Égéselemző kalkulátor

Az égéselemző kalkulátor meghatározza a kiegyenlített kémiai egyenletet, a levegő–tüzelőanyag-arányt és a tüzelőanyag égésekor felszabaduló hőt. Gyakori tüzelőanyagokkal, például metánnal, propánnal és oktánnal, valamint atomonként megadott egyedi szénhidrogén-tüzelőanyagokkal is működik.

Az égéselemző kalkulátor használata

1. Válasszon tüzelőanyagtípust, például metánt vagy propánt, vagy válassza az „egyedi” lehetőséget, és adja meg a tüzelőanyag-molekulában található szén-, hidrogén-, oxigén- és nitrogénatomok számát.
2. Egyedi tüzelőanyag esetén adja meg a standard képződési entalpiáját is kJ/mol-ban. Ez az érték a legtöbb tüzelőanyagnál negatív: a metáné −74,8, a propáné pedig −103,8. A tüzelőanyag fázisához tartozó értéket használja, például −234,8 etanolgőz vagy −277,0 folyékony etanol esetén. A standardállapotában lévő elem, például a hidrogéngáz vagy a szén értéke 0.
3. Válassza ki az oxidálószert: levegőt (térfogat szerint 21% oxigén és 79% nitrogén) vagy tiszta oxigént.
4. Állítsa be a többlet százalékos értékét. A pontos sztöchiometriai elegyhez használja a 0% értéket, nagyobb számmal pedig további oxidálószert adhat hozzá. A mező neve levegő esetén „Levegőtöbblet”, tiszta oxigén esetén pedig „Oxigéntöbblet”.
5. Olvassa le az eredményeket: a kiegyenlített egyenletet, az oxidálószer és a tüzelőanyag tömegarányát, az egy mólra és egy kilogramm tüzelőanyagra jutó felszabaduló hőt, valamint az egyes termékgázok tömegarányát.

Levegő választásakor az arány neve „Levegő–tüzelőanyag-arány”. Tiszta oxigén esetén nincs levegő az elegyben, ezért ugyanezt az eredményt „Oxidálószer–tüzelőanyag-aránynak” nevezik. A tüzelőanyagok képlete Hill-féle sorrendben jelenik meg: először a szén, másodikként a hidrogén, majd a többi elem következik. Így az egy szén-, két hidrogén- és két oxigénatomot tartalmazó egyedi tüzelőanyag képlete CH₂O₂.

Mi az égés?

Az égés tüzelőanyag és általában oxigénből álló oxidálószer közötti kémiai reakció, amely hőt szabadít fel. Tökéletes égés során a szénhidrogén-tüzelőanyag, vagyis a szénből és hidrogénből álló molekula, elegendő oxigénnel reagál, és csak szén-dioxidot (CO₂) és vizet (H₂O) képez. Ha nincs elegendő oxigén, a reakció tökéletlen, és szén-monoxid, korom, valamint el nem égett tüzelőanyag is keletkezik.

A sztöchiometriai oxigén képlete

A CₓHᵧOᵤ képletű tüzelőanyag tökéletes égéséhez szükséges oxigén (O₂) mólszáma:

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

Itt x a szénatomok, y a hidrogénatomok, z pedig a tüzelőanyagban már jelen lévő oxigénatomok száma. A kiegyenlített egyenlet:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

A levegő–tüzelőanyag-arány kiszámítása

A levegő–tüzelőanyag-arány (AFR) a tökéletes égéshez szükséges levegő tömegének és a tüzelőanyag tömegének hányadosa. Meghatározásához:

1. Számítsa ki a O₂ sztöchiometriai mólszámát a fenti képlet alapján.
2. Ha az oxidálószer levegő, a 79:21 levegőarány segítségével határozza meg a hozzá tartozó N₂-mólszámot: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Alakítsa át mindkét gázt tömeggé a moláris tömegük felhasználásával (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol), majd adja össze őket a levegő tömegének meghatározásához.
4. Ossza el a levegő tömegét a tüzelőanyag moláris tömegével.

Számítási példa: metán

A metán (CH₄) egy szén- és négy hidrogénatomot tartalmaz, ezért n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol oxigénre van szüksége a tüzelőanyag minden mólja után:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Ha az oxidálószer levegő, 2 mol O₂ a 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂ mennyiséget hozza magával. A levegő tömege (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. A metán moláris tömege körülbelül 16,04 g/mol, ezért a levegő–tüzelőanyag-arány tömegre vonatkoztatva 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 : 1.

Égéshő

Az égéshő az elégetett tüzelőanyag egy mólja vagy egy kilogrammja által felszabadított energia. Számítása Hess törvényével történik, az egyes anyagok standard képződési entalpiájának felhasználásával:

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

ahol Q a tüzelőanyag egy mólja által felszabadított hő kJ/mol-ban, ΔHf pedig a tüzelőanyag standard képződési entalpiája.

A 393,5 és 241,8 kJ/mol értékek a CO₂ és a vízgőz képződési entalpiájából származnak. Mivel a vizet gőzként, nem pedig folyadékként vesszük figyelembe, ez az alsó fűtőértéket (LHV), nem pedig a felső fűtőértéket (HHV) adja. A HHV nagyobb, mert beleszámítja a vízgőz folyadékká kondenzálódásakor felszabaduló hőt is, ami a legtöbb égőberendezésben nem történik meg.

Metán esetén ΔHf = −74,8 kJ/mol, ezért a felszabaduló hő 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Ezt a metán moláris tömegével (16,04 g/mol) elosztva körülbelül 50,0 MJ/kg adódik.

A felszabaduló hő ugyanakkora, függetlenül az oxidálószertől és a felhasznált levegőtöbblet mennyiségétől, mivel azt a tüzelőanyag egy móljára vonatkoztatva számítjuk. A levegőtöbblet a láng hőmérsékletét és a füstgáz összetételét módosítja, a tüzelőanyagban tárolt energiát azonban nem.

Gyakori tüzelőanyagok

A metán a földgáz fő alkotóeleme. A propánt és a butánt fűtésre, főzésre és hordozható tűzhelyekben használják. Ezekben a számításokban az oktán helyettesíti a benzint, bár a valódi benzin sokféle szénhidrogén elegye, és saját sztöchiometriai AFR-értékét általában a 14,7:1 érték közelében adják meg.

Levegőtöbblet és égési hatásfok

A levegőtöbblet a sztöchiometriai mennyiségen felül hozzáadott levegő, százalékban megadva. A valós égők ritkán működnek pontosan 0% levegőtöbblettel, mert a tökéletlen keveredés miatt a tüzelőanyag egy része elégetlenül maradna.

• 0% levegőtöbbletnél az elegy pontosan sztöchiometriai összetételű. Ez adja a legmagasabb lánghőmérsékletet, de tökéletlen keveredés esetén fennáll a tökéletlen égés kockázata.
• A legtöbb égő 10–20% levegőtöbblettel működik; ez megbízhatóan elégeti az összes tüzelőanyagot, miközben csak kevés hő vész kárba.
• Az 50% feletti levegőtöbblet tovább csökkenti a hatásfokot, mert a többlet nitrogén és oxigén hőt nyel el, majd a füstgázzal távozik. A lánghőmérsékletet is csökkenti, ami mérsékelheti a nitrogén-oxidok (NOx) képződését.

Mi befolyásolja az égési reakciót?

A tüzelőanyag összetétele. A hidrogénhez képest nagyobb szénarányú tüzelőanyagok kilogrammonként kevesebb energiát szabadítanak fel, és azonos leadott energiához több CO₂-t termelnek.

Az oxidálószer megválasztása. A levegő nitrogénnel hígítja a reakciót, ezért a lánghőmérséklet alacsonyabb, mint tiszta oxigén esetén. A tiszta oxigénnel végzett égés forróbb, de több nitrogén-oxidot termelhet, ha nitrogén van jelen a tüzelőanyagban, vagy levegő szivárog be.

A tüzelőanyagban kötött nitrogén. A tüzelőanyag nitrogénatomjait atomokként vesszük számításba, és N₂-molekulákként távoznak, ezért a tüzelőanyagban lévő két nitrogénatom egy mól N₂-t ad a termékekhez.

Keveredés. A reakció teljessé válásához a tüzelőanyagnak és az oxidálószernek jól kell keverednie. A túl tüzelőanyag-dús vagy túl tüzelőanyag-szegény helyi zónák tökéletlenül égnek, még akkor is, ha az elegy átlagos összetétele megfelelő.

Az égéselemzés alkalmazási területei

A mérnökök ezeket a számításokat gépkocsi- és repülőgép-hajtóművek tervezésére, ipari kemencék és kazánok beállítására, valamint lakóépületek fűtési rendszereinek méretezésére használják. A környezetvédelmi mérnökök ugyanezekkel a kiegyenlített egyenletekkel becsülik meg a kibocsátásjelentésekhez szükséges CO₂- és NOx-kibocsátást.

Gyakran ismételt kérdések

Mi a különbség a tökéletes és a tökéletlen égés között? Tökéletes égés akkor történik, amikor elegendő oxigén áll rendelkezésre ahhoz, hogy az összes tüzelőanyag CO₂-vé és vízzé alakuljon. Tökéletlen égéskor kevés az oxigén, ezért ehelyett szén-monoxid, korom és el nem égett tüzelőanyag keletkezik.

Miért használnak az égési rendszerek levegőtöbbletet? A többletlevegő biztosítja, hogy a tüzelőanyag minden része elegendő oxigénnel találkozzon, még akkor is, ha a keveredés nem tökéletes. A legtöbb rendszer körülbelül 10–20% levegőtöbblettel működik, hogy elkerülje a szén-monoxid képződését.

Hogyan számítják ki a levegő–tüzelőanyag-arányt? Határozza meg a tüzelőanyag képlete alapján a szükséges O₂ mólszámát, levegő oxidálószer esetén adja hozzá a megfelelő N₂-mennyiséget, mindkettőt alakítsa tömeggé, majd ossza el a teljes levegőtömeget a tüzelőanyag tömegével. Egy kilogramm metánhoz körülbelül 17,1 kg levegő szükséges.

Mi a különbség a felső és az alsó fűtőérték között? Az alsó fűtőérték (LHV) feltételezi, hogy a keletkező víz gőz formájában marad. A felső fűtőérték (HHV) feltételezi, hogy a víz folyadékká kondenzálódik, és további hőt szabadít fel. Ez a kalkulátor az LHV-t adja meg, mivel a legtöbb égőberendezésben a vízgőz a füstgázzal távozik, nem pedig lecsapódik.

Mi a sztöchiometriai égés? A sztöchiometriai égés a tüzelőanyag és az oxidálószer olyan pontos elegye, amelyben a termékek között nem marad vissza tüzelőanyag vagy oxigén. Az ennél több levegőt levegőtöbbletnek, az ennél kevesebbet pedig tüzelőanyag-dús elegynek nevezik.

Befolyásolja-e a tüzelőanyag összetétele a füstgázt? Igen. A tüzelőanyag több hidrogénje több vízgőzt jelent a füstgázban. A több szén több CO₂-t jelent. A nitrogént vagy ként tartalmazó tüzelőanyag égésekor nitrogén-oxidok vagy kén-dioxid is keletkezhet.