Kalkulator analize izgaranja

Kalkulator analize izgaranja pronalazi uravnoteženu kemijsku jednadžbu, omjer zraka i goriva te oslobođenu toplinu pri izgaranju goriva. Radi s uobičajenim gorivima kao što su metan, propan i oktan te s prilagođenim ugljikovodičnim gorivima unesenima atom po atom.

Kako upotrebljavati kalkulator analize izgaranja

1. Odaberite vrstu goriva, primjerice metan ili propan, ili odaberite „prilagođeno” i unesite broj atoma ugljika, vodika, kisika i dušika u molekuli goriva.
2. Za prilagođeno gorivo unesite i njegovu standardnu entalpiju stvaranja u kJ/mol. Ta je vrijednost za većinu goriva negativna: za metan iznosi −74,8, a za propan −103,8. Upotrijebite vrijednost za fazu u kojoj se gorivo nalazi, primjerice −234,8 za pare etanola ili −277,0 za tekući etanol. Element u standardnom stanju, kao što su plinoviti vodik ili ugljik, ima vrijednost 0.
3. Odaberite oksidans: zrak (21 % kisika i 79 % dušika po volumenu) ili čisti kisik.
4. Postavite postotak viška. Upotrijebite 0 % za točnu stehiometrijsku smjesu ili veću vrijednost za dodavanje dodatnog oksidansa. Polje je za zrak označeno kao „Višak zraka”, a za čisti kisik kao „Višak kisika”.
5. Očitajte rezultate: uravnoteženu jednadžbu, maseni omjer oksidansa i goriva, oslobođenu toplinu po molu i kilogramu goriva te maseni udio svakog produkta izgaranja.

Kada je odabran zrak, omjer je označen kao „Omjer zraka i goriva”. Kod čistog kisika u smjesi nema zraka, pa je isti rezultat označen kao „Omjer oksidansa i goriva”. Formule goriva pišu se prema Hillovu redoslijedu: najprije ugljik, zatim vodik, a potom ostali elementi, pa se prilagođeno gorivo s jednim atomom ugljika, dva atoma vodika i dva atoma kisika zapisuje kao CH₂O₂.

Što je izgaranje?

Izgaranje je kemijska reakcija između goriva i oksidansa, obično kisika, pri kojoj se oslobađa toplina. Pri potpunom izgaranju ugljikovodično gorivo, odnosno molekula sastavljena od ugljika i vodika, reagira s dovoljnom količinom kisika i stvara samo ugljikov dioksid (CO₂) i vodu (H₂O). Ako nema dovoljno kisika, reakcija je nepotpuna te nastaju i ugljikov monoksid (CO), čađa i neizgorjelo gorivo.

Stehiometrijska formula kisika

Za gorivo formule CₓHᵧOᵤ broj molova kisika (O₂) potrebnih za potpuno izgaranje iznosi:

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

Ovdje je x broj atoma ugljika, y broj atoma vodika, a z broj atoma kisika koji su već prisutni u gorivu. Uravnotežena jednadžba glasi:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Kako izračunati omjer zraka i goriva

Omjer zraka i goriva (AFR) jest masa zraka podijeljena masom goriva potrebnog za potpuno izgaranje. Za njegov izračun:

1. Izračunajte stehiometrijski broj molova O₂ prema gornjoj formuli.
2. Ako je oksidans zrak, pronađite odgovarajući broj molova N₂ primjenom omjera zraka 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Pretvorite oba plina u masu koristeći njihove molarne mase (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) i zbrojite ih da biste dobili masu zraka.
4. Podijelite masu zraka molarnom masom goriva.

Primjer izračuna: metan

Metan (CH₄) ima jedan atom ugljika i četiri atoma vodika, pa mu je potrebno n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol kisika po molu goriva:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Ako je oksidans zrak, 2 mol O₂ daje 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Masa zraka iznosi (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Molarna masa metana iznosi približno 16,04 g/mol, pa je omjer zraka i goriva 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 prema 1 po masi.

Toplina izgaranja

Toplina izgaranja energija je oslobođena po molu ili kilogramu izgorenog goriva. Izračunava se Hessovim zakonom, uz standardnu entalpiju stvaranja svake tvari:

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

gdje je Q oslobođena toplina po molu goriva, u kJ/mol, a ΔHf standardna entalpija stvaranja goriva.

Vrijednosti 393,5 i 241,8 kJ/mol proizlaze iz entalpije stvaranja CO₂ i vodene pare. Budući da se voda računa kao para, a ne kao tekućina, time se dobiva donja ogrjevna vrijednost (LHV), a ne gornja ogrjevna vrijednost (HHV). HHV je veća jer uključuje i toplinu oslobođenu kondenzacijom vodene pare u tekućinu, do čega ne dolazi u većini uređaja za izgaranje.

Za metan je ΔHf = −74,8 kJ/mol, pa je oslobođena toplina 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Dijeljenjem molarnom masom metana (16,04 g/mol) dobiva se približno 50,0 MJ/kg.

Oslobođena toplina ista je bez obzira na oksidans i količinu upotrijebljenog viška zraka jer se računa po molu goriva. Višak zraka mijenja temperaturu plamena i sastav ispušnih plinova, ali ne i energiju pohranjenu u gorivu.

Uobičajena goriva

Metan je glavni sastojak prirodnog plina. Propan i butan upotrebljavaju se za grijanje, kuhanje i prijenosna kuhala. Oktan u ovim izračunima predstavlja benzin, iako je stvarni benzin smjesa mnogih ugljikovodika, a njegov se stehiometrijski AFR obično navodi kao približno 14,7:1.

Višak zraka i učinkovitost izgaranja

Višak zraka jest dodatni zrak iznad stehiometrijske količine, izražen u postotku. Stvarni plamenici rijetko rade s točno 0 % viška zraka jer bi zbog nesavršenog miješanja dio goriva ostao neizgoren.

• Pri 0 % viška zraka smjesa je točno stehiometrijska. Time se postiže najviša temperatura plamena, ali postoji opasnost od nepotpunog izgaranja ako miješanje nije dobro.
• Većina plamenika radi s 10–20% viška zraka, čime pouzdano izgara svo gorivo uz samo mali gubitak topline.
• Višak zraka veći od 50 % dodatno smanjuje učinkovitost jer dodatni dušik i kisik apsorbiraju toplinu i odlaze s ispušnim plinovima. To također snižava temperaturu plamena, što može smanjiti stvaranje dušikovih oksida (NOx).

Čimbenici koji utječu na reakciju izgaranja

Sastav goriva. Goriva s većim omjerom ugljika i vodika oslobađaju manje energije po kilogramu i stvaraju više CO₂ za isti izlaz energije.

Odabir oksidansa. Zrak razrjeđuje reakciju dušikom, čime se temperatura plamena snižava u usporedbi s čistim kisikom. Izgaranje s čistim kisikom odvija se pri višoj temperaturi, ali može stvarati više dušikovih oksida ako je dušik prisutan u gorivu ili ako u sustav prodire zrak.

Dušik vezan u gorivu. Atomi dušika u gorivu računaju se kao atomi i izlaze kao molekule N₂, pa dva atoma dušika u gorivu dodaju jedan mol N₂ produktima.

Miješanje. Gorivo i oksidans moraju se dobro izmiješati da bi reakcija završila. Dijelovi smjese s previše ili premalo goriva izgaraju nepotpuno, čak i ako je ukupna smjesa u prosjeku ispravna.

Gdje se upotrebljava analiza izgaranja

Inženjeri upotrebljavaju ove izračune za projektiranje automobilskih i zrakoplovnih motora, podešavanje industrijskih peći i kotlova te dimenzioniranje sustava grijanja stambenih objekata. Inženjeri zaštite okoliša istim uravnoteženim jednadžbama procjenjuju emisije CO₂ i NOx za izvješćivanje o emisijama.

Često postavljana pitanja

Koja je razlika između potpunog i nepotpunog izgaranja? Potpuno izgaranje nastupa kada ima dovoljno kisika da se svo gorivo pretvori u CO₂ i vodu. Nepotpuno izgaranje nastupa kada nema dovoljno kisika, pa umjesto toga nastaju ugljikov monoksid, čađa i neizgorjelo gorivo.

Zašto sustavi izgaranja upotrebljavaju višak zraka? Dodatni zrak osigurava da svaki dio goriva dođe u dodir s dovoljnom količinom kisika, čak i tamo gdje miješanje nije savršeno. Većina sustava radi s približno 10–20% viška zraka kako bi se izbjeglo stvaranje ugljikova monoksida.

Kako se izračunava omjer zraka i goriva? Pronađite broj molova O₂ potreban prema formuli goriva, dodajte odgovarajući N₂ ako je oksidans zrak, pretvorite oba plina u masu i ukupnu masu zraka podijelite masom goriva. Metanu je potrebno približno 17,1 kg zraka po kilogramu goriva.

Koja je razlika između gornje i donje ogrjevne vrijednosti? Donja ogrjevna vrijednost (LHV) pretpostavlja da proizvedena voda ostaje u obliku pare. Gornja ogrjevna vrijednost (HHV) pretpostavlja da se voda kondenzira natrag u tekućinu i pritom oslobađa dodatnu toplinu. Ovaj kalkulator prikazuje LHV jer većina uređaja za izgaranje ispušta vodenu paru s ispušnim plinovima umjesto da je kondenzira.

Što je stehiometrijsko izgaranje? Stehiometrijsko izgaranje točna je smjesa goriva i oksidansa bez ostatka goriva ili kisika u produktima. Svaka količina zraka veća od te naziva se viškom zraka, a svaka manja količina smjesom bogatom gorivom.

Utječe li sastav goriva na ispušne plinove? Da. Veća količina vodika u gorivu znači više vodene pare u ispušnim plinovima. Više ugljika znači više CO₂. Gorivo koje sadržava dušik ili sumpor pri izgaranju može stvarati i dušikove okside ili sumporov dioksid.