Chaleur de combustion

Le pouvoir calorifique (ou valeur énergétique ou pouvoir calorifique ) d'une substance , généralement un carburant ou un aliment (voir énergie alimentaire ), est la quantité de chaleur libérée lors de la combustion d'une quantité déterminée de celui-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 normales . La réaction chimique est généralement celle d'un hydrocarbure ou d'une autre molécule organique réagissant avec de l'oxygène pour former du dioxyde de carbone et de l'eau et libérer de la chaleur. Elle peut être exprimée avec les quantités suivantes :

• énergie/ mole de carburant
• énergie/masse de carburant
• énergie/volume du carburant

Il existe deux types d'enthalpie de combustion, appelés pouvoir calorifique élevé et faible, en fonction du degré de refroidissement des produits et de la présence ou non de composés comme H
₂O peuvent se condenser. Les valeurs thermiques élevées sont mesurées de manière conventionnelle avec un calorimètre à bombe . Les valeurs thermiques basses sont calculées à partir des données d'essai de valeur thermique élevée. Elles peuvent également être calculées 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 carburant de composition C _c H _h O _o N _n , la chaleur de combustion (la plus élevée) est de 419 kJ/mol × ( c + 0,3 h − 0,5 o ) généralement avec une bonne approximation (±3 %), bien qu'elle donne de mauvais résultats pour certains composés tels que le formaldéhyde (gazeux) et le monoxyde de carbone , et peut être considérablement décalée si o + n > c , comme pour le dinitrate de glycérine, C ₃ H ₆ O ₇ N ₂ .

Par convention, la chaleur de combustion (la plus élevée) est définie comme étant la chaleur libérée 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), le carbone est converti en gaz carbonique et l'azote est converti en gaz azote. Autrement dit, la chaleur de combustion, Δ H ° _comb , est la chaleur de réaction du processus suivant :

C
_cH
_hN
_nO
_ou(std.) + ( c + h ⁄ 4 - o ⁄ 2 ) O
₂(g) → 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 normalisés ; on suppose généralement qu'ils se transforment en gaz chlorhydrique et en SO
₂ou alors
₃gaz, respectivement, ou pour diluer les acides chlorhydrique et sulfurique aqueux , respectivement, lorsque la combustion est effectuée dans un calorimètre à bombe contenant une certaine quantité d'eau.

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 les gaz 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 de C, F, Cl et N sont CO
₂(g), HF (g), Cl
₂(g) et N
₂(g), respectivement.

Le pouvoir calorifique d'un combustible peut être calculé à partir des résultats de l'analyse finale du combustible. À partir de l'analyse, les pourcentages des combustibles dans le combustible ( carbone , hydrogène , soufre ) sont connus. Étant donné que la chaleur de combustion de ces éléments est connue, le pouvoir calorifique peut être calculé à l'aide de la formule de Dulong :

PCS [kJ/g]= 33,87 _mC + 122,3 (mH _- mO _÷ 8) + 9,4 _mS

où m _C , m _H , m _O , m _N et m _S sont les teneurs en carbone, hydrogène, oxygène, azote et soufre sur une base quelconque (humide, sèche ou sans cendres), respectivement.

Le pouvoir calorifique supérieur (PCS ; énergie brute , pouvoir calorifique supérieur , pouvoir calorifique supérieur PCS ou pouvoir calorifique supérieur ; PCS ) indique la limite supérieure de l'énergie thermique disponible produite par une combustion complète de combustible. Il est mesuré comme une unité d'énergie par unité de masse ou de volume de substance. Le PCS est déterminé en ramenant tous les produits de combustion à la température d'origine avant la combustion, y compris la condensation de toute vapeur produite. De telles mesures utilisent souvent une température standard de 25 °C (77 °F ; 298 K) . C'est la même chose que la chaleur thermodynamique de combustion puisque la variation 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 liquide. Le pouvoir calorifique supérieur prend en compte la chaleur latente de vaporisation de l'eau dans les produits de combustion et est utile pour calculer les pouvoirs calorifiques des combustibles lorsque 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, le HHV suppose que tout le composant eau est à l'état liquide à la fin de la combustion (dans le produit de combustion) et que la chaleur délivrée à des températures inférieures à 150 °C (302 °F) peut être utilisée.

Le pouvoir calorifique inférieur (PCI ; pouvoir calorifique inférieur ; PCI ) est une autre mesure de l'énergie thermique disponible produite par la combustion d'un combustible, mesurée en tant qu'unité d'énergie par unité de masse ou de volume de substance. Contrairement au PCS, le PCI prend en compte 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 qui est libérée comme un déchet. L'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau est donc perdue.

Les calculs du PCI supposent que la composante eau d'un processus de combustion est à l'état de vapeur à la fin de la combustion, contrairement au pouvoir calorifique supérieur (PCS) (également appelé pouvoir calorifique supérieur ou CV brut ) qui suppose que toute l'eau d'un processus de combustion est à l'état liquide après un processus de combustion.

Une autre définition du PCI est la quantité de chaleur libérée 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 lorsque la condensation des produits de combustion est impossible ou lorsque la chaleur à une température inférieure à 150 °C (302 °F) ne peut pas être utilisée.

Une définition du 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 (le projet de recherche API 44 a utilisé 25 °C. La 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 est plus facilement calculée à partir du pouvoir calorifique supérieur que lors de l'utilisation d'autres définitions et donnera en fait une réponse légèrement différente.

Le pouvoir calorifique brut tient compte de l'eau contenue dans les gaz d'échappement et qui s'échappe sous forme de vapeur, tout comme le PCI, mais le pouvoir calorifique brut inclut également l'eau liquide présente 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.

Le pouvoir calorifique supérieur est déterminé expérimentalement dans un calorimètre à bombe . La combustion d'un mélange stoechiométrique de combustible et d'oxydant (par exemple deux moles d'hydrogène et une mole d'oxygène) dans un récipient en acier à 25 °C (77 °F) est initiée par un dispositif d'allumage et les réactions sont laissées se terminer. Lorsque l'hydrogène et l'oxygène réagissent pendant la combustion, de la vapeur d'eau est produite. Le récipient et son contenu sont ensuite refroidis à la température initiale de 25 °C et le pouvoir calorifique supérieur est déterminé comme la chaleur libérée entre des températures initiale et finale identiques.

Une fois le pouvoir calorifique inférieur (PCI) déterminé, le refroidissement est arrêté à 150 °C et la chaleur de réaction n'est récupérée que partiellement. La limite de 150 °C est basée sur le point de rosée des gaz acides .

Remarque : Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) est calculé à partir du produit de l'eau sous forme liquide tandis que le pouvoir calorifique inférieur (PCI) est calculé à partir du produit de l'eau sous forme de vapeur.

La différence entre les deux pouvoirs calorifiques dépend de la composition chimique du carburant. 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 entre 150 °C et 25 °C ( l'échange de chaleur sensible provoque un changement de température, tandis que la chaleur latente s'ajoute ou se soustrait 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 puisqu'elle comprend 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 le PCS au PCI est la suivante :

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 _fuel,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 donc sa chaleur. Dans de telles applications, le pouvoir calorifique inférieur doit être utilisé pour donner une « référence » au processus.
• Toutefois, pour des calculs énergétiques corrects, dans certains cas particuliers, le pouvoir calorifique supérieur est correct. Cela est particulièrement vrai 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 à condensation des fumées qui condensent la vapeur d'eau produite par la combustion, récupérant ainsi la chaleur qui serait autrement gaspillée.

Les constructeurs de moteurs évaluent généralement la consommation de carburant de leurs moteurs en fonction des valeurs calorifiques les plus basses, car les gaz d'échappement ne sont jamais condensés dans le moteur. Cela leur permet de publier des chiffres plus attractifs que ceux utilisés dans les centrales électriques conventionnelles. L'industrie électrique conventionnelle utilise exclusivement le PCS (haut pouvoir calorifique) depuis des décennies, même si la quasi-totalité de ces centrales ne condensent 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 le plus élevé sera légèrement plus élevé.

La différence entre les définitions du PCS et du PCI est source de confusions sans fin lorsque les auteurs ne prennent pas la peine d'indiquer la convention utilisée. car il existe généralement une différence de 10 % entre les deux méthodes pour une centrale électrique brûlant du gaz naturel. Pour une simple comparaison d'une partie d'une réaction, le PCI peut être approprié, mais le PCS doit 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 doit être clairement indiquée.

Le PCS et le LHV peuvent être exprimés en termes de AR (toute humidité comptée), MF et MAF (uniquement l'eau provenant de la combustion de l'hydrogène). AR, MF et MAF sont couramment utilisés pour indiquer les valeurs 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 combustible a été mesurée après que le combustible a été séché de toute humidité inhérente tout en conservant ses minéraux formant des cendres.
• MAF (sans humidité ni cendres) ou DAF (sans cendres et sec) indique que la valeur calorifique du combustible a été mesurée en l'absence de minéraux inhérents formant de l'humidité et des cendres.

Note

• Il n'y a pas de différence entre les pouvoirs calorifiques inférieurs et supérieurs pour la combustion du carbone, du monoxyde de carbone et du soufre, car 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).

L' Agence internationale de l'énergie rapporte les valeurs calorifiques supérieures typiques suivantes par mètre cube standard de gaz :

Le pouvoir calorifique inférieur du gaz naturel est normalement d'environ 90 % de son pouvoir calorifique supérieur. Ce tableau est en mètres cubes normalisés (1 atm , 15 °C), pour convertir les valeurs en mètres cubes normalisés (1 atm, 0 °C), multipliez le tableau ci-dessus par 1,0549.