Sadegšanas analīzes kalkulators

Sadegšanas analīzes kalkulators nosaka līdzsvarotu ķīmisko vienādojumu, gaisa un degvielas attiecību, kā arī sadegšanas laikā izdalīto siltumu. Tas darbojas ar parastām degvielām, piemēram, metānu, propānu un oktānu, kā arī ar pielāgotām ogļūdeņražu degvielām, kuru sastāvu ievada pa atomiem.

Kā izmantot sadegšanas analīzes kalkulatoru

1. Izvēlieties degvielas veidu, piemēram, metānu vai propānu, vai izvēlieties “pielāgota” un ievadiet oglekļa, ūdeņraža, skābekļa un slāpekļa atomu skaitu degvielas molekulā.
2. Pielāgotai degvielai ievadiet arī tās standarta veidošanās entalpiju kJ/mol. Lielākajai daļai degvielu šī vērtība ir negatīva: metānam tā ir −74,8, bet propānam −103,8. Izmantojiet vērtību tai fāzei, kurā atrodas degviela, piemēram, −234,8 etanola tvaikiem vai −277,0 šķidram etanolam. Elements savā standarta stāvoklī, piemēram, gāzveida ūdeņradis vai ogleklis, ir 0.
3. Izvēlieties oksidētāju: gaisu (pēc tilpuma 21% skābekļa un 79% slāpekļa) vai tīru skābekli.
4. Iestatiet pārpalikuma procentu. Precīzam stehiometriskajam maisījumam izmantojiet 0%, bet, lai pievienotu papildu oksidētāju, izvēlieties lielāku skaitli. Izmantojot gaisu, lauks ir apzīmēts “Gaisa pārpalikums”, bet tīra skābekļa gadījumā — “Skābekļa pārpalikums”.
5. Izlasiet rezultātus: līdzsvaroto vienādojumu, oksidētāja un degvielas masas attiecību, uz vienu degvielas molu un kilogramu izdalīto siltumu, kā arī katras produkta gāzes masas daļu.

Ja izvēlēts gaiss, attiecība ir apzīmēta “Gaisa un degvielas attiecība”. Izmantojot tīru skābekli, maisījumā nav gaisa, tāpēc tas pats rezultāts ir apzīmēts “Oksidētāja un degvielas attiecība”. Degvielas formulas raksta pēc Hila secības: vispirms oglekli, pēc tam ūdeņradi un tad pārējos elementus. Tāpēc pielāgotu degvielu ar vienu oglekļa, diviem ūdeņraža un diviem skābekļa atomiem raksta CH₂O₂.

Kas ir sadegšana?

Sadegšana ir ķīmiska reakcija starp degvielu un oksidētāju, parasti skābekli, kurā izdalās siltums. Pilnīgas sadegšanas laikā ogļūdeņraža degviela — molekula, kas sastāv no oglekļa un ūdeņraža, — reaģē ar pietiekamu skābekļa daudzumu un veido tikai oglekļa dioksīdu (CO₂) un ūdeni (H₂O). Ja skābekļa nav pietiekami, reakcija ir nepilnīga un papildus rodas oglekļa monoksīds (CO), kvēpi un nesadegusi degviela.

Stehiometriskā skābekļa formula

Degvielai ar formulu CₓHᵧOᵤ pilnīgai sadegšanai nepieciešamais skābekļa (O₂) molu skaits ir:

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

Šeit x ir oglekļa atomu skaits, y ir ūdeņraža atomu skaits, bet z ir skābekļa atomu skaits, kas jau atrodas degvielā. Līdzsvarotais vienādojums ir:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Kā aprēķināt gaisa un degvielas attiecību

Gaisa un degvielas attiecība (AFR) ir pilnīgai sadegšanai nepieciešamās gaisa masas attiecība pret degvielas masu. Lai to noteiktu:

1. Aprēķiniet stehiometrisko O₂ molu skaitu, izmantojot iepriekš doto formulu.
2. Ja oksidētājs ir gaiss, atrodiet atbilstošo N₂ molu skaitu, izmantojot gaisa attiecību 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Pārrēķiniet abu gāzu daudzumu masā, izmantojot to molmasas (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol), un saskaitiet tās, lai iegūtu gaisa masu.
4. Izdaliet gaisa masu ar degvielas molmasu.

Aprēķina piemērs: metāns

Metānam (CH₄) ir viens oglekļa un četri ūdeņraža atomi, tāpēc uz vienu degvielas molu tam nepieciešams n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol skābekļa:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Ja oksidētājs ir gaiss, 2 mol O₂ pievieno 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Gaisa masa ir (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Metāna molmasa ir aptuveni 16,04 g/mol, tāpēc gaisa un degvielas masas attiecība ir 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 pret 1.

Sadegšanas siltums

Sadegšanas siltums ir enerģija, kas izdalās uz vienu sadedzinātās degvielas molu vai kilogramu. To aprēķina, izmantojot Hesa likumu un katras vielas standarta veidošanās entalpiju:

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

kur Q ir uz vienu degvielas molu izdalītais siltums kJ/mol, bet ΔHf ir degvielas standarta veidošanās entalpija.

Vērtības 393,5 un 241,8 kJ/mol iegūtas no CO₂ un ūdens tvaika veidošanās entalpijas. Tā kā ūdens tiek uzskaitīts kā tvaiks, nevis šķidrums, tiek iegūta zemākā siltumspēja (LHV), nevis augstākā siltumspēja (HHV). HHV ir lielāka, jo tajā ņem vērā arī siltumu, kas izdalās, ūdens tvaikam kondensējoties šķidrumā; lielākajā daļā sadegšanas iekārtu tas nenotiek.

Metānam ΔHf = −74,8 kJ/mol, tāpēc izdalītais siltums ir 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Dalot ar metāna molmasu (16,04 g/mol), iegūst aptuveni 50,0 MJ/kg.

Izdalītais siltums ir vienāds neatkarīgi no oksidētāja un izmantotā gaisa pārpalikuma, jo tas tiek izteikts uz vienu degvielas molu. Gaisa pārpalikums maina liesmas temperatūru un izplūdes gāzu sastāvu, bet ne degvielā uzkrāto enerģiju.

Biežāk izmantotās degvielas

Metāns ir dabasgāzes galvenā sastāvdaļa. Propānu un butānu izmanto apkurei, ēdiena gatavošanai un pārnēsājamām plītīm. Šajos aprēķinos oktāns aizstāj benzīnu, lai gan īstais benzīns ir daudzu ogļūdeņražu maisījums un tā stehiometrisko AFR parasti norāda aptuveni kā 14,7:1.

Gaisa pārpalikums un sadegšanas efektivitāte

Gaisa pārpalikums ir papildus pievienots gaiss, kas pārsniedz stehiometrisko daudzumu, un to norāda procentos. Īstas degļu iekārtas reti darbojas ar tieši 0% gaisa pārpalikumu, jo nepilnīga sajaukšanās atstātu daļu degvielas nesadegušu.

• Ja gaisa pārpalikums ir 0%, maisījums ir precīzi stehiometrisks. Tas nodrošina augstāko liesmas temperatūru, bet nepilnīgas sajaukšanās gadījumā rada nepilnīgas sadegšanas risku.
• Lielākā daļa degļu darbojas ar 10–20% gaisa pārpalikumu, kas droši sadedzina visu degvielu, izšķērdējot tikai nedaudz siltuma.
• Gaisa pārpalikums virs 50% vēl vairāk samazina efektivitāti, jo papildu slāpeklis un skābeklis absorbē siltumu un aizplūst kopā ar izplūdes gāzēm. Tas arī pazemina liesmas temperatūru, kas var samazināt slāpekļa oksīdu (NOx) veidošanos.

Kas ietekmē sadegšanas reakciju

Degvielas sastāvs. Degvielas ar lielāku oglekļa un ūdeņraža attiecību izdala mazāk enerģijas uz kilogramu un pie tādas pašas iegūtās enerģijas rada vairāk CO₂.

Oksidētāja izvēle. Gaiss atšķaida reakciju ar slāpekli, tāpēc liesmas temperatūra ir zemāka nekā, izmantojot tīru skābekli. Sadegšana tīrā skābeklī ir karstāka, bet var radīt vairāk slāpekļa oksīdu, ja slāpeklis ir degvielas sastāvā vai tajā ieplūst gaiss.

Degvielā saistītais slāpeklis. Slāpekļa atomi degvielā tiek uzskaitīti kā atomi un izdalās kā N₂ molekulas, tāpēc divi slāpekļa atomi degvielā produktiem pievieno vienu molu N₂.

Sajaukšanās. Lai reakcija noritētu līdz galam, degvielai un oksidētājam ir labi jāsajaucas. Maisījuma apgabali, kuros ir pārāk daudz vai pārāk maz degvielas, sadeg nepilnīgi, pat ja kopējais maisījums vidēji ir pareizs.

Kur izmanto sadegšanas analīzi

Inženieri izmanto šos aprēķinus automašīnu un lidaparātu dzinēju projektēšanai, rūpniecisko krāšņu un katlu regulēšanai, kā arī dzīvojamo ēku apkures sistēmu dimensionēšanai. Vides inženieri tos pašus līdzsvarotos vienādojumus izmanto, lai emisiju pārskatos aprēķinātu CO₂ un NOx izmešus.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kāda ir atšķirība starp pilnīgu un nepilnīgu sadegšanu? Pilnīga sadegšana notiek, ja ir pietiekami daudz skābekļa, lai visa degviela pārvērstos par CO₂ un ūdeni. Nepilnīga sadegšana notiek, ja skābekļa trūkst, un tās vietā rodas oglekļa monoksīds, kvēpi un nesadegusi degviela.

Kāpēc sadegšanas sistēmās izmanto gaisa pārpalikumu? Papildu gaiss nodrošina, ka katra degvielas daļa saskaras ar pietiekamu skābekļa daudzumu, pat ja sajaukšanās nav pilnīga. Lielākā daļa sistēmu darbojas ar aptuveni 10–20% gaisa pārpalikumu, lai novērstu oglekļa monoksīda veidošanos.

Kā aprēķina gaisa un degvielas attiecību? Pēc degvielas formulas atrod nepieciešamo O₂ molu skaitu, ja oksidētājs ir gaiss, pievieno atbilstošo N₂ daudzumu, abas gāzes pārvērš masā un kopējo gaisa masu izdala ar degvielas masu. Vienam degvielas kilogramam metānam vajag aptuveni 17,1 kg gaisa.

Kāda ir atšķirība starp augstāko un zemāko siltumvērtību? Zemākā siltumvērtība (LHV) pieņem, ka radītais ūdens paliek tvaika veidā. Augstākā siltumvērtība (HHV) pieņem, ka ūdens kondensējas atpakaļ šķidrumā, izdalot papildu siltumu. Šis kalkulators norāda LHV, jo lielākā daļa sadegšanas iekārtu ļauj ūdens tvaikam izplūst kopā ar izplūdes gāzēm, nevis kondensēties.

Kas ir stehiometriskā sadegšana? Stehiometriskā sadegšana ir precīzs degvielas un oksidētāja maisījums, kura produktos nepaliek ne degviela, ne skābeklis. Jebkuru lielāku gaisa daudzumu sauc par gaisa pārpalikumu, bet mazāku — par degvielām bagātu maisījumu.

Vai degvielas sastāvs ietekmē izplūdes gāzes? Jā. Lielāks ūdeņraža daudzums degvielā nozīmē vairāk ūdens tvaika izplūdes gāzēs. Lielāks oglekļa daudzums nozīmē vairāk CO₂. Slāpekli vai sēru saturoša degviela sadegšanas laikā var radīt arī slāpekļa oksīdus vai sēra dioksīdu.