Kalkulator analizy spalania

Kalkulator analizy spalania wyznacza zbilansowane równanie chemiczne, stosunek powietrza do paliwa oraz ilość ciepła wydzielanego podczas spalania paliwa. Działa dla typowych paliw, takich jak metan, propan i oktan, a także dla niestandardowych paliw węglowodorowych wprowadzanych atom po atomie.

Jak korzystać z kalkulatora analizy spalania

1. Wybierz rodzaj paliwa, na przykład metan lub propan, albo wybierz opcję „niestandardowe” i wprowadź liczbę atomów węgla, wodoru, tlenu i azotu w cząsteczce paliwa.
2. W przypadku paliwa niestandardowego wprowadź także jego standardową entalpię tworzenia w kJ/mol. Dla większości paliw wartość ta jest ujemna: dla metanu wynosi −74,8, a dla propanu −103,8. Użyj wartości odpowiadającej fazie, w której znajduje się paliwo, na przykład −234,8 dla par etanolu lub −277,0 dla ciekłego etanolu. Pierwiastek w stanie standardowym, taki jak wodór gazowy lub węgiel, ma wartość 0.
3. Wybierz utleniacz: powietrze (21% tlenu i 79% azotu objętościowo) albo czysty tlen.
4. Ustaw procent nadmiaru. Użyj wartości 0% dla dokładnej mieszaniny stechiometrycznej albo większej liczby, aby dodać nadmiar utleniacza. Dla powietrza pole nosi nazwę „Nadmiar powietrza”, a dla czystego tlenu — „Nadmiar tlenu”.
5. Odczytaj wyniki: zbilansowane równanie, stosunek masy utleniacza do paliwa, ilość ciepła wydzielanego na mol i kilogram paliwa oraz udział masowy każdego gazowego produktu.

Po wybraniu powietrza stosunek jest oznaczony jako „Stosunek powietrza do paliwa”. W przypadku czystego tlenu w mieszaninie nie ma powietrza, dlatego ten sam wynik jest oznaczony jako „Stosunek utleniacza do paliwa”. Wzory paliw są zapisywane w kolejności Hilla: najpierw węgiel, następnie wodór, a potem pozostałe pierwiastki, więc paliwo niestandardowe z jednym atomem węgla, dwoma atomami wodoru i dwoma atomami tlenu zapisuje się jako CH₂O₂.

Czym jest spalanie?

Spalanie to reakcja chemiczna między paliwem a utleniaczem, zwykle tlenem, w której wydziela się ciepło. Podczas spalania całkowitego paliwo węglowodorowe (cząsteczka zbudowana z węgla i wodoru) reaguje z wystarczającą ilością tlenu, tworząc wyłącznie dwutlenek węgla (CO₂) i wodę (H₂O). Gdy tlenu jest za mało, reakcja jest niecałkowita i powstają również tlenek węgla (CO), sadza oraz niespalone paliwo.

Stechiometryczny wzór na ilość tlenu

Dla paliwa o wzorze CₓHᵧOᵤ liczba moli tlenu (O₂) potrzebna do spalania całkowitego wynosi:

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

x oznacza tu liczbę atomów węgla, y — liczbę atomów wodoru, a z — liczbę atomów tlenu już obecnych w paliwie. Zbilansowane równanie ma postać:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Jak obliczyć stosunek powietrza do paliwa

Stosunek powietrza do paliwa (AFR) to masa powietrza podzielona przez masę paliwa potrzebną do spalania całkowitego. Aby go wyznaczyć:

1. Oblicz stechiometryczną liczbę moli O₂ na podstawie powyższego wzoru.
2. Jeśli utleniaczem jest powietrze, wyznacz odpowiadającą liczbę moli N₂, korzystając ze stosunku powietrza 79:21: liczba moli N₂ = liczba moli O₂ × (79/21).
3. Przelicz oba gazy na masę, używając ich mas molowych (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol), a następnie dodaj je, aby uzyskać masę powietrza.
4. Podziel masę powietrza przez masę molową paliwa.

Przykład obliczeniowy: metan

Metan (CH₄) ma jeden atom węgla i cztery atomy wodoru, dlatego na jeden mol paliwa potrzebuje n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol tlenu:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Gdy utleniaczem jest powietrze, 2 mol O₂ dostarcza 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Masa powietrza wynosi (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Masa molowa metanu wynosi około 16,04 g/mol, więc stosunek masy powietrza do paliwa wynosi 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 do 1.

Ciepło spalania

Ciepło spalania to energia wydzielana na mol lub kilogram spalonego paliwa. Oblicza się je z prawa Hessa, wykorzystując standardową entalpię tworzenia każdej substancji:

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

gdzie Q oznacza ilość ciepła wydzielanego na mol paliwa, w kJ/mol, a ΔHf to standardowa entalpia tworzenia paliwa.

Wartości 393,5 i 241,8 kJ/mol wynikają z entalpii tworzenia CO₂ i pary wodnej. Ponieważ wodę traktuje się jako parę, a nie ciecz, otrzymuje się dolną wartość opałową (LHV), a nie górną wartość opałową (HHV). HHV jest większa, ponieważ uwzględnia również ciepło wydzielane podczas skraplania pary wodnej do cieczy, do którego nie dochodzi w większości urządzeń do spalania.

Dla metanu ΔHf = −74,8 kJ/mol, zatem ilość wydzielanego ciepła wynosi 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Po podzieleniu przez masę molową metanu (16,04 g/mol) otrzymuje się około 50,0 MJ/kg.

Ilość wydzielanego ciepła jest taka sama niezależnie od rodzaju utleniacza i ilości użytego nadmiaru powietrza, ponieważ podaje się ją na mol paliwa. Nadmiar powietrza zmienia temperaturę płomienia i skład spalin, ale nie zmienia energii zmagazynowanej w paliwie.

Typowe paliwa

Metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego. Propanu i butanu używa się do ogrzewania, gotowania oraz w przenośnych kuchenkach. W obliczeniach tych oktan zastępuje benzynę, choć rzeczywista benzyna jest mieszaniną wielu węglowodorów, a jej stechiometryczny AFR zwykle przyjmuje wartość około 14,7:1.

Nadmiar powietrza a sprawność spalania

Nadmiar powietrza to dodatkowe powietrze doprowadzane ponad ilość stechiometryczną, wyrażane w procentach. Rzeczywiste palniki rzadko pracują przy dokładnie 0% nadmiaru powietrza, ponieważ niedoskonałe mieszanie pozostawiłoby część paliwa niespaloną.

• Przy 0% nadmiaru powietrza mieszanina jest dokładnie stechiometryczna. Zapewnia to najwyższą temperaturę płomienia, ale przy niedoskonałym mieszaniu stwarza ryzyko spalania niecałkowitego.
• Większość palników pracuje przy 10–20% nadmiaru powietrza, co pozwala niezawodnie spalić całe paliwo przy niewielkich stratach ciepła.
• Nadmiar powietrza powyżej 50% dodatkowo obniża sprawność, ponieważ dodatkowe ilości azotu i tlenu pochłaniają ciepło i uchodzą ze spalinami. Obniża również temperaturę płomienia, co może ograniczyć powstawanie tlenków azotu (NOx).

Co wpływa na reakcję spalania

Skład paliwa. Paliwa o większym stosunku węgla do wodoru wydzielają mniej energii na kilogram i wytwarzają więcej CO₂ przy tej samej ilości uzyskanej energii.

Wybór utleniacza. Powietrze rozcieńcza reakcję azotem, co obniża temperaturę płomienia w porównaniu z czystym tlenem. Spalanie w czystym tlenie przebiega w wyższej temperaturze, ale może prowadzić do powstawania większej ilości tlenków azotu, jeśli azot występuje w paliwie lub przedostaje się z powietrzem przez nieszczelności.

Azot związany w paliwie. Atomy azotu w paliwie są uwzględniane jako atomy i opuszczają układ w postaci cząsteczek N₂, dlatego dwa atomy azotu w paliwie dodają jeden mol N₂ do produktów.

Mieszanie. Paliwo i utleniacz muszą być dobrze wymieszane, aby reakcja przebiegła do końca. Obszary ze zbyt dużą lub zbyt małą ilością paliwa spalają się niecałkowicie, nawet jeśli średni skład całej mieszaniny jest prawidłowy.

Zastosowania analizy spalania

Inżynierowie wykorzystują te obliczenia do projektowania silników samochodowych i lotniczych, regulacji pieców przemysłowych i kotłów oraz doboru wielkości domowych systemów grzewczych. Inżynierowie ochrony środowiska używają tych samych zbilansowanych równań do szacowania emisji CO₂ i NOx na potrzeby sprawozdawczości emisyjnej.

Często zadawane pytania

Jaka jest różnica między spalaniem całkowitym a niecałkowitym? Spalanie całkowite zachodzi wtedy, gdy jest wystarczająco dużo tlenu, aby całe paliwo przekształcić w CO₂ i wodę. Spalanie niecałkowite zachodzi przy niedoborze tlenu, w wyniku czego zamiast tego powstają tlenek węgla, sadza i niespalone paliwo.

Dlaczego w układach spalania stosuje się nadmiar powietrza? Dodatkowe powietrze zapewnia kontakt każdej części paliwa z wystarczającą ilością tlenu, nawet tam, gdzie mieszanie nie jest idealne. Większość układów pracuje przy około 10–20% nadmiaru powietrza, aby uniknąć powstawania tlenku węgla.

Jak oblicza się stosunek powietrza do paliwa? Wyznacz liczbę moli O₂ potrzebną na podstawie wzoru paliwa, dodaj odpowiadającą jej ilość N₂, jeśli utleniaczem jest powietrze, przelicz oba składniki na masę i podziel całkowitą masę powietrza przez masę paliwa. Na kilogram paliwa metan potrzebuje około 17,1 kg powietrza.

Jaka jest różnica między górną a dolną wartością opałową? Dolna wartość opałowa (LHV) zakłada, że powstająca woda pozostaje w postaci pary. Górna wartość opałowa (HHV) zakłada, że woda skrapla się z powrotem do cieczy, wydzielając dodatkowe ciepło. Ten kalkulator podaje LHV, ponieważ większość urządzeń do spalania odprowadza parę wodną ze spalinami, zamiast ją skraplać.

Czym jest spalanie stechiometryczne? Spalanie stechiometryczne to dokładna mieszanina paliwa i utleniacza, w której w produktach nie pozostaje ani paliwo, ani tlen. Każda ilość powietrza większa od tej wartości jest nazywana nadmiarem powietrza, a każda mniejsza — mieszaniną bogatą w paliwo.

Czy skład paliwa wpływa na spaliny? Tak. Większa ilość wodoru w paliwie oznacza więcej pary wodnej w spalinach. Większa ilość węgla oznacza więcej CO₂. Paliwo zawierające azot lub siarkę może również podczas spalania wytwarzać tlenki azotu lub dwutlenek siarki.