Kalkulator for forbrenningsanalyse

En kalkulator for forbrenningsanalyse beregner den balanserte kjemiske ligningen, luft-drivstoff-forholdet og varmen som frigjøres når et drivstoff brenner. Den kan brukes på vanlige drivstoffer som metan, propan og oktan, samt på egendefinerte hydrokarbondrivstoffer som legges inn atom for atom.

Slik bruker du kalkulatoren for forbrenningsanalyse

1. Velg en drivstofftype, for eksempel metan eller propan, eller velg «egendefinert» og angi antallet karbon-, hydrogen-, oksygen- og nitrogenatomer i drivstoffmolekylet.
2. For et egendefinert drivstoff angir du også standardentalpien for dannelse i kJ/mol. Denne verdien er negativ for de fleste drivstoffer: metan er −74,8 og propan −103,8. Bruk verdien for fasen drivstoffet er i, for eksempel −234,8 for etanoldamp eller −277,0 for flytende etanol. Et grunnstoff i standardtilstanden sin, for eksempel hydrogengass eller karbon, er 0.
3. Velg oksidasjonsmiddel: luft (21 % oksygen, 79 % nitrogen etter volum) eller rent oksygen.
4. Angi prosentandelen overskudd. Bruk 0 % for den nøyaktige støkiometriske blandingen, eller et høyere tall for å tilføre ekstra oksidasjonsmiddel. Feltet er merket «Luftoverskudd» for luft og «Oksygenoverskudd» for rent oksygen.
5. Les av resultatene: den balanserte ligningen, masseforholdet mellom oksidasjonsmiddel og drivstoff, frigjort varme per mol og per kilogram drivstoff, samt masseandelen til hver produktgass.

Når luft er valgt, er forholdet merket «luft-drivstoff-forhold». Med rent oksygen finnes det ingen luft i blandingen, så det samme resultatet er merket «oksidasjonsmiddel-drivstoff-forhold». Drivstoffformler vises i Hill-rekkefølge: karbon først, hydrogen som nummer to og deretter de andre grunnstoffene. Et egendefinert drivstoff med ett karbonatom, to hydrogenatomer og to oksygenatomer skrives derfor CH₂O₂.

Hva er forbrenning?

Forbrenning er en kjemisk reaksjon mellom et drivstoff og et oksidasjonsmiddel, vanligvis oksygen, som frigjør varme. Ved fullstendig forbrenning reagerer et hydrokarbondrivstoff, altså et molekyl som består av karbon og hydrogen, med nok oksygen til å danne bare karbondioksid (CO₂) og vann (H₂O). Hvis det ikke finnes nok oksygen, er reaksjonen ufullstendig og produserer også karbonmonoksid (CO), sot og uforbrent drivstoff.

Støkiometrisk oksygenformel

For et drivstoff med formelen CₓHᵧOᵤ er antall mol oksygen (O₂) som trengs for fullstendig forbrenning:

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

Her er x antallet karbonatomer, y antallet hydrogenatomer og z antallet oksygenatomer som allerede finnes i drivstoffet. Den balanserte ligningen er:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Slik beregnes luft-drivstoff-forholdet

Luft-drivstoff-forholdet (AFR) er luftmassen delt på drivstoffmassen som trengs for fullstendig forbrenning. Slik finner du det:

1. Beregn den støkiometriske stoffmengden av O₂ fra formelen ovenfor.
2. Hvis oksidasjonsmiddelet er luft, finner du den tilsvarende stoffmengden N₂ ved hjelp av luftforholdet 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Konverter begge gassene til masse ved hjelp av molmassene deres (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol), og legg dem sammen for å finne luftmassen.
4. Del luftmassen på drivstoffets molmasse.

metan

Metan (CH₄) har ett karbonatom og fire hydrogenatomer, så det trenger n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol oksygen per mol drivstoff:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Med luft som oksidasjonsmiddel gir 2 mol O₂ 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Luftmassen er (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Molmassen til metan er omtrent 16,04 g/mol, så luft-drivstoff-forholdet er 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 til 1 etter masse.

Forbrenningsvarme

Forbrenningsvarmen er energien som frigjøres per mol eller per kilogram forbrent drivstoff. Den beregnes ved hjelp av Hess' lov og standard dannelsesentalpi for hvert stoff:

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

der Q er frigjort varme per mol drivstoff, i kJ/mol, og ΔHf er standard dannelsesentalpi for drivstoffet.

Verdiene 393,5 og 241,8 kJ/mol stammer fra dannelsesentalpien til CO₂ og vanndamp. Ettersom vann regnes som damp og ikke som væske, gir dette den nedre brennverdien (LHV), ikke den øvre brennverdien (HHV). HHV er større fordi den også tar med varmen som frigjøres når vanndamp kondenserer og blir til væske, noe som ikke skjer inne i det meste av forbrenningsutstyr.

For metan er ΔHf = −74,8 kJ/mol, så den frigjorte varmen er 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Dividerer man på metans molmasse (16,04 g/mol), får man omtrent 50,0 MJ/kg.

Den frigjorte varmen er den samme uansett hvilket oksidasjonsmiddel som brukes og hvor mye overskuddsluft som tilføres, fordi den regnes per mol drivstoff. Overskuddsluft endrer flammetemperaturen og avgassammensetningen, ikke energien som er lagret i drivstoffet.

Vanlige drivstoffer

Metan er hovedbestanddelen i naturgass. Propan og butan brukes til oppvarming, matlaging og bærbare kokeapparater. Oktan brukes som erstatning for bensin i disse beregningene, selv om ekte bensin er en blanding av mange hydrokarboner, og det støkiometriske AFR-tallet vanligvis oppgis til nær 14,7:1.

Overskuddsluft og forbrenningseffektivitet

Overskuddsluft er ekstra luft som tilføres utover den støkiometriske mengden, angitt i prosent. Virkelige brennere kjøres sjelden med nøyaktig 0 % overskuddsluft, fordi ufullstendig blanding kan føre til at noe drivstoff forblir uforbrent.

• Ved 0 % overskuddsluft er blandingen nøyaktig støkiometrisk. Dette gir høyest flammetemperatur, men medfører risiko for ufullstendig forbrenning hvis blandingen ikke er jevn.
• De fleste brennere kjøres med 10–20% overskuddsluft. Da forbrennes alt drivstoffet på en pålitelig måte, samtidig som bare litt varme går tapt.
• Overskuddsluft over 50 % reduserer effektiviteten ytterligere, fordi det ekstra nitrogenet og oksygenet absorberer varme og forlater anlegget med avgassen. Det senker også flammetemperaturen, noe som kan redusere dannelsen av nitrogenoksider (NOx).

Hva påvirker en forbrenningsreaksjon?

Drivstoffsammensetning. Drivstoffer med et høyere forhold mellom karbon og hydrogen frigjør mindre energi per kilogram og produserer mer CO₂ for samme energimengde.

Valg av oksidasjonsmiddel. Luft fortynner reaksjonen med nitrogen, noe som senker flammetemperaturen sammenlignet med rent oksygen. Forbrenning med rent oksygen gir høyere temperatur, men kan produsere mer nitrogenoksider hvis det finnes nitrogen i drivstoffet eller hvis luft lekker inn.

Drivstoffbundet nitrogen. Nitrogenatomer i drivstoffet telles som atomer og forlater reaksjonen som N₂-molekyler, så to nitrogenatomer i drivstoffet tilfører ett mol N₂ til produktene.

Blanding. Drivstoff og oksidasjonsmiddel må blandes godt for at reaksjonen skal gå til fullførelse. Områder som inneholder for mye eller for lite drivstoff, forbrenner ufullstendig selv om blandingen i gjennomsnitt har riktig sammensetning.

Hvor forbrenningsanalyse brukes

Ingeniører bruker disse beregningene til å konstruere bil- og flymotorer, justere industrielle ovner og kjeler og dimensjonere oppvarmingssystemer i boliger. Miljøingeniører bruker de samme balanserte ligningene til å anslå CO₂- og NOx-utslipp ved utslippsrapportering.

Ofte stilte spørsmål

Hva er forskjellen mellom fullstendig og ufullstendig forbrenning? Fullstendig forbrenning skjer når det finnes nok oksygen til å omdanne alt drivstoffet til CO₂ og vann. Ufullstendig forbrenning skjer når det er mangel på oksygen, slik at det i stedet dannes karbonmonoksid, sot og uforbrent drivstoff.

Hvorfor bruker forbrenningssystemer overskuddsluft? Ekstra luft sørger for at alle deler av drivstoffet tilføres tilstrekkelig oksygen, selv der blandingen ikke er fullstendig. De fleste systemer kjøres med omtrent 10–20% overskuddsluft for å unngå dannelse av karbonmonoksid.

Hvordan beregnes luft-drivstoff-forholdet? Finn stoffmengden O₂ som trengs ut fra drivstoffformelen, og legg til tilsvarende N₂ hvis oksidasjonsmiddelet er luft. Konverter begge til masse, og del den totale luftmassen på drivstoffmassen. Metan trenger omtrent 17,1 kg luft per kilogram drivstoff.

Hva er forskjellen mellom øvre og nedre brennverdi? Nedre brennverdi (LHV) forutsetter at vannet som dannes, forblir som damp. Øvre brennverdi (HHV) forutsetter at vannet kondenserer tilbake til væske og frigjør ekstra varme. Denne kalkulatoren oppgir LHV, siden det meste av forbrenningsutstyr lar vanndampen slippe ut med avgassen i stedet for å kondensere den.

Hva er støkiometrisk forbrenning? Støkiometrisk forbrenning er den nøyaktige blandingen av drivstoff og oksidasjonsmiddel, uten rester av drivstoff eller oksygen i produktene. All luft utover dette kalles overskuddsluft; mindre luft kalles en drivstoffrik blanding.

Påvirker drivstoffsammensetningen avgassen? Ja. Mer hydrogen i drivstoffet betyr mer vanndamp i avgassen. Mer karbon betyr mer CO₂. Drivstoff som inneholder nitrogen eller svovel, kan også produsere nitrogenoksider eller svoveldioksid ved forbrenning.