Reklama

Zemní plyn - spalné teplo a další vlastnosti

Spalné teplo, výhřevnost, energetická hustota, Wobbeho číslo, stechiometrický poměr a přebytek vzduchu

30.4.2004

Ing. Josef Fík

Zemní plyn a výpočty. Výhřevnost, spalné teplo, Wobbeho číslo, stechiometrický (teoretický) objem kyslíku a spalovacího vzduchu, přebytek vzduchu, objem spalin, energetická hustota.

Reklama

Spalné teplo a výhřevnost zemního plynu

Spalné teplo zemního plynu H_s (s - superior - horní)
je množství tepla, uvolněné úplným spálením 1 m³ zemního plynu při tlaku 101 325 Pa v adiabatických podmínkách, za předpokladu, že se spaliny ochladí na teplotu výchozích látek a vodní pára, obsažená ve spalinách, zkondenzuje do kapalného stavu.
Toto množství tepelné energie lze využít jako základní velikost veličiny pojmenované objemová energetická hustota, který je používán pro srovnávací výpočty prostorových nároků na uskladnění energie.

Výhřevnost zemního plynu H_i (i - inferior - dolní)
je množství tepla, uvolněné úplným spálením 1 m³ zemního plynu při tlaku 101 325 Pa v adiabatických podmínkách, za předpokladu, že se spaliny ochladí na teplotu výchozích látek a vodní pára, obsažená ve spalinách, zůstane v plynném stavu.

Základními jednotkami spalného tepla a výhřevnosti jsou kJ.m^-3 a kWh.m^-3 (3600 kJ.m^-3 = 1 kWh.m^-3).
Spalné teplo zemního plynu se stanoví výpočtem z konkrétního složení zemního plynu podle rovnice:

Výhřevnost zemního plynu se stanoví výpočtem z konkétního složení zemního plynu podle rovnice:

H^o_si - spalné teplo složky zemního plynu       [kJ.m^-3], [kWh.m^-3]
H^o_ii - výhřevnost složky zemního plynu       [kJ.m^-3], [kWh.m^-3]
r_i - procentuální objemový podíl složky zemního plynu (tab. 1)      [%]

V tab. 7 jsou uvedeny hodnoty spalných tepel H^o_si a výhřevností H^o_ii hořlavých složek zemních plynů při 0°C a 101 325 Pa.

Složka zemního plynu	Spalné teplo H^o_si		Výhřevnost H^o_ii
Složka zemního plynu	[kJ.m^-3]	[kWh.m^-3]	[kJ.m^-3]	[kWh.m^-3]
Metan CH₄	38 819	11,058	35 883	9,965
Etan C₂H₆	70 293	19,520	64 345	17,869
Propan C₃H₈	101 242	28,115	93 215	25,886
n - Butan C₄H_1O	134 061	37,229	123 810	34,382
Pentan C₅H₁₂	169 190	46,984	156 560	43,477

Tab. 7

V tab. 8 jsou uvedeny hodnoty spalných tepel H_s tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu při 0°C a 15°C, 101 325 Pa. Tyto hodnoty jsou současně objemovou energetickou hustotou zemního plynu za daných podmínek

Zemní plyn	H^{^o}_s		H¹⁵_s
Zemní plyn	[kJ.m^-3]	[kWh.m^-3]	[kJ.m^-3]	[kWh.m^-3]
Tranzitní	39 794	11,054	37 724	10,478
Norský	43 823	12,173	41 542	11,539
Alžírský	45 169	12,547	42 818	11,894
Holandský	35 094	9,748	33 267	9,241

Tab. 8

V tab. 9 jsou uvedeny hodnoty výhřevností H_i tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu při 0°C a 15°C, 101 325 Pa.

Zemní plyn	H^{^o}_i		H¹⁵_i
Zemní plyn	[kJ.m^-3]	[kWh.m^-3]	[kJ.m^-3]	[kWh.m^-3]
Tranzitní	35 870	9,964	34 003	9,445
Norský	39 653	11,015	37 589	10,441
Alžírský	40 840	11,344	38 714	10,754
Holandský	31 669	8,797	30 020	8,339

Tab. 9

Wobbeho číslo zemního plynu

Wobbeho číslo W_s je základním kriteriem záměnnosti druhů zemního plynu a vyjadřuje podmínku zachování tepelného příkonu spotřebiče při změně spalovacích vlastností zemního plynu.

Wobbeho číslo formuloval G. Wobbe r. 1926 ve tvaru:

H_s - spalné teplo zemního plynu (tab. 8) [kJ.m^-3], [kWh.m^-3]
d - poměrná hustota zemního plynu (tab. 3) [-]

Rozšířené Wobbeho číslo W^r_s zahrnuje do podmínky zachování příkonu i změnu tlaku zemního plynu:

Rozšířené Wobbeho číslo W^r_s vyjadřuje možnost korekce rozdílných Wobbeho čísel zaměňovaných zemních plynů změnou jejich tlaku:

Δ p₁ - přetlak původního zemního plynu     [Pa]
Δ p₂ - přetlak nového zemního plynu     [Pa]
W₁ - Wobbeho číslo původního zemního plynu     [kJ.m^-3], [kWh.m^-3]
W₂ - Wobbeho číslo nového zemního plynu     [kJ.m^-3], [kWh.m^-3]

Korekci Wobbeho čísel změnou tlaku při záměně zemních plynů je možno použít pouze u zemních plynů s blízkými Wobbeho čísly.

V tab. 10 jsou uvedeny hodnoty Wobbeho čísel W_s tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu při 0°C a 15°C, 101 325 Pa.

Zemní plyn	W^{^o}_s		W¹⁵_s
Zemní plyn	[kJ.m^-3]	[kWh.m^-3]	[kJ.m^-3]	[kWh.m^-3]
Tranzitní	52 958	14,71	50 201	13,94
Norský	54 177	15,05	51 357	14,27
Alžírský	56 242	15,62	53 314	14,81
Holandský	43 724	12,15	41 448	11,52

Tab. 10

Stechiometrické (teoretické) objemy kyslíku a spalovacího vzduchu

Stechiometrické objemy kyslíku V_O2T a spalovacího vzduchu V_VT jsou teoretické objemy, potřebné pro úplné spálení jednoho m³ (0°C, 101 325 Pa) zemního plynu.

Stechiometrický objem kyslíku se stanoví z rovnice:

V_O2i - teoretické objemy kyslíku, potřebné pro úplné spálení 1 m³ jednotlivých hořlavých složek zemního plynu [m³.m^-3] (tab. 12)
r_i - procentuální objemové podíly jednotlivých hořlavých složek zemního plynu [%] (tab. 1)

Stechiometrický objem spalovacího vzduchu se stanoví z rovnice:

V_Vi - teoretické objemy spalovacího vzduchu, potřebné pro úplné spálení 1 m³ jednotlivých hořlavých složek zemního plynu [m³.m^-3]

Stechiometrický objem spalovacího vzduchu je možno rovněž stanovit ze stechiometrického objemu kyslíku podle rovnice:

Hodnota 0,2095 představuje objemový podíl kyslíku ve vzduchu (tab. 11).
V tab. 11 je uvedeno složení suchého vzduchu.

Kyslík	O₂	20,95 %
Dusík	N₂	78,03 %
Argon	A	0,94 %
Oxid uhličitý	CO₂	0,03 %
Vodík	H₂	0,01 %

Tab. 11

Ve vzduchu jsou dále obsaženy stopy vzácných plynů (neon, krypton, helium aj.)

V tab. 12 jsou uvedeny reálné hodnoty stechiometrických objemů kyslíku V_O2i a vzduchu V_vi jednotlivých hořlavých složek zemních plynů, při 0°C a 101 325 Pa.

Složení zemního plynu	Stechiometrický objem kyslíku V_o2i [m³.m^-3]	Stechiometrický objem vzduchu V_vi [m³.m^-3]
Metan CH₄	2,003	9,561
Etan C₂H₆	3,532	16,859
Propan C₃H₈	5,104	24,372
n - Butan C₄H_1O	6,782	32,372
Pentan C₅H₁₂	8,574	40,926

Tab. 12

V tab. 13 jsou uvedeny hodnoty stechiometrických objemů kyslíku V_O2T a spalovacího vzduchu V_VT tranzitního, norského, alžírského a holandského plynu, při 0°C, 101 325 Pa.

Zemní plyn	V_O2T [m³.m^-3]	V_VT [m³.m^-3]
Tranzitní	2,003	9,555
Norský	2,205	10,523
Alžírský	2,279	10,847
Holandský	1,766	8,426

Tab. 13

Stechiometrický (teoretický) objem spalin

Stechiometrický objem vlhkých spalin V^v_ST je teoretický objem spalin, který vznikne při úplném spálení 1 m³ (0°C, 101 325 Pa) zemního plynu se suchým spalovacím vzduchem.

Stechiometrický objem suchých spalin V^s_ST je součtem teoretických objemů oxidu uhličitého V_CO2 a dusíku V_N2, které vzniknou při úplném spálení 1 m³ (0°C, 101 325 Pa) zemního plynu se suchým spalovacím vzduchem.

Stechiometrický objem vlhkých spalin zemního plynu V^v_ST se stanoví z rovnice:

Stechiometrický objem suchých spalin zemního plynu V^s_ST se stanoví z rovnice:

V tab. 14 jsou uvedeny hodnoty reálných stechiometrických objemů oxidu uhličitého V_CO2i, dusíku V_N2i, vodní páry V_H2Oi, suchých spalin V^s_STi a vlhkých spalin V^v_STi jednotlivých hořlavých složek zemních plynů, při 0°C a 101 325 Pa.

Složka zemního plynu	V_CO2i	V_N2i	V_H2Oi	V^s_STi	V^v_STi
Složka zemního plynu	[m³.m^-3]
Metan CH₄	0,998	7,554	1,914	8,552	10,466
Etan C₂H₆	2,011	13,322	2,894	15,333	18,227
Propan C₃H₈	3,053	19,259	3,862	22,312	26,216
n - Butan C₄H₁₀	4,159	25,580	4,978	29,739	34,726
Pentan C₅H₁₂	5,339	32,34O	6,147	37,679	43,826

Tab. 14

V tab. 15 jsou uvedeny hodnoty reálných stechiometrických objemů oxidu uhličitého V_CO2, dusíku V_N2, vodní páry V_H2O, vlhkých spalin V^v_ST a suchých spalin V^s_ST tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu, při 0°C a 101 325 Pa.

Zemní plyn	V_CO2	V_N2	V_H2O	V^v_ST	V^s_ST
Zemní plyn	[m³.m^-3]
Tranzitní	1,0037	7,5578	1,9074	10,4689	8,5615
Norský	1,140	8,324	2,027	11,491	9,464
Alžírský	1,181	8,574	2,083	11,838	9,755
Holandský	0,901	6,804	1,675	9,380	7,705

Tab. 15

Maximální obsah oxidu uhličitého

Maximální obsah oxidu uhličitého ve spalinách zemního plynu CO_2max je procentuální objemový podíl oxidu uhličitého v suchých spalinách při stechiometrickém spalování.

Maximální obsah oxidu uhličitého ve spalinách zemních plynů CO_2max se stanoví z rovnice:

V_CO2 - stechiometrický objem oxidu uhličitého, který vznikne při úplném spálení 1 m³ zemního plynu (tab. 15) [m³.m^-3]
V^s_ST - stechiometrický objem suchých spalin, který vznikne při úplném spálení 1 m³ zemního plynu (tab. 15) [m³.m^-3]

V tab. 16 jsou uvedeny hodnoty maximálních objemů oxidu uhličitého tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu.

Zemní plyn	CO_2max [%]
Tranzitní	11,723
Norský	12,O46
Alžírský	12,1O7
Holandský	11,694

Tab. 16

Přebytek nebo nedostatek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu

Násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n je poměr skutečného a stechiometrického objemu spalovacího vzduchu:

Násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu může mít tyto hodnoty:
n > 1 (podmínka úplného spalování)
n = 1 (stechiometrické spalování)
n < 1 (neúplné spalování)

Pokud je hodnota n > 1, pak se tento stav nazývá přebytek spalovacího vzduchu a pokud je pokud je n < 1, tak nedostatek spalovacího vzduchu a hodnota n se vyjadřuje obvykle v procentech.

Skutečný objem spalovacího vzduchu V_v je množství spalovacího vzduchu potřebné pro spálení 1 m³ zemního plynu v plynových spotřebičích.

Skutečný objem spalin V_s je objem spalin, který vznikne při spálení 1 m³ zemního plynu v plynových spotřebičích.

Skutečný objem spalovacího vzduchu se stanoví z rovnice:

V_VT - stechiometrický objem spalovacího vzduchu [m³.m^-3] (tab. 13)

Skutečný objem vlhkých spalin, vzniklý spálením 1 m³ (101 325 Pa, 0°C) zemního plynu s násobkem stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n > 1 pak tedy je:

V_VT - stechiometrický objem vzduchu [m³.m^-3] (tab. 13)
V^v_ST - stechiometrický objem vlhkých spalin (tab. 15) [m³.m^-3]

V tab. 17 jsou uvedeny hodnoty skutečných objemů spalovacího vzduchu V_vT tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu, v závislosti na násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n v rozmezí 1 až 2, při 0°C a 101 325 Pa.

Zemní plyn	Skutečné objemy spalovacího vzduchu V_v [m³.m^-3] při násobku stech. objemu spal. vzduchu n
Zemní plyn	1,0	1,05	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	2,0
Tranzitní	9,555	10,03	10,51	11,47	12,42	13,38	14,33	19,11
Norský	10,523	11,05	11,57	12,63	13,68	14,73	15,78	21,05
Alžírský	10,847	11,39	11,93	13,02	14,10	15,18	16,27	21,69
Holandský	8,426	8,85	9,27	10,11	10,95	11,80	12,64	16,85

Tab. 17

V tab. 18 jsou uvedeny hodnoty skutečných objemů vlhkých spalin V^v_s tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu, v závislosti na násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n, při 0°C a 101 325 Pa.

Zemní plyn	Skutečné objemy spalovacího vzduchu V^v_s [m³.m^-3] při násobku stech. objemu spal. vzduchu n
Zemní plyn	1,0	1,05	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	2,0
Tranzitní	10,47	10,95	11,42	12,38	13,34	14,29	15,25	20,02
Norský	11,49	12,02	12,54	13,59	14,64	15,70	16,75	22,01
Alžírský	11,84	12,36	12,89	13,95	15,00	16,05	17,11	22,39
Holandský	9,38	9,80	10,22	11,06	11,90	12,75	13,59	17,81

Tab. 18

Stanovení přebytku nebo nedostaku spalovacího vzduchu z rozboru spalin

Násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n se stanoví z obsahů oxidu uhličitého CO₂, kyslíku O₂, oxidu uhelnatého CO, zjištěných rozborem spalin, dále z hodnot stechiometrických objemů suchých spalin V^s_ST a spalovacího vzduchu V_VT a z hodnoty maximálního obsahu oxidu uhličitého CO_2max.

Násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu se stanoví z rovnice:

Pokud spaliny obsahují vedle oxidu uhličitého i oxid uhelnatý, stanoví se násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu z rovnice:

Z obsahu O₂ ve spalinách, zjištěného rozborem, se stanoví násobek stechiometrického objemu vzduchu podle rovnice:

V rovnicích 17 až 19 značí:

CO_2max	maximální obsah oxidu uhličitého ve spalinách (tab. 16)	[%]
CO₂	obsah oxidu uhličitého ve spalinách, zjištěný rozborem	[%]
CO	obsah oxidu uhelnatého ve spalinách, zjištěný rozborem	[%]
O₂	obsah kyslíku ve spalinách, zjištěný rozborem	[%]
V^s_ST	stechiometrický objem suchých spalin (tab. 15)	[m³.m^-3]
V_VT	stechiometrický objem vzduchu (tab. 13)	[m³.m^-3]