Tiêu chuẩn TCVN 14400:2025 Nhiên liệu hàng không - Phương pháp tính nhiệt trị cháy thực

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 14400:2025

ASTM D3338/D3338M-20a

NHIÊN LIỆU HÀNG KHÔNG - PHƯƠNG PHÁP TÍNH NHIỆT TRỊ CHÁY THỰC

Test method for estimation of net heat of combustion of aviation fuels

Lời nói đầu

TCVN 14400:2025 được xây dựng trên cơ sở chấp nhận hoàn toàn tương đương với ASTM D3338/D3338-20a Standard Test Method for Estimation of Net Heat of Combustion of Aviation Fuels với sự cho phép của ASTM quốc tế, 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428, USA. Tiêu chuẩn ASTM D3338/D3338-20a thuộc bản quyền của ASTM quốc tế.

TCVN 14400:2025 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 28 Sản phẩm dầu mỏ và chất bôi trơn biên soạn, Viện Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam đề nghị, Ủy ban Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Quốc gia thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

NHIÊN LIỆU HÀNG KHÔNG - PHƯƠNG PHÁP TÍNH NHIỆT TRỊ CHÁY THỰC

Test method for estimation of net heat of combustion of aviation fuels

1 Phạm vi áp dụng

1.1 Tiêu chuẩn này quy định phương pháp tính nhiệt trị cháy thực của xăng hàng không, nhiên liệu tuốc bin máy bay và nhiên liệu động cơ phản lực (tính bằng megajun trên kilogam trong khoảng từ 40,19 MJ/kg đến 44,73 MJ/kg hoặc tính bằng Btu trên pound trong khoảng từ 17.280 Btu/lb đến 19.230 Btu/lb). Phương pháp này chưa xác định độ chụm đối với phép tính nhiệt trị cháy thực nằm ngoài dải trên.

1.2 Phương pháp này hoàn toàn mang tính thực nghiệm và có thể áp dụng cho nhiên liệu hydrocacbon lỏng phù hợp với các quy định kỹ thuật đối với xăng máy bay hoăc nhiêu liệu tuốc bin máy bay và nhiên liệu động cơ phản lực Jet A, Jet A-1, Jet B, JP-4, JP05, JP-7 và JP-8.

CHÚ THÍCH 1: Dữ liệu thực nghiệm về nhiệt trị cháy để xây dựng nên mối tương quan của phương pháp ASTM D3338 thu được bằng một phương pháp chính xác tương tự phương pháp ASTM D4809.

CHÚ THÍCH 2: Việc tính toán nhiệt trị cháy thực của nhiên liệu hydrocacbon là hợp lý chỉ khi nhiên liệu này thuộc phân loại nhiên liệu đã được quy định rõ ràng trong đó mối quan hệ giữa nhiệt trị cháy với hàm lượng chất thơm và hàm lượng lưu huỳnh, khối lượng riêng và dải chưng cất của nhiên liệu được bắt nguồn từ phép đo thực nghiệm chính xác trên các mẫu đại diện của phân loại đó. Ngay cả trong trường hợp này, cần phải nhận ra khả năng tính toán có thể có sai số lớn đối với từng loại nhiên liệu. Các nhiên liệu được sử dụng để thiết lập mối tương quan trình bày trong phương pháp này bao gồm:

Nhiên liệu:

Xăng hàng không - Loại 100/130 và 115/145 ^{[1, 2]}

Các kerosin, alkylat và nhiên liệu WADC đặc biệt ^[3]

Hydrocacbon tinh khiết - parafin, naphten và chất thơm ^[4]

Nhiên liệu được Hội đồng nghiên cứu điều phối báo cáo dữ liệu ^[5] .

CHÚ THÍCH 3: Các dải đặc tính được sử dụng trong mối tương quan này như sau:

Chất thơm - từ 0 % theo khối lượng đến 100 % theo khối lượng

Khối lượng riêng API - từ [25,7° API đến 81,2° API]

Độ bay hơi, điểm sôi trung bình - từ [160 °F đến 540 °F]

1.3 Các giá trị được trình bày theo đơn vị SI hoặc theo đơn vị inch-pound được coi là tiêu chuẩn theo từng hệ đơn vị riêng biệt. Các giá trị được trình bày theo mỗi hệ có thể không chính xác tương đương; do đó, mỗi hệ phải được sử dụng độc lập với hệ khác. Việc kết hợp các giá trị từ hai hệ trên có thể dẫn đến sự không phù hợp với tiêu chuẩn này.

1.3.1 Đơn vị SI được ưu tiên sử dụng, mặc dù phương pháp cho phép tính nhiệt trị cháy thực theo đơn vị SI hoặc inch-pound.

1.3.2 Nhiệt trị cháy thực cũng có thể được tính bằng đơn vị inch-pound theo ASTM D1405 hoặc tính bằng đơn vị SI theo ASTM D4529. ASTM D1405 yêu cầu tính bằng một trong bốn phương trình tùy thuộc vào loại nhiên liệu cần tính với độ chụm tương đương độ chụm của phương pháp này. ASTM D4529 yêu cầu tính bằng một phương trình duy nhất cho tất cả các loại nhiên liệu hàng không với độ chụm tương đương độ chụm của phương pháp này. Khác với ASTM D1405 và ASTM D4529, TCVN 14400 (ASTM D3338/D3338M) không yêu cầu sử dụng điểm aniline.

1.4 Tiêu chuẩn này không đề cập đến tất cả các vấn đề liên quan đến an toàn khi sử dụng. Người sử dụng tiêu chuẩn này có trách nhiệm thiết lập các nguyên tắc về an toàn và bảo vệ sức khoẻ cũng như khả năng áp dụng phù hợp với các giới hạn quy định trước khi đưa vào sử dụng.

2 Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau đây rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 2698 (ASTM D 86), Sản phẩm dầu mỏ và nhiên liệu lỏng - Phương pháp xác định thành phần cất ở áp suất khí quyển

TCVN 2708 (ASTM D 1266), Sản phẩm dầu mỏ - Phương pháp xác định hàm lượng lưu huỳnh (Phương pháp đốt đèn)

TCVN 3172 (ASTM D 4294), Dầu mỏ và sản phẩm dầu mỏ - Phương pháp xác định lưu huỳnh bằng phổ huỳnh quang tán xạ năng lượng tia-X

TCVN 6594 (ASTM D 1298), Dầu thô và sản phẩm dầu mỏ dạng lỏng - Xác định khối lượng riêng, khối lượng riêng tương đối, hoặc khối lượng API - Phương pháp tỷ trọng kế

TCVN 6701 (ASTM D 2622), Sản phẩm dầu mỏ - Phương pháp xác định lưu huỳnh bằng phổ huỳnh quang tán xạ bước sóng tia X

TCVN 7330 (ASTM D 1319), Sản phẩm dầu mỏ dạng lỏng - Phương pháp xác định các loại hydrocacbon bằng hấp phụ chỉ thị huỳnh quang

TCVN 7760 (ASTM D 5453), Hydrocarbon nhẹ, nhiên liệu động cơ đánh lửa, nhiên liệu động cơ điêzen và dầu động cơ - Phương pháp xác định tổng lưu huỳnh bằng huỳnh quang tử ngoại

TCVN 8314 (ASTM D 4052), Sản phẩm dầu mỏ dạng lỏng - Xác định khối lượng riêng và khối lượng riêng tương đối bằng máy đo kỹ thuật số

TCVN 11585 (ASTM D 2887) Sản phẩm dầu mỏ - Phương pháp xác định sự phân bố dải sôi của phân đoạn dầu mỏ bằng sắc ký khí

TCVN 12921 (ASTM D 6379) Nhiên liệu hàng không và các phân đoạn chưng cất dầu mỏ - Xác định các loại hydrocacbon thơm - Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với detector chỉ số khúc xạ

ASTM D240, Test method for heat of combustion of liquid hydrocarbon fuels by bomb calorimeter (Phương pháp xác định nhiệt trị cháy của nhiên liệu hydrocacbon lỏng bằng nhiệt trị kế dạng bom)

ASTM D1405, Test method for estimation of net heat of combustion of aviation fuels (Phương pháp tính nhiệt trị cháy thực của nhiên liệu hàng không)

ASTM D1552, Test method for sulfur in petroleum products by high temperature combustion and intrared (IR) detection or thermal conductivity detection (TCD) (Xác định hàm lượng lưu huỳnh trong các sản phẩm dầu mỏ bằng phương pháp đốt cháy ở nhiệt độ cao và đầu dò tia hồng ngoại (IR) hoặc đầu dò độ dẫn nhiệt (TCD))

ASTM D3120, Test method for trace quantities of sulfur in light liquid petroleum hydrocarbons by oxidative microcoulometry (Phương pháp định lượng vết lưu huỳnh trong hydrocacbon dầu mỏ nhẹ dạng lỏng bằng phép đo vi điện lượng oxy hóa)

ASTM D4529, Test method for estimation of net heat of combustion of aviation fuels (Phương pháp tính nhiệt trị cháy thực của nhiên liệu hàng không)

ASTM D4809, Test method for heat of combustion of liquid hydrocarbon fuels by bomb calorimeter (Precision method) (Phương pháp xác định nhiệt trị cháy của nhiên liệu hydrocacbon lỏng bằng nhiệt trị kế dạng bơm (phương pháp độ chụm))

ASTM D8267, Test method for determination of total aromatic, monoaromatic and diaromatic content of aviation turbine fuels using gas chromatography with vacuum ultraviolet absorption spectroscopy detection (GC-VUV) (Phương pháp xác định tổng hàm lượng aromatic, hàm lượng monoaromatic và hàm lượng diaromatic của nhiên liệu tuốc bin hàng không bằng phương pháp sắc ký khí với đầu dò quang phổ hấp thụ tia cực tím chân không (GC-VUV))

ASTM D8305, Test method for the determination of total aromatic hydrocarbons and total polynuclear aromatic hydrocarbons in aviation turbine fuels and other kerosene range fuels by supercritical fluid chromatography (Phương pháp xác định hàm lượng tổng hydrocarbon thơm và hàm lượng tổng hydrocacbon thơm đa nhân trong nhiên liệu tuốc bin hàng không và các loại nhiên liệu kerosin khác bằng sắc ký lỏng siêu tới hạn)

IP 436, Determination of aromatic hydrocarbon types in aviation fuels and petroleum distillates - High performance liquid chromatography method with retractive index detection (Xác định các loại hydrocacbon thơm trong nhiên liệu hàng không và sản phẩm chưng cất dầu mỏ - Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với phát hiện chỉ số khúc xạ)

3 Thuật ngữ và định nghĩa

Trong tiêu chuẩn này, sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau

3.1

Nhiệt trị cháy tổng (gross heat of combustion), Qg (MJ/kg)

Lượng năng lượng được giải phóng khi đốt một đơn vị khối lượng nhiên liệu trong điều kiện không đổi về thể tích, với sản phẩm là khí, ngoại trừ nước, được ngưng tụ thành trạng thái lỏng.

3.2

Nhiệt trị cháy thực (net head of combustion), Qn (MJ/kg)

Lượng năng lượng được giải phóng khi đốt một đơn vị khối lượng nhiên liệu ở áp suất không đổi, với tất cả các sản phẩm bao gồm cả nước đều ở dạng khí.

4 Tóm tắt phương pháp

4.1 Mối tương quan ^[6] theo đơn vị inch-pound giữa nhiệt trị cháy thực với khối lượng riêng API, hàm lượng chất thơm và độ bay hơi trung bình của nhiên liệu được thiết lập. Mối tương quan được chuyển sang hệ đơn vị SI. Các tương quan này được thể hiện bởi các phương trình 1 và phương trình 2 dưới đây:

Loại nhiên liệu

Tất cả các loại xăng hàng không, nhiên liệu tuốc bin máy bay và nhiên liệu động cơ phản lực

Phương trình

hoặc theo đơn vị SI

trong đó:

4.2 Để hiệu chỉnh ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh của nhiên liệu đến nhiệt trị cháy thực, áp dụng phương trình sau:

Trong đó:

4.3 Các phương trình thực nghiệm để tính nhiệt trị cháy thực của nhiên liệu không chứa lưu huỳnh được suy ra bằng phương pháp hồi quy tuyến tính từng bước sử dụng dữ liệu từ 241 loại nhiên liệu, hầu hết đều phù hợp với quy định kỹ thuật của xăng hàng không và nhiên liệu tuốc bin máy bay hoặc nhiên liệu động cơ phản lực.

5 Ý nghĩa và ứng dụng

5.1 Phương pháp này nhằm mục đích sử dụng như một hướng dẫn trong trường hợp khi không có sẵn và không thể thực hiện được việc xác định nhiệt trị cháy bằng thực nghiệm và khi tính toán được coi là thỏa đáng. Phương pháp này không nhằm mục đích thay thế cho các phép đo nhiệt trị cháy bằng thực nghiệm. Bảng 1 trình bày tóm tắt về phạm vi của từng biến được sử dụng để xây dựng mối tương quan. Giá trị trung bình và ước tính phân bố giá trị của biến xung quanh giá trị trung bình có tên gọi là độ lệch chuẩn được nêu trong Bảng 1. Điều này cho thấy, ví dụ: khối lượng riêng trung bình của tất cả các nhiên liệu được sử dụng để xây dựng mối tương quan là 779,3 kg/m ³ , trong đó 2/3 số mẫu có khối lượng riêng trong khoảng từ 721,4 kg/m ³ đến 837,1 kg/m ³ , nghĩa là, trong khoảng cộng hoặc trừ một độ lệch chuẩn. Mối tương quan chính xác nhất là khi giá trị của các biến được sử dụng nằm trong một độ lệch chuẩn của trung bình nhưng vẫn có ích trong phạm vi đến hai độ lệch chuẩn của trung bình. Có thể sử dụng mối tương quan này cho các sản phẩm chưng cất hydrocacbon khác và các hydrocacbon tinh khiết; tuy nhiên, chỉ có dữ liệu hạn chế về nhiên liệu phi hàng không trên toàn bộ phạm vi của các biến số được đưa vào mối tương quan.

CHÚ THÍCH 4: Quy trình xác định nhiệt trị cháy tổng và nhiệt trị cháy thực bằng phương pháp thực nghiệm được mô tả trong ASTM D240 và ASTM D4809.

Bảng 1 - Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của các biến số

5.2 Các phương pháp đo nhiệt trị nêu trong Chú thích 4 là để đo nhiệt trị cháy tổng. Tuy nhiên, trong tính toán cho máy bay thì cần nhiệt trị thực. Phương pháp tính toán này là dựa trên nhiệt trị thực nhưng cần phải hiệu chỉnh đối với các hợp chất lưu huỳnh ngưng tụ.

6 Quy trình

6.1 Xác định hàm lượng chất thơm trong nhiên liệu chính xác đến 0,1 % thể tích theo TCVN 7330 (ASTM D 1319).

6.1.1 Các tiêu chuẩn TCVN 12921 (ASTM D 6379), IP 436, ASTM D8267 hoặc ASTM D8305 có thể được sử dụng thay thế cho TCVN 7330 (ASTM D 1319) để xác định hàm lượng chất thơm trong nhiên liệu sử dụng trong tiêu chuẩn này.

6.1.2 Nếu sử dụng TCVN 12921 (ASTM D 6379) hoặc IP 436 thì nhân tổng hàm lượng chất thơm tính theo % thể tích với 25/26,5 (= 0,9434) và sử dụng giá trị đã hiệu chỉnh này thay cho chất thơm được xác định bằng TCVN 7330 (ASTM D 1319) trong Công thức 2.

6.1.3 Nếu sử dụng tiêu chuẩn ASTM D8305, kết quả phần trăm khối lượng phải được hiệu chỉnh độ chệch bằng cách sử dụng phương trình hiệu chỉnh độ chệch cho tổng số chất thơm trong Điều 13 (Độ chụm và độ chệch) của ASTM D8305.

6.2 Xác định khối lượng riêng ở 15 °C hoặc khối lượng riêng API của nhiên liệu chính xác đến 0,1 kg/m ³ hoặc [0,1° API] theo TCVN 6594 (ASTM D 1298) hoặc TCVN 8314 (ASTM D 4052).

6.3 Xác định điểm sôi 10 %, 50 % và 90 % của nhiên liệu chính xác đến 1 °C hoặc [1 °F] theo TCVN 2698 (ASTM D 86). Tính giá trị trung bình ba nhiệt độ này để thu được giá trị T (°C) hoặc giá trị V (°F) được sử dụng trong các phương trình tại 4.1. Đối với hydrocacbon nguyên chất, T hoặc V là nhiệt độ sôi bình thường.

6.3.1 TCVN 11585 (ASTM D 2887) có thể được sử dụng thay thế cho TCVN 2698 (ASTM D 86) để xác định độ bay hơi của nhiên liệu dùng trong tiêu chuẩn này. Giá trị trung bình của điểm sôi 10 %, 50 % và 90 % được xác định theo TCVN 11585 (ASTM D 2887) có thể được sử dụng trực tiếp thay cho giá trị trung bình tương ứng được xác định theo TCVN 2698 (ASTM D 86).

6.4 Xác định hàm lượng lưu huỳnh của nhiên liệu chính xác đến 0,02 % lưu huỳnh theo các tiêu chuẩn TCVN 2708 (ASTM D 1266), ASTM D1552, TCVN 6701 (ASTM D 2622), ASTM D3120, TCVN 3172 (ASTM D 4294) hoặc TCVN 7760 (ASTM D 5453), tùy thuộc vào độ bay hơi của mẫu.

7 Tính toán và báo cáo

7.1 Đơn vị SI

7.1.1 Tính nhiệt trị cháy thực, trên cơ sở không có lưu huỳnh, sử dụng phương trình 2 trong 4.1. Làm tròn giá trị thu được đến một phần nghìn.

Ví dụ:

Mẫu: Kerosin

Giá trị xác định được:

Chất thơm: A = 12,5 % thể tích

Khối lượng riêng: D = 805,0 kg/m ³

Thành phần cất

T = (203 + 233 + 245)/3 = 227 °C

Thay vào phương trình 2 trong 4.1:

7.1.2 Tính nhiệt trị cháy thực được hiệu chỉnh đối với hàm lượng lưu huỳnh của nhiên liệu, sử dụng phương trình 3 trong 4.2. Làm tròn giá trị thu được đến một phần nghìn.

Ví dụ:Q _p2 = 43,411 MJ/kg

Giá trị xác định được: Lưu huỳnh, S ₁ =0,1 % theo khối lượng

Thay vào phương trình 3 trong 4.2:

7.2 Đơn vị Inch - Pound

7.2.1 Tính nhiệt trị thực của quá trình đốt cháy, trên cơ sở không có lưu huỳnh, sử dụng phương trình 1 trong 4.1. Làm tròn giá trị thu được đến số nguyên.

Ví dụ:

Mẫu: Kerosin

Giá trị xác định được:

Chất thơm: A = 12,5 % thể tích

Khối lượng riêng: G = 44,2 °API

Thành phần cất

Các giá trị tính được:

Thay vào phương trình 1 trong 4.1:

7.2.2 Tính nhiệt trị cháy thực được hiệu chỉnh đối với hàm lượng lưu huỳnh của nhiên liệu và làm tròn giá trị thu được đến số nguyên.

Ví dụ: Q _{p 1} = 18 663 Btu/lb

Giá trị xác định được: Lưu huỳnh, S ₁ =0,10 % theo khối lượng

8 Báo cáo

8.1 Báo cáo kết quả tính được từ 7.1 làm tròn đến phần nghìn gần nhất là nhiệt trị cháy thực của nhiên liệu theo đơn vị megajun trên kilogam hoặc kết quả tính toán từ 7.2 đã làm tròn đến số nguyên là nhiệt trị cháy thực của nhiên liệu theo đơn vị Btu trên pound.

8.2 Báo cáo kết quả được xác định trên cơ sở không có lưu huỳnh hoặc có lưu huỳnh đã hiệu chỉnh.

9 Độ chụm và độ chệch

9.1 Nên sử dụng các tiêu chí sau để đánh giá khả năng chấp nhận kết quả tính toán của nhiệt trị cháy thực (độ tin cậy 95 %).

9.1.1Độ lặp lại - Sự chênh lệch giữa các kết quả thu được liên tiếp do cùng một người thực hiện (sử dụng bộ giá trị đo được thứ hai về dữ liệu hàm lượng chất thơm, khối lượng riêng và thành phần cất) trên vật liệu thử nghiệm giống hệt nhau, trong thời gian dài, khi sử dụng bình thường 1 và chính xác phương pháp này, sẽ chỉ có một trong hai mươi trường hợp vượt qua giá trị sau (trên cơ sở không có lưu huỳnh).

Độ lặp lại = 0,021 MJ/kg hoặc [9 Btu/lb]

9.1.2 Độ tái lập - Sự chênh lệch giữa hai kết quả đơn lẻ và độc lập thu được bởi những người thực hiện khác nhau làm việc trong các phòng thử nghiệm khác nhau trên loại vật liệu thử nghiệm giống hệt nhau, kết quả chỉ có một trong hai mươi trường hợp vượt qua giá trị sau.

Độ tái lập = 0,046 MJ/kg hoặc [20 Btu/lb]

CHÚ THÍCH 5: Độ lặp lại và độ tái lập nêu trên là dựa trên tổng độ lặp lại và độ tái lập của các phương pháp thử nghiệm được sử dụng trong các phép tính. Tác động của sự phân tán dữ liệu gốc xung quanh đường hồi quy mô tả Phương trình 1 và Phương trình 2 không bao gồm trong đó. Do đó, khả năng các tính toán riêng lẻ có thể có sai số vượt quá độ chụm nêu trên cần phải được công nhận

9.2 Độ chệch - Mối tương quan được mô tả bằng phương pháp này dựa trên dữ liệu thu được bằng các phương pháp tương đương với ASTM D4809 và độ phân tán dữ liệu được mô tả trong Bảng 1. Tuy nhiên, không thể đưa ra tuyên bố về độ chệch vì không thể xác định được độ chệch đối với ASTM D4809.

Thư mục tài liệu tham khảo

[1] Armstrong, G.t., “Net heat of Combustion of Aviation Gasoline and its Correlation with Composition and Aniline-Gravity Product”

[2] “Petroleum Products Survey No. 23, Aviation Fuels 1963.”(“Khảo sát sản phẩm dầu khí số 23, Nhiên liệu hàng không 1964”) Cục Khai thác mỏ, Tháng Tư năm 1964.

[3] Armstrong, G.t., và cộng sự, “Net Heat of Combustion and other Properties of Kerosene and Related Fuels” (Nhiệt trị cháy thực và các tính chất khác của kerosin và các nhiên liệu liên quan”), Tạp chí dữ liệu hóa học và kỹ thuật NBS, Tập 7, số 1, tháng 1 năm 1962, cùng với dữ liệu phương pháp D86 về những nhiên liệu này.

[4] Rossini, F.D., và cộng sự, Selected Values of Physical and Thermodynamic Properties of Hydrocarbons and Related Compounds (Các giá trị được chọn tính chất vật lý và nhiệt động lực học của Hydrocacbon và các hợp chất liên quan, Nhà xuất bản Carnegie, 1953.

[5] “Dữ liệu kiểm tra nhiên liệu,” (Fuel Inspection Data) Báo cáo của Hội đồng nghiên cứu phối hợp số LD-132, ngày 1 tháng 9 năm 1963.

[6] Bert, J. A., và Painter, L. J., “Phương pháp có thể áp dụng rộng rãi để tính nhiệt trị cháy,” (A Boardly Applicable Method for Calculating Heat of Combustion) Chevron Research Co., Richmond, CA, ngày 12 tháng 1 năm 1973.