Rekenmachine voor verbrandingsanalyse

Een rekenmachine voor verbrandingsanalyse bepaalt de gebalanceerde chemische vergelijking, de lucht-brandstofverhouding en de vrijgekomen warmte wanneer een brandstof verbrandt. De rekenmachine werkt voor gangbare brandstoffen zoals methaan, propaan en octaan, en voor zelf samengestelde koolwaterstofbrandstoffen die atoom voor atoom worden ingevoerd.

Een rekenmachine voor verbrandingsanalyse gebruiken

1. Kies een brandstoftype, zoals methaan of propaan, of kies ‘aangepast’ en voer het aantal koolstof-, waterstof-, zuurstof- en stikstofatomen in het brandstofmolecuul in.
2. Voer voor een aangepaste brandstof ook de standaardvormingsenthalpie in kJ/mol in. Deze waarde is voor de meeste brandstoffen negatief: voor methaan is deze −74,8 en voor propaan −103,8. Gebruik de waarde voor de fase waarin de brandstof verkeert, zoals −234,8 voor ethanol­damp of −277,0 voor vloeibare ethanol. Een element in zijn standaardtoestand, zoals waterstofgas of koolstof, heeft de waarde 0.
3. Kies het oxidatiemiddel: lucht (21% zuurstof en 79% stikstof naar volume) of zuivere zuurstof.
4. Stel het overmaatpercentage in. Gebruik 0% voor het exacte stoichiometrische mengsel, of een hoger getal om extra oxidatiemiddel toe te voegen. Het veld heet ‘Excess Air’ voor lucht en ‘Excess Oxygen’ voor zuivere zuurstof.
5. Lees de resultaten af: de gebalanceerde vergelijking, de massaverhouding van oxidatiemiddel tot brandstof, de vrijgekomen warmte per mol en per kilogram brandstof, en het massaaandeel van elk productgas.

Als lucht is geselecteerd, heet de verhouding ‘Air-Fuel Ratio’. Bij zuivere zuurstof zit er geen lucht in het mengsel, dus heet hetzelfde resultaat ‘Oxidizer-Fuel Ratio’. Brandstofformules worden in Hill-volgorde weergegeven: eerst koolstof, dan waterstof en vervolgens de overige elementen. Een aangepaste brandstof met één koolstofatoom, twee waterstofatomen en twee zuurstofatomen wordt dus geschreven als CH₂O₂.

Wat is verbranding?

Verbranding is een chemische reactie tussen een brandstof en een oxidatiemiddel, meestal zuurstof, waarbij warmte vrijkomt. Bij volledige verbranding reageert een koolwaterstofbrandstof, een molecuul dat uit koolstof en waterstof bestaat, met voldoende zuurstof om alleen koolstofdioxide (CO₂) en water (H₂O) te vormen. Als er niet genoeg zuurstof is, verloopt de reactie onvolledig en ontstaan ook koolstofmonoxide (CO), roet en onverbrande brandstof.

Stoichiometrische zuurstofformule

Voor een brandstof met de formule CₓHᵧOᵤ is het aantal mol zuurstof (O₂) dat nodig is voor volledige verbranding:

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

Hierbij is x het aantal koolstofatomen, y het aantal waterstofatomen en z het aantal zuurstofatomen dat al in de brandstof aanwezig is. De gebalanceerde vergelijking is:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

De lucht-brandstofverhouding berekenen

De lucht-brandstofverhouding (AFR) is de massa lucht gedeeld door de massa brandstof die nodig is voor volledige verbranding. Zo wordt deze berekend:

1. Bereken het stoichiometrische aantal mol O₂ met de bovenstaande formule.
2. Als het oxidatiemiddel lucht is, bereken dan het overeenkomstige aantal mol N₂ met de luchtverhouding 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Zet beide gassen met hun molaire massa om naar massa (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) en tel ze op om de luchtmassa te verkrijgen.
4. Deel de luchtmassa door de molaire massa van de brandstof.

Uitgewerkt voorbeeld: methaan

Methaan (CH₄) heeft één koolstofatoom en vier waterstofatomen, dus heeft het n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol zuurstof per mol brandstof nodig:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Met lucht als oxidatiemiddel levert 2 mol O₂ 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. De luchtmassa is (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. De molaire massa van methaan is ongeveer 16,04 g/mol, dus de lucht-brandstofverhouding is 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 tot 1 naar massa.

Verbrandingswarmte

De verbrandingswarmte is de energie die per mol of per kilogram verbrande brandstof vrijkomt. Deze wordt berekend met de wet van Hess, op basis van de standaardvormingsenthalpie van elke stof:

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

Hierbij is Q de vrijgekomen warmte per mol brandstof, in kJ/mol, en ΔHf de standaardvormingsenthalpie van de brandstof.

De waarden 393,5 en 241,8 kJ/mol zijn afkomstig van de vormingsenthalpie van CO₂ en waterdamp. Omdat water als damp en niet als vloeistof wordt meegerekend, levert dit de onderste verbrandingswaarde (LHV) op, niet de bovenste verbrandingswaarde (HHV). De HHV is hoger omdat daarbij ook de warmte wordt meegerekend die vrijkomt wanneer waterdamp tot vloeistof condenseert; dit gebeurt niet in de meeste verbrandingsinstallaties.

Voor methaan is ΔHf = −74,8 kJ/mol, dus de vrijgekomen warmte is 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Delen door de molaire massa van methaan (16,04 g/mol) geeft ongeveer 50,0 MJ/kg.

De hoeveelheid vrijgekomen warmte blijft gelijk, ongeacht welk oxidatiemiddel wordt gebruikt en hoeveel overmaat aan lucht wordt toegevoerd, omdat deze per mol brandstof wordt berekend. Overmaatlucht verandert de vlamtemperatuur en de samenstelling van het uitlaatgas, maar niet de energie die in de brandstof is opgeslagen.

Veelgebruikte brandstoffen

Methaan is het hoofdbestanddeel van aardgas. Propaan en butaan worden gebruikt voor verwarming, koken en draagbare kooktoestellen. Octaan staat in deze berekeningen voor benzine, hoewel echte benzine een mengsel van veel koolwaterstoffen is en de stoichiometrische AFR daarvan meestal rond 14,7:1 ligt.

Overmaatlucht en verbrandingsrendement

Overmaatlucht is extra lucht die boven op de stoichiometrische hoeveelheid wordt toegevoegd en als percentage wordt uitgedrukt. Echte branders werken zelden met precies 0% overmaatlucht, omdat onvolledige menging ertoe kan leiden dat een deel van de brandstof onverbrand blijft.

• Bij 0% overmaatlucht is het mengsel exact stoichiometrisch. Dit geeft de hoogste vlamtemperatuur, maar bij onvolledige menging bestaat het risico op onvolledige verbranding.
• De meeste branders werken met 10–20% overmaatlucht. Daarmee wordt doorgaans alle brandstof verbrand en gaat slechts weinig warmte verloren.
• Overmaatlucht boven 50% verlaagt het rendement verder, omdat de extra stikstof en zuurstof warmte opnemen en met het uitlaatgas worden afgevoerd. Ook daalt de vlamtemperatuur, waardoor de vorming van stikstofoxiden (NOx) kan afnemen.

Wat beïnvloedt een verbrandingsreactie?

Brandstofsamenstelling. Brandstoffen met een hogere verhouding van koolstof tot waterstof geven per kilogram minder energie af en produceren bij dezelfde energieopbrengst meer CO₂.

Keuze van oxidatiemiddel. Lucht verdunt de reactie met stikstof, waardoor de vlamtemperatuur lager is dan bij zuivere zuurstof. Verbranding met zuivere zuurstof verloopt bij hogere temperatuur, maar kan meer stikstofoxiden produceren als er stikstof uit de brandstof aanwezig is of als er lucht naar binnen lekt.

Aan de brandstof gebonden stikstof. Stikstofatomen in de brandstof worden als atomen geteld en verlaten de reactie als N₂-moleculen. Twee stikstofatomen in de brandstof voegen dus één mol N₂ toe aan de producten.

Menging. Brandstof en oxidatiemiddel moeten goed mengen om de reactie volledig te laten verlopen. Plaatselijke zones met een te rijk of te arm brandstofmengsel verbranden onvolledig, ook als het gemiddelde mengsel de juiste samenstelling heeft.

Waar wordt verbrandingsanalyse gebruikt?

Ingenieurs gebruiken deze berekeningen voor het ontwerpen van auto- en vliegtuigmotoren, het afstellen van industriële ovens en ketels en het dimensioneren van verwarmingssystemen voor woningen. Milieu-ingenieurs gebruiken dezelfde gebalanceerde vergelijkingen om de uitstoot van CO₂ en NOx voor emissierapportages te schatten.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen volledige en onvolledige verbranding? Volledige verbranding vindt plaats wanneer er genoeg zuurstof is om alle brandstof om te zetten in CO₂ en water. Bij onvolledige verbranding is er te weinig zuurstof en ontstaan in plaats daarvan koolstofmonoxide, roet en onverbrande brandstof.

Waarom gebruiken verbrandingssystemen overmaatlucht? Extra lucht zorgt ervoor dat elk deel van de brandstof met voldoende zuurstof in contact komt, ook op plaatsen waar de menging niet perfect is. De meeste systemen werken met een overmaat aan lucht van ongeveer 10–20% om de vorming van koolstofmonoxide te voorkomen.

Hoe wordt de lucht-brandstofverhouding berekend? Bepaal met de formule van de brandstof hoeveel mol O₂ nodig is, voeg de overeenkomstige hoeveelheid N₂ toe als het oxidatiemiddel lucht is, zet beide om naar massa en deel de totale luchtmassa door de brandstofmassa. Voor methaan is ongeveer 17,1 kg lucht per kilogram brandstof nodig.

Wat is het verschil tussen de bovenste en onderste verbrandingswaarde? Bij de onderste verbrandingswaarde (LHV) blijft het gevormde water als damp aanwezig. Bij de bovenste verbrandingswaarde (HHV) condenseert het water weer tot vloeistof, waarbij extra warmte vrijkomt. Deze rekenmachine rapporteert de LHV, omdat de meeste verbrandingsinstallaties de waterdamp als uitlaatgas laten ontsnappen in plaats van deze te laten condenseren.

Wat is stoichiometrische verbranding? Stoichiometrische verbranding is het exacte mengsel van brandstof en oxidatiemiddel waarbij geen brandstof of zuurstof in de producten achterblijft. Meer lucht dan deze hoeveelheid heet overmaatlucht; minder lucht heet een brandstofrijk mengsel.

Heeft de samenstelling van de brandstof invloed op het uitlaatgas? Ja. Meer waterstof in de brandstof betekent meer waterdamp in het uitlaatgas. Meer koolstof betekent meer CO₂. Brandstof die stikstof of zwavel bevat, kan bij verbranding ook stikstofoxiden of zwaveldioxide produceren.