Kalkulator analize zgorevanja

Kalkulator analize zgorevanja določi uravnoteženo kemijsko enačbo, razmerje zrak–gorivo in sproščeno toploto pri zgorevanju goriva. Deluje za običajna goriva, kot so metan, propan in oktan, ter za poljubna ogljikovodikova goriva, vnesena atom za atomom.

Kako uporabljati kalkulator analize zgorevanja

1. Izberite vrsto goriva, na primer metan ali propan, ali izberite »po meri« in vnesite število atomov ogljika, vodika, kisika in dušika v molekuli goriva.
2. Pri gorivu po meri vnesite tudi njegovo standardno entalpijo tvorbe v kJ/mol. Ta vrednost je pri večini goriv negativna: pri metanu je −74,8, pri propanu pa −103,8. Uporabite vrednost za fazo, v kateri je gorivo, na primer −234,8 za etanol v plinasti fazi ali −277,0 za tekoči etanol. Element v standardnem stanju, kot sta vodikov plin ali ogljik, ima vrednost 0.
3. Izberite oksidant: zrak (21 % kisika in 79 % dušika glede na prostornino) ali čisti kisik.
4. Nastavite odstotek presežka. Za natančno stehiometrično zmes uporabite 0 %, za dodajanje dodatnega oksidanta pa višjo vrednost. Polje se pri zraku imenuje »Presežek zraka«, pri čistem kisiku pa »Presežek kisika«.
5. Oglejte si rezultate: uravnoteženo enačbo, masno razmerje oksidanta in goriva, sproščeno toploto na mol in kilogram goriva ter masni delež vsakega produkta zgorevanja.

Pri izbranem zraku je razmerje označeno kot »Razmerje zrak–gorivo«. Pri čistem kisiku v zmesi ni zraka, zato je isti rezultat označen kot »Razmerje oksidant–gorivo«. Formule goriv so zapisane po Hillovem vrstnem redu: najprej ogljik, nato vodik in potem drugi elementi; gorivo po meri z enim atomom ogljika, dvema atomoma vodika in dvema atomoma kisika je zato zapisano kot CH₂O₂.

Kaj je zgorevanje?

Zgorevanje je kemijska reakcija med gorivom in oksidantom, običajno kisikom, pri kateri se sprošča toplota. Pri popolnem zgorevanju ogljikovodikovo gorivo (molekula iz ogljika in vodika) reagira z zadostno količino kisika in tvori samo ogljikov dioksid (CO₂) in vodo (H₂O). Če kisika ni dovolj, je reakcija nepopolna in nastanejo tudi ogljikov monoksid (CO), saje ter nezgorelo gorivo.

Stehiometrična formula za kisik

Za gorivo s formulo CₓHᵧOᵤ je število molov kisika (O₂), potrebnih za popolno zgorevanje:

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

x je število atomov ogljika, y število atomov vodika, z pa število atomov kisika, ki so že v gorivu. Uravnotežena enačba je:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Kako izračunati razmerje zrak–gorivo

Razmerje zrak–gorivo (AFR) je masa zraka, deljena z maso goriva, potrebnega za popolno zgorevanje. Izračun poteka tako:

1. Iz zgornje formule izračunajte stehiometrično število molov O₂.
2. Če je oksidant zrak, določite ustrezno število molov N₂ z uporabo zračnega razmerja 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Oba plina pretvorite v maso z uporabo njunih molskih mas (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) in ju seštejte, da dobite maso zraka.
4. Maso zraka delite z molsko maso goriva.

Izračunani primer: metan

Metan (CH₄) ima en atom ogljika in štiri atome vodika, zato potrebuje n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol kisika na mol goriva:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Če je oksidant zrak, 2 mol O₂ prinese 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Masa zraka je (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Molska masa metana je približno 16,04 g/mol, zato je razmerje zrak–gorivo 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 proti 1 glede na maso.

Toplota zgorevanja

Toplota zgorevanja je energija, sproščena na mol ali kilogram zgorelega goriva. Izračuna se po Hessovem zakonu z uporabo standardne entalpije tvorbe vsake snovi:

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

pri čemer je Q sproščena toplota na mol goriva v kJ/mol, ΔHf pa standardna entalpija tvorbe goriva.

Vrednosti 393,5 in 241,8 kJ/mol izhajata iz entalpije tvorbe CO₂ in vodne pare. Ker se voda upošteva kot para in ne kot tekočina, to daje spodnjo kurilno vrednost (LHV), ne zgornje kurilne vrednosti (HHV). HHV je večja, ker upošteva tudi toploto, sproščeno pri kondenzaciji vodne pare v tekočino, do česar v večini naprav za zgorevanje ne pride.

Pri metanu je ΔHf = −74,8 kJ/mol, zato je sproščena toplota 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Če to delimo z molsko maso metana (16,04 g/mol), dobimo približno 50,0 MJ/kg.

Sproščena toplota je enaka ne glede na oksidant in količino uporabljenega presežnega zraka, ker se izračuna na mol goriva. Presežni zrak spremeni temperaturo plamena in sestavo izpušnih plinov, ne pa energije, shranjene v gorivu.

Običajna goriva

Metan je glavna sestavina zemeljskega plina. Propan in butan se uporabljata za ogrevanje, kuhanje in prenosne kuhalnike. Oktan v teh izračunih predstavlja bencin, čeprav je pravi bencin zmes številnih ogljikovodikov in je njegovo stehiometrično razmerje AFR običajno navedeno kot približno 14,7:1.

Presežni zrak in učinkovitost zgorevanja

Presežni zrak je dodatni zrak, dodan nad stehiometrično količino, izražen v odstotkih. Pravi gorilniki redko delujejo pri natanko 0 % presežnega zraka, ker bi zaradi nepopolnega mešanja nekaj goriva ostalo nezgorelega.

• Pri 0 % presežnega zraka je zmes natančno stehiometrična. To zagotavlja najvišjo temperaturo plamena, vendar ob nepopolnem mešanju obstaja nevarnost nepopolnega zgorevanja.
• Večina gorilnikov deluje z 10–20% presežnega zraka, kar zanesljivo zgori vse gorivo, pri tem pa se izgubi le malo toplote.
• Presežni zrak nad 50 % še dodatno zmanjša učinkovitost, ker dodatna dušik in kisik absorbirata toploto ter odideta z izpušnimi plini. Zniža tudi temperaturo plamena, kar lahko zmanjša nastajanje dušikovih oksidov (NOx).

Kaj vpliva na reakcijo zgorevanja

Sestava goriva. Goriva z večjim razmerjem ogljika proti vodiku sprostijo manj energije na kilogram in proizvedejo več CO₂ pri enaki izhodni energiji.

Izbira oksidanta. Zrak razredči reakcijo z dušikom, zato je temperatura plamena nižja kot pri čistem kisiku. Pri zgorevanju s čistim kisikom je temperatura višja, vendar lahko nastane več dušikovih oksidov, če je v gorivu prisoten dušik ali če vanj uhaja zrak.

Dušik v gorivu. Atomi dušika v gorivu se obravnavajo kot atomi in iz goriva izstopijo v obliki molekul N₂, zato dva atoma dušika v gorivu dodata en mol N₂ med produkte.

Mešanje. Gorivo in oksidant se morata dobro premešati, da reakcija poteka do konca. Območja s preveč ali premalo goriva zgorijo nepopolno, tudi če je celotna zmes v povprečju pravilna.

Kje se uporablja analiza zgorevanja

Inženirji te izračune uporabljajo pri načrtovanju avtomobilskih in letalskih motorjev, nastavljanju industrijskih peči in kotlov ter določanju velikosti ogrevalnih sistemov v stanovanjskih stavbah. Okoljski inženirji z istimi uravnoteženimi enačbami ocenjujejo izpuste CO₂ in NOx za poročanje o emisijah.

Pogosta vprašanja

Kakšna je razlika med popolnim in nepopolnim zgorevanjem? Popolno zgorevanje nastopi, ko je kisika dovolj, da se vse gorivo pretvori v CO₂ in vodo. Pri nepopolnem zgorevanju kisika primanjkuje, zato namesto tega nastanejo ogljikov monoksid, saje in nezgorelo gorivo.

Zakaj sistemi za zgorevanje uporabljajo presežni zrak? Dodatni zrak zagotovi, da vsak del goriva pride v stik z dovolj kisika, tudi tam, kjer mešanje ni popolno. Večina sistemov deluje s približno 10–20% presežnega zraka, da prepreči nastajanje ogljikovega monoksida.

Kako se izračuna razmerje zrak–gorivo? Iz formule goriva določite potrebno število molov O₂, dodajte ustrezno količino N₂, če je oksidant zrak, oba plina pretvorite v maso in skupno maso zraka delite z maso goriva. Za kilogram goriva metan potrebuje približno 17,1 kg zraka.

Kakšna je razlika med zgornjo in spodnjo kurilno vrednostjo? Spodnja kurilna vrednost (LHV) predpostavlja, da voda, nastala pri zgorevanju, ostane v obliki pare. Zgornja kurilna vrednost (HHV) predpostavlja, da voda kondenzira nazaj v tekočino in sprosti dodatno toploto. Ta kalkulator poroča o LHV, saj večina naprav za zgorevanje izpušča vodno paro z izpušnimi plini, namesto da bi ta kondenzirala.

Kaj je stehiometrično zgorevanje? Stehiometrično zgorevanje je natančna zmes goriva in oksidanta, pri kateri v produktih ni ostankov goriva ali kisika. Vsaka večja količina zraka se imenuje presežni zrak, vsaka manjša pa zmes, bogata z gorivom.

Ali sestava goriva vpliva na izpušne pline? Da. Več vodika v gorivu pomeni več vodne pare v izpušnih plinih. Več ogljika pomeni več CO₂. Gorivo, ki vsebuje dušik ali žveplo, lahko pri zgorevanju tvori tudi dušikove okside ali žveplov dioksid.