Калкулатор анализе сагоревања

Калкулатор анализе сагоревања одређује изједначену хемијску једначину, однос ваздуха и горива и ослобођену топлоту при сагоревању горива. Ради са уобичајеним горивима као што су метан, пропан и октан, као и са прилагођеним угљоводоничним горивима унетим атом по атом.

Како се користи калкулатор анализе сагоревања

1. Изаберите врсту горива, као што су метан или пропан, или изаберите „прилагођено“ и унесите број атома угљеника, водоника, кисеоника и азота у молекулу горива.
2. За прилагођено гориво унесите и његову стандардну енталпију настајања у kJ/mol. Ова вредност је негативна за већину горива: за метан је −74,8, а за пропан −103,8. Користите вредност за фазу у којој се гориво налази, на пример −234,8 за пару етанола или −277,0 за течни етанол. Елемент у свом стандардном стању, као што су гасовити водоник или угљеник, има вредност 0.
3. Изаберите оксиданс: ваздух (21% кисеоника и 79% азота по запремини) или чисти кисеоник.
4. Подесите проценат вишка. Користите 0% за тачну стехиометријску смешу или већу вредност да бисте додали вишак оксиданта. Поље је за ваздух означено као „Вишак ваздуха“, а за чисти кисеоник као „Вишак кисеоника“.
5. Погледајте резултате: изједначену једначину, масени однос оксиданта и горива, ослобођену топлоту по молу и по килограму горива и масени удео сваког гасовитог продукта.

Када је изабран ваздух, однос је означен као „Однос ваздуха и горива“. Код чистог кисеоника у смеши нема ваздуха, па је исти резултат означен као „Однос оксиданта и горива“. Формуле горива наводе се по Хиловом редоследу: прво угљеник, затим водоник, па остали елементи, тако да се прилагођено гориво са једним атомом угљеника, два атома водоника и два атома кисеоника записује као CH₂O₂.

Шта је сагоревање?

Сагоревање је хемијска реакција између горива и оксиданта, обично кисеоника, при којој се ослобађа топлота. При потпуном сагоревању, угљоводонично гориво (молекул састављен од угљеника и водоника) реагује са довољном количином кисеоника и стварају се само угљен-диоксид (CO₂) и вода (H₂O). Ако нема довољно кисеоника, реакција је непотпуна и настају и угљен-моноксид (CO), чађ и несагорело гориво.

Формула за стехиометријску количину кисеоника

За гориво формуле CₓHᵧOᵤ, број молова кисеоника (O₂) потребан за потпуно сагоревање је:

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

Овде је x број атома угљеника, y број атома водоника, а z број атома кисеоника који се већ налазе у гориву. Изједначена једначина је:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Како се израчунава однос ваздуха и горива

Однос ваздуха и горива (AFR) јесте маса ваздуха подељена масом горива потребном за потпуно сагоревање. Поступак је следећи:

1. Израчунајте стехиометријски број молова O₂ на основу наведене формуле.
2. Ако је оксиданс ваздух, одредите одговарајући број молова N₂ користећи однос ваздуха 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Претворите оба гаса у масу користећи њихове моларне масе (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) и саберите их да бисте добили масу ваздуха.
4. Поделите масу ваздуха моларном масом горива.

Пример израчунавања: метан

Метан (CH₄) има један атом угљеника и четири атома водоника, па му је потребно n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol кисеоника по молу горива:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Када је ваздух оксиданс, 2 mol O₂ обезбеђује 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Маса ваздуха је (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Моларна маса метана је приближно 16,04 g/mol, па је однос ваздуха и горива 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 према 1 по маси.

Топлота сагоревања

Топлота сагоревања је енергија ослобођена по молу или по килограму сагорелог горива. Израчунава се Хесовим законом, користећи стандардну енталпију настајања сваке супстанце:

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

где је Q ослобођена топлота по молу горива, у kJ/mol, а ΔHf стандардна енталпија настајања горива.

Вредности 393,5 и 241,8 kJ/mol потичу од енталпије настајања CO₂ и водене паре. Пошто се вода рачуна као пара, а не као течност, добија се доња топлотна моћ (LHV), а не горња топлотна моћ (HHV). HHV је већа јер обухвата и топлоту ослобођену кондензацијом водене паре у течност, до чега не долази у већини постројења за сагоревање.

За метан је ΔHf = −74,8 kJ/mol, па је ослобођена топлота 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Дељењем моларном масом метана (16,04 g/mol) добија се приближно 50,0 MJ/kg.

Ослобођена топлота је иста без обзира на оксиданс и количину употребљеног вишка ваздуха, јер се рачуна по молу горива. Вишак ваздуха мења температуру пламена и састав издувних гасова, али не и енергију ускладиштену у гориву.

Уобичајена горива

Метан је главна компонента природног гаса. Пропан и бутан се користе за грејање, кување и преносиве шпорете. Октан у овим прорачунима представља бензин, иако је прави бензин смеша многих угљоводоника, а његов стехиометријски AFR обично је близу вредности 14,7:1.

Вишак ваздуха и ефикасност сагоревања

Вишак ваздуха је додатна количина ваздуха изнад стехиометријске количине, изражена у процентима. Стварни горионици ретко раде са тачно 0% вишка ваздуха, јер би услед несавршеног мешања део горива остао несагорео.

• При 0% вишка ваздуха, смеша је тачно стехиометријска. Тиме се постиже највиша температура пламена, али постоји опасност од непотпуног сагоревања ако мешање није савршено.
• Већина горионика ради са 10–20% вишка ваздуха, чиме се поуздано сагорева сво гориво уз губитак само мале количине топлоте.
• Вишак ваздуха већи од 50% додатно смањује ефикасност, јер додатни азот и кисеоник апсорбују топлоту и одлазе са издувним гасовима. Он такође снижава температуру пламена, што може смањити настајање азотних оксида (NOx).

Шта утиче на реакцију сагоревања

Састав горива. Горива са већим односом угљеника и водоника ослобађају мање енергије по килограму и производе више CO₂ за исти излаз енергије.

Избор оксиданта. Ваздух разблажује реакцију азотом, који снижава температуру пламена у поређењу са чистим кисеоником. Сагоревање у чистом кисеонику одвија се на вишој температури, али може произвести више азотних оксида ако је азот присутан у гориву или ако ваздух продире кроз места која не дихтују.

Азот везан у гориву. Атоми азота у гориву броје се као атоми и ослобађају као молекули N₂, па два атома азота у гориву додају један мол N₂ продуктима.

Мешање. Гориво и оксиданс морају се добро измешати да би се реакција довршила. Области са превише или премало горива сагоревају непотпуно, чак и када је укупна смеша у просеку правилно подешена.

Где се користи анализа сагоревања

Инжењери користе ове прорачуне за пројектовање аутомобилских и авионских мотора, подешавање индустријских пећи и котлова и димензионисање система за грејање стамбених објеката. Инжењери заштите животне средине користе исте изједначене једначине за процену емисија CO₂ и NOx при извештавању о емисијама.

Најчешће постављана питања

Која је разлика између потпуног и непотпуног сагоревања? Потпуно сагоревање настаје када има довољно кисеоника да се сво гориво претвори у CO₂ и воду. Непотпуно сагоревање настаје када нема довољно кисеоника, па уместо тога настају угљен-моноксид, чађ и несагорело гориво.

Зашто системи за сагоревање користе вишак ваздуха? Додатни ваздух обезбеђује да сваки део горива дође у додир са довољно кисеоника, чак и тамо где мешање није савршено. Већина система ради са приближно 10–20% вишка ваздуха како би се избегло стварање угљен-моноксида.

Како се израчунава однос ваздуха и горива? Одредите број молова O₂ потребан на основу формуле горива, додајте одговарајући N₂ ако је оксиданс ваздух, претворите оба гаса у масу и поделите укупну масу ваздуха масом горива. За метан је потребно приближно 17,1 kg ваздуха по килограму горива.

Која је разлика између горње и доње топлотне моћи? Доња топлотна моћ (LHV) претпоставља да произведена вода остаје у облику паре. Горња топлотна моћ (HHV) претпоставља да се вода кондензује у течност и ослобађа додатну топлоту. Овај калкулатор приказује LHV, јер већина постројења за сагоревање испушта водену пару са издувним гасовима уместо да је кондензује.

Шта је стехиометријско сагоревање? Стехиометријско сагоревање је тачна смеша горива и оксиданта, без остатака горива или кисеоника у продуктима. Свака количина ваздуха већа од те назива се вишком ваздуха, а свака мања количина смешом богатом горивом.

Да ли састав горива утиче на издувне гасове? Да. Више водоника у гориву значи више водене паре у издувним гасовима. Више угљеника значи више CO₂. Гориво које садржи азот или сумпор такође може при сагоревању произвести азотне оксиде или сумпор-диоксид.