Kalkulačka analýzy spalování

Kalkulačka analýzy spalování určuje vyčíslenou chemickou rovnici, poměr vzduchu a paliva a teplo uvolněné při spalování paliva. Funguje pro běžná paliva, jako jsou metan, propan a oktan, i pro vlastní uhlovodíková paliva zadaná atom po atomu.

Jak používat kalkulačku analýzy spalování

1. Vyberte typ paliva, například metan nebo propan, případně zvolte „vlastní“ a zadejte počet atomů uhlíku, vodíku, kyslíku a dusíku v molekule paliva.
2. U vlastního paliva zadejte také jeho standardní entalpii tvorby v kJ/mol. Tato hodnota je u většiny paliv záporná: u metanu je −74,8 a u propanu −103,8. Použijte hodnotu pro skupenství, ve kterém se palivo nachází, například −234,8 pro páry ethanolu nebo −277,0 pro kapalný ethanol. Prvek ve svém standardním stavu, například plynný vodík nebo uhlík, má hodnotu 0.
3. Zvolte oxidační činidlo: vzduch (objemově 21 % kyslíku a 79 % dusíku) nebo čistý kyslík.
4. Nastavte procento přebytku. Pro přesně stechiometrickou směs použijte 0 %, vyšší hodnotou přidáte další oxidační činidlo. Pole se pro vzduch nazývá „Přebytek vzduchu“ a pro čistý kyslík „Přebytek kyslíku“.
5. Přečtěte si výsledky: vyčíslenou rovnici, hmotnostní poměr oxidačního činidla k palivu, teplo uvolněné na mol a kilogram paliva a hmotnostní podíl každého produktu spalování.

Je-li zvolen vzduch, poměr je označen jako „Poměr vzduchu a paliva“. U čistého kyslíku směs neobsahuje vzduch, takže stejný výsledek je označen jako „Poměr oxidačního činidla a paliva“. Vzorce paliv se zapisují v Hillově pořadí: nejprve uhlík, potom vodík a následně ostatní prvky, takže vlastní palivo s jedním atomem uhlíku, dvěma atomy vodíku a dvěma atomy kyslíku se zapisuje CH₂O₂.

Co je spalování?

Spalování je chemická reakce mezi palivem a oxidačním činidlem, obvykle kyslíkem, při níž se uvolňuje teplo. Při dokonalém spalování reaguje uhlovodíkové palivo (molekula tvořená uhlíkem a vodíkem) s dostatečným množstvím kyslíku a vzniká pouze oxid uhličitý (CO₂) a voda (H₂O). Pokud není kyslíku dostatek, reakce je nedokonalá a vzniká také oxid uhelnatý (CO), saze a nespálené palivo.

Stechiometrický vzorec kyslíku

U paliva se vzorcem CₓHᵧOᵤ je pro dokonalé spalování potřeba toto látkové množství kyslíku (O₂):

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

Zde x označuje počet atomů uhlíku, y počet atomů vodíku a z počet atomů kyslíku, které jsou již v palivu. Vyčíslená rovnice je:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Jak vypočítat poměr vzduchu a paliva

Poměr vzduchu a paliva (AFR) je hmotnost vzduchu vydělená hmotností paliva potřebného k dokonalému spalování. Postup:

1. Vypočítejte stechiometrické látkové množství O₂ podle výše uvedeného vzorce.
2. Je-li oxidačním činidlem vzduch, určete odpovídající látkové množství N₂ pomocí poměru vzduchu 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Oba plyny převeďte na hmotnost pomocí jejich molárních hmotností (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) a sečtěte je, abyste získali hmotnost vzduchu.
4. Vydělte hmotnost vzduchu molární hmotností paliva.

Řešený příklad: metan

Metan (CH₄) má jeden atom uhlíku a čtyři atomy vodíku, takže na jeden mol paliva potřebuje n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol kyslíku:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Je-li oxidačním činidlem vzduch, 2 mol O₂ přináší 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Hmotnost vzduchu je (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Molární hmotnost metanu je přibližně 16,04 g/mol, takže poměr vzduchu a paliva je 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 ku 1 podle hmotnosti.

Spalné teplo

Spalné teplo je energie uvolněná na mol nebo kilogram spáleného paliva. Vypočítává se pomocí Hessova zákona s využitím standardní entalpie tvorby každé látky:

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

kde Q je teplo uvolněné na mol paliva v kJ/mol a ΔHf je standardní entalpie tvorby paliva.

Hodnoty 393,5 a 241,8 kJ/mol pocházejí z entalpie tvorby CO₂ a vodní páry. Protože se voda započítává jako pára, nikoli jako kapalina, jde o dolní výhřevnost (LHV), nikoli o horní výhřevnost (HHV). HHV je vyšší, protože zahrnuje také teplo uvolněné při kondenzaci vodní páry na kapalnou vodu, k níž ve většině spalovacích zařízení nedochází.

U metanu je ΔHf = −74,8 kJ/mol, takže uvolněné teplo je 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Po vydělení molární hmotností metanu (16,04 g/mol) dostaneme přibližně 50,0 MJ/kg.

Uvolněné teplo je stejné bez ohledu na oxidační činidlo a množství použitého přebytečného vzduchu, protože se udává na mol paliva. Přebytečný vzduch mění teplotu plamene a složení spalin, nikoli energii uloženou v palivu.

Běžná paliva

Metan je hlavní složkou zemního plynu. Propan a butan se používají k vytápění, vaření a v přenosných vařičích. Oktan v těchto výpočtech zastupuje benzin, skutečný benzin je však směsí mnoha uhlovodíků a jeho vlastní stechiometrický AFR se obvykle uvádí přibližně jako 14,7:1.

Přebytečný vzduch a účinnost spalování

Přebytečný vzduch je vzduch přidaný nad stechiometrické množství, vyjádřený v procentech. Skutečné hořáky jen zřídka pracují s přesně 0 % přebytečného vzduchu, protože nedokonalé promísení by způsobilo, že část paliva zůstane nespálená.

• Při 0 % přebytečného vzduchu je směs přesně stechiometrická. To vede k nejvyšší teplotě plamene, ale při nedokonalém promísení hrozí nedokonalé spalování.
• Většina hořáků pracuje s 10–20% přebytečného vzduchu, který spolehlivě spálí veškeré palivo a přitom způsobí jen malé tepelné ztráty.
• Přebytek vzduchu nad 50 % dále snižuje účinnost, protože další dusík a kyslík pohlcují teplo a odcházejí se spalinami. Snižuje také teplotu plamene, což může omezit tvorbu oxidů dusíku (NOx).

Co ovlivňuje spalovací reakci

Složení paliva. Paliva s vyšším poměrem uhlíku k vodíku uvolňují méně energie na kilogram a při stejném energetickém výkonu produkují více CO₂.

Volba oxidačního činidla. Vzduch ředí reakci dusíkem, takže ve srovnání s čistým kyslíkem snižuje teplotu plamene. Spalování v čistém kyslíku probíhá při vyšší teplotě, ale může vytvářet více oxidů dusíku, pokud je v palivu přítomen dusík nebo do systému uniká vzduch.

Dusík vázaný v palivu. Atomy dusíku v palivu se započítávají jako atomy a odcházejí jako molekuly N₂, takže dva atomy dusíku v palivu přidají do produktů jeden mol N₂.

Promísení. Palivo a oxidační činidlo se musí dobře promísit, aby reakce proběhla úplně. Příliš palivem bohaté nebo příliš chudé oblasti hoří nedokonale, i když je celková směs v průměru správná.

Kde se používá analýza spalování

Inženýři tyto výpočty používají při navrhování automobilových a leteckých motorů, seřizování průmyslových pecí a kotlů a dimenzování systémů vytápění budov. Inženýři v oblasti životního prostředí používají stejné vyčíslené rovnice k odhadu emisí CO₂ a NOx pro vykazování emisí.

Často kladené otázky

Jaký je rozdíl mezi dokonalým a nedokonalým spalováním? K dokonalému spalování dochází, když je dostatek kyslíku k přeměně veškerého paliva na CO₂ a vodu. Při nedokonalém spalování je kyslíku nedostatek a místo toho vzniká oxid uhelnatý, saze a nespálené palivo.

Proč spalovací systémy používají přebytečný vzduch? Další vzduch zajišťuje, aby se každá část paliva setkala s dostatkem kyslíku, i když promísení není dokonalé. Většina systémů pracuje s přibližně 10–20% přebytečného vzduchu, aby se zabránilo vzniku oxidu uhelnatého.

Jak se vypočítá poměr vzduchu a paliva? Určete z vzorce paliva potřebné látkové množství O₂, pokud je oxidačním činidlem vzduch, přidejte odpovídající množství N₂, oba plyny převeďte na hmotnost a celkovou hmotnost vzduchu vydělte hmotností paliva. Na kilogram paliva potřebuje metan přibližně 17,1 kg vzduchu.

Jaký je rozdíl mezi vyšší a nižší výhřevností? Nižší výhřevnost (LHV) předpokládá, že vzniklá voda zůstane ve formě páry. Vyšší výhřevnost (HHV) předpokládá, že voda zkondenzuje zpět na kapalinu a uvolní další teplo. Tato kalkulačka uvádí LHV, protože většina spalovacích zařízení nechává vodní páru unikat se spalinami, místo aby kondenzovala.

Co je stechiometrické spalování? Stechiometrické spalování je přesný poměr paliva a oxidačního činidla, při němž v produktech nezůstává žádné palivo ani kyslík. Jakékoli větší množství vzduchu se nazývá přebytečný vzduch; menší množství se nazývá směs bohatá na palivo.

Ovlivňuje složení paliva spaliny? Ano. Více vodíku v palivu znamená více vodní páry ve spalinách. Více uhlíku znamená více CO₂. Palivo obsahující dusík nebo síru může při spalování vytvářet také oxidy dusíku nebo oxid siřičitý.