Calculator pentru analiza arderii

Un calculator pentru analiza arderii determină ecuația chimică echilibrată, raportul aer-combustibil și căldura eliberată la arderea unui combustibil. Funcționează pentru combustibili obișnuiți, precum metanul, propanul și octanul, precum și pentru combustibili hidrocarbonați personalizați, introduși atom cu atom.

Cum se utilizează calculatorul pentru analiza arderii

1. Selectați un tip de combustibil, precum metanul sau propanul, ori alegeți „personalizat” și introduceți numărul atomilor de carbon, hidrogen, oxigen și azot din molecula combustibilului.
2. Pentru un combustibil personalizat, introduceți și entalpia standard de formare în kJ/mol. Această valoare este negativă pentru majoritatea combustibililor: metanul are −74,8, iar propanul −103,8. Folosiți valoarea corespunzătoare stării în care se află combustibilul, de exemplu −234,8 pentru vaporii de etanol sau −277,0 pentru etanolul lichid. Un element aflat în starea sa standard, precum hidrogenul gazos sau carbonul, are valoarea 0.
3. Alegeți oxidantul: aer (21 % oxigen și 79 % azot în volum) sau oxigen pur.
4. Setați procentul de exces. Folosiți 0 % pentru amestecul stoichiometric exact sau o valoare mai mare pentru a adăuga oxidant suplimentar. Câmpul se numește „Exces de aer” pentru aer și „Exces de oxigen” pentru oxigen pur.
5. Citiți rezultatele: ecuația echilibrată, raportul masic dintre oxidant și combustibil, căldura eliberată pe mol și pe kilogram de combustibil și fracția masică a fiecărui gaz rezultat.

Când este selectat aerul, raportul este denumit „Raport aer-combustibil”. În cazul oxigenului pur, în amestec nu există aer, astfel că același rezultat este denumit „Raport oxidant-combustibil”. Formulele combustibililor apar în ordinea Hill: mai întâi carbonul, apoi hidrogenul și apoi celelalte elemente; astfel, un combustibil personalizat cu un atom de carbon, doi atomi de hidrogen și doi atomi de oxigen se scrie CH₂O₂.

Ce este arderea?

Arderea este o reacție chimică între un combustibil și un oxidant, de obicei oxigenul, care eliberează căldură. În arderea completă, un combustibil hidrocarbonat, adică o moleculă alcătuită din carbon și hidrogen, reacționează cu suficient oxigen pentru a forma doar dioxid de carbon (CO₂) și apă (H₂O). Dacă nu există suficient oxigen, reacția este incompletă și produce, de asemenea, monoxid de carbon (CO), funingine și combustibil nears.

Formula oxigenului stoichiometric

Pentru un combustibil cu formula CₓHᵧOᵤ, numărul de moli de oxigen (O₂) necesari pentru arderea completă este:

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

Aici, x este numărul atomilor de carbon, y este numărul atomilor de hidrogen, iar z este numărul atomilor de oxigen deja existenți în combustibil. Ecuația echilibrată este:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Cum se calculează raportul aer-combustibil

Raportul aer-combustibil (AFR) este masa aerului împărțită la masa combustibilului necesară pentru arderea completă. Pentru a-l determina:

1. Calculați numărul stoichiometric de moli de O₂ folosind formula de mai sus.
2. Dacă oxidantul este aerul, determinați numărul corespunzător de moli de N₂ folosind raportul aerului 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Transformați ambele gaze în masă folosind masele lor molare (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) și adunați-le pentru a obține masa aerului.
4. Împărțiți masa aerului la masa molară a combustibilului.

Exemplu calculat: metan

Metanul (CH₄) are un atom de carbon și patru atomi de hidrogen, astfel că necesită n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol de oxigen pentru fiecare mol de combustibil:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Cu aerul ca oxidant, 2 mol de O₂ aduc 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol de N₂. Masa aerului este (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Masa molară a metanului este de aproximativ 16,04 g/mol, astfel că raportul aer-combustibil este 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 la 1 în masă.

Căldura de ardere

Căldura de ardere este energia eliberată pe mol sau pe kilogram de combustibil ars. Se calculează cu legea lui Hess, folosind entalpia standard de formare a fiecărei substanțe:

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

unde Q este căldura eliberată pe mol de combustibil, în kJ/mol, iar ΔHf este entalpia standard de formare a combustibilului.

Valorile 393,5 și 241,8 kJ/mol provin din entalpia de formare a CO₂ și a vaporilor de apă. Deoarece apa este considerată sub formă de vapori, nu lichidă, rezultatul este puterea calorică inferioară (PCI), nu puterea calorică superioară (PCS). PCS este mai mare deoarece include și căldura eliberată la condensarea vaporilor de apă în lichid, proces care nu are loc în majoritatea instalațiilor de ardere.

Pentru metan, ΔHf = −74,8 kJ/mol, astfel căldura eliberată este 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Împărțind la masa molară a metanului (16,04 g/mol), se obțin aproximativ 50,0 MJ/kg.

Căldura eliberată este aceeași indiferent de oxidant și de cantitatea de aer în exces utilizată, deoarece este calculată pe mol de combustibil. Aerul în exces modifică temperatura flăcării și compoziția gazelor evacuate, nu energia stocată în combustibil.

Combustibili obișnuiți

Metanul este componenta principală a gazului natural. Propanul și butanul sunt utilizate pentru încălzire, gătit și arzătoare portabile. În aceste calcule, octanul reprezintă benzina, deși benzina reală este un amestec de numeroase hidrocarburi, iar AFR-ul său stoichiometric este de obicei considerat în jurul valorii 14,7:1.

Aerul în exces și eficiența arderii

Aerul în exces este aerul adăugat peste cantitatea stoichiometrică, exprimat procentual. Arzătoarele reale funcționează rareori cu exact 0 % aer în exces, deoarece amestecarea imperfectă ar lăsa o parte din combustibil near.

• La 0 % aer în exces, amestecul este exact stoichiometric. Acest lucru produce cea mai ridicată temperatură a flăcării, dar implică riscul unei arderi incomplete dacă amestecarea este imperfectă.
• Majoritatea arzătoarelor funcționează cu 10–20% aer în exces, ceea ce asigură arderea completă a combustibilului, cu o pierdere redusă de căldură.
• Un exces de aer de peste 50 % reduce și mai mult eficiența, deoarece azotul și oxigenul suplimentare absorb căldură și sunt evacuate împreună cu gazele arse. De asemenea, reduce temperatura flăcării, ceea ce poate diminua formarea oxizilor de azot (NOx).

Ce influențează o reacție de ardere

Compoziția combustibilului. Combustibilii cu un raport mai mare între carbon și hidrogen eliberează mai puțină energie pe kilogram și produc mai mult CO₂ pentru aceeași energie furnizată.

Alegerea oxidantului. Aerul diluează reacția cu azot, ceea ce reduce temperatura flăcării în comparație cu oxigenul pur. Arderea cu oxigen pur este mai fierbinte, dar poate produce mai mulți oxizi de azot dacă există azot în combustibil sau dacă pătrunde aer prin scurgeri.

Azotul legat în combustibil. Atomii de azot din combustibil sunt contabilizați ca atomi și ies sub formă de molecule N₂, astfel că doi atomi de azot din combustibil adaugă un mol de N₂ în produșii de reacție.

Amestecarea. Combustibilul și oxidantul trebuie să se amestece bine pentru ca reacția să se desfășoare complet. Zonele cu prea mult sau prea puțin combustibil ard incomplet, chiar dacă amestecul global este corect în medie.

Unde se utilizează analiza arderii

Inginerii folosesc aceste calcule pentru proiectarea motoarelor auto și de aeronave, reglarea cuptoarelor și cazanelor industriale și dimensionarea sistemelor de încălzire rezidențiale. Inginerii de mediu folosesc aceleași ecuații echilibrate pentru a estima emisiile de CO₂ și NOx în raportările de emisii.

Întrebări frecvente

Care este diferența dintre arderea completă și arderea incompletă? Arderea completă are loc atunci când există suficient oxigen pentru a transforma tot combustibilul în CO₂ și apă. Arderea incompletă are loc atunci când oxigenul este insuficient, producând în schimb monoxid de carbon, funingine și combustibil nears.

De ce utilizează sistemele de ardere aer în exces? Aerul suplimentar asigură întâlnirea fiecărei părți a combustibilului cu suficient oxigen, chiar și în zonele în care amestecarea nu este perfectă. Majoritatea sistemelor funcționează cu aproximativ 10–20% aer în exces pentru a evita producerea monoxidului de carbon.

Cum se calculează raportul aer-combustibil? Determinați numărul de moli de O₂ necesari folosind formula combustibilului, adăugați cantitatea corespunzătoare de N₂ dacă oxidantul este aerul, transformați ambele gaze în masă și împărțiți masa totală a aerului la masa combustibilului. Pentru fiecare kilogram de combustibil, metanul necesită aproximativ 17,1 kg de aer.

Care este diferența dintre puterea calorică superioară și cea inferioară? Puterea calorică inferioară (PCI) presupune că apa produsă rămâne sub formă de vapori. Puterea calorică superioară (PCS) presupune că apa se condensează din nou în lichid, eliberând căldură suplimentară. Acest calculator indică PCI, deoarece majoritatea instalațiilor de ardere evacuează vaporii de apă împreună cu gazele arse, fără să-i condenseze.

Ce este arderea stoichiometrică? Arderea stoichiometrică este amestecul exact de combustibil și oxidant, fără combustibil sau oxigen rămas în produșii de reacție. Orice cantitate de aer mai mare decât aceasta se numește aer în exces; orice cantitate mai mică se numește amestec bogat în combustibil.

Compoziția combustibilului afectează gazele evacuate? Da. O cantitate mai mare de hidrogen în combustibil înseamnă mai mulți vapori de apă în gazele evacuate. O cantitate mai mare de carbon înseamnă mai mult CO₂. Combustibilii care conțin azot sau sulf pot produce, de asemenea, oxizi de azot sau dioxid de sulf la ardere.