Калкулатор за анализ на горенето

Калкулаторът за анализ на горенето изчислява балансираното химично уравнение, съотношението въздух–гориво и отделената при изгарянето на гориво топлина. Той работи с обичайни горива като метан, пропан и октан, както и с персонализирани въглеводородни горива, въведени атом по атом.

Как се използва калкулаторът за анализ на горенето

1. Изберете вид гориво, например метан или пропан, или изберете „потребителско“ и въведете броя на въглеродните, водородните, кислородните и азотните атоми в молекулата на горивото.
2. За потребителско гориво въведете и стандартната му енталпия на образуване в kJ/mol. За повечето горива тази стойност е отрицателна: за метана е −74,8, а за пропана −103,8. Използвайте стойността за фазата, в която се намира горивото, например −234,8 за парите на етанола или −277,0 за течен етанол. Елемент в стандартното си състояние, например газообразен водород или въглерод, има стойност 0.
3. Изберете окислителя: въздух (21% кислород и 79% азот по обем) или чист кислород.
4. Задайте процента излишък. Използвайте 0% за точно стехиометричната смес или по-висока стойност за добавяне на допълнителен окислител. Полето е означено като „Излишък на въздуха“ при въздух и „Излишък на кислорода“ при чист кислород.
5. Прегледайте резултатите: балансираното уравнение, масовото отношение на окислителя към горивото, отделената топлина на мол и на килограм гориво и масовия дял на всеки продукт на горенето.

При избран въздух отношението е означено като „отношение въздух–гориво“. При чист кислород в сместа няма въздух, затова същият резултат е означен като „отношение окислител–гориво“. Формулите на горивата са подредени по реда на Хил: първо въглеродът, после водородът, а след това останалите елементи. Така потребителско гориво с един въглероден, два водородни и два кислородни атома се записва като CH₂O₂.

Какво представлява горенето?

Горенето е химична реакция между гориво и окислител, обикновено кислород, при която се отделя топлина. При пълно горене въглеводородно гориво — молекула, съставена от въглерод и водород — реагира с достатъчно кислород и образува само въглероден диоксид (CO₂) и вода (H₂O). Ако кислородът не е достатъчен, реакцията е непълна и образува също въглероден оксид (CO), сажди и неизгоряло гориво.

Формула за стехиометричното количество кислород

За гориво с формула CₓHᵧOᵤ необходимото количество кислород (O₂) за пълно горене е:

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

Тук x е броят на въглеродните атоми, y — броят на водородните атоми, а z — броят на кислородните атоми, които вече се съдържат в горивото. Балансираното уравнение е:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Как се изчислява отношението въздух–гориво

Отношението въздух–гориво (AFR) е масата на въздуха, разделена на масата на горивото, необходима за пълно горене. За да го намерите:

1. Изчислете стехиометричното количество O₂ по формулата по-горе.
2. Ако окислителят е въздух, намерете съответното количество N₂, като използвате съотношението за въздуха 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Преобразувайте двата газа в маса чрез техните моларни маси (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) и ги съберете, за да получите масата на въздуха.
4. Разделете масата на въздуха на моларната маса на горивото.

Примерно изчисление: метан

Метанът (CH₄) има един въглероден и четири водородни атома, затова за него са необходими n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol кислород на мол гориво:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

При въздух като окислител 2 mol O₂ внасят 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Масата на въздуха е (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Моларната маса на метана е приблизително 16,04 g/mol, така че отношението въздух–гориво е 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 към 1 по маса.

Топлина на горене

Топлината на горене е енергията, отделена на мол или на килограм изгоряло гориво. Тя се изчислява чрез закона на Хес, като се използва стандартната енталпия на образуване на всяко вещество:

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

където Q е отделената топлина на мол гориво, в kJ/mol, а ΔHf е стандартната енталпия на образуване на горивото.

Стойностите 393,5 и 241,8 кДж/mol произлизат от енталпията на образуване на CO₂ и водните пари. Тъй като водата се приема за пара, а не за течност, това дава долната топлотворна способност (LHV), а не висшата топлотворна способност (HHV). HHV е по-голяма, защото включва и топлината, отделена при кондензацията на водните пари до течност, което не се случва в повечето горивни съоръжения.

За метана ΔHf = −74,8 кДж/mol, така че отделената топлина е 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 кДж/mol. Разделянето на тази стойност на моларната маса на метана (16,04 g/mol) дава приблизително 50,0 MJ/kg.

Отделената топлина е една и съща независимо от окислителя и от количеството използван излишен въздух, защото се отчита на мол гориво. Излишният въздух променя температурата на пламъка и състава на изгорелите газове, но не и енергията, съхранена в горивото.

Обичайни горива

Метанът е основният компонент на природния газ. Пропанът и бутанът се използват за отопление, готвене и преносими котлони. В тези изчисления октанът служи като заместител на бензина, макар че истинският бензин е смес от много въглеводороди и неговото стехиометрично AFR обикновено е близо до 14,7:1.

Излишен въздух и ефективност на горенето

Излишният въздух е допълнителен въздух, добавен над стехиометричното количество, и се задава като процент. Реалните горелки рядко работят с точно 0% излишен въздух, защото непълното смесване би оставило част от горивото неизгоряло.

• При 0% излишен въздух сместа е точно стехиометрична. Това осигурява най-висока температура на пламъка, но крие риск от непълно горене при несъвършено смесване.
• Повечето горелки работят с 10–20% излишен въздух, което надеждно изгаря цялото гориво с малка загуба на топлина.
• Излишният въздух над 50% допълнително намалява ефективността, тъй като допълнителните азот и кислород поглъщат топлина и напускат системата с изгорелите газове. Той понижава и температурата на пламъка, което може да намали образуването на азотни оксиди (NOx).

Какво влияе върху реакцията на горене

Състав на горивото. Горивата с по-високо съотношение между въглерод и водород отделят по-малко енергия на килограм и образуват повече CO₂ при еднакъв енергиен добив.

Избор на окислител. Въздухът разрежда реакцията с азот, което понижава температурата на пламъка в сравнение с чистия кислород. Горенето с чист кислород протича при по-висока температура, но може да образува повече азотни оксиди, ако в горивото има азот или ако в системата прониква въздух.

Азот, свързан в горивото. Азотните атоми в горивото се отчитат като атоми и напускат системата като молекули N₂, така че два азотни атома в горивото добавят един мол N₂ към продуктите.

Смесване. Горивото и окислителят трябва да се смесят добре, за да протече реакцията докрай. Зони с прекалено богата или прекалено бедна на гориво смес изгарят непълно, дори ако средният състав на сместа е правилен.

Къде се използва анализът на горенето

Инженерите използват тези изчисления за проектиране на автомобилни и авиационни двигатели, настройване на промишлени пещи и котли и оразмеряване на отоплителни системи за жилища. Инженерите по околна среда използват същите балансирани уравнения, за да оценят емисиите на CO₂ и NOx при съставяне на отчетите за емисиите.

Често задавани въпроси

Каква е разликата между пълното и непълното горене? Пълното горене протича, когато има достатъчно кислород, за да се превърне цялото гориво в CO₂ и вода. При непълно горене кислородът не достига и вместо това се образуват въглероден оксид, сажди и неизгоряло гориво.

Защо горивните системи използват излишен въздух? Допълнителният въздух гарантира, че всяка част от горивото среща достатъчно кислород, дори когато смесването не е съвършено. Повечето системи работят с около 10–20% излишен въздух, за да не се образува въглероден оксид.

Как се изчислява отношението въздух–гориво? Намерете количеството O₂, необходимо според формулата на горивото, добавете съответното количество N₂, ако окислителят е въздух, преобразувайте и двата газа в маса и разделете общата маса на въздуха на масата на горивото. За един килограм гориво на метана са необходими приблизително 17,1 kg въздух.

Каква е разликата между висшата и долната топлотворна способност? Долната топлотворна способност (LHV) приема, че образуваната вода остава под формата на пари. Висшата топлотворна способност (HHV) приема, че водата кондензира обратно до течност и отделя допълнителна топлина. Този калкулатор отчита LHV, тъй като в повечето горивни съоръжения водните пари излизат с изгорелите газове, вместо да кондензират.

Какво е стехиометрично горене? Стехиометричното горене е точното съотношение между гориво и окислител, при което в продуктите не остават нито гориво, нито кислород. Всяко количество въздух над това се нарича излишен въздух, а всяко по-малко количество — богата на гориво смес.

Влияе ли съставът на горивото върху изгорелите газове? Да. По-голямото съдържание на водород в горивото означава повече водни пари в изгорелите газове. Повече въглерод означава повече CO₂. Гориво, което съдържа азот или сяра, може при горене да образува и азотни оксиди или серен диоксид.