Fűtőérték

Egy tüzelőanyag fűtőértéke az a hőmennyiség, amely 1 kg tüzelőanyagból kinyerhető olyankor, ha a füstgázzal együtt távozó víz gőz halmazállapotban hagyja el a berendezést. Értékét úgy kapjuk meg, ha az anyag égéshőjéből kivonjuk a gőzként távozó vízmennyiség párolgáshőjét.

A fűtőérték tipikus mértékegységei szilárd anyagoknál kJ/kg, MJ/kg, légnemű anyagoknál kJ/Nm³, kémiailag tiszta anyagoknál J/mol, vagy kJ/mol.

A fűtőérték használata indokolt a gyakorlati számításokban (tüzelőanyag-igény vagy kazánhatásfok számítása) minden olyan esetben, amikor a távozó víz halmazállapota gőz, vagyis, amikor a füstgáz >100 °C hőmérsékletű. A fűtőérték nem használható az ún. kondenzációs kazánok esetében, ahol a füstgázt 100 °C hőmérséklet alá hűtik. Ekkor a gőz még a kazánban kicsapódik a füstgázból, s így hasznosítható a párolgáshője.

A fűtőértéket időnként az angolszász irodalomból tükörfordítással létrehozott „alsó fűtőértékként” (Lower Heating Value – LHV) szokás nevezni. A felső fűtőérték (Higher Heating Value) nagyobb, mert beleszámítják az égésnél keletkező vízgőz kondenzációs hőjét (az égésvégi hőmérsékletről a szobahőmérsékletre lehűlő és cseppfolyósodó víz által visszanyert hőmennyiséget). A fűtőérték elnevezése eredetileg $\Delta_i{H}$ inferior calorific value (alsó fűtőérték), illetve $\Delta_s{H}$ superior calorific value (felső fűtőérték), izobár entalpia-növekményként kifejezve.

Értelmezése

Iniciáló gyújtásnál az éghető anyag és az égést tápláló oxigén elegyének csak egy kis részét hevítjük a gyulladási hőmérsékletre; annyit, amennyi elegendő az égési folyamathoz.

A jelenség hasonló a bomba kaloriméter működéséhez. Ott egy pamutszálat helyezünk oxigén atmoszférába, és elektromos szikrával begyújtjuk a keveréket.

Az anyagok égése a következő folyamatokat tartalmazza.

• Az éghető anyag felmelegítése a gyulladási hőmérsékletre. A természetes anyagok vizet is tartalmazak, ez azonban nem vesz rész az égési folyamatban, de fel kell melegíteni.
• A levegő felmelegítése a gyulladási hőmérsékletre
• A gyulladáshoz szükséges hőmenyiség bevezetése (nem öngyulladó elegyeknél)
• Égés. A folyamatnál létrejövő reakcióhő általában pozitív.
  • A hétköznapi jelenségeknél nem ég el az éghető anyag egésze, illetve nem is érintkezik az oxigénnel. Ezért az égéstermék tartalmazhat valamennyit az éghető anyagból
  • Tekintettel arra, hogy nem képes az oxigén hiánytalanul érintkezni az éghető anyaggal, ezért az égéshez elméletileg szükségesnél több levegőre van szükségünk. A valóságos és az elméleti levegőszükséglet hányadosa a légfeleslegtényező
• Az égéstermékek expanziója – nem feltétlenül adiabatikus
• Ha az égéstermékekből az égési reakcióból származó víz kondenzálódik, ez hőbevezetésként jelenik meg.
• A fütgázok nem hűlnek le a kiinduló hőmérsékletre, ezt veszteségként számítják. Szükséges azonban ahhoz, hogy létrejöjjön a kéményhatás, vagyis a füstgáz az alacsonyabb sűrűsége miatt természetes úton távozzék

Mérése és számítása

• Tiszta vegyi anyagoknál a szokásos módon számítható a kémiai reakció és a reakcióhő. Például a gázállapotú metán égése: $\Delta _cH^\ominus_{({\mathrm{CH}}_4,\mathrm{g},298,15 \mathrm{K})}=-890,3\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$az IUPAC szerint a következő reakcóra értelmezve:

$\mathrm{CH_4(g)+2O_2(g) \to CO_2(g)+2H_2O(l)}$    (ahol l liquid, tehát a víznek cseppfolyós állapotára vonatkozik)

• Általános anyagoknál vegyelemzés útján meghatározzák az összetevő elemeket, és mindegyikhez hozzárendelik az égéshőt. Barnaszén esetén például C 49,6%; H 3,7%; S 0,4%; O 18,7%; N 0,6%; hamu 7%; víz 20%, ebből a fűtőérték 19,678 MJ/kg

• Kísérletileg megmérik kaloriméterben

Anyagok égéshője és fűtőértéke

1 MJ/kg = 1000 kJ/kg; 1 MJ = 0,27778 kWh; 1kWh = 3,6 MJ

Szilárd fűtőanyagok

Fűtőanyag	Égéshő $\Delta_c{H}$, MJ/kg	Fűtőérték, MJ/kg	Fűtőérték, kWh/kg
Frissen vágott fa	*	6,8	1,9
Szárított fa	19	14,4-15,8	4-4,4
Papír	*	15	4,2
Szalma	*	17	4,8
Fapellet	*	18	5
Tőzeg	23	15	4,2
Olajosmagvak	*	20	5,6
Barnaszén	10	8	2,2
Barnaszén brikett	21	20	5,6
Kőszén	29–32,7	27–32,7	7,5-9
Grafit	32,8	egyenlő az égéshővel	9,1
Gumi	*	35	9,7
Paraffin	49	45	12,5
Foszfor	25,2	egyenlő az égéshővel	7
Kén	9,3	egyenlő az égéshővel	2,6
Magnézium	25,2	egyenlő az égéshővel	7

Folyékony tüzelőanyagok (25 °C hőmérsékleten)

Fűtőanyag	Égéshő (MJ/kg)	Fűtőérték (MJ/kg)	Fűtőérték (kWh/kg)
Biodízel	40 (Repceolaj-metilészter)	37	10,2
Metilalkohol	22,7	19,9	5,5
Etilalkohol	29,7	26,8	7,4
Izopropanol	33,6	30,7	8,5
Benzol	41,8	40,1	11,1
Fűtőolaj	43–46	40–43	11,1-11,9
Gázolaj	46	43	11,9
Benzin	47	43	11,9
Paraffinolaj	49	45	12,5

Gáznemű fűtőanyagok (25 °C mellett)

Fűtőanyag	Égéshő (MJ/kg)	Fűtőérték (MJ/kg)	Égéshő (MJ/m³)	Fűtőérték (MJ/m³)	Fűtőérték (kWh/m³)
Hidrogén	143	120	11,7	9,9	3,25
Szén-monoxid	10,1	-	11,5	-	3,24
Torokgáz (nagyolvasztóktól)	1,5–2,1	1,5–2,1	2,5–3,4	2,5–3,3	n.a.
Városi gáz	n.a.	n.a.	19–20	17–18	5,2-5,36
Földgáz	n.a.	n.a.	35–45	32–42	9,7-12,5
Metán	55,5	50,0	36,3	32,7	-
Etán	51,9	47,5	63,6	58,2	-
Etilén	…. *	…. *	57,8	54,2	-
Acetilén	…. *	…. *	53,4	51,6	-
Propán	50,3	46,3	90,4	83,2	25
Bután	49,5	45,7	117	108	32,5