Égéshő és fűtőérték

Égéshő és fűtőérték

Égéshő és fűtőérték 6276 Link

A kéményben távozó víz

Ha valaki a "Mennyi hő szabadul fel a tüzelőanyag elégetésekor?" kérdésre egyből rávágja, hogy "Az attól függ!", az nem feltétlenül szőrszálhasogatás. Ugyanis a tüzelőanyagok általában nagyrészt szénatomokat és hidrogénatomokat tartalmaznak, amik égéskor az oxigénnel egyesülnek szén-dioxiddá illetve vízzé:

\[\mathrm{C+O_2\to CO_2}\]

\[\mathrm{4H+O_2\to 2H_2O}\]

A keletező víz a meleg égéstermékben jelen lehet légnemű halmazállapotban (vagyis vízgőz formájában, ami önállóan röpködő, szabad szemmel láthatatlan vízmolekulákat jelent), de jelen lehet szabad szemmel is látható apró vízcseppek formájában is, amit vízpárának hívunk. Ha az égési folyamat végén ezt a keletkező vízgőt valahogyan sikerül folyékony halmazállapotú vízzé lecsapatni (kondenzáció), akkor a kondenzáció során a vízgőz leadja a forráshőt, ami a víz esetében elég nagy érték:

\[L_{\mathrm{f}}=2,257\ \mathrm{\frac{MJ}{kg}}\]

Tehát a tüzelés végén keletkezett meleg égéstermék belső energiája csökkenthető (egy része kinyerhető), ha a vízgőztartalmát lecsapatjuk. Ezáltal többet hasznosítunk a kémiai reakcióban felszabadult (kiszabadult) belső energiából, pontosabban a meleg égéstermék által a hidegebb környezetnek átadott hőmennyiséget növelni tudjuk. Tehát a kondenzáció révén hatékonyabban fogunk tüzelni.
 

Égéshő

Angol elnevezései:
$\mathrm{GCV}$ - Gross Calorific Value (bruttó fűtőérték)
$\mathrm{HCV}$ - Higher Calorific Value (felső fűtőérték)
$\mathrm{HHV}$ - Higher Heating Value (felső fűtőérték)
$\mathrm{{\Delta }_sH}$ - Superior Caloric Value (felső fűtőérték; ez csak egy régebbi elnevezés)

Az égéshő azt mutatja meg, mennyi hő szabadul fel, ha a tüzelőanyag egységnyi tömegét ($1\ \mathrm{kg}$‑nyi mennyiségét) tökéletesen (bőséges mennyiségű oxigénben) elégetjük, és a folyamat végén az égéstermékeket visszajuttatjuk a kiindulási hőmérsékletre (jellemzően $25\ \mathrm{{}^\circ C}$‑ra), vagyis az égéstermék vízgőztartalma kondenzálódik cseppfolyóssá és lehűl a kiindulási hőmérsékletre. Ez egyfajta "elméleti maximuma" a tüzelőanyagból kinyerhető hőnek, hiszen ez nem szokott bekövetkezni (a kéményen át tövvé-kevésbé melegen távozik az égéstermék).

Az égéshő kísérletileg úgy határozható meg, hogy az ún. bombakaloriméter zárt tartályába behelyezzük a tüzelőanyagot, kiszívjuk a levegőt, és helyére $30\ \mathrm{bar}$ (jó nagy) nyomású tiszta oxigéngázt juttatunk a tartályba, majd begyújtjuk és elégetjük a tüzelőanyagot. Ezután megmérjük, hogy a felszabaduló hő mekkora hőmérsékletemelkedést idéz elő a kaloriméter (ismert hőkapacitású) belső tartályán és az azt körülvevő vízen (aminek nagy hőkapacitása biztosítja, hogy lényegében a kezdeti hőmérsékletre kerüljön vissza az ágástermék). A $30\ \mathrm{bar}$ nyomású oxigén környezet egyrészt biztosítja, hogy az égés tökéletes legyen, azaz ne keletkezhessen olyan anyag, ami több oxigén jelenlétében még tovább elégett volna. Másrészt a $30\ \mathrm{bar}$, mint nagy nyomás biztosítja, hogy a végtermék víztartalma (nemcsak az égés során a tüzelőanyag hidrogéntartalmából keletkező víz, hanem a tüzelőanyagban már eredetileg jelen volt víz is; gondoljunk például a fára) cseppfolyós lesz, amit a víz állapotábráján jól láthatunk, hiszen az esetünkben szereplő $20\ \mathrm{{}^\circ C}$ és $30\ \mathrm{bar}$ nyomás esetén a víznek csak cseppfolyós halmazállapota lehetséges:

A régebbi elnevezésben szereplő $H$ betű arra utal, hogy a gyakorlatban égéskor entalpiaváltozásról van szó, ugyanis a gyakorlatban előforduló esetekben (kazánok) a tüzelőanyagok elégése során azonos a kezdeti és a végállapot nyomása, ilyenkor pedig a $Q$ hőközlés egyenlő a $\Delta H$ entalpiaváltozással. A hőközlés állandó nyomáson amiatt nem azonos a belsőenergia-csökkenéssel, mert a belsőenergia-csökkenés egy részét az égéstermék tágulási munkavégzésre fordítja, és csak a "maradék" (de nagyobbik) részből lesz végül hőleadás (ami miatt az égést csináltuk). A nyomásnak nem kell állandónak lennie az égés során mindvégig (hanem elég ha a kezdeti és a végső nyomás azonos), mert a $H$ entalpia állapotjelző (állapothatározó), ezért az értéke kizárólag a kezdeti és a végső állapotok függvénye.

(Az entalpia definíciója: $H=U+p\cdot V$ ahol $U$ a belső energia, $p$ a nyomás, $V$ a térfogat).

Néhány (el)tüzel(het)őanyag égéshője:

tüzelőanyag égéshő
$\mathrm{\displaystyle \frac{MJ}{kg}}$
bután 49,5
faszén 29,6
lignit 15 - 27
koksz 28 - 31
gázolaj (dízel) 44,8
etil-alkohol 29,7
hidrogén 141,8
metán (földgáz) 55,53
növényi olajok 39-48
száraz fa 14-17
kerozin 46,2
paraffin 46


A fűtőérték

Angol elnevezései:
$\mathrm{NCV}$ - Net Calorific Value (nettó fűtőérték)
$\mathrm{LCV}$ - Lower Calorific Value (alső fűtőérték)
$\mathrm{LHV}$ - Lower Heating Value (alsó fűtőérték)
$\mathrm{{\Delta }_iH}$ - Inferior Caloric Value (alsó fűtőérték, régebbi elnevezés)

A fűtőérték hasonló az égéshőhöz, csak annyiban különbözik tőle, hogy a végső állapotban az összes víztartalom légnemű állapotban van, amit úgy oldunk meg, hogy a mért égéshőből kivonjuk a keletkező víz tömegének és párolgáshőjének szorzatát. Az, hogy mennyi víz keletkezik $1\ \mathrm{kg}$ tüzelőanyagból, az a tüzelőanyag összetételétől függ. A legtöbb víz akkor keletkezik, ha a tüzelőanyag hidrogén, hiszen ilyenkor mind az $1\ \mathrm{kg}$ tüzelőanyag vízmolekulákba épül be. Ezért a hidrogén esetében a magasabb a legnagyobb mértékben az égéshő a fűtőértéknél: $17,2\%$‑kal. A kezdeti $1\ \mathrm{kg}$ tüzelőanyagban minél kevesebb hidrogén van, annál kisebb lesz az égéshő és a fűtőérték közötti relatív különbség. Például a gázolaj esetében már csak $3,2\%$‑kal magasabb az égéshő, mint a fűtőérték. A vezetékes gáz (földgáz) kb. $97\%$‑a metán. A metán esetében az égéshő $11,06\%$‑kal magasabb, mint a fűtőérték.

Néhány (el)tüzel(het)őanyagfűtőértéke:

tüzelőanyag fűtőérték
$\mathrm{\displaystyle \frac{MJ}{kg}}$
bután 45,75
gázolaj (dízel) 43,4
hidrogén 121
metán (földgáz) 50
kerozin 43
paraffin 41,5


$106\%$-os hatásfok??

Egy tüzelést hasznosító berendezés (például kazán, vízmelegítő) hatásfoka alatt azt értjük, hogy az égés során felszabaduló hőmennyiségnek hány $\%$‑a "nyertük meg", tehát hány $\%$-át juttatja el a céljainknak megfelelő helyre (ahol hasznosul). Ilyen például, ha az égés eredményeképp hideg víz melegszik fel számunkra:

\[\eta=\frac{Q_{\mathrm{hasznosított}}}{Q_{\mathrm{felszabadult}}}\]

Azonnal felmerülhet bennünk, hogy a $Q_{\mathrm{felszabadult}}$ hőmennyiség az vajon az égéshő vagy a fűtőrérték? Például földgázzal működő kazán esetén $1\ \mathrm{kg}$ tüzelőanyagból $55,53\ \mathrm{MJ}$ hőmennyiséget nyerhetünk ki, ha az égéstermék víztartalma teljes egészében lecsapódik és visszahűl a kiindulási hőmérsékletre (égéshő), vagy pedig $50\ \mathrm{MJ}$‑t, ha az égéstermék nedvességtartalma teljes egészében vízgőz formájában távozik a kéményen (fűtőérték). És eközött még végtelen sok egyéb eset is van.

Régebben minden kazán, vízmelegítő (gázbojler) az égésterméket viszonylag forrón eresztette ki a kéménybe (vagyis a Föld légkörébe), emiatt a távozó égéstermékben a víztartalmom vízgőz formájában volt jelen, emiatt az "égéskor felszabadult hő"‑re a fűtőérték volt az ésszerű fogalom. Aztán a hatékonyság növelése jegyében a gyártók fejlesztettek, és idővel megjelentek a kondenzációs kazánok, amik az égéstermék vízgőzének lecsapatása révén az eddigiekhez képest több hőt tudtak hasznosítani az égéssel felszabaduló hőből. Például mondjuk sikerült $53\ \mathrm{MJ}$‑t kihozni a földgáz $1\ \mathrm{kg}$‑jából. Ha ezt az eredményt a megszokott módon, a fűtőértékhez viszonyítjuk, akkor a kazán "hatásfok"‑a:

\[\frac{Q_{\mathrm{hasznosított}}}{Q_{\mathrm{ref}}}=\frac{Q_{\mathrm{hasznosított}}}{\mathrm{NCV}}=\frac{53\ \mathrm{MJ}}{50\ \mathrm{MJ}}=1,06=106\%\]

vagyis $100\%$ feletti értéknek adódik. Természetesen szó sincs arról, hogy a kondenzációs kazán "energiát szült" volna. Csupán a százalékszámítás alapproblémájával történt a trükközés: nem mindegy, hogy mi a referencia, mihez viszonyítunk. Ha nagy $\%$‑os értéket kívánunk "kihozni" (bármi áron, akár trükközéssel), akkor egy kisebb viszonyítási alap választásával feltupírozhatjuk az eredményt. A korrekt viszonyítás természetesen az, ha a tüzelőanyagból felszíbaduló összes hőmennyiséghez, vagyis az égéshőhöz viszonyítjuk a kazán által kinyert hőmennyiséget. Ez esetben a "$106\%$‑os" kazánunk hatásfoka egy csapásra:

\[\frac{Q_{\mathrm{hasznosított}}}{Q_{\mathrm{ref}}}=\frac{Q_{\mathrm{hasznosított}}}{\mathrm{GCV}}=\frac{53\ \mathrm{MJ}}{55,53\ \mathrm{MJ}}=0,9544=95,4%\]

vagyis mindjárt \(100\%\) alatti eredményt fog mutatni, ahogy az egy hatásfoktól értelmes dolog.

Ezt a trükközést - ami sok félreértést, értetlenkedést okozott - az Európai Unió iletékes grémiauma megelégelte, ezért 2003‑ban módosította az ErP‑ként rövidített (EcoDesign avagy Ökodizájn rendeletként emlegetett) Energy related Products Directive‑et (azaz az energiával kapcsolatos termékek irányelvét). Ebben már rögzítik, hogy az energiahatékonyság érdekében kötelező lecsapatni az égéstermék vízgőztartalmát, és a hasznosított értéket az égéshőhöz kell viszonyítani (tilos a fűtőértékhez). Így az irányelv betartása (betartatása) esetén nem lesznek többé "$100\%$ feletti hatásfokú" varázskészülékek.