Kalkulačka analýzy spaľovania

Kalkulačka analýzy spaľovania určí vyčíslenú chemickú rovnicu, pomer vzduchu a paliva a uvoľnené teplo pri spaľovaní paliva. Funguje pre bežné palivá, ako sú metán, propán a oktán, aj pre vlastné uhľovodíkové palivá zadané po jednotlivých atómoch.

Ako používať kalkulačku analýzy spaľovania

1. Vyberte typ paliva, napríklad metán alebo propán, alebo vyberte možnosť „vlastné“ a zadajte počet atómov uhlíka, vodíka, kyslíka a dusíka v molekule paliva.
2. Pri vlastnom palive zadajte aj jeho štandardnú entalpiu tvorby v kJ/mol. Táto hodnota je pri väčšine palív záporná: pri metáne je −74,8 a pri propáne −103,8. Použite hodnotu pre skupenstvo, v ktorom sa palivo nachádza, napríklad −234,8 pre etanol v plynnom skupenstve alebo −277,0 pre kvapalný etanol. Prvok v štandardnom stave, napríklad plynný vodík alebo uhlík, má hodnotu 0.
3. Vyberte oxidačné činidlo: vzduch (objemovo 21 % kyslíka a 79 % dusíka) alebo čistý kyslík.
4. Nastavte percento prebytku. Pre presnú stechiometrickú zmes použite 0 % alebo zadajte vyššie číslo na pridanie ďalšieho oxidačného činidla. Pole je pre vzduch označené „Prebytok vzduchu“ a pre čistý kyslík „Prebytok kyslíka“.
5. Prečítajte si výsledky: vyčíslenú rovnicu, hmotnostný pomer oxidačného činidla a paliva, uvoľnené teplo na mol a kilogram paliva a hmotnostný podiel každého plynu v produktoch spaľovania.

Ak je vybraný vzduch, pomer je označený ako „Pomer vzduchu a paliva“. Pri čistom kyslíku sa v zmesi nenachádza vzduch, preto je rovnaký výsledok označený ako „Pomer oxidačného činidla a paliva“. Vzorce palív sa zapisujú v Hillovom poradí: najprv uhlík, potom vodík a následne ostatné prvky, takže vlastné palivo s jedným atómom uhlíka, dvoma atómami vodíka a dvoma atómami kyslíka sa zapisuje ako CH₂O₂.

Čo je spaľovanie?

Spaľovanie je chemická reakcia medzi palivom a oxidačným činidlom, zvyčajne kyslíkom, pri ktorej sa uvoľňuje teplo. Pri dokonalom spaľovaní reaguje uhľovodíkové palivo (molekula zložená z uhlíka a vodíka) s dostatočným množstvom kyslíka a vzniká iba oxid uhličitý (CO₂) a voda (H₂O). Ak kyslíka nie je dostatok, reakcia je nedokonalá a vzniká aj oxid uhoľnatý (CO), sadze a nespálené palivo.

Stechiometrický vzorec kyslíka

Pre palivo so vzorcom CₓHᵧOᵤ je počet mólov kyslíka (O₂) potrebných na dokonalé spaľovanie:

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

x je počet atómov uhlíka, y počet atómov vodíka a z počet atómov kyslíka, ktoré sa už nachádzajú v palive. Vyčíslená rovnica je:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Ako vypočítať pomer vzduchu a paliva

Pomer vzduchu a paliva (AFR) je hmotnosť vzduchu vydelená hmotnosťou paliva potrebného na dokonalé spaľovanie. Postup:

1. Vypočítajte stechiometrický počet mólov O₂ podľa uvedeného vzorca.
2. Ak je oxidačným činidlom vzduch, nájdite zodpovedajúci počet mólov N₂ pomocou pomeru vzduchu 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Preveďte oba plyny na hmotnosť pomocou ich molárnych hmotností (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) a sčítajte ich, aby ste získali hmotnosť vzduchu.
4. Vydeľte hmotnosť vzduchu molárnou hmotnosťou paliva.

Vyriešený príklad: metán

Metán (CH₄) má jeden atóm uhlíka a štyri atómy vodíka, takže potrebuje n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol kyslíka na jeden mol paliva:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Ak je oxidačným činidlom vzduch, 2 mol O₂ privádza 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Hmotnosť vzduchu je (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Molárna hmotnosť metánu je približne 16,04 g/mol, takže pomer vzduchu a paliva je 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 ku 1 podľa hmotnosti.

Spaľné teplo

Spaľné teplo je energia uvoľnená na mol alebo kilogram spáleného paliva. Vypočítava sa pomocou Hessovho zákona s použitím štandardnej entalpie tvorby každej látky:

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

kde Q je teplo uvoľnené na mól paliva v kJ/mol a ΔHf je štandardná entalpia tvorby paliva.

Hodnoty 393,5 a 241,8 kJ/mol pochádzajú z entalpie tvorby CO₂ a vodnej pary. Keďže voda sa započítava ako para, nie ako kvapalina, ide o dolnú výhrevnosť (LHV), nie o hornú výhrevnosť (HHV). HHV je vyššia, pretože zahŕňa aj teplo uvoľnené pri kondenzácii vodnej pary na kvapalinu, ku ktorej vo väčšine spaľovacích zariadení nedochádza.

Pre metán je ΔHf = −74,8 kJ/mol, takže uvoľnené teplo je 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Po vydelení molárnou hmotnosťou metánu (16,04 g/mol) dostaneme približne 50,0 MJ/kg.

Uvoľnené teplo je rovnaké bez ohľadu na oxidačné činidlo a množstvo použitého prebytočného vzduchu, pretože sa počíta na mol paliva. Prebytočný vzduch mení teplotu plameňa a zloženie spalín, nie energiu uloženú v palive.

Bežné palivá

Metán je hlavnou zložkou zemného plynu. Propán a bután sa používajú na vykurovanie, varenie a v prenosných varičoch. Oktán v týchto výpočtoch zastupuje benzín, hoci skutočný benzín je zmesou mnohých uhľovodíkov a jeho stechiometrický AFR sa zvyčajne uvádza približne ako 14,7:1.

Prebytočný vzduch a účinnosť spaľovania

Prebytočný vzduch je vzduch pridaný nad stechiometrické množstvo, vyjadrený v percentách. Skutočné horáky zriedka pracujú s presne 0 % prebytočného vzduchu, pretože nedokonalé premiešanie by zanechalo časť paliva nespálenú.

• Pri 0 % prebytočného vzduchu je zmes presne stechiometrická. To poskytuje najvyššiu teplotu plameňa, ale pri nedokonalom premiešaní hrozí nedokonalé spaľovanie.
• Väčšina horákov pracuje s 10–20% prebytkom vzduchu, vďaka ktorému sa spoľahlivo spáli všetko palivo a pritom vzniknú len malé tepelné straty.
• Prebytočný vzduch nad 50 % ďalej znižuje účinnosť, pretože dodatočný dusík a kyslík pohlcujú teplo a odchádzajú so spalinami. Znižuje aj teplotu plameňa, čím môže obmedziť tvorbu oxidov dusíka (NOx).

Čo ovplyvňuje reakciu spaľovania

Zloženie paliva. Palivá s vyšším pomerom uhlíka k vodíku uvoľňujú menej energie na kilogram a pri rovnakom energetickom výkone produkujú viac CO₂.

Výber oxidačného činidla. Vzduch riedi reakciu dusíkom, čím v porovnaní s čistým kyslíkom znižuje teplotu plameňa. Spaľovanie v čistom kyslíku je teplejšie, ale môže vytvárať viac oxidov dusíka, ak je dusík prítomný v palive alebo ak do systému preniká vzduch.

Dusík viazaný v palive. Atómy dusíka v palive sa započítavajú ako atómy a odchádzajú vo forme molekúl N₂, takže dva atómy dusíka v palive pridajú do produktov jeden mol N₂.

Miešanie. Palivo a oxidačné činidlo sa musia dobre premiešať, aby reakcia prebehla úplne. Príliš bohaté alebo príliš chudobné zóny spaľujú nedokonale, aj keď je celková zmes v priemere správna.

Kde sa používa analýza spaľovania

Inžinieri používajú tieto výpočty pri návrhu automobilových a leteckých motorov, nastavovaní priemyselných pecí a kotlov a dimenzovaní vykurovacích systémov v obytných budovách. Environmentálni inžinieri používajú tie isté vyčíslené rovnice na odhad emisií CO₂ a NOx pri vykazovaní emisií.

Najčastejšie otázky

Aký je rozdiel medzi dokonalým a nedokonalým spaľovaním? Dokonalé spaľovanie nastáva, keď je dostatok kyslíka na premenu celého paliva na CO₂ a vodu. Pri nedokonalom spaľovaní kyslík chýba, takže namiesto toho vzniká oxid uhoľnatý, sadze a nespálené palivo.

Prečo spaľovacie systémy používajú prebytočný vzduch? Dodatočný vzduch zabezpečuje, aby sa každá časť paliva stretla s dostatkom kyslíka, aj keď premiešanie nie je dokonalé. Väčšina systémov pracuje s približne 10–20% prebytkom vzduchu, aby sa zabránilo tvorbe oxidu uhoľnatého.

Ako sa vypočítava pomer vzduchu a paliva? Zistite počet mólov O₂ potrebných podľa vzorca paliva, ak je oxidačným činidlom vzduch, pridajte zodpovedajúce množstvo N₂, preveďte oba plyny na hmotnosť a celkovú hmotnosť vzduchu vydeľte hmotnosťou paliva. Metán potrebuje približne 17,1 kg vzduchu na kilogram paliva.

Aký je rozdiel medzi hornou a dolnou výhrevnosťou? Dolná výhrevnosť (LHV) predpokladá, že vzniknutá voda zostane vo forme pary. Horná výhrevnosť (HHV) predpokladá, že voda skondenzuje späť na kvapalinu a uvoľní ďalšie teplo. Táto kalkulačka uvádza LHV, pretože väčšina spaľovacích zariadení odvádza vodnú paru so spalinami bez jej kondenzácie.

Čo je stechiometrické spaľovanie? Stechiometrické spaľovanie je presná zmes paliva a oxidačného činidla, pri ktorej v produktoch nezostáva žiadne palivo ani kyslík. Ak je vzduchu viac, hovorí sa o prebytočnom vzduchu; ak je ho menej, ide o zmes bohatú na palivo.

Ovplyvňuje zloženie paliva spaliny? Áno. Viac vodíka v palive znamená viac vodnej pary v spalinách. Viac uhlíka znamená viac CO₂. Palivo obsahujúce dusík alebo síru môže pri spaľovaní vytvárať aj oxidy dusíka alebo oxid siričitý.