Palamisanalyysin laskin

Palamisanalyysin laskin määrittää tasapainotetun kemiallisen yhtälön, ilma–polttoainesuhteen ja polttoaineen palaessa vapautuvan lämmön. Se toimii yleisillä polttoaineilla, kuten metaanilla, propaanilla ja oktaanilla, sekä itse määritettävillä hiilivetypolttoaineilla, joiden atomit syötetään yksitellen.

Palamisanalyysin laskimen käyttö

1. Valitse polttoainetyyppi, kuten metaani tai propaani, tai valitse ”muu” ja syötä polttoainemolekyylin hiili-, vety-, happi- ja typpiatomien määrät.
2. Syötä mukautetulle polttoaineelle myös sen standardinen muodostumisentalpia yksikössä kJ/mol. Arvo on useimmilla polttoaineilla negatiivinen: metaanilla −74,8 ja propaanilla −103,8. Käytä sen faasin arvoa, jossa polttoaine on, esimerkiksi etanolihöyrylle −234,8 tai nestemäiselle etanolille −277,0. Alkuaineen standarditilassa, kuten vetykaasun tai hiilen, arvo on 0.
3. Valitse hapetin: ilma (tilavuudesta 21 % happea ja 79 % typpeä) tai puhdas happi.
4. Aseta ylimääräprosentti. Käytä arvoa 0 % tarkalleen stökiömetriselle seokselle tai suurempaa lukua ylimääräisen hapettimen lisäämiseen. Kentän nimi on ilman tapauksessa ”Ylimääräinen ilma” ja puhtaan hapen tapauksessa ”Ylimääräinen happi”.
5. Tarkastele tuloksia: tasapainotettu yhtälö, hapettimen ja polttoaineen massasuhde, polttoaineen moolia ja kilogrammaa kohti vapautuva lämpö sekä kunkin tuotekaasun massaosuus.

Kun hapettimeksi on valittu ilma, suhteen nimi on ”ilma–polttoainesuhde”. Puhtaassa hapessa seoksessa ei ole ilmaa, joten sama tulos on nimeltään ”hapetin–polttoainesuhde”. Polttoaineen kaavat esitetään Hillin järjestyksessä: ensin hiili, sitten vety ja sen jälkeen muut alkuaineet. Siksi polttoaine, jossa on yksi hiili-, kaksi vety- ja kaksi happiatomia, kirjoitetaan muodossa CH₂O₂.

Mitä palaminen on?

Palaminen on polttoaineen ja hapettimen, yleensä hapen, välinen kemiallinen reaktio, jossa vapautuu lämpöä. Täydellisessä palamisessa hiilivetypolttoaine, eli hiilestä ja vedystä koostuva molekyyli, reagoi riittävän happimäärän kanssa muodostaen ainoastaan hiilidioksidia (CO₂) ja vettä (H₂O). Jos happea ei ole riittävästi, reaktio on epätäydellinen ja siinä muodostuu myös hiilimonoksidia (CO), nokea ja palamatonta polttoainetta.

Stoikiometrinen happikaava

Kaavan CₓHᵧOᵤ polttoaineen täydelliseen palamiseen tarvittava hapen (O₂) ainemäärä on:

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

Tässä x on hiiliatomien määrä, y vetyatomien määrä ja z polttoaineessa valmiiksi olevien happiatomien määrä. Tasapainotettu yhtälö on:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Ilma–polttoainesuhteen laskeminen

Ilma–polttoainesuhde (AFR) on täydelliseen palamiseen tarvittavan ilman massan suhde polttoaineen massaan.

1. Laske kaavan perusteella stökiömetrinen O₂-ainemäärä.
2. Jos hapettimena on ilma, määritä vastaava N₂-ainemäärä ilman suhteen 79:21 avulla: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Muunna molemmat kaasut massoiksi niiden moolimassojen avulla (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) ja laske ne yhteen ilman massan saamiseksi.
4. Jaa ilman massa polttoaineen moolimassalla.

Laskuesimerkki: metaani

Metaanissa (CH₄) on yksi hiili- ja neljä vetyatomia, joten yhtä polttoaineen moolia kohti tarvitaan n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol happea:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Kun hapettimena on ilma, 2 mol O₂:ta tuo mukanaan 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂:ta. Ilman massa on (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Metaanin moolimassa on noin 16,04 g/mol, joten ilma–polttoainesuhde on massan perusteella 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 : 1.

Palamislämpö

Palamislämpö on polttoaineen palaessa vapautuva energia polttoaineen moolia tai kilogrammaa kohti. Se lasketaan Hessin lain avulla käyttämällä kunkin aineen standardisia muodostumisentalpioita:

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

jossa Q on polttoaineen moolia kohti vapautuva lämpö yksikössä kJ/mol ja ΔHf polttoaineen standardimuodostumisentalpia.

Arvot 393,5 ja 241,8 kJ/mol saadaan CO₂:n ja vesihöyryn muodostumisentalpioista. Koska vesi käsitellään höyrynä eikä nesteenä, tuloksena on alempi lämpöarvo (LHV), ei ylempi lämpöarvo (HHV). HHV on suurempi, koska siinä huomioidaan myös vesihöyryn tiivistyessä nesteeksi vapautuva lämpö. Vesihöyryn tiivistymistä nesteeksi ei tapahdu useimpien palamislaitteiden sisällä.

Metaanille ΔHf = −74,8 kJ/mol, joten vapautuva lämpö on 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Kun tämä jaetaan metaanin moolimassalla (16,04 g/mol), tulokseksi saadaan noin 50,0 MJ/kg.

Vapautuva lämpö on sama hapettimesta ja käytetyn ylimääräisen ilman määrästä riippumatta, koska se ilmoitetaan polttoaineen moolia kohti. Ylimääräinen ilma muuttaa liekin lämpötilaa ja pakokaasun koostumusta, ei polttoaineeseen varastoitunutta energiaa.

Yleiset polttoaineet

Metaani on maakaasun pääkomponentti. Propaania ja butaania käytetään lämmitykseen, ruoanlaittoon ja kannettavissa keittimissä. Näissä laskelmissa oktaani edustaa bensiiniä, vaikka todellinen bensiini on monien hiilivetyjen seos ja sen stökiömetrinen AFR ilmoitetaan yleensä lähellä arvoa 14,7:1.

Ylimääräinen ilma ja palamistehokkuus

Ylimääräinen ilma tarkoittaa stökiömetrisen määrän lisäksi lisättyä ilmaa, joka ilmoitetaan prosenttiosuutena. Todelliset polttimet toimivat harvoin täsmälleen 0 %:n ylimääräisellä ilmalla, koska epätäydellinen sekoittuminen jättäisi osan polttoaineesta palamatta.

• Kun ylimääräistä ilmaa on 0 %, seos on täsmälleen stökiömetrinen. Tällöin liekin lämpötila on suurimmillaan, mutta epätäydellinen sekoittuminen voi aiheuttaa epätäydellistä palamista.
• Useimmat polttimet toimivat 10–20% ylimääräisellä ilmalla. Näin kaikki polttoaine palaa luotettavasti ja lämpöä hukataan vain vähän.
• Yli 50 %:n ylimääräinen ilma heikentää hyötysuhdetta entisestään, koska ylimääräinen typpi ja happi sitovat lämpöä ja poistuvat pakokaasun mukana. Se alentaa myös liekin lämpötilaa, mikä voi vähentää typen oksidien (NOx) muodostumista.

Palamisreaktioon vaikuttavat tekijät

Polttoaineen koostumus. Polttoaineet, joissa hiilen suhde vetyyn on suurempi, vapauttavat vähemmän energiaa kilogrammaa kohti ja tuottavat saman energiantuoton yhteydessä enemmän CO₂:ta.

Hapettimen valinta. Ilma laimentaa reaktiota typellä, mikä alentaa liekin lämpötilaa puhtaaseen happeen verrattuna. Puhtaassa hapessa palaminen on kuumempaa, mutta typen oksideja voi muodostua enemmän, jos typpeä on peräisin polttoaineesta tai vuotavasta ilmasta.

Polttoaineeseen sitoutunut typpi. Polttoaineen typpiatomit käsitellään atomeina ja ne poistuvat N₂-molekyyleinä. Siksi kaksi polttoaineen typpiatomia lisää tuotteisiin yhden moolin N₂:ta.

Sekoittuminen. Polttoaineen ja hapettimen on sekoituttava hyvin, jotta reaktio tapahtuu loppuun. Liian polttoainerikkaat tai liian polttoaineköyhät alueet palavat epätäydellisesti, vaikka seos olisi kokonaisuutena keskimäärin oikeanlainen.

Palamisanalyysin käyttökohteet

Insinöörit käyttävät näitä laskelmia autojen ja lentokoneiden moottorien suunnitteluun, teollisuusuunien ja kattiloiden säätöön sekä asuinrakennusten lämmitysjärjestelmien mitoitukseen. Ympäristöinsinöörit käyttävät samoja tasapainotettuja yhtälöitä arvioidessaan CO₂- ja NOx-päästöjä päästöraportointia varten.

Usein kysyttyä

Mitä eroa on täydellisellä ja epätäydellisellä palamisella? Täydellisessä palamisessa happea on riittävästi, jotta kaikki polttoaine muuttuu CO₂:ksi ja vedeksi. Epätäydellisessä palamisessa happea on liian vähän, jolloin muodostuu sen sijaan hiilimonoksidia, nokea ja palamatonta polttoainetta.

Miksi palamisjärjestelmissä käytetään ylimääräistä ilmaa? Ylimääräinen ilma varmistaa, että polttoaineen jokainen osa kohtaa riittävästi happea, vaikka sekoittuminen ei olisi täydellistä. Useimmat järjestelmät toimivat noin 10–20% ylimääräisellä ilmalla hiilimonoksidin muodostumisen välttämiseksi.

Miten ilma–polttoainesuhde lasketaan? Määritä polttoaineen kaavan perusteella tarvittava O₂-ainemäärä, lisää vastaava määrä N₂:ta, jos hapettimena on ilma, muunna molemmat massoiksi ja jaa ilman kokonaismassa polttoaineen massalla. Metaani tarvitsee noin 17,1 kg ilmaa kilogrammaa polttoainetta kohti.

Mitä eroa on ylemmällä ja alemmalla lämpöarvolla? Alemmassa lämpöarvossa (LHV) oletetaan, että muodostunut vesi pysyy höyrynä. Ylemmässä lämpöarvossa (HHV) oletetaan, että vesi tiivistyy takaisin nesteeksi ja vapauttaa lisälämpöä. Tämä laskin ilmoittaa LHV:n, koska useimmat palamislaitteet päästävät vesihöyryn pois pakokaasuna eivätkä tiivistä sitä.

Mitä stökiömetrinen palaminen on? Stökiömetrinen palaminen tarkoittaa polttoaineen ja hapettimen täsmällistä seosta, jossa tuotteisiin ei jää ylimääräistä polttoainetta eikä happea. Tätä suurempaa ilmamäärää kutsutaan ylimääräiseksi ilmaksi ja tätä pienempää polttoainerikkaaksi seokseksi.

Vaikuttaako polttoaineen koostumus pakokaasuun? Kyllä. Polttoaineen suurempi vetypitoisuus merkitsee enemmän vesihöyryä pakokaasussa. Suurempi hiilipitoisuus merkitsee enemmän CO₂:ta. Typpeä tai rikkiä sisältävä polttoaine voi palaessaan muodostaa myös typen oksideja tai rikkidioksidia.