Degimo analizės skaičiuoklė

Degimo analizės skaičiuoklė nustato subalansuotą cheminę lygtį, oro ir degalų santykį bei išsiskiriančią šilumą degant kurui. Ji tinka įprastiems degalams, tokiems kaip metanas, propanas ir oktanas, taip pat individualiems angliavandeniliniams degalams, kurių atomai įvedami atskirai.

Kaip naudoti degimo analizės skaičiuoklę

1. Pasirinkite degalų rūšį, pavyzdžiui, metaną arba propaną, arba pasirinkite „individualų“ variantą ir įveskite anglies, vandenilio, deguonies bei azoto atomų skaičių degalų molekulėje.
2. Individualiems degalams taip pat įveskite jų standartinę susidarymo entalpiją kJ/mol. Daugumos degalų ši vertė yra neigiama: metano ji yra −74,8, o propano −103,8. Naudokite vertę, atitinkančią degalų fazę, pavyzdžiui, −234,8 etanolio garams arba −277,0 skystajam etanoliui. Standartinės būsenos elemento, pavyzdžiui, vandenilio dujų arba anglies, vertė yra 0.
3. Pasirinkite oksidatorių: orą (pagal tūrį 21 % deguonies ir 79 % azoto) arba gryną deguonį.
4. Nustatykite pertekliaus procentinę dalį. Naudokite 0 % tiksliam stechiometriniam mišiniui arba didesnį skaičių, jei norite pridėti oksidatoriaus perteklių. Naudojant orą, laukelis vadinamas „Oro perteklius“, o naudojant gryną deguonį – „Deguonies perteklius“.
5. Peržiūrėkite rezultatus: subalansuotą lygtį, oksidatoriaus ir degalų masių santykį, vienam moliui ir vienam kilogramui degalų tenkančią išsiskyrusią šilumą bei kiekvienų produkto dujų masės dalį.

Pasirinkus orą, santykis vadinamas „Oro ir degalų santykiu“. Naudojant gryną deguonį mišinyje oro nėra, todėl tas pats rezultatas vadinamas „Oksidatoriaus ir degalų santykiu“. Degalų formulės pateikiamos pagal Hilo tvarką: pirmiausia anglis, tada vandenilis, o po jų – kiti elementai, todėl individualūs degalai, kurių molekulėje yra vienas anglies, du vandenilio ir du deguonies atomai, rašomi taip: CH₂O₂.

Kas yra degimas?

Degimas – tai cheminė reakcija tarp degalų ir oksidatoriaus, dažniausiai deguonies, kurios metu išsiskiria šiluma. Visiško degimo metu angliavandeniliniai degalai, tai yra iš anglies ir vandenilio sudaryta molekulė, reaguoja su pakankamu deguonies kiekiu ir susidaro tik anglies dioksidas (CO₂) bei vanduo (H₂O). Kai deguonies nepakanka, reakcija būna nevisiška, todėl taip pat susidaro anglies monoksidas (CO), suodžiai ir nesudegę degalai.

Stechiometrinė deguonies formulė

Degalams, kurių formulė CₓHᵧOᵤ, visiškam degimui reikalingas deguonies (O₂) molių skaičius yra:

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

Čia x yra anglies atomų skaičius, y – vandenilio atomų skaičius, o z – deguonies atomų, jau esančių degaluose, skaičius. Subalansuota lygtis yra:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Kaip apskaičiuoti oro ir degalų santykį

Oro ir degalų santykis (AFR) – tai visiškam degimui reikalingo oro masės ir degalų masės santykis. Norėdami jį rasti:

1. Apskaičiuokite stechiometrinį O₂ molių skaičių pagal pirmiau pateiktą formulę.
2. Jei oksidatorius yra oras, pagal 79:21 oro santykį raskite atitinkamą N₂ molių skaičių: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Abu dujų kiekius perskaičiuokite į masę, naudodami jų molines mases (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol), ir sudėkite juos, kad gautumėte oro masę.
4. Padalykite oro masę iš degalų molinės masės.

Skaičiavimo pavyzdys: metanas

Metano (CH₄) molekulėje yra vienas anglies ir keturi vandenilio atomai, todėl vienam degalų moliui reikia n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol deguonies:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Kai oksidatorius yra oras, 2 mol O₂ atitinka 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Oro masė yra (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Metano molinė masė yra maždaug 16,04 g/mol, todėl oro ir degalų masių santykis yra 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 ir 1.

Degimo šiluma

Degimo šiluma – tai sudegus vienam moliui arba vienam kilogramui degalų išsiskirianti energija. Ji apskaičiuojama pagal Heso dėsnį, naudojant kiekvienos medžiagos standartinę susidarymo entalpiją:

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

čia Q yra vienam degalų moliui tenkanti išsiskyrusi šiluma kJ/mol, o ΔHf – standartinė degalų susidarymo entalpija.

Vertės 393,5 ir 241,8 kJ/mol gaunamos iš CO₂ ir vandens garų susidarymo entalpijų. Kadangi vanduo laikomas garais, o ne skysčiu, gaunama apatinė šilumingumo vertė (LHV), o ne viršutinė šilumingumo vertė (HHV). HHV yra didesnė, nes taip pat įskaičiuojama šiluma, išsiskirianti vandens garams kondensuojantis į skystį; daugumoje degimo įrenginių tai nevyksta.

Metano ΔHf = −74,8 kJ/mol, todėl išsiskyrusi šiluma yra 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Padalijus iš metano molinės masės (16,04 g/mol), gaunama maždaug 50,0 MJ/kg.

Išsiskyrusi šiluma nepriklauso nuo oksidatoriaus ir naudojamo oro pertekliaus kiekio, nes ji skaičiuojama vienam degalų moliui. Oro perteklius keičia liepsnos temperatūrą ir išmetamųjų dujų sudėtį, bet ne degaluose sukauptą energiją.

Įprasti degalai

Metanas yra pagrindinė gamtinių dujų sudedamoji dalis. Propanas ir butanas naudojami šildymui, maisto ruošimui ir nešiojamosiose viryklėse. Skaičiavimuose oktanas atstoja benziną, nors tikras benzinas yra daugelio angliavandenilių mišinys, o jo stechiometrinis AFR paprastai nurodomas kaip maždaug 14,7:1.

Oro perteklius ir degimo naudingumo koeficientas

Oro perteklius – tai už stechiometrinį kiekį didesnis oro kiekis, išreikštas procentais. Tikrieji degikliai retai veikia esant tiksliai 0 % oro pertekliui, nes dėl netobulo maišymosi dalis degalų liktų nesudegusi.

• Esant 0 % oro pertekliui, mišinys yra tiksliai stechiometrinis. Taip pasiekiama aukščiausia liepsnos temperatūra, tačiau dėl netobulo maišymosi kyla nevisiško degimo rizika.
• Dauguma degiklių veikia esant 10–20% oro pertekliui; taip patikimai sudeginami visi degalai, prarandant tik nedaug šilumos.
• Didesnis nei 50 % oro perteklius dar labiau mažina efektyvumą, nes papildomas azotas ir deguonis sugeria šilumą ir pasišalina su išmetamosiomis dujomis. Jis taip pat mažina liepsnos temperatūrą, todėl gali sumažėti azoto oksidų (NOx) susidarymas.

Kas turi įtakos degimo reakcijai

Degalų sudėtis. Degalai, kuriuose anglies ir vandenilio santykis didesnis, išskiria mažiau energijos vienam kilogramui ir, išskirdami tą patį energijos kiekį, pagamina daugiau CO₂.

Oksidatoriaus pasirinkimas. Oras praskiedžia reakciją azotu, todėl liepsnos temperatūra būna žemesnė nei naudojant gryną deguonį. Degant grynam deguoniui temperatūra būna aukštesnė, tačiau gali susidaryti daugiau azoto oksidų, jei azoto yra degaluose arba jo patenka su įsiurbiamu oru.

Degaluose esantis azotas. Degaluose esantys azoto atomai skaičiuojami kaip atomai ir pasišalina kaip N₂ molekulės, todėl du degaluose esantys azoto atomai į produktus prideda vieną molį N₂.

Maišymasis. Kad reakcija vyktų visiškai, degalai ir oksidatorius turi gerai susimaišyti. Per daug degalų arba per mažai degalų turintys mišinio plotai dega nevisiškai, net jei bendras mišinio santykis vidutiniškai yra tinkamas.

Kur naudojama degimo analizė

Inžinieriai šiuos skaičiavimus naudoja projektuodami automobilių ir orlaivių variklius, derindami pramonines krosnis ir katilus bei parinkdami gyvenamųjų patalpų šildymo sistemų dydį. Aplinkos inžinieriai tomis pačiomis subalansuotomis lygtimis vertina CO₂ ir NOx išmetimą, kai rengiamos išmetamųjų teršalų ataskaitos.

Dažnai užduodami klausimai

Kuo skiriasi visiškas ir nevisiškas degimas? Visiškas degimas vyksta, kai deguonies pakanka visiems degalams paversti į CO₂ ir vandenį. Nevisiškas degimas vyksta, kai deguonies trūksta, todėl susidaro anglies monoksidas, suodžiai ir nesudegę degalai.

Kodėl degimo sistemose naudojamas oro perteklius? Papildomas oras užtikrina, kad kiekviena degalų dalelė gautų pakankamai deguonies, net jei maišymasis nėra idealus. Dauguma sistemų veikia esant maždaug 10–20% oro pertekliui, kad nesusidarytų anglies monoksidas.

Kaip apskaičiuojamas oro ir degalų santykis? Pagal degalų formulę raskite reikiamą O₂ molių skaičių, jei oksidatorius yra oras, pridėkite atitinkamą N₂ kiekį, abu kiekius perskaičiuokite į masę ir bendrą oro masę padalykite iš degalų masės. Vienam kilogramui degalų sudeginti metanui reikia maždaug 17,1 kg oro.

Kuo skiriasi viršutinė ir apatinė šilumingumo vertės? Apatinė šilumingumo vertė (LHV) daro prielaidą, kad susidaręs vanduo lieka garų pavidalo. Viršutinė šilumingumo vertė (HHV) daro prielaidą, kad vanduo vėl kondensuojasi į skystį ir išskiria papildomos šilumos. Ši skaičiuoklė pateikia LHV, nes dauguma degimo įrenginių išleidžia vandens garus su išmetamosiomis dujomis, o ne juos kondensuoja.

Kas yra stechiometrinis degimas? Stechiometrinis degimas – tai tikslus degalų ir oksidatoriaus mišinys, kurio produktuose nelieka degalų ar deguonies pertekliaus. Bet koks didesnis oro kiekis vadinamas oro pertekliumi, o mažesnis – degalų pertekliaus mišiniu.

Ar degalų sudėtis turi įtakos išmetamosioms dujoms? Taip. Didesnis vandenilio kiekis degaluose reiškia daugiau vandens garų išmetamosiose dujose. Didesnis anglies kiekis reiškia daugiau CO₂. Azoto arba sieros turintys degalai degdami taip pat gali sudaryti azoto oksidų arba sieros dioksido.