حاسبة تحليل الاحتراق

تحسب حاسبة تحليل الاحتراق المعادلة الكيميائية الموزونة، ونسبة الهواء إلى الوقود، والحرارة المنطلقة عند احتراق الوقود. وتعمل مع أنواع الوقود الشائعة مثل الميثان والبروبان والأوكتان، ومع أنواع وقود هيدروكربونية مخصصة تُدخل ذرةً ذرة.

كيفية استخدام حاسبة تحليل الاحتراق

1. اختر نوع الوقود، مثل الميثان أو البروبان، أو اختر «مخصص» وأدخل عدد ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين في جزيء الوقود.
2. بالنسبة إلى وقود مخصص، أدخل أيضًا إنثالبي التكوين القياسي له بوحدة كيلوجول/مول. تكون هذه القيمة سالبة لمعظم أنواع الوقود: الميثان −74.8 والبروبان −103.8. استخدم قيمة الطور الذي يوجد فيه الوقود، مثل −234.8 لبخار الإيثانول أو −277.0 للإيثانول السائل. يكون العنصر في حالته القياسية، مثل غاز الهيدروجين أو الكربون، ذا قيمة 0.
3. اختر العامل المؤكسد: الهواء (21% أكسجين و79% نيتروجين بالحجم) أو الأكسجين النقي.
4. حدّد نسبة الزيادة. استخدم 0% للخليط الستوكيومتري الدقيق، أو رقمًا أعلى لإضافة مؤكسد إضافي. ويُسمّى الحقل «الهواء الزائد» عند استخدام الهواء و«الأكسجين الزائد» عند استخدام الأكسجين النقي.
5. اقرأ النتائج: المعادلة الموزونة، والنسبة الكتلية للمؤكسد إلى الوقود، والحرارة المنطلقة لكل مول ولكل كيلوجرام من الوقود، والنسبة الكتلية لكل غاز ناتج.

عند اختيار الهواء، تُسمّى النسبة «نسبة الهواء إلى الوقود». أما مع الأكسجين النقي فلا يوجد هواء في الخليط، ولذلك تُسمّى النتيجة نفسها «نسبة المؤكسد إلى الوقود». تظهر صيغ الوقود وفق ترتيب هيل: الكربون أولًا، ثم الهيدروجين، ثم العناصر الأخرى؛ لذلك يُكتب الوقود المخصص الذي يحتوي على ذرة كربون واحدة وذرتي هيدروجين وذرتي أكسجين هكذا: CH₂O₂.

ما الاحتراق؟

الاحتراق تفاعل كيميائي بين وقود ومؤكسد، عادةً الأكسجين، يطلق حرارة. في الاحتراق الكامل، يتفاعل الوقود الهيدروكربوني (وهو جزيء مكوّن من الكربون والهيدروجين) مع كمية كافية من الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والماء (H₂O) فقط. وإذا لم تتوافر كمية كافية من الأكسجين، يكون التفاعل غير كامل وينتج أيضًا أول أكسيد الكربون (CO) والسخام والوقود غير المحترق.

صيغة الأكسجين الستوكيومترية

بالنسبة إلى وقود صيغته CₓHᵧOᵤ، تكون كمية مولات الأكسجين (O₂) اللازمة للاحتراق الكامل كما يلي:

$n(\mathrm{O_2}) = x + \frac{y}{4} - \frac{z}{2}$

حيث تمثل x عدد ذرات الكربون، وy عدد ذرات الهيدروجين، وz عدد ذرات الأكسجين الموجودة أصلًا في الوقود. وتكون المعادلة الموزونة كما يلي:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

كيفية حساب نسبة الهواء إلى الوقود

نسبة الهواء إلى الوقود (AFR) هي كتلة الهواء مقسومة على كتلة الوقود اللازمة للاحتراق الكامل. ولحسابها:

1. احسب عدد المولات الستوكيومترية من O₂ باستخدام الصيغة أعلاه.
2. إذا كان المؤكسد هو الهواء، فاحسب عدد المولات المناظر من N₂ باستخدام نسبة الهواء 79:21: مولات N₂ = مولات O₂ × (79/21).
3. حوّل كلا الغازين إلى كتلة باستخدام كتلتيهما الموليتين (O₂ = 32.00 غرام/مول، وN₂ = 28.02 غرام/مول)، ثم اجمعهما للحصول على كتلة الهواء.
4. اقسم كتلة الهواء على الكتلة المولية للوقود.

مثال محلول: الميثان

يحتوي الميثان (CH₄) على ذرة كربون واحدة وأربع ذرات هيدروجين، ولذلك يحتاج إلى n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol من الأكسجين لكل مول من الوقود:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

عند استخدام الهواء مؤكسدًا، تجلب 2 mol من O₂ كمية مقدارها 2 × (79/21) ≈ 7.52 mol من N₂. وتكون كتلة الهواء (2 × 32.00) + (7.52 × 28.02) ≈ 274.8 غرام. وتبلغ الكتلة المولية للميثان نحو 16.04 غرام/مول، ولذلك تكون نسبة الهواء إلى الوقود 274.8 ÷ 16.04 ≈ 17.1 إلى 1 من حيث الكتلة.

حرارة الاحتراق

حرارة الاحتراق هي الطاقة المنطلقة لكل مول أو لكل كيلوجرام من الوقود المحترق. وتُحسب باستخدام قانون هس، بالاعتماد على إنثالبي التكوين القياسي لكل مادة:

$Q = 393.5 \times x + 241.8 \times \frac{y}{2} + \Delta H_f$

حيث إن Q هي الحرارة المنطلقة لكل مول من الوقود، بوحدة كيلوجول/مول، وΔHf هو إنثالبي التكوين القياسي للوقود.

تأتي القيمتان 393.5 و241.8 kJ/مول من إنثالبي التكوين لكل من CO₂ وبخار الماء. ولأن الماء يُعدّ بخارًا وليس سائلًا، فإن هذه القيمة تمثل القيمة الحرارية الدنيا (LHV)، لا القيمة الحرارية العليا (HHV). وتكون القيمة الحرارية العليا أكبر لأنها تشمل أيضًا الحرارة المنطلقة عند تكثف بخار الماء إلى سائل، وهو ما لا يحدث داخل معظم معدات الاحتراق.

بالنسبة إلى الميثان، ΔHf = −74.8 kJ/مول، ولذلك تكون الحرارة المنطلقة 393.5(1) + 241.8(2) − 74.8 = 802.3 kJ/مول. وبالقسمة على الكتلة المولية للميثان (16.04 غرام/مول) نحصل على نحو 50.0 ميغاجول/كغ.

تكون الحرارة المنطلقة نفسها بغض النظر عن المؤكسد ومقدار الهواء الزائد المستخدم، لأنها محسوبة لكل مول من الوقود. فالهواء الزائد يغيّر درجة حرارة اللهب وتركيب غازات العادم، لكنه لا يغيّر الطاقة المختزنة في الوقود.

أنواع الوقود الشائعة

الميثان هو المكوّن الرئيسي للغاز الطبيعي. ويُستخدم البروبان والبيوتان في التدفئة والطهي والمواقد المحمولة. ويمثّل الأوكتان البنزين في هذه الحسابات، رغم أن البنزين الفعلي خليط من هيدروكربونات كثيرة، وتُذكر عادةً نسبة الهواء إلى الوقود الستوكيومترية الخاصة به بالقرب من 14.7:1.

الهواء الزائد وكفاءة الاحتراق

الهواء الزائد هو هواء إضافي يُضاف بما يتجاوز الكمية الستوكيومترية، ويُعبّر عنه بنسبة مئوية. ونادرًا ما تعمل الحراقات الفعلية عند نسبة هواء زائد قدرها 0% بالضبط، لأن الخلط غير الكامل قد يترك بعض الوقود غير محترق.

• عند هواء زائد مقداره 0%، يكون الخليط ستوكيومتريًا تمامًا. ويؤدي ذلك إلى أعلى درجة حرارة للهب، لكنه ينطوي على خطر الاحتراق غير الكامل إذا كان الخلط غير متجانس.
• تعمل معظم الحراقات باستخدام هواء زائد بنسبة 10–20%، ما يحرق الوقود كله بصورة موثوقة مع هدر قدر قليل من الحرارة.
• يؤدي الهواء الزائد الذي يتجاوز 50% إلى خفض الكفاءة أكثر، لأن النيتروجين والأكسجين الإضافيين يمتصان الحرارة ويغادران مع غازات العادم. كما يخفض درجة حرارة اللهب، مما قد يقلل تكوّن أكاسيد النيتروجين (NOx).

العوامل المؤثرة في تفاعل الاحتراق

تركيب الوقود. تطلق أنواع الوقود ذات النسبة الأعلى من الكربون إلى الهيدروجين طاقة أقل لكل كيلوجرام، وتنتج كمية أكبر من CO₂ عند نفس الخرج الطاقي.

اختيار المؤكسد. يخفف الهواء التفاعل بالنيتروجين، مما يخفض درجة حرارة اللهب مقارنةً بالأكسجين النقي. يكون الاحتراق في الأكسجين النقي أشد حرارة، لكنه قد ينتج مزيدًا من أكاسيد النيتروجين إذا وُجد النيتروجين في الوقود أو تسرّب الهواء إلى الداخل.

النيتروجين المرتبط بالوقود. تُحسب ذرات النيتروجين الموجودة في الوقود كذرات، وتغادر على هيئة جزيئات N₂، ولذلك تضيف ذرتا نيتروجين في الوقود مولًا واحدًا من N₂ إلى النواتج.

الخلط. يجب أن يختلط الوقود والمؤكسد جيدًا حتى يكتمل التفاعل. وتحترق الجيوب الغنية بالوقود أو الفقيرة به احتراقًا غير كامل، حتى إذا كان الخليط الكلي صحيحًا في المتوسط.

استخدامات تحليل الاحتراق

يستخدم المهندسون هذه الحسابات لتصميم محركات السيارات والطائرات، وضبط الأفران والغلايات الصناعية، وتحديد أحجام أنظمة التدفئة السكنية. ويستخدم مهندسو البيئة المعادلات الموزونة نفسها لتقدير انبعاثات CO₂ وأكاسيد النيتروجين (NOx) لأغراض إعداد تقارير الانبعاثات.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين الاحتراق الكامل والاحتراق غير الكامل؟ يحدث الاحتراق الكامل عندما يتوافر ما يكفي من الأكسجين لتحويل الوقود كله إلى CO₂ وماء. أما الاحتراق غير الكامل فيحدث عند نقص الأكسجين، وينتج بدلًا من ذلك أول أكسيد الكربون والسخام والوقود غير المحترق.

لماذا تستخدم أنظمة الاحتراق الهواء الزائد؟ يضمن الهواء الإضافي وصول كمية كافية من الأكسجين إلى كل جزء من الوقود، حتى عندما لا يكون الخلط مثاليًا. وتعمل معظم الأنظمة باستخدام هواء زائد بنسبة تقارب 10–20% لتجنب إنتاج أول أكسيد الكربون.

كيف تُحسب نسبة الهواء إلى الوقود؟ احسب عدد مولات O₂ اللازمة من صيغة الوقود، وأضف الكمية المناظرة من N₂ إذا كان المؤكسد هو الهواء، ثم حوّل الغازين إلى كتلة، واقسم كتلة الهواء الكلية على كتلة الوقود. يحتاج الميثان إلى نحو 17.1 كغم من الهواء لكل كيلوجرام من الوقود.

ما الفرق بين القيمة الحرارية العليا والقيمة الحرارية الدنيا؟ تفترض القيمة الحرارية الدنيا (LHV) بقاء الماء الناتج على هيئة بخار. أما القيمة الحرارية العليا (HHV) فتفترض تكثف الماء وعودته إلى الحالة السائلة، مع إطلاق حرارة إضافية. تعرض هذه الحاسبة القيمة الحرارية الدنيا، لأن معظم معدات الاحتراق تسمح بخروج بخار الماء مع العادم بدلًا من تكثفه.

ما الاحتراق الستوكيومتري؟ الاحتراق الستوكيومتري هو خليط الوقود والمؤكسد بالكمية الدقيقة، بحيث لا يتبقى وقود أو أكسجين في النواتج. وتُسمّى أي كمية هواء تزيد على ذلك هواءً زائدًا، وأي كمية تقل عنه خليطًا غنيًا بالوقود.

هل يؤثر تركيب الوقود في غازات العادم؟ نعم. فزيادة الهيدروجين في الوقود تعني زيادة بخار الماء في العادم. وزيادة الكربون تعني زيادة CO₂. وقد ينتج الوقود الذي يحتوي على النيتروجين أو الكبريت أيضًا أكاسيد النيتروجين أو ثاني أكسيد الكبريت عند احتراقه.