Υπολογιστής ανάλυσης καύσης

Ένας υπολογιστής ανάλυσης καύσης βρίσκει τη σταθμισμένη χημική εξίσωση, τον λόγο αέρα προς καύσιμο και τη θερμότητα που εκλύεται όταν καίγεται ένα καύσιμο. Λειτουργεί για κοινά καύσιμα όπως το μεθάνιο, το προπάνιο και το οκτάνιο, καθώς και για προσαρμοσμένα καύσιμα υδρογονανθράκων, των οποίων τα άτομα εισάγονται ένα προς ένα.

Τρόπος χρήσης του υπολογιστή ανάλυσης καύσης

1. Επιλέξτε έναν τύπο καυσίμου, όπως μεθάνιο ή προπάνιο, ή επιλέξτε «προσαρμοσμένο» και εισαγάγετε τον αριθμό ατόμων άνθρακα, υδρογόνου, οξυγόνου και αζώτου στο μόριο του καυσίμου.
2. Για προσαρμοσμένο καύσιμο, εισαγάγετε επίσης την πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού του σε kJ/mol. Αυτή η τιμή είναι αρνητική για τα περισσότερα καύσιμα: το μεθάνιο είναι −74,8 και το προπάνιο −103,8. Χρησιμοποιήστε την τιμή για τη φάση στην οποία βρίσκεται το καύσιμο, όπως −234,8 για ατμό αιθανόλης ή −277,0 για υγρή αιθανόλη. Ένα στοιχείο στην πρότυπη κατάστασή του, όπως το αέριο υδρογόνο ή ο άνθρακας, είναι 0.
3. Επιλέξτε το οξειδωτικό: αέρας (21% οξυγόνο, 79% άζωτο κατ’ όγκο) ή καθαρό οξυγόνο.
4. Ορίστε το ποσοστό περίσσειας. Χρησιμοποιήστε 0% για το ακριβές στοιχειομετρικό μείγμα ή μεγαλύτερο αριθμό για να προσθέσετε επιπλέον οξειδωτικό. Το πεδίο ονομάζεται «Περίσσεια αέρα» για τον αέρα και «Περίσσεια οξυγόνου» για το καθαρό οξυγόνο.
5. Διαβάστε τα αποτελέσματα: τη σταθμισμένη εξίσωση, τον λόγο μάζας οξειδωτικού προς καύσιμο, τη θερμότητα που εκλύεται ανά mol και ανά χιλιόγραμμο καυσίμου και το ποσοστό μάζας κάθε αερίου προϊόντος.

Όταν έχει επιλεγεί αέρας, ο λόγος ονομάζεται «Λόγος αέρα προς καύσιμο». Με καθαρό οξυγόνο δεν υπάρχει αέρας στο μείγμα, επομένως το ίδιο αποτέλεσμα ονομάζεται «Λόγος οξειδωτικού προς καύσιμο». Οι τύποι των καυσίμων εμφανίζονται με τη σειρά Hill: πρώτα ο άνθρακας, δεύτερο το υδρογόνο και στη συνέχεια τα υπόλοιπα στοιχεία, επομένως ένα προσαρμοσμένο καύσιμο με ένα άτομο άνθρακα, δύο άτομα υδρογόνου και δύο άτομα οξυγόνου γράφεται CH₂O₂.

Τι είναι η καύση;

Η καύση είναι μια χημική αντίδραση μεταξύ ενός καυσίμου και ενός οξειδωτικού, συνήθως οξυγόνου, η οποία εκλύει θερμότητα. Στην πλήρη καύση, ένα καύσιμο υδρογονάνθρακα, δηλαδή ένα μόριο αποτελούμενο από άνθρακα και υδρογόνο, αντιδρά με επαρκές οξυγόνο και σχηματίζει μόνο διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και νερό (H₂O). Αν δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο, η αντίδραση είναι ατελής και παράγει επίσης μονοξείδιο του άνθρακα (CO), αιθάλη και άκαυστο καύσιμο.

Στοιχειομετρικός τύπος οξυγόνου

Για καύσιμο με τύπο CₓHᵧOᵤ, τα mol οξυγόνου (O₂) που απαιτούνται για πλήρη καύση είναι:

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

Εδώ, x είναι ο αριθμός ατόμων άνθρακα, y ο αριθμός ατόμων υδρογόνου και z ο αριθμός ατόμων οξυγόνου που υπάρχουν ήδη στο καύσιμο. Η σταθμισμένη εξίσωση είναι:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Πώς υπολογίζεται ο λόγος αέρα προς καύσιμο

Ο λόγος αέρα προς καύσιμο (AFR) είναι η μάζα του αέρα διαιρεμένη με τη μάζα του καυσίμου που απαιτείται για πλήρη καύση. Για να τον βρείτε:

1. Υπολογίστε τα στοιχειομετρικά mol του O₂ από τον παραπάνω τύπο.
2. Αν το οξειδωτικό είναι αέρας, βρείτε τα αντίστοιχα mol N₂ χρησιμοποιώντας τον λόγο αέρα 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Μετατρέψτε και τα δύο αέρια σε μάζα χρησιμοποιώντας τις μοριακές μάζες τους (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) και προσθέστε τις για να βρείτε τη μάζα του αέρα.
4. Διαιρέστε τη μάζα του αέρα με τη μοριακή μάζα του καυσίμου.

Παράδειγμα υπολογισμού: μεθάνιο

Το μεθάνιο (CH₄) έχει ένα άτομο άνθρακα και τέσσερα άτομα υδρογόνου, επομένως απαιτεί n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol οξυγόνου ανά mol καυσίμου:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Με αέρα ως οξειδωτικό, 2 mol O₂ δίνουν 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Η μάζα του αέρα είναι (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Η molar μάζα του μεθανίου είναι περίπου 16,04 g/mol, επομένως ο λόγος αέρα προς καύσιμο είναι 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 προς 1 κατά μάζα.

Θερμότητα καύσης

Η θερμότητα καύσης είναι η ενέργεια που εκλύεται ανά mol ή ανά kilogram καυσίμου που καίγεται. Υπολογίζεται με τον νόμο του Hess, χρησιμοποιώντας την πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού κάθε ουσίας:

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

όπου Q είναι η θερμότητα που εκλύεται ανά mol καυσίμου, σε kJ/mol, και ΔHf είναι η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού του καυσίμου.

Οι τιμές 393,5 και 241,8 kJ/mol προέρχονται από την ενθαλπία σχηματισμού του CO₂ και των υδρατμών. Επειδή το νερό θεωρείται ατμός και όχι υγρό, αυτό δίνει την κατώτερη θερμογόνο δύναμη (LHV), όχι την ανώτερη θερμογόνο δύναμη (HHV). Η HHV είναι μεγαλύτερη, επειδή περιλαμβάνει επίσης τη θερμότητα που εκλύεται όταν οι υδρατμοί συμπυκνώνονται σε υγρό, κάτι που δεν συμβαίνει στο εσωτερικό του περισσότερου εξοπλισμού καύσης.

Για το μεθάνιο, ΔHf = −74,8 kJ/mol, επομένως η θερμότητα που εκλύεται είναι 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Διαιρώντας με τη μοριακή μάζα του μεθανίου (16,04 g/mol), προκύπτουν περίπου 50,0 MJ/kg.

Η θερμότητα που εκλύεται είναι ίδια ανεξάρτητα από το οξειδωτικό και από την ποσότητα περίσσειας αέρα, επειδή υπολογίζεται ανά mol καυσίμου. Η περίσσεια αέρα μεταβάλλει τη θερμοκρασία της φλόγας και τη σύσταση των καυσαερίων, όχι όμως την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο καύσιμο.

Κοινά καύσιμα

Το μεθάνιο είναι το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου. Το προπάνιο και το βουτάνιο χρησιμοποιούνται για θέρμανση, μαγείρεμα και φορητές εστίες. Το οκτάνιο χρησιμοποιείται ως υποκατάστατο της βενζίνης σε αυτούς τους υπολογισμούς, αν και η πραγματική βενζίνη είναι μείγμα πολλών υδρογονανθράκων και ο δικός της στοιχειομετρικός AFR συνήθως αναφέρεται κοντά στο 14,7:1.

Περίσσεια αέρα και απόδοση καύσης

Η περίσσεια αέρα είναι ο επιπλέον αέρας που προστίθεται πέρα από τη στοιχειομετρικά απαιτούμενη ποσότητα και εκφράζεται ως ποσοστό. Οι πραγματικοί καυστήρες σπάνια λειτουργούν με ακριβώς 0% περίσσεια αέρα, επειδή η ατελής ανάμειξη θα άφηνε μέρος του καυσίμου άκαυστο.

• Με 0% περίσσεια αέρα, το μείγμα είναι ακριβώς στοιχειομετρικό. Αυτό δίνει την υψηλότερη θερμοκρασία φλόγας, αλλά υπάρχει κίνδυνος ατελούς καύσης αν η ανάμειξη δεν είναι καλή.
• Οι περισσότεροι καυστήρες λειτουργούν με 10–20% περίσσεια αέρα, ώστε να καίγεται αξιόπιστα όλο το καύσιμο με μικρή μόνο απώλεια θερμότητας.
• Περίσσεια αέρα πάνω από 50% μειώνει περαιτέρω την απόδοση, επειδή το επιπλέον άζωτο και οξυγόνο απορροφούν θερμότητα και απομακρύνονται με τα καυσαέρια. Μειώνει επίσης τη θερμοκρασία της φλόγας, γεγονός που μπορεί να περιορίσει τον σχηματισμό οξειδίων του αζώτου (NOx).

Τι επηρεάζει μια αντίδραση καύσης

Σύσταση του καυσίμου. Τα καύσιμα με υψηλότερο λόγο άνθρακα προς υδρογόνο εκλύουν λιγότερη ενέργεια ανά χιλιόγραμμο και παράγουν περισσότερο CO₂ για την ίδια αποδιδόμενη ενέργεια.

Επιλογή οξειδωτικού. Ο αέρας αραιώνει την αντίδραση με άζωτο, γεγονός που μειώνει τη θερμοκρασία της φλόγας σε σύγκριση με το καθαρό οξυγόνο. Η καύση με καθαρό οξυγόνο είναι θερμότερη, αλλά μπορεί να παράγει περισσότερα οξείδια του αζώτου αν υπάρχει άζωτο στο καύσιμο ή εισέρχεται αέρας από διαρροές.

Άζωτο που περιέχεται στο καύσιμο. Τα άτομα αζώτου στο καύσιμο υπολογίζονται ως άτομα και απομακρύνονται ως μόρια N₂, επομένως δύο άτομα αζώτου στο καύσιμο προσθέτουν ένα mol N₂ στα προϊόντα.

Ανάμειξη. Το καύσιμο και το οξειδωτικό πρέπει να αναμειχθούν καλά ώστε η αντίδραση να ολοκληρωθεί. Περιοχές με υπερβολικά πολύ ή υπερβολικά λίγο καύσιμο καίγονται ατελώς, ακόμη και αν το συνολικό μείγμα είναι κατά μέσο όρο σωστό.

Πού χρησιμοποιείται η ανάλυση καύσης

Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν αυτούς τους υπολογισμούς για τον σχεδιασμό κινητήρων αυτοκινήτων και αεροσκαφών, τη ρύθμιση βιομηχανικών κλιβάνων και λεβήτων και τη διαστασιολόγηση συστημάτων θέρμανσης κατοικιών. Οι μηχανικοί περιβάλλοντος χρησιμοποιούν τις ίδιες σταθμισμένες εξισώσεις για να εκτιμήσουν τις εκπομπές CO₂ και NOx για την υποβολή εκθέσεων.

Συχνές ερωτήσεις

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ πλήρους και ατελούς καύσης; Η πλήρης καύση συμβαίνει όταν υπάρχει αρκετό οξυγόνο ώστε όλο το καύσιμο να μετατραπεί σε CO₂ και νερό. Η ατελής καύση συμβαίνει όταν το οξυγόνο δεν επαρκεί, με αποτέλεσμα να παράγονται μονοξείδιο του άνθρακα, αιθάλη και άκαυστο καύσιμο.

Γιατί τα συστήματα καύσης χρησιμοποιούν περίσσεια αέρα; Ο επιπλέον αέρας εξασφαλίζει ότι κάθε μέρος του καυσίμου συναντά αρκετό οξυγόνο, ακόμη και όταν η ανάμειξη δεν είναι τέλεια. Τα περισσότερα συστήματα λειτουργούν με περίπου 10–20% περίσσεια αέρα, ώστε να αποφεύγεται η παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα.

Πώς υπολογίζεται ο λόγος αέρα προς καύσιμο; Βρείτε τα mol του O₂ που απαιτούνται από τον τύπο του καυσίμου, προσθέστε τα αντίστοιχα mol N₂ αν το οξειδωτικό είναι αέρας, μετατρέψτε και τα δύο σε μάζα και διαιρέστε τη συνολική μάζα του αέρα με τη μάζα του καυσίμου. Το μεθάνιο απαιτεί περίπου 17,1 kg αέρα ανά kilogram καυσίμου.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ανώτερης και κατώτερης θερμογόνου δύναμης; Η κατώτερη θερμογόνος δύναμη (LHV) θεωρεί ότι το παραγόμενο νερό παραμένει σε μορφή ατμού. Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη (HHV) θεωρεί ότι το νερό συμπυκνώνεται ξανά σε υγρό, εκλύοντας επιπλέον θερμότητα. Αυτός ο υπολογιστής αναφέρει την LHV, επειδή ο περισσότερος εξοπλισμός καύσης αφήνει τους υδρατμούς να διαφύγουν με τα καυσαέρια αντί να τους συμπυκνώνει.

Τι είναι η στοιχειομετρική καύση; Η στοιχειομετρική καύση είναι το ακριβές μείγμα καυσίμου και οξειδωτικού, χωρίς να παραμένει καύσιμο ή οξυγόνο στα προϊόντα. Κάθε ποσότητα αέρα μεγαλύτερη από αυτή ονομάζεται περίσσεια αέρα· κάθε μικρότερη ποσότητα ονομάζεται πλούσιο σε καύσιμο μείγμα.

Επηρεάζει η σύσταση του καυσίμου τα καυσαέρια; Ναι. Περισσότερο υδρογόνο στο καύσιμο σημαίνει περισσότερους υδρατμούς στα καυσαέρια. Περισσότερος άνθρακας σημαίνει περισσότερο CO₂. Καύσιμο που περιέχει άζωτο ή θείο μπορεί επίσης να παράγει οξείδια του αζώτου ή διοξείδιο του θείου όταν καίγεται.