Kalkulator Analisis Pembakaran

Kalkulator analisis pembakaran mencari persamaan kimia seimbang, nisbah udara-bahan api dan haba yang dibebaskan apabila bahan api terbakar. Kalkulator ini berfungsi untuk bahan api biasa seperti metana, propana dan oktana, serta bahan api hidrokarbon tersuai yang dimasukkan atom demi atom.

Cara menggunakan kalkulator analisis pembakaran

1. Pilih jenis bahan api, seperti metana atau propana, atau pilih "tersuai" dan masukkan bilangan atom karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen dalam molekul bahan api.
2. Bagi bahan api tersuai, masukkan juga entalpi pembentukan piawainya dalam kJ/mol. Nilai ini negatif bagi kebanyakan bahan api: metana ialah −74.8 dan propana −103.8. Gunakan nilai bagi fasa bahan api tersebut, seperti −234.8 untuk wap etanol atau −277.0 untuk etanol cecair. Unsur dalam keadaan piawainya, seperti gas hidrogen atau karbon, ialah 0.
3. Pilih pengoksida: udara (21% oksigen, 79% nitrogen mengikut isipadu) atau oksigen tulen.
4. Tetapkan peratus lebihan. Gunakan 0% untuk campuran stoikiometri tepat, atau nombor yang lebih tinggi untuk menambah pengoksida. Medan ini dilabelkan "Udara Lebihan" untuk udara dan "Oksigen Lebihan" untuk oksigen tulen.
5. Baca hasilnya: persamaan seimbang, nisbah jisim pengoksida kepada bahan api, haba yang dibebaskan bagi setiap mol dan setiap kilogram bahan api, serta bahagian jisim setiap gas hasil.

Apabila udara dipilih, nisbah itu dilabelkan "Nisbah Udara-Bahan Api". Dengan oksigen tulen, tiada udara dalam campuran, jadi hasil yang sama dilabelkan "Nisbah Pengoksida-Bahan Api". Formula bahan api mengikut susunan Hill: karbon dahulu, hidrogen kedua, kemudian unsur lain. Oleh itu, bahan api tersuai dengan satu atom karbon, dua atom hidrogen dan dua atom oksigen ditulis sebagai CH₂O₂.

Apakah pembakaran?

Pembakaran ialah tindak balas kimia antara bahan api dan pengoksida, biasanya oksigen, yang membebaskan haba. Dalam pembakaran lengkap, bahan api hidrokarbon (molekul yang terdiri daripada karbon dan hidrogen) bertindak balas dengan oksigen yang mencukupi untuk membentuk hanya karbon dioksida (CO₂) dan air (H₂O). Jika oksigen tidak mencukupi, tindak balas itu tidak lengkap dan turut menghasilkan karbon monoksida (CO), jelaga dan bahan api yang tidak terbakar.

Formula oksigen stoikiometri

Bagi bahan api dengan formula CₓHᵧOᵤ, mol oksigen (O₂) yang diperlukan untuk pembakaran lengkap ialah:

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

Di sini, x ialah bilangan atom karbon, y ialah bilangan atom hidrogen dan z ialah bilangan atom oksigen yang sedia ada dalam bahan api. Persamaan seimbangnya ialah:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Cara mengira nisbah udara-bahan api

Nisbah udara-bahan api (AFR) ialah jisim udara dibahagikan dengan jisim bahan api yang diperlukan untuk pembakaran lengkap. Untuk mencarinya:

1. Kira mol stoikiometri O₂ daripada formula di atas.
2. Jika pengoksidanya ialah udara, cari mol N₂ yang sepadan menggunakan nisbah udara 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Tukarkan kedua-dua gas kepada jisim menggunakan jisim molarnya (O₂ = 32.00 g/mol, N₂ = 28.02 g/mol) dan jumlahkan kedua-duanya untuk mendapatkan jisim udara.
4. Bahagikan jisim udara dengan jisim molar bahan api.

Contoh pengiraan: metana

Metana (CH₄) mempunyai satu atom karbon dan empat atom hidrogen, jadi ia memerlukan n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol oksigen bagi setiap mol bahan api:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Dengan udara sebagai pengoksida, 2 mol O₂ membawa 2 × (79/21) ≈ 7.52 mol N₂. Jisim udara ialah (2 × 32.00) + (7.52 × 28.02) ≈ 274.8 g. Jisim molar metana ialah kira-kira 16.04 g/mol, jadi nisbah udara-bahan api ialah 274.8 ÷ 16.04 ≈ 17.1 kepada 1 mengikut jisim.

Haba pembakaran

Haba pembakaran ialah tenaga yang dibebaskan bagi setiap mol atau setiap kilogram bahan api yang dibakar. Haba ini dikira menggunakan hukum Hess, dengan entalpi pembentukan piawai setiap bahan:

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

dengan Q ialah haba yang dibebaskan bagi setiap mol bahan api, dalam kJ/mol, dan ΔHf ialah entalpi pembentukan piawai bahan api.

Nilai 393.5 dan 241.8 kJ/mol berasal daripada entalpi pembentukan CO₂ dan wap air. Oleh sebab air dikira sebagai wap dan bukannya cecair, nilai ini memberikan nilai pemanasan rendah (LHV), bukan nilai pemanasan tinggi (HHV). HHV lebih besar kerana ia turut mengira haba yang dibebaskan apabila wap air memeluwap menjadi cecair, yang tidak berlaku di dalam kebanyakan peralatan pembakaran.

Bagi metana, ΔHf = −74.8 kJ/mol, jadi haba yang dibebaskan ialah 393.5(1) + 241.8(2) − 74.8 = 802.3 kJ/mol. Dengan membahagikannya dengan jisim molar metana (16.04 g/mol), nilainya kira-kira 50.0 MJ/kg.

Haba yang dibebaskan adalah sama tanpa mengira pengoksida yang digunakan dan jumlah udara lebihan, kerana haba itu dikira bagi setiap mol bahan api. Udara lebihan mengubah suhu nyalaan dan komposisi gas ekzos, bukan tenaga yang tersimpan dalam bahan api.

Bahan api biasa

Metana ialah komponen utama gas asli. Propana dan butana digunakan untuk pemanasan, memasak dan dapur mudah alih. Oktana mewakili petrol dalam pengiraan ini, walaupun petrol sebenar ialah campuran banyak hidrokarbon dan AFR stoikiometrinya biasanya dinyatakan hampir kepada 14.7:1.

Udara lebihan dan kecekapan pembakaran

Udara lebihan ialah udara tambahan yang ditambah melebihi jumlah stoikiometri, dinyatakan sebagai peratusan. Pembakar sebenar jarang beroperasi tepat pada udara lebihan 0% kerana pencampuran yang tidak sempurna boleh menyebabkan sebahagian bahan api tidak terbakar.

• Pada udara lebihan 0%, campuran itu tepat secara stoikiometri. Keadaan ini memberikan suhu nyalaan tertinggi tetapi berisiko menyebabkan pembakaran tidak lengkap jika pencampuran tidak sempurna.
• Kebanyakan pembakar beroperasi dengan udara lebihan 10–20%, yang membakar semua bahan api dengan pasti sambil hanya membazirkan sedikit haba.
• Udara lebihan melebihi 50% mengurangkan kecekapan dengan lebih lanjut kerana nitrogen dan oksigen tambahan menyerap haba lalu keluar bersama gas ekzos. Keadaan ini juga menurunkan suhu nyalaan, yang boleh mengurangkan pembentukan nitrogen oksida (NOx).

Faktor yang mempengaruhi tindak balas pembakaran

Komposisi bahan api. Bahan api dengan nisbah karbon kepada hidrogen yang lebih tinggi membebaskan kurang tenaga bagi setiap kilogram dan menghasilkan lebih banyak CO₂ bagi keluaran tenaga yang sama.

Pemilihan pengoksida. Udara mencairkan tindak balas dengan nitrogen, lalu menurunkan suhu nyalaan berbanding oksigen tulen. Pembakaran dengan oksigen tulen menghasilkan nyalaan yang lebih panas tetapi boleh menghasilkan lebih banyak nitrogen oksida jika terdapat nitrogen daripada bahan api atau daripada udara yang meresap masuk.

Nitrogen terikat pada bahan api. Atom nitrogen dalam bahan api dikira sebagai atom dan keluar sebagai molekul N₂, jadi dua atom nitrogen dalam bahan api menambah satu mol N₂ kepada hasil tindak balas.

Pencampuran. Bahan api dan pengoksida mesti bercampur dengan baik agar tindak balas berlaku dengan lengkap. Bahagian yang terlalu kaya bahan api atau terlalu miskin bahan api akan terbakar secara tidak lengkap, walaupun campuran keseluruhannya betul secara purata.

Kegunaan analisis pembakaran

Jurutera menggunakan pengiraan ini untuk mereka bentuk enjin kereta dan pesawat, melaras relau dan dandang industri, serta menentukan saiz sistem pemanasan kediaman. Jurutera alam sekitar menggunakan persamaan seimbang yang sama untuk menganggarkan keluaran CO₂ dan NOx bagi pelaporan pelepasan.

Soalan lazim

Apakah perbezaan antara pembakaran lengkap dengan pembakaran tidak lengkap? Pembakaran lengkap berlaku apabila oksigen mencukupi untuk menukarkan semua bahan api kepada CO₂ dan air. Pembakaran tidak lengkap berlaku apabila oksigen tidak mencukupi, lalu menghasilkan karbon monoksida, jelaga dan bahan api yang tidak terbakar.

Mengapakah sistem pembakaran menggunakan udara lebihan? Udara tambahan memastikan setiap bahagian bahan api bertemu oksigen yang mencukupi, walaupun pencampuran tidak sempurna. Kebanyakan sistem beroperasi dengan kira-kira 10–20% udara lebihan untuk mengelakkan penghasilan karbon monoksida.

Bagaimanakah nisbah udara-bahan api dikira? Cari mol O₂ yang diperlukan daripada formula bahan api, tambahkan N₂ yang sepadan jika pengoksidanya ialah udara, tukarkan kedua-duanya kepada jisim, kemudian bahagikan jumlah jisim udara dengan jisim bahan api. Metana memerlukan kira-kira 17.1 kg udara bagi setiap kilogram bahan api.

Apakah perbezaan antara nilai pemanasan tinggi dengan nilai pemanasan rendah? Nilai pemanasan rendah (LHV) menganggap air yang terhasil kekal sebagai wap. Nilai pemanasan tinggi (HHV) menganggap air itu memeluwap semula menjadi cecair dan membebaskan haba tambahan. Kalkulator ini melaporkan LHV kerana kebanyakan peralatan pembakaran membenarkan wap air keluar sebagai gas ekzos dan bukannya memeluwapkannya.

Apakah pembakaran stoikiometri? Pembakaran stoikiometri ialah campuran tepat bahan api dan pengoksida tanpa bahan api atau oksigen yang berbaki dalam hasil tindak balas. Sebarang jumlah udara yang lebih daripada ini dipanggil udara lebihan; jumlah yang kurang dipanggil campuran kaya bahan api.

Adakah komposisi bahan api mempengaruhi gas ekzos? Ya. Lebih banyak hidrogen dalam bahan api bermakna lebih banyak wap air dalam gas ekzos. Lebih banyak karbon bermakna lebih banyak CO₂. Bahan api yang mengandungi nitrogen atau sulfur juga boleh menghasilkan nitrogen oksida atau sulfur dioksida apabila terbakar.