Beregner til forbrændingsanalyse

En beregner til forbrændingsanalyse finder den afstemte kemiske ligning, luft-brændstof-forholdet og den frigivne varme, når et brændstof brænder. Den fungerer med almindelige brændstoffer som metan, propan og oktan samt med brugerdefinerede kulbrintebrændstoffer, der indtastes atom for atom.

Sådan bruges beregneren til forbrændingsanalyse

1. Vælg en brændstoftype, f.eks. metan eller propan, eller vælg "brugerdefineret", og indtast antallet af kulstof-, brint-, oxygen- og nitrogenatomer i brændstofmolekylet.
2. For et brugerdefineret brændstof skal dets standarddannelsesenthalpi i kJ/mol også indtastes. Denne værdi er negativ for de fleste brændstoffer: metan er −74,8 og propan −103,8. Brug værdien for den fase, brændstoffet befinder sig i, f.eks. −234,8 for ethanoldamp eller −277,0 for flydende ethanol. Et grundstof i dets standardtilstand, f.eks. brintgas eller kulstof, er 0.
3. Vælg oxidationsmidlet: luft (21 % oxygen og 79 % nitrogen efter volumen) eller ren oxygen.
4. Angiv procentdelen af overskud. Brug 0 % for den nøjagtige støkiometriske blanding eller et højere tal for at tilføje ekstra oxidationsmiddel. Feltet hedder "Overskudsluft" for luft og "Overskudsoxygen" for ren oxygen.
5. Aflæs resultaterne: den afstemte ligning, masseforholdet mellem oxidationsmiddel og brændstof, den frigivne varme pr. mol og pr. kilogram brændstof samt masseandelen af hver produktgas.

Når luft er valgt, er forholdet mærket "Luft-brændstof-forhold". Med ren oxygen er der ingen luft i blandingen, så det samme resultat er mærket "Oxidationsmiddel-brændstof-forhold". Brændstofformler vises i Hill-rækkefølge: kulstof først, brint som nummer to og derefter de øvrige grundstoffer, så et brugerdefineret brændstof med ét kulstofatom, to brintatomer og to oxygenatomer skrives CH₂O₂.

Hvad er forbrænding?

Forbrænding er en kemisk reaktion mellem et brændstof og et oxidationsmiddel, normalt oxygen, som frigiver varme. Ved fuldstændig forbrænding reagerer et kulbrintebrændstof (et molekyle bestående af kulstof og brint) med tilstrækkeligt oxygen til kun at danne kuldioxid (CO₂) og vand (H₂O). Hvis der ikke er tilstrækkeligt oxygen, er reaktionen ufuldstændig og danner også kulmonoxid (CO), sod og uforbrændt brændstof.

Støkiometrisk oxygenformel

For et brændstof med formlen CₓHᵧOᵤ er den nødvendige stofmængde af oxygen (O₂) til fuldstændig forbrænding:

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

Her er x antallet af kulstofatomer, y antallet af brintatomer og z antallet af oxygenatomer, der allerede findes i brændstoffet. Den afstemte ligning er:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Sådan beregnes luft-brændstof-forholdet

Luft-brændstof-forholdet (AFR) er luftens masse divideret med massen af det brændstof, der kræves til fuldstændig forbrænding. Sådan findes det:

1. Beregn den støkiometriske stofmængde af O₂ ud fra formlen ovenfor.
2. Hvis oxidationsmidlet er luft, findes den tilsvarende stofmængde af N₂ ved hjælp af luftforholdet 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Omregn begge gasser til masse ved hjælp af deres molarmasser (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol), og læg dem sammen for at få luftens masse.
4. Divider luftens masse med brændstoffets molarmasse.

metan

Metan (CH₄) har ét kulstofatom og fire brintatomer, så det kræver n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol oxygen pr. mol brændstof:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Med luft som oxidationsmiddel medfører 2 mol O₂ 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Luftens masse er (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Metans molarmasse er cirka 16,04 g/mol, så luft-brændstof-forholdet er 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 til 1 efter masse.

Forbrændingsvarme

Forbrændingsvarmen er den energi, der frigives pr. mol eller pr. kilogram brændt brændstof. Den beregnes med Hess' lov ved hjælp af standarddannelsesentalpien for hvert stof:

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

hvor Q er den frigivne varme pr. mol brændstof i kJ/mol, og ΔHf er brændstoffets standarddannelsesentalpi.

Værdierne 393,5 og 241,8 kJ/mol stammer fra dannelsesentalpien for CO₂ og vanddamp. Da vand regnes som damp og ikke som væske, er dette den nedre brændværdi (LHV), ikke den øvre brændværdi (HHV). HHV er større, fordi den også medregner den varme, der frigives, når vanddamp kondenserer til væske, hvilket ikke sker inde i det meste forbrændingsudstyr.

For metan er ΔHf = −74,8 kJ/mol, så den frigivne varme er 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Divideret med metans molarmasse (16,04 g/mol) giver det cirka 50,0 MJ/kg.

Den frigivne varme er den samme uanset oxidationsmiddel og uanset mængden af anvendt overskudsluft, fordi den opgøres pr. mol brændstof. Overskudsluft ændrer flammetemperaturen og røggassens sammensætning, men ikke den energi, der er lagret i brændstoffet.

Almindelige brændstoffer

Metan er hovedbestanddelen i naturgas. Propan og butan bruges til opvarmning, madlavning og bærbare komfurer. Oktan bruges som repræsentant for benzin i disse beregninger, selv om rigtig benzin er en blanding af mange kulbrinter, og dens eget støkiometriske AFR normalt angives til omkring 14,7:1.

Overskudsluft og forbrændingseffektivitet

Overskudsluft er ekstra luft, der tilføres ud over den støkiometriske mængde, angivet som en procentdel. Virkelige brændere kører sjældent med præcis 0 % overskudsluft, fordi ufuldstændig blanding ville efterlade noget brændstof uforbrændt.

• Ved 0 % overskudsluft er blandingen præcis støkiometrisk. Det giver den højeste flammetemperatur, men medfører risiko for ufuldstændig forbrænding, hvis blandingen ikke er ensartet.
• De fleste brændere kører med 10–20% overskudsluft, hvilket pålideligt forbrænder alt brændstoffet, samtidig med at kun lidt varme går til spilde.
• Overskudsluft over 50 % sænker effektiviteten yderligere, fordi det ekstra nitrogen og oxygen optager varme og forlader anlægget med røggassen. Det sænker også flammetemperaturen, hvilket kan reducere dannelsen af nitrogenoxider (NOx).

Hvad påvirker en forbrændingsreaktion?

Brændstofsammensætning. Brændstoffer med et højere forhold mellem kulstof og brint frigiver mindre energi pr. kilogram og producerer mere CO₂ ved samme energiudbytte.

Valg af oxidationsmiddel. Luft fortynder reaktionen med nitrogen, hvilket sænker flammetemperaturen sammenlignet med ren oxygen. Forbrænding med ren oxygen giver en varmere flamme, men kan danne flere nitrogenoxider, hvis der findes nitrogen i brændstoffet, eller hvis der trænger luft ind.

Brændstofbundet nitrogen. Nitrogenatomer i brændstoffet tælles som atomer og forlader reaktionen som N₂-molekyler, så to nitrogenatomer i brændstoffet tilfører ét mol N₂ til produkterne.

Blanding. Brændstof og oxidationsmiddel skal blandes godt, for at reaktionen kan forløbe fuldstændigt. Områder, der er for brændstofrige eller for brændstofmagre, brænder ufuldstændigt, selv om den samlede blanding i gennemsnit er korrekt.

Hvor anvendes forbrændingsanalyse?

Ingeniører bruger disse beregninger til at konstruere bil- og flymotorer, indstille industrielle ovne og kedler samt dimensionere varmesystemer til boliger. Miljøingeniører bruger de samme afstemte ligninger til at estimere CO₂- og NOx-udledningen til emissionsrapportering.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er forskellen på fuldstændig og ufuldstændig forbrænding? Fuldstændig forbrænding sker, når der er tilstrækkeligt oxygen til at omdanne alt brændstoffet til CO₂ og vand. Ufuldstændig forbrænding sker, når der mangler oxygen, så der i stedet dannes kulmonoxid, sod og uforbrændt brændstof.

Hvorfor bruger forbrændingssystemer overskudsluft? Ekstra luft sikrer, at alle dele af brændstoffet møder tilstrækkeligt oxygen, også hvor blandingen ikke er perfekt. De fleste systemer kører med omkring 10–20% overskudsluft for at undgå dannelse af kulmonoxid.

Hvordan beregnes luft-brændstof-forholdet? Find den nødvendige stofmængde af O₂ ud fra brændstoffets formel, tilføj den tilsvarende mængde N₂, hvis oxidationsmidlet er luft, omregn begge til masse, og divider den samlede luftmasse med brændstofmassen. Metan kræver cirka 17,1 kg luft pr. kilogram brændstof.

Hvad er forskellen på øvre og nedre brændværdi? Den nedre brændværdi (LHV) antager, at det dannede vand forbliver som damp. Den øvre brændværdi (HHV) antager, at vandet kondenserer tilbage til væske og frigiver ekstra varme. Denne beregner angiver LHV, eftersom det meste forbrændingsudstyr lader vanddampen slippe ud med røggassen i stedet for at kondensere den.

Hvad er støkiometrisk forbrænding? Støkiometrisk forbrænding er den nøjagtige blanding af brændstof og oxidationsmiddel, hvor der hverken er overskydende brændstof eller oxygen i produkterne. Enhver større luftmængde end dette kaldes overskudsluft; enhver mindre mængde kaldes en brændstofrig blanding.

Påvirker brændstoffets sammensætning røggassen? Ja. Mere brint i brændstoffet betyder mere vanddamp i røggassen. Mere kulstof betyder mere CO₂. Brændstof, der indeholder nitrogen eller svovl, kan også danne nitrogenoxider eller svovldioxid, når det brænder.