تشریح نحوه دسته بندی و محاسبه ارزش حرارتی سوخت ها

تشریح نحوه دسته بندی و محاسبه ارزش حرارتی سوخت‌ها

چکیده

از آن‌جایی که ارزش حرارتی سوخت‌ها بیشتر بر مبنای جرم و شرایط ترمودینامیکی بیان می‌شوند، لذا توصیفی در حوزه‌ی منشا مطرح نشده است. در این متن کوتاه تلاش شده است تا چهار مفهوم پرکاربرد ارزش حرارتی که عبارتند از ارزش حرارتی بالا (HHV)، ارزش حرارتی پایین (LHV)، ارزش حرارتی ناخالص (GHV) و ارزش حرارتی خالص (NHV) حاصل از سوخت‌هایی که منشا زیستی دارند بیان شود.

مقدمه

ارزش حرارتی یک سوخت به صورت میزان انرژی آزاد شده بر واحد جرم سوخت به هنگامی که بصورت کامل با اکسیژن بسوزد، تعریف می‌شود. ارزش حرارتی پایین و ارزش حرارتی بالا از حالت آب به دست آمده در انتهای سوختن کامل یک سوخت با اکسیژن، تعیین می‌شود. آب باقی‌مانده می‌تواند به حالت مایع و بخار باشد[1]. در واقع آب از دو منشا می‌تواند به وجود بیاید که یکی از آن‌ها به دلیل حضور رطوبت در سوخت می‌باشد و دیگری آب تشکیل شده از واکنش سوخت بااکسیژن. بنابراین، قبل از این‌که اختلاف بین دو حالت را توضیح داده شود، فرایند احتراق کامل باید بیان گردد.
تمامی سوخت‌های که منشا زیستی دارند، مانند چوب، کاه، زغال چوب و … از کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده‌اند به طوری که می‌توان گفت تمامی سوخت‌های زیستی دارای فرمول عمومی\( C_xH_yO_z\) هستند[2]. به هنگام سوختن کامل این سوخت‌ها با اکسیژن موجود در اتمسفر، فرآورده‌های آن‌ها فقط آب و کربن‌دی‌اکسید به‌علاوه گرمای حاصل از سوخت خواهد بود. این گرمای آزاد شده، گرمای حاصل از سوخت کامل نامیده می‌شود. مقداری از گرمای آزاد شده صرف تبخیر رطویت موجود در سوخت و تولید آب می‌شود. معادله زیر فرمول کلی سوختن کامل مواد آلی را با اکسیژن نشان می‌دهد.

 

$$C_xH_yO_z+(2x+{y \over 2} -z)O_2→xCO_2+{y \over 2}H_2O+heat$$

به دلیل این‌که تمامی واکنش‌های سوختن در دمایی بالاتر از نقطه جوش آب رخ می‌دهند، لذا تمامی آب تولید شده از واکنش سوختن کامل به حا‌لت بخار درمی‌آید. در یک بمب کالریمتری- وسیله‌ای برای اندازه‌گیری ارزش حرارتی سوخت‌ها- محفظه‌ای تعبیه شده است تا تمامی آب تولید شده در دمای اتاق میعان شده و در این محفظه جمع گردد و از این طریق ارزش حرارتی تعیین می‌گردد[3 و 4]. کل گرمای حاصل از احتراق کامل بر واحد جرم ماده‌ی سوختنی، ارزش حرارتی بالا (HHV) یا ارزش حرارتی ناخالص (GHV) نامیده می‌شود. ارزش گرمایی بالا شامل کل گرمای آزاد شده از سوخت است و شامل گرمای نهان مقدار بخار آب موجود در محصولات احتراق نیز می‌شود[5].
اگر بخار تولید شده در حین سوختن، توسط دستگاه جوشاننده میعان نشود مقداری از گرمای تولید شده به همراه بخار میعان نشده، هدر می‌رود. در این حالت فقط آب مایع تولید شده در محفظه باقی می‌ماند که گرمای حاصل از این احتراق ارزش حرارتی پایین (LHV) یا ارزش حرارتی خالص (NHV) نامیده می‌شود. ارزش حرارتی پایین شامل گرمای خالص آزاد شده از سوخت است و گرمای نهان آب موجود در سوخت را در برنمی‌گیرد.

تفاوت بین HHV، GHV و LHV،NHV

ممکن است این سوال مطرح شود که آیا بین ارزش حرارتی بالا و ارزش حرارتی ناخالص و نیز بین ارزش حرارتی پایین و ارزش حرارتی خالص تفاوتی وجود دارد یا نه؟ پاسخ مثبت است و بین آن‌ها تفاوت‌هایی وجود دارد که نمی‌توان آن‌ها را به جای همدیگر به‌کار برد. تفاوت اصلی بین آن‌ها بر پایه‌ی جرم بیان می‌شود. به عبارت دیگر زمانی می‌توان ارزش حرارتی بالا (HHV) را بیان کرد که گرمای حاصل به ازای واحد جرم خشک ماده‌ی سوختنی به دست آید (J/dry g). اما ارزش حرارتی ناخالص (GHV) به ازای واحد جرم مرطوب ماده‌ی سوختنی بیان می‌شود. (J/wet g). به همین شکل ارزش حرارتی پایین (LHV) بر مبنای جرم خشک و ارزش حرارتی خالص (NHV) بر پایه‌ی جرم مرطوب محاسبه می‌شوند[6].
نتیجه‌گیری
هنگام گزارش ارزش حرارتی یک ماده‌ی سوختنی، همیشه باید بر مبنای جرم آن ماده گزارش شود و نیز خشک و یا مرطوب بودن ماده نیز الزاما ذکر گردد تا قابل استناد و اطمینان باشد. چراکه ممکن است در صنعت به خسارت‌های جبران ناپذیری منجر شود.

خلاصه مطلب

موازنه انرژی در یک سوخت کامل گرمای حاصل از احتراق کامل = گرمای لازم برای تبخیر آب موجود در سوخت + گرمای لازم برای تبخیر آب تولید شده + گرمای آزاد شده به محیط HHV یا GHV = حرارت حاصل از احتراق بر واحد جرم LHV or NHV = (گرمای حاصل از احتراق – گرمای لازم برای تبخیر آب موجود در سوخت –  گرمای لازم برای تبخیر آب تولید شده)/ واحد جرم

 

یادداشت	مبنا جرم	حالت آب بدست آمده	نام	نام انگلیسی
قابل اندازه‌گیری در بمب کالریمتری زمانی که نمونه کاملا خشک باشد	خشک	مایع	ارزش حرارتی بالا (HHV)	High Heating Value and Gross Calorific Value(GCV)
قابل اندازه‌گیری در بمب کالریمتری	تر	مایع	ارزش حرارتی ناخالص (GHV)	Gross Heating Value
از HHV محاسبه می‌شود.	خشک	بخار	ارزش حرارتی پایین (LHV)	Low Heating Value
از HHV محاسبه می‌شود.	تر	بخار	ارزش حرارتی خالص (NHV)	Net Heating Value and Net Calorific Value(NCV)

 

منابع

[1] Briggs D. Chapter 9: Energy. In: Forest products measurements and conversion factors. L.Charbonneau, Seattle, WA: College of Forest Resources, University of Washington; 1994. p. 105-110.

[2] Barker MF. Calorific value and constitution. J Phys Chem. 1925 Apr 21;29(11):1345-1363.

[3] ASTM International. D5865-12: Standard Test Method for Gross Calorific Value of Coal and Coke. 2012.

[4] EN 14918. Solid biofuels – method for the determination of calorific value. 1994.

[5] Obernberger I, Thek G. The pellet handbook: the production and thermal utilisation of biomass pellets. London, UK: Earthscan; 2010.

[6] Lee JS. Calorific value of wood pellets [dissertation]. Vancouver (BC): University of British Columbia; 2015.

مطالب اضافی

در برخی موارد GCV و NCV نیز بیان می‌شوند که تفاوت آن‌ها فقط در واحد بیان شده است که در بین کشور‌های مختلف به‌کار می‌رود. از فرمول‌های زیر می‌توان برای تبدیل واحد و نیز محاسبه‌ی HHV، LHV استفاده کرد.

$$GHV=HHV(1-{M \over 100})=GCV(1-{M \over 100})$$

M: رطوبت موجود در ماده بر اساس تر

 

$$NHV or NCV=[HHV-0.212X_H-0.0008X_O+X_N]×{{100-M} \over 100} – 0.0245M$$

\(X_O\) , \(X_H\) و \(X_N\) درصد جرمی هیدروژن، درصد جرمی اکسیژن و درصد جرمی نیتروژن بر اساس خشک
M: رطوبت موجود در ماده
واحد به‌دست آمده: مگاژول برکیلو گرم(\(MJ \over kg\))

$$LHV=HHV-0.212X_H- 0.0008(X_O+X_N)$$

$$NHV or NCV=LHV \times {{100-M} \over 100}-0.0245M$$