ماشین‌حساب تحلیل احتراق

ماشین‌حساب تحلیل احتراق، معادله شیمیایی موازنه‌شده، نسبت هوا به سوخت و گرمای آزادشده هنگام سوختن سوخت را پیدا می‌کند. این ماشین‌حساب برای سوخت‌های رایجی مانند متان، پروپان و اکتان و نیز سوخت‌های هیدروکربنی سفارشی که اتم‌هایشان جداگانه وارد می‌شوند، کار می‌کند.

روش استفاده از ماشین‌حساب تحلیل احتراق

1. نوع سوخت، مانند متان یا پروپان، را انتخاب کنید؛ یا گزینه «سفارشی» را برگزینید و تعداد اتم‌های کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن را در مولکول سوخت وارد کنید.
2. برای سوخت سفارشی، آنتالپی استاندارد تشکیل آن را نیز بر حسب kJ/mol وارد کنید. این مقدار برای بیشتر سوخت‌ها منفی است: مقدار متان −۷۴٫۸ و مقدار پروپان −۱۰۳٫۸ است. مقدار مربوط به فازی را وارد کنید که سوخت در آن قرار دارد؛ برای نمونه، −۲۳۴٫۸ برای بخار اتانول یا −۲۷۷٫۰ برای اتانول مایع. یک عنصر در حالت استاندارد خود، مانند گاز هیدروژن یا کربن، مقدار ۰ دارد.
3. اکسیدکننده را انتخاب کنید: هوا (۲۱٪ اکسیژن و ۷۹٪ نیتروژن برحسب حجم) یا اکسیژن خالص.
4. درصد اضافی را تنظیم کنید. برای مخلوط دقیق استوکیومتری از ۰٪ استفاده کنید یا برای افزودن اکسیدکننده اضافی، عدد بزرگ‌تری وارد کنید. عنوان این بخش برای هوا «هوای اضافی» و برای اکسیژن خالص «اکسیژن اضافی» است.
5. نتایج را بخوانید: معادله موازنه‌شده، نسبت جرمی اکسیدکننده به سوخت، گرمای آزادشده به ازای هر مول و هر کیلوگرم سوخت، و سهم جرمی هر گاز محصول.

وقتی هوا انتخاب شده باشد، این نسبت «نسبت هوا به سوخت» نام دارد. در حضور اکسیژن خالص، چون هوا در مخلوط وجود ندارد، همین نتیجه «نسبت اکسیدکننده به سوخت» نامیده می‌شود. فرمول‌های سوخت بر اساس ترتیب هیل نمایش داده می‌شوند: ابتدا کربن، سپس هیدروژن و بعد سایر عناصر؛ بنابراین سوخت سفارشی با یک اتم کربن، دو اتم هیدروژن و دو اتم اکسیژن به‌صورت CH₂O₂ نوشته می‌شود.

احتراق چیست؟

احتراق واکنش شیمیایی میان یک سوخت و یک اکسیدکننده، معمولاً اکسیژن، است که گرما آزاد می‌کند. در احتراق کامل، سوخت هیدروکربنی، یعنی مولکولی ساخته‌شده از کربن و هیدروژن، با مقدار کافی اکسیژن واکنش می‌دهد و فقط دی‌اکسید کربن (CO₂) و آب (H₂O) تشکیل می‌دهد. اگر اکسیژن کافی نباشد، واکنش ناقص است و مونوکسید کربن (CO)، دوده و سوخت نسوخته نیز تولید می‌کند.

فرمول اکسیژن استوکیومتری

برای سوختی با فرمول CₓHᵧOᵤ، مول‌های اکسیژن (O₂) موردنیاز برای احتراق کامل عبارت‌اند از:

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

در اینجا x تعداد اتم‌های کربن، y تعداد اتم‌های هیدروژن و z تعداد اتم‌های اکسیژن موجود در سوخت است. معادله موازنه‌شده به‌صورت زیر است:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

روش محاسبه نسبت هوا به سوخت

نسبت هوا به سوخت (AFR) برابر است با جرم هوای موردنیاز برای احتراق کامل تقسیم بر جرم سوخت. برای یافتن آن:

1. مول‌های استوکیومتری O₂ را با استفاده از فرمول بالا محاسبه کنید.
2. اگر اکسیدکننده هواست، مول‌های متناظر N₂ را با استفاده از نسبت هوای 79:21 بیابید: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. هر دو گاز را با استفاده از جرم‌های مولی آن‌ها به جرم تبدیل کنید (O₂ = ۳۲٫۰۰ g/mol، N₂ = ۲۸٫۰۲ g/mol) و برای به‌دست‌آوردن جرم هوا آن‌ها را با هم جمع کنید.
4. جرم هوا را بر جرم مولی سوخت تقسیم کنید.

مثال حل‌شده: متان

متان (CH₄) یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن دارد؛ بنابراین به ازای هر مول سوخت به n(O₂) = ۱ + 4/4 = ۲ mol اکسیژن نیاز دارد:

CH₄ + ۲ O₂ → CO₂ + ۲ H₂O

با هوا به‌عنوان اکسیدکننده، ۲ mol از O₂ مقدار ۲ × (79/21) ≈ ۷٫۵۲ mol از N₂ را وارد می‌کند. جرم هوا برابر است با (۲ × ۳۲٫۰۰) + (۷٫۵۲ × ۲۸٫۰۲) ≈ ۲۷۴٫۸ g. جرم مولی متان تقریباً ۱۶٫۰۴ g/mol است؛ بنابراین نسبت هوا به سوخت از نظر جرمی برابر است با ۲۷۴٫۸ ÷ ۱۶٫۰۴ ≈ ۱۷٫۱ به ۱.

گرمای احتراق

گرمای احتراق انرژی آزادشده به ازای هر مول یا هر کیلوگرم سوخت سوخته‌شده است. این مقدار با قانون هس و با استفاده از آنتالپی استاندارد تشکیل هر ماده محاسبه می‌شود:

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

در آن، Q گرمای آزادشده به ازای هر مول سوخت، بر حسب kJ/mol، و ΔHf آنتالپی استاندارد تشکیل سوخت است.

مقادیر ۳۹۳٫۵ و ۲۴۱٫۸ kJ/mol از آنتالپی تشکیل CO₂ و بخار آب به‌دست می‌آیند. چون آب به‌صورت بخار، نه مایع، در نظر گرفته می‌شود، این مقدار ارزش حرارتی پایین‌تر (LHV) را نشان می‌دهد، نه ارزش حرارتی بالاتر (HHV) را. HHV بزرگ‌تر است، زیرا گرمای آزادشده هنگام چگالش بخار آب به مایع را نیز دربرمی‌گیرد؛ فرایندی که در بیشتر تجهیزات احتراق درون دستگاه رخ نمی‌دهد.

برای متان، ΔHf = −۷۴٫۸ kJ/mol است؛ بنابراین گرمای آزادشده برابر است با ۳۹۳٫۵(۱) + ۲۴۱٫۸(۲) − ۷۴٫۸ = ۸۰۲٫۳ kJ/mol. با تقسیم این مقدار بر جرم مولی متان (۱۶٫۰۴ g/mol)، مقدار تقریباً ۵۰٫۰ MJ/kg به‌دست می‌آید.

گرمای آزادشده، مستقل از نوع اکسیدکننده و مقدار هوای اضافی مصرف‌شده، یکسان است؛ زیرا بر اساس هر مول سوخت محاسبه می‌شود. هوای اضافی دمای شعله و ترکیب گازهای خروجی را تغییر می‌دهد، نه انرژی ذخیره‌شده در سوخت را.

سوخت‌های رایج

متان جزء اصلی گاز طبیعی است. پروپان و بوتان برای گرمایش، پخت‌وپز و اجاق‌های قابل‌حمل استفاده می‌شوند. در این محاسبات، اکتان نمایندهٔ بنزین است؛ هرچند بنزین واقعی مخلوطی از هیدروکربن‌های متعدد است و نسبت استوکیومتری هوا به سوخت آن معمولاً نزدیک به ۱۴٫۷:۱ بیان می‌شود.

هوای اضافی و بازده احتراق

هوای اضافی، هوایی است که بیش از مقدار استوکیومتری افزوده می‌شود و به‌صورت درصد بیان می‌گردد. مشعل‌های واقعی به‌ندرت دقیقاً با هوای اضافی ۰٪ کار می‌کنند، زیرا اختلاط ناقص باعث می‌شود بخشی از سوخت نسوخته باقی بماند.

• در هوای اضافی ۰٪، مخلوط دقیقاً استوکیومتری است. این وضعیت بالاترین دمای شعله را ایجاد می‌کند، اما اگر اختلاط ناقص باشد خطر احتراق ناقص وجود دارد.
• بیشتر مشعل‌ها با هوای اضافی ۱۰–۲۰% کار می‌کنند؛ در این حالت همه سوخت با اطمینان می‌سوزد و فقط مقدار کمی گرما هدر می‌رود.
• هوای اضافی بیشتر از ۵۰٪ بازده را باز هم کاهش می‌دهد، زیرا نیتروژن و اکسیژن اضافی گرما را جذب می‌کنند و همراه گازهای خروجی خارج می‌شوند. این مقدار همچنین دمای شعله را کاهش می‌دهد و می‌تواند تشکیل اکسیدهای نیتروژن (NOx) را کم کند.

عوامل مؤثر بر واکنش احتراق

ترکیب سوخت. سوخت‌هایی با نسبت کربن به هیدروژن بالاتر، به ازای هر کیلوگرم انرژی کمتری آزاد می‌کنند و برای خروجی انرژی یکسان، CO₂ بیشتری تولید می‌کنند.

انتخاب اکسیدکننده. هوا واکنش را با نیتروژن رقیق می‌کند و در مقایسه با اکسیژن خالص، دمای شعله را کاهش می‌دهد. احتراق با اکسیژن خالص داغ‌تر است، اما اگر نیتروژن از سوخت یا از نشت هوا وارد شده باشد، می‌تواند اکسیدهای نیتروژن بیشتری تولید کند.

نیتروژن موجود در سوخت. اتم‌های نیتروژن موجود در سوخت به‌صورت اتمی شمارش می‌شوند و به شکل مولکول‌های N₂ خارج می‌شوند؛ بنابراین دو اتم نیتروژن در سوخت، یک مول N₂ به محصولات اضافه می‌کنند.

اختلاط. برای کامل‌شدن واکنش، سوخت و اکسیدکننده باید به‌خوبی با هم مخلوط شوند. نواحی بیش‌ازحد غنی یا فقیر از سوخت، حتی اگر مخلوط کلی به‌طور میانگین درست باشد، به‌صورت ناقص می‌سوزند.

موارد استفاده از تحلیل احتراق

مهندسان از این محاسبات برای طراحی موتورهای خودرو و هواپیما، تنظیم کوره‌ها و دیگ‌های صنعتی و تعیین ظرفیت سامانه‌های گرمایش مسکونی استفاده می‌کنند. مهندسان محیط‌زیست نیز از همین معادلات موازنه‌شده برای برآورد خروجی CO₂ و NOx در گزارش‌دهی انتشار آلاینده‌ها استفاده می‌کنند.

پرسش‌های متداول

تفاوت احتراق کامل و ناقص چیست؟ احتراق کامل زمانی رخ می‌دهد که اکسیژن کافی وجود داشته باشد تا تمام سوخت به CO₂ و آب تبدیل شود. احتراق ناقص زمانی رخ می‌دهد که اکسیژن کم باشد و در عوض مونوکسید کربن، دوده و سوخت نسوخته تولید شود.

چرا سامانه‌های احتراق از هوای اضافی استفاده می‌کنند؟ هوای اضافی اطمینان می‌دهد که هر بخش سوخت با اکسیژن کافی تماس پیدا کند، حتی در قسمت‌هایی که اختلاط کامل نیست. بیشتر سامانه‌ها با حدود ۱۰–۲۰% هوای اضافی کار می‌کنند تا از تولید مونوکسید کربن جلوگیری شود.

نسبت هوا به سوخت چگونه محاسبه می‌شود؟ مول‌های O₂ موردنیاز را از فرمول سوخت پیدا کنید، اگر اکسیدکننده هواست مقدار متناظر N₂ را اضافه کنید، هر دو را به جرم تبدیل کنید و جرم کل هوا را بر جرم سوخت تقسیم کنید. متان به ازای هر کیلوگرم سوخت، تقریباً ۱۷٫۱ kg هوا نیاز دارد.

تفاوت ارزش حرارتی بالاتر و پایین‌تر چیست؟ ارزش حرارتی پایین‌تر (LHV) فرض می‌کند آب تولیدشده به‌صورت بخار باقی می‌ماند. ارزش حرارتی بالاتر (HHV) فرض می‌کند آب دوباره به مایع تبدیل می‌شود و گرمای اضافی آزاد می‌کند. این ماشین‌حساب LHV را گزارش می‌کند، زیرا بیشتر تجهیزات احتراق اجازه می‌دهند بخار آب به‌جای چگالش، همراه گازهای خروجی خارج شود.

احتراق استوکیومتری چیست؟ احتراق استوکیومتری مخلوط دقیق سوخت و اکسیدکننده است؛ به‌گونه‌ای که هیچ سوخت یا اکسیژن باقی‌مانده‌ای در محصولات وجود نداشته باشد. هر مقدار هوای بیشتر از این، هوای اضافی نام دارد و هر مقدار کمتر، مخلوط غنی از سوخت نامیده می‌شود.

آیا ترکیب سوخت بر گازهای خروجی اثر می‌گذارد؟ بله. هیدروژن بیشتر در سوخت به معنای بخار آب بیشتر در گازهای خروجی است. کربن بیشتر به معنای CO₂ بیشتر است. سوخت حاوی نیتروژن یا گوگرد نیز هنگام سوختن می‌تواند اکسیدهای نیتروژن یا دی‌اکسید گوگرد تولید کند.