Калькулятор анализа горения

Калькулятор анализа горения определяет сбалансированное химическое уравнение, соотношение воздух–топливо и количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива. Он работает с распространёнными видами топлива, такими как метан, пропан и октан, а также с пользовательскими углеводородными топливами, состав которых вводится по числу атомов.

Как пользоваться калькулятором анализа горения

1. Выберите вид топлива, например метан или пропан, либо выберите «пользовательское» и укажите число атомов углерода, водорода, кислорода и азота в молекуле топлива.
2. Для пользовательского топлива также введите его стандартную энтальпию образования в кДж/моль. Для большинства видов топлива это значение отрицательно: для метана оно составляет −74,8, а для пропана — −103,8. Используйте значение для фазы, в которой находится топливо, например −234,8 для паров этанола или −277,0 для жидкого этанола. Для элемента в стандартном состоянии, например газообразного водорода или углерода, значение равно 0.
3. Выберите окислитель: воздух (21 % кислорода и 79 % азота по объёму) или чистый кислород.
4. Установите процент избытка. Используйте 0 % для точной стехиометрической смеси или большее значение, чтобы добавить окислитель. Для воздуха поле называется «Избыток воздуха», а для чистого кислорода — «Избыток кислорода».
5. Ознакомьтесь с результатами: сбалансированным уравнением, массовым соотношением окислителя и топлива, количеством теплоты, выделяющейся на моль и килограмм топлива, а также массовой долей каждого продуктового газа.

Если выбран воздух, соотношение называется «Соотношение воздух–топливо». При использовании чистого кислорода в смеси нет воздуха, поэтому то же соотношение называется «Соотношением окислитель–топливо». Формулы топлива записываются в порядке Хилла: сначала углерод, затем водород, потом остальные элементы. Поэтому топливо, содержащее один атом углерода, два атома водорода и два атома кислорода, записывается как CH₂O₂.

Что такое горение?

Горение — это химическая реакция между топливом и окислителем, обычно кислородом, при которой выделяется теплота. При полном сгорании углеводородное топливо, то есть молекула, состоящая из углерода и водорода, реагирует с достаточным количеством кислорода, образуя только диоксид углерода (CO₂) и воду (H₂O). При недостатке кислорода реакция становится неполной и дополнительно образуются монооксид углерода (CO), сажа и несгоревшее топливо.

Формула стехиометрического количества кислорода

Для топлива с формулой CₓHᵧOᵤ количество вещества кислорода (O₂), необходимое для полного сгорания, составляет:

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

Здесь x — число атомов углерода, y — число атомов водорода, а z — число атомов кислорода, уже содержащихся в топливе. Сбалансированное уравнение имеет вид:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Как рассчитать соотношение воздуха и топлива

Соотношение воздуха и топлива (AFR) — это масса воздуха, делённая на массу топлива, необходимую для полного сгорания. Для его определения:

1. Рассчитайте стехиометрическое количество вещества O₂ по приведённой выше формуле.
2. Если окислителем является воздух, определите соответствующее количество вещества N₂, используя соотношение компонентов воздуха 79:21: количество вещества N₂ = количество вещества O₂ × (79/21).
3. Переведите оба газа в массу, используя их молярные массы (O₂ = 32,00 г/моль, N₂ = 28,02 г/моль), и сложите полученные значения, чтобы определить массу воздуха.
4. Разделите массу воздуха на молярную массу топлива.

метан

Метан (CH₄) содержит один атом углерода и четыре атома водорода, поэтому на один моль топлива ему требуется n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol кислорода:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Если окислителем является воздух, 2 mol O₂ соответствуют 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Масса воздуха равна (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 г. Молярная масса метана составляет примерно 16,04 г/моль, поэтому соотношение воздуха и топлива равно 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 к 1 по массе.

Теплота сгорания

Теплота сгорания — это энергия, выделяющаяся при сгорании одного моля или одного килограмма топлива. Она рассчитывается по закону Гесса с использованием стандартной энтальпии образования каждого вещества:

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

где Q — теплота, выделяющаяся на моль топлива, в кДж/моль, а ΔHf — стандартная энтальпия образования топлива.

Значения 393,5 и 241,8 кДж/моль соответствуют энтальпии образования CO₂ и водяного пара. Поскольку вода учитывается в виде пара, а не жидкости, получается низшая теплота сгорания (LHV), а не высшая теплота сгорания (HHV). HHV больше, поскольку также учитывает теплоту, выделяющуюся при конденсации водяного пара в жидкость, а в большинстве установок для сжигания это не происходит.

Для метана ΔHf = −74,8 кДж/моль, поэтому выделившаяся теплота равна 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 кДж/моль. При делении на молярную массу метана (16,04 г/моль) получается примерно 50,0 МДж/кг.

Выделившаяся теплота не зависит от окислителя и количества избыточного воздуха, поскольку рассчитывается на моль топлива. Избыток воздуха изменяет температуру пламени и состав выхлопа, но не энергию, запасённую в топливе.

Распространённые виды топлива

Метан — основной компонент природного газа. Пропан и бутан используют для отопления, приготовления пищи и в переносных плитах. В этих расчётах октан заменяет бензин, хотя настоящий бензин представляет собой смесь многих углеводородов, и его стехиометрическое соотношение воздуха и топлива обычно принимают близким к 14,7:1.

Избыток воздуха и эффективность горения

Избыток воздуха — это дополнительный воздух сверх стехиометрического количества, выраженный в процентах. Реальные горелки редко работают при точно 0 % избытке воздуха, поскольку при неполном смешении часть топлива останется несгоревшей.

• При 0 % избытке воздуха смесь является точно стехиометрической. Это обеспечивает максимальную температуру пламени, но при несовершенном смешении повышает риск неполного сгорания.
• Большинство горелок работают с 10–20% избытком воздуха, что обеспечивает полное сгорание топлива при небольших потерях теплоты.
• Избыток воздуха свыше 50 % ещё больше снижает эффективность, поскольку дополнительные азот и кислород поглощают теплоту и уходят с выхлопом. Он также снижает температуру пламени, что может уменьшить образование оксидов азота (NOx).

Факторы, влияющие на реакцию горения

Состав топлива. Топливо с более высоким отношением углерода к водороду выделяет меньше энергии на килограмм и образует больше CO₂ при одинаковом выходе энергии.

Выбор окислителя. Воздух разбавляет реакцию азотом, поэтому температура пламени ниже, чем при использовании чистого кислорода. При сгорании в чистом кислороде температура выше, но может образовываться больше оксидов азота, если азот присутствует в топливе или попадает с подсасываемым воздухом.

Азот, связанный с топливом. Атомы азота в составе топлива учитываются как атомы и выделяются в виде молекул N₂, поэтому два атома азота в топливе добавляют к продуктам один моль N₂.

Смешение. Для полного протекания реакции топливо и окислитель должны хорошо перемешиваться. Слишком богатые или слишком бедные топливом зоны сгорают неполностью, даже если средний состав всей смеси правильный.

Где используется анализ горения

Инженеры используют эти расчёты при проектировании автомобильных и авиационных двигателей, настройке промышленных печей и котлов, а также при выборе мощности систем отопления жилых зданий. Инженеры-экологи применяют те же сбалансированные уравнения для оценки выбросов CO₂ и NOx при подготовке отчётности о выбросах.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между полным и неполным сгоранием? Полное сгорание происходит, когда кислорода достаточно для превращения всего топлива в CO₂ и воду. При неполном сгорании кислорода не хватает, поэтому вместо этого образуются монооксид углерода, сажа и несгоревшее топливо.

Зачем в системах горения используют избыток воздуха? Дополнительный воздух обеспечивает контакт каждой части топлива с достаточным количеством кислорода даже при несовершенном смешении. Большинство систем работают примерно с 10–20% избытком воздуха, чтобы избежать образования монооксида углерода.

Как рассчитывается соотношение воздуха и топлива? Определите количество вещества O₂, необходимое по формуле топлива, добавьте соответствующее количество N₂, если окислителем является воздух, переведите оба газа в массу и разделите общую массу воздуха на массу топлива. На килограмм топлива для метана требуется примерно 17,1 кг воздуха.

В чём разница между высшей и низшей теплотой сгорания? Низшая теплота сгорания (LHV) предполагает, что образовавшаяся вода остаётся в виде пара. Высшая теплота сгорания (HHV) предполагает, что вода конденсируется обратно в жидкость, выделяя дополнительную теплоту. Этот калькулятор показывает LHV, поскольку в большинстве установок для сжигания водяной пар выходит с выхлопом, а не конденсируется.

Что такое стехиометрическое горение? Стехиометрическое горение — это точное соотношение топлива и окислителя, при котором в продуктах не остаётся ни топлива, ни кислорода. Любое количество воздуха сверх этого называется избытком воздуха, а меньшее количество — богатой топливом смесью.

Влияет ли состав топлива на выхлоп? Да. Чем больше водорода в топливе, тем больше водяного пара в выхлопе. Чем больше углерода, тем больше CO₂. Топливо, содержащее азот или серу, при сгорании также может образовывать оксиды азота или диоксид серы.