pouvoirs calorifiques dépend de la composition chimique du combustible. Dans le cas du carbone pur ou du monoxyde de carbone, les deux pouvoirs calorifiques sont quasiment identiques, la différence étant la teneur en chaleur sensible du dioxyde de carbone comprise entre 150 °C et 25 °C. ( L' échange de chaleur sensible provoque un changement de température, tandis que la chaleur latente est ajoutée ou soustraite pour les transitions de phase à température constante. Exemples : chaleur de vaporisation ou chaleur de fusion .) Pour l' hydrogène la différence est beaucoup plus importante car elle inclut la chaleur sensible de la vapeur d'eau entre 150 °C et 100 °C, la chaleur latente de condensation à 100 °C et la chaleur sensible de l'eau condensée entre 100 °C et 25 °C. Au total, le pouvoir calorifique supérieur de l'hydrogène est supérieur de 18,2 % à son pouvoir calorifique inférieur (142 MJ/kg contre 120 MJ/kg). Pour les hydrocarbures, la différence dépend de la teneur en hydrogène du carburant. Pour l' essence et le diesel, le pouvoir calorifique supérieur dépasse le pouvoir calorifique inférieur d'environ 10 % et 7 %, respectivement, et pour le gaz naturel d'environ 11 %.
Une méthode courante pour relier HHV à LHV est :
où H v est la chaleur de vaporisation de l'eau, n H
2O ,out est le nombre de moles d'eau vaporisée et n carburant,in est le nombre de moles de carburant brûlé.
- La plupart des applications qui brûlent du carburant produisent de la vapeur d'eau, qui n'est pas utilisée et gaspille ainsi son contenu calorifique. Dans de telles applications, la valeur calorifique inférieure doit être utilisée pour donner une « référence » pour le processus.
- Cependant, pour de vrais calculs d'énergie dans certains cas spécifiques, le pouvoir calorifique supérieur est correct. Ceci est particulièrement pertinent pour le gaz naturel , dont la teneur élevée en hydrogène produit beaucoup d'eau, lorsqu'il est brûlé dans des chaudières à condensation et des centrales électriques avec condensation des fumées qui condensent la vapeur d'eau produite par la combustion, récupérant la chaleur qui serait autrement gaspillée.
Utilisation des termes
Les constructeurs de moteurs évaluent généralement la consommation de carburant de leurs moteurs en fonction des valeurs calorifiques inférieures, car les gaz d'échappement ne sont jamais condensés dans le moteur, ce qui leur permet de publier des chiffres plus attrayants que ceux utilisés en termes de centrales électriques conventionnelles. L'industrie de l'électricité conventionnelle avait utilisé HHV (haut pouvoir calorifique) exclusivement pendant des décennies, même si pratiquement toutes ces centrales ne condensaient pas non plus les gaz d'échappement. Les consommateurs américains doivent savoir que le chiffre de consommation de carburant correspondant basé sur le pouvoir calorifique supérieur sera un peu plus élevé.
La différence entre les définitions HHV et LHV provoque une confusion sans fin lorsque les guillemets ne prennent pas la peine d'indiquer la convention utilisée. puisqu'il y a typiquement une différence de 10 % entre les deux méthodes pour une centrale électrique brûlant du gaz naturel. Pour comparer simplement une partie d'une réaction, le PCI peut être approprié, mais le PCI devrait être utilisé pour les calculs d'efficacité énergétique globale, ne serait-ce que pour éviter toute confusion, et dans tous les cas, la valeur ou la convention devrait être clairement indiquée.
Prise en compte de l'humidité
Les HHV et LHV peuvent être exprimés en termes d'AR (toute humidité comptée), MF et MAF (uniquement l'eau provenant de la combustion d'hydrogène). AR, MF et MAF sont couramment utilisés pour indiquer les pouvoirs calorifiques du charbon :
- AR (tel que reçu) indique que la valeur calorifique du combustible a été mesurée avec tous les minéraux formant de l'humidité et des cendres présents.
- MF (sans humidité) ou sec indique que la valeur calorifique du carburant a été mesurée après que le carburant a été séché de toute l'humidité inhérente tout en conservant ses minéraux formant des cendres.
- Le MAF (sans humidité et sans cendres) ou DAF (sec et sans cendres) indique que le pouvoir calorifique du carburant a été mesuré en l'absence de minéraux intrinsèques formant de l'humidité et des cendres.
Tables de chaleur de combustion
Carburant | PCS | PCI | ||
---|---|---|---|---|
MJ /kg | BTU /lb | kJ / mol | MJ/kg | |
Hydrogène | 141,80 | 61 000 | 286 | 119,96 |
Méthane | 55,50 | 23 900 | 890 | 50,00 |
Éthane | 51,90 | 22 400 | 1 560 | 47,62 |
Propane | 50.35 | 21 700 | 2 220 | 46.35 |
Butane | 49,50 | 20 900 | 2 877 | 45,75 |
pentane | 48,60 | 21 876 | 3 509 | 45.35 |
Paraffine | 46.00 | 19 900 | 41,50 | |
Kérosène | 46.20 | 19 862 | 43,00 | |
Diesel | 44,80 | 19 300 | 43,4 | |
Charbon ( anthracite ) | 32,50 | 14 000 | ||
Charbon ( lignite - USA ) | 15.00 | 6 500 | ||
Bois ( CRG ) | 21,70 | 8 700 | ||
Bois de chauffage | 21.20 | 9 142 | 17,0 | |
Tourbe (sèche) | 15.00 | 6 500 | ||
Tourbe (humide) | 6.00 | 2500 |
Carburant | MJ /kg | BTU /lb | kJ / mol |
---|---|---|---|
Méthanol | 22,7 | 9 800 | 726 |
Éthanol | 29,7 | 12.800 | 1 367 |
1-Propanol | 33,6 | 14 500 | 2 020 |
Acétylène | 49,9 | 21 500 | 1 300 |
Benzène | 41,8 | 18 000 | 3 268 |
Ammoniac | 22,5 | 9 690 | 382,6 |
hydrazine | 19.4 | 8 370 | 622.0 |
Hexamine | 30,0 | 12.900 | 4 200,0 |
Carbone | 32,8 | 14 100 | 393,5 |
Carburant | MJ /kg | MJ / L | BTU /lb | kJ / mol |
---|---|---|---|---|
Alcanes | ||||
Méthane | 50.009 | 6.9 | 21 504 | 802.34 |
Éthane | 47.794 | - | 20 551 | 1 437,2 |
Propane | 46.357 | 25,3 | 19 934 | 2 044,2 |
Butane | 45.752 | - | 19 673 | 2 659,3 |
pentane | 45,357 | 28.39 | 21 706 | 3 272,6 |
Hexane | 44.752 | 29.30 | 19 504 | 3 856,7 |
heptane | 44.566 | 30.48 | 19 163 | 4 465,8 |
Octane | 44.427 | - | 19 104 | 5 074,9 |
Nonane | 44.311 | 31,82 | 19 054 | 5 683,3 |
Décane | 44.240 | 33.29 | 19 023 | 6 294,5 |
Undécane | 44.194 | 32,70 | 19 003 | 6 908,0 |
dodécane | 44.147 | 33.11 | 18 983 | 7 519,6 |
Isoparaffines | ||||
Isobutane | 45.613 | - | 19 614 | 2 651,0 |
Isopentane | 45.241 | 27,87 | 19 454 | 3 264,1 |
2-Méthylpentane | 44.682 | 29.18 | 19 213 | 3 850,7 |
2,3-Diméthylbutane | 44.659 | 29.56 | 19 203 | 3 848,7 |
2,3-Diméthylpentane | 44.496 | 30,92 | 19 133 | 4 458,5 |
2,2,4-Triméthylpentane | 44.310 | 30.49 | 19 053 | 5 061,5 |
naphtènes | ||||
Cyclopentane | 44.636 | 33.52 | 19 193 | 3 129,0 |
Méthylcyclopentane | 44.636 ? | 33,43 ? | 19 193 ? | 3 756,6 ? |
Cyclohexane | 43.450 | 33,85 | 18 684 | 3 656,8 |
Méthylcyclohexane | 43.380 | 33.40 | 18 653 | 4 259,5 |
Monooléfines | ||||
Éthylène | 47,195 | - | - | - |
Propylène | 45.799 | - | - | - |
1-Butène | 45.334 | - | - | - |
cis -2-butène | 45.194 | - | - | - |
trans -2-butène | 45.124 | - | - | - |
Isobutène | 45.055 | - | - | - |
1-Pentène | 45.031 | - | - | - |
2-Méthyl-1-pentène | 44.799 | - | - | - |
1-Hexène | 44.426 | - | - | - |
Dioléfines | ||||
1,3-butadiène | 44.613 | - | - | - |
Isoprène | 44,078 | - | - | - |
Dérivé nitreux | ||||
Nitrométhane | 10.513 | - | - | - |
Nitropropane | 20.693 | - | - | - |
Acétylènes | ||||
Acétylène | 48.241 | - | - | - |
Méthylacétylène | 46.194 | - | - | - |
1-Butyne | 45.590 | - | - | - |
1-Pentyne | 45.217 | - | - | - |
Aromatiques | ||||
Benzène | 40.170 | - | - | - |
Toluène | 40,589 | - | - | - |
o -Xylène | 40,961 | - | - | - |
m -Xylène | 40,961 | - | - | - |
p- xylène | 40,798 | - | - | - |
Éthylbenzène | 40.938 | - | - | - |
1,2,4-Triméthylbenzène | 40,984 | - | - | - |
n- propylbenzène | 41.193 | - | - | - |
Cumène | 41.217 | - | - | - |
Alcools | ||||
Méthanol | 19.930 | 15,78 | 8 570 | 638,6 |
Éthanol | 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 |
Alcool isoamylique | 31.416 ? | 35,64 ? | 13 509 ? | 2 769,3 ? |
Éthers | ||||
Méthoxyméthane | 28.703 | - | 12.342 | 1 322,3 |
Éthoxyéthane | 33.867 | 24.16 | 14 563 | 2.510,2 |
Propoxypropane | 36.355 | 26.76 | 15 633 | 3 568,0 |
Butoxybutane | 37.798 | 28.88 | 16 253 | 4 922,4 |
Aldéhydes et cétones | ||||
Formaldéhyde | 17.259 | - | - | 570,78 |
Acétaldéhyde | 24.156 | - | - | - |
Propionaldéhyde | 28.889 | - | - | - |
Butyraldéhyde | 31,610 | - | - | - |
Acétone | 28.548 | 22,62 | - | - |
Autres espèces | ||||
Carbone (graphite) | 32.808 | - | - | - |
Hydrogène | 120,971 | 1,8 | 52 017 | 244 |
Monoxyde de carbone | 10.112 | - | 4.348 | 283.24 |
Ammoniac | 18.646 | - | 8 018 | 317.56 |
Soufre ( solide ) | 9.163 | - | 3 940 | 293.82 |
- Noter
- Il n'y a pas de différence entre les valeurs calorifiques inférieures et supérieures pour la combustion du carbone, du monoxyde de carbone et du soufre puisqu'aucune eau ne se forme lors de la combustion de ces substances.
- Les valeurs BTU/lb sont calculées à partir de MJ/kg (1 MJ/kg = 430 BTU/lb).
Pouvoir calorifique supérieur des gaz naturels provenant de diverses sources
L' Agence internationale de l'énergie rapporte les valeurs calorifiques supérieures typiques suivantes par mètre cube standard de gaz :
- Algérie : 39.57 MJ/Sm 3
- Bangladesh : 36.00 MJ/Sm 3
- Canada : 39.00 MJ/Sm 3
- Chine : 38.93 MJ/Sm 3
- Indonésie : 40.60 MJ/Sm 3
- Iran : 39.36 MJ/Sm 3
- Pays - Bas : 33.32 MJ/Sm 3
- Norvège : 39.24 MJ/Sm 3
- Pakistan : 34.90 MJ/Sm 3
- Qatar : 41.40 MJ/Sm 3
- Russie : 38.23 MJ/Sm 3
- Arabie Saoudite : 38.00 MJ/Sm 3
- Turkménistan : 37.89 MJ/Sm 3
- Royaume-Uni : 39,71 MJ/Sm 3
- États-Unis : 38.42 MJ/Sm 3
- Ouzbékistan : 37.89 MJ/Sm 3
Le pouvoir calorifique inférieur du gaz naturel est normalement d'environ 90 % de son pouvoir calorifique supérieur. Ce tableau est en mètres cubes standard (1 atm , 15 °C), pour convertir en valeurs par mètre cube normal (1 atm, 0 °C), multipliez le tableau ci-dessus par 1,0549.
Voir également
- Température de flamme adiabatique
- Densité d'énergie
- Valeur énergétique du charbon
- Réaction exothermique
- Feu
- Efficacité énergétique#Contenu énergétique du carburant
- Énergie alimentaire
- Énergie interne
- Efficacité thermique
- Indice de Wobbe : densité thermique
- ISO 15971
- Efficacité électrique
- Efficacité mécanique
- Symbole de mérite
- Coût de l'électricité par source
- Efficacité de conversion énergétique
Les références
- Guibet, J.-C. (1997). Carburants et moteurs . Publication de l'Institut Français du Pétrole. ISBN 978-2-7108-0704-9.
Liens externes
- WebBook sur la chimie du NIST
- "Puissances calorifiques inférieures et supérieures des combustibles gazeux, liquides et solides" (PDF) . Recueil de données sur l'énergie de la biomasse . Département américain de l'énergie. 2011.