Verbrandingswarmte

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
(Doorverwezen vanaf Specifieke energie)
Ga naar: navigatie, zoeken

De verbrandingswarmte van een chemische stof is de energie, vaak in de vorm van warmte, die bij de verbranding van die stof vrijkomt. De verbrandingswarmte wordt vaak aangegeven in joule per kilogram (J kg−1, vaste stoffen) of joule per kubieke meter (J m−3, vloeistoffen en gassen).

Verbrandingswarmte wordt gedefinieerd als "De warmte die vrijkomt bij volledige verbranding van een stof of materiaal."

Hetzelfde begrip is bekend onder een aantal andere namen, zoals de temperatuursafhankelijke enthalpie, verbrandingsenthalpie, de specifieke energie, energetische waarde of calorische waarde. Zij zijn alle een maat voor de energie-inhoud van een brandstof die bij verbranding als warmte vrijkomt.

De energetische waarde wordt gewoonlijk gedefinieerd als de hoeveelheid water die een bepaalde brandstof bij volledige verbranding in staat is te verwarmen van 14,5 graden Celsius naar 15,5 graden Celsius. Dit wordt gemeten bij atmosferische druk (de standaard luchtdruk die overal heerst). De verwarming van 1 gram water met 1 graad is 1 calorie (= 4,186 joule). Dit is een ouderwetse eenheid die niet in het SI-stelsel wordt gebruikt.

Voor het meten van de energetische waarde bestaat een DIN-norm, namelijk DIN 51900. De metingen worden gedaan met een adiabatische bomcalorimeter.

De energie (in de vorm van warmte) die vrijkomt bij de verbranding van 1 kubieke meter brandstof wordt de verbrandingswarmte genoemd.

In de thermodynamica wordt tegenwoordig vrijwel alleen in joules of kilojoules gewerkt en wordt in de regel de verbrandingsenthalpie bedoeld. die bij constante druk onder standaardcondities vrijkomt bij de verbranding van 1 mol brandstof onder vorming van de hoogste oxiden. (Dus CO2, niet CO bijvoorbeeld.) Voor de verbranding van propaan is de reactie dus:

De temeratuur van het experiment behoort gespecificeerd te worden, maar is vaak 25°C. In dat geval is de standaard vloeibaar water en een druk van -gewoonlijk- 1 Atm.

In een bomcalorimeter wordt in de praktijk echter gemeten, de verbrandingsenergie in plaats van de verbrandingsenthalpie, ofwel de warmte bij constant volume in plaats van constante druk. Deze waarde wordt gewoonlijk gecorrigeerd naar de enthalpie met:

In het geval van propaan geldt omdat er eerst 5 mol gas is (te weten zuurstof) en later nog maar 3 mol (te weten kooldioxide). De correctie brengt het verschil in volumearbeid in rekening en is in de regel klein (<1%).

Onderste en bovenste verbrandingswaarde[bewerken]

In het bovenstaande voorbeeld is er aan het eind van de reactie vloeibaar (gecondenseerd) water. Indien het eindproduct waterdamp is, scheelt dit in de uitkomst. Het verschil is de verdampingswarmte van water die door condensatie vrijkomt. Technisch is dit van groot belang. Bij veel chemische processen (bijvoorbeeld verbranding) bevatten de uitlaatgassen een grote hoeveelheid waterdamp. Als deze waterdamp door de schoorsteen wordt afgevoerd gaat veel energie verloren. Er wordt bij die verbrandingsprocessen dan vaak gesproken over de onderste en bovenste verbrandingswaarde, waarbij de onderste verbrandingswaarde de energie-opbrengst betreft, waarbij het water als waterdamp aanwezig is, dus zonder de condensatie-energie, en de bovenste verbrandingswaarde de opbrengst betreft, waarbij het water als vloeistof aanwezig is, dus met de condensatie-energie. De bovenste verbrandingswaarde is dus altijd minimaal net zo groot als de onderste verbrandingswaarde en in de praktijk altijd hoger. De hoeveelheid energie die maximaal kan worden aangewend na verbranding is de energie die aangegeven wordt met de bovenste verbrandingswaarde. In Europa is het echter gebruikelijk om het rendement te bepalen ten opzichte van de onderste verbrandingswaarde.

Men spreekt ook wel van de energetische bovenwaarde , bruto stookwaarde of verbrandingswaarde (Hb). Er is ook een energetische onderwaarde, ook (netto) stookwaarde (Ho) genoemd. Dit is de warmte die vrijkomt bij verbranding zonder de condensatiewarmte van de verbrandingsgassen mee te rekenen. Dus:

.

Voor standaard Nederlands aardgas bijvoorbeeld is de bovenwaarde 35,17 MJ/m3 en de onderwaarde 31,65 MJ/m3.

De reden dat hoogrendementsketels een rendement van meer dan honderd procent kunnen halen komt doordat volgens de Europese richtlijnen het rendement van een ketel bepaald wordt met behulp van de onderste verbrandingswaarde. Doordat een HR-ketel de energie uit de waterdamp terugwint, kan deze een hoger rendement halen.

Voorbeelden[bewerken]

De energetische waarde van een gas wordt uitgedrukt in megajoule per kubieke meter (MJ/m3). Aardgas heeft een energetische waarde van 31,65. Waterstof van 11,5 MJ per m3.

De energetische waarde van een vloeibare of vaste brandstof wordt uitgedrukt in megajoule per kilogram. Zo heeft kerosine een calorische waarde van 46,5, en droog, harsvrij hout van rond de 19 MJ/kg.

Ook de brandbaarheid van stoffen wordt in een energetische waarde uitgedrukt. Zo wordt een stof met een energetische waarde van 2,0 MJ/kg of minder als onbrandbaar aangemerkt.

Aardgas[bewerken]

De samenstelling van gewonnen aardgas, en daarmee de energetische waarde, varieert. In Nederland wordt het geleverde gas bij de klant gemeten in m3. Om te corrigeren voor verschillen in energetische waarde, wordt het geleverde aardgas teruggerekend naar één standaard verbrandingswaarde. Particulieren vinden op de afrekeningen van het gasbedrijf de energetische waarde (of calorische waarde) van het geleverde gas terug.

Verbrandingswarmten van enkele stoffen[bewerken]

Vloeistoffen
(T = 273 K)
Stof Verbrandingswarmte (109 J/m3)
Alcohol 22
Benzine 33
Diesel 36
Spiritus 18
Stookolie 40
Gassen
(T = 273 K, p = p0)
Stof Verbrandingswarmte (106 J/m3)
Aardgas 31,65
Butaan 120,7
Methaan 35,8
Propaan 93,8
Waterstof 10,8
Bovenwaarde (BW) en Onderwaarde (OW) van enkele brandstoffen[1]
Brandstof BW (MJ/kg) BW (kJ/mol) OW (MJ/kg)
Waterstof 141,80 286 121,00
Methaan 55,50 889 50,00
Ethaan 51,90 1.560 47,80
Propaan 50,35 2.220 46,35
Butaan 49,50 2.877 45,75
Pentaan 45,35
Benzine 47,30 44,40
Alkaan 46,00
Kerosine 46,20 43,00
Diesel 44,80
Steenkool (Antraciet) 27
Steenkool (Ligniet) 15
Hout 15
Turf (vochtig) 6
Turf (droog) 15

Zie ook[bewerken]