Kalkylator för förbränningsanalys

En kalkylator för förbränningsanalys tar fram den balanserade kemiska ekvationen, luft-bränsleförhållandet och den frigjorda värmen när ett bränsle förbränns. Den fungerar för vanliga bränslen som metan, propan och oktan samt för anpassade kolvätebränslen som anges atom för atom.

Så använder du kalkylatorn för förbränningsanalys

1. Välj en bränsletyp, till exempel metan eller propan, eller välj ”anpassat” och ange antalet kol-, väte-, syre- och kväveatomer i bränslemolekylen.
2. För ett anpassat bränsle ska du också ange dess standardbildningsentalpi i kJ/mol. Detta värde är negativt för de flesta bränslen: metan är −74,8 och propan −103,8. Använd värdet för den fas som bränslet befinner sig i, till exempel −234,8 för etanolånga eller −277,0 för flytande etanol. Ett grundämne i sitt standardtillstånd, till exempel vätgas eller kol, är 0.
3. Välj oxidationsmedel: luft (21 % syre, 79 % kväve räknat i volym) eller rent syre.
4. Ange överskottsprocenten. Använd 0 % för den exakta stökiometriska blandningen eller ett högre tal för att tillsätta extra oxidationsmedel. Fältet heter ”Luftöverskott” för luft och ”Syreöverskott” för rent syre.
5. Läs av resultaten: den balanserade ekvationen, oxidationsmedlets massförhållande till bränslet, frigjord värme per mol och per kilogram bränsle samt massandelen för varje produktgas.

När luft är vald kallas förhållandet ”luft-bränsleförhållande”. Med rent syre finns ingen luft i blandningen, så samma resultat kallas ”oxidationsmedel-bränsleförhållande”. Bränsleformler skrivs i Hill-ordning: kol först, väte därefter och sedan övriga grundämnen. Ett anpassat bränsle med en kolatom, två väteatomer och två syreatomer skrivs därför CH₂O₂.

Vad är förbränning?

Förbränning är en kemisk reaktion mellan ett bränsle och ett oxidationsmedel, vanligtvis syre, som frigör värme. Vid fullständig förbränning reagerar ett kolvätebränsle, alltså en molekyl som består av kol och väte, med tillräckligt mycket syre och bildar endast koldioxid (CO₂) och vatten (H₂O). Om det inte finns tillräckligt med syre blir reaktionen ofullständig och bildar även kolmonoxid (CO), sot och oförbränt bränsle.

Stökiometrisk syreformel

För ett bränsle med formeln CₓHᵧOᵤ är substansmängden syre (O₂) som behövs för fullständig förbränning:

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

Här är x antalet kolatomer, y antalet väteatomer och z antalet syreatomer som redan finns i bränslet. Den balanserade ekvationen är:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Så beräknas luft-bränsleförhållandet

Luft-bränsleförhållandet (AFR) är luftens massa dividerad med bränslets massa som behövs för fullständig förbränning. Så här beräknas det:

1. Beräkna den stökiometriska substansmängden O₂ från formeln ovan.
2. Om oxidationsmedlet är luft, beräkna motsvarande substansmängd N₂ med luftförhållandet 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Omvandla båda gaserna till massa med hjälp av deras molmassor (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) och addera dem för att få luftens massa.
4. Dividera luftens massa med bränslets molmassa.

Räkneexempel: metan

Metan (CH₄) har en kolatom och fyra väteatomer, så det behöver n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol syre per mol bränsle:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Med luft som oxidationsmedel ger 2 mol O₂ 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Luftens massa är (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Metans molmassa är cirka 16,04 g/mol, så luft-bränsleförhållandet är 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 till 1 räknat i massa.

Förbränningsvärme

Förbränningsvärmen är den energi som frigörs per mol eller per kilogram förbränt bränsle. Den beräknas med Hess lag och standardbildningsentalpin för varje ämne:

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

där Q är den frigjorda värmen per mol bränsle, i kJ/mol, och ΔHf är bränslets standardbildningsentalpi.

Värdena 393,5 och 241,8 kJ/mol kommer från bildningsentalpin för CO₂ och vattenånga. Eftersom vattnet räknas som ånga och inte som vätska ger detta det lägre värmevärdet (LHV), inte det högre värmevärdet (HHV). HHV är större eftersom det även omfattar värmen som frigörs när vattenånga kondenserar till vätska, vilket inte sker inuti de flesta förbränningsanläggningar.

För metan är ΔHf = −74,8 kJ/mol, så den frigjorda värmen är 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Dividerat med metans molmassa (16,04 g/mol) blir det cirka 50,0 MJ/kg.

Den frigjorda värmen är densamma oavsett oxidationsmedel och oavsett hur mycket luftöverskott som används, eftersom den räknas per mol bränsle. Luftöverskott ändrar flamtemperaturen och avgassammansättningen, men inte energin som finns lagrad i bränslet.

Vanliga bränslen

Metan är huvudbeståndsdelen i naturgas. Propan och butan används för uppvärmning, matlagning och portabla spisar. Oktan används som ersättning för bensin i dessa beräkningar, även om verklig bensin är en blandning av många kolväten och dess stökiometriska AFR vanligtvis anges till omkring 14,7:1.

Luftöverskott och förbränningseffektivitet

Luftöverskott är extra luft som tillsätts utöver den stökiometriska mängden och anges i procent. Verkliga brännare körs sällan med exakt 0 % luftöverskott, eftersom ofullständig blandning skulle lämna en del bränsle oförbränt.

• Vid 0 % luftöverskott är blandningen exakt stökiometrisk. Det ger den högsta flamtemperaturen men medför risk för ofullständig förbränning om blandningen inte är perfekt.
• De flesta brännare körs med 10–20% luftöverskott, vilket på ett tillförlitligt sätt förbränner allt bränsle samtidigt som endast lite värme går till spillo.
• Luftöverskott över 50 % sänker verkningsgraden ytterligare, eftersom det extra kvävet och syret absorberar värme och lämnar anläggningen med avgaserna. Det sänker också flamtemperaturen, vilket kan minska bildningen av kväveoxider (NOx).

Faktorer som påverkar en förbränningsreaktion

Bränslets sammansättning. Bränslen med högre förhållande mellan kol och väte frigör mindre energi per kilogram och bildar mer CO₂ för samma energiutbyte.

Val av oxidationsmedel. Luft späder ut reaktionen med kväve, vilket sänker flamtemperaturen jämfört med rent syre. Förbränning med rent syre ger högre temperatur men kan bilda mer kväveoxider om kväve finns i bränslet eller läcker in med luft.

Bränslebundet kväve. Kväveatomer i bränslet räknas som atomer och lämnar reaktionen som N₂-molekyler, så två kväveatomer i bränslet tillför en mol N₂ till produkterna.

Blandning. Bränsle och oxidationsmedel måste blandas väl för att reaktionen ska bli fullständig. Områden som är alltför bränslerika eller bränslefattiga förbränns ofullständigt, även om blandningen i genomsnitt har rätt sammansättning.

Användningsområden för förbränningsanalys

Ingenjörer använder dessa beräkningar för att konstruera bil- och flygmotorer, ställa in industriella ugnar och pannor samt dimensionera uppvärmningssystem för bostäder. Miljöingenjörer använder samma balanserade ekvationer för att uppskatta utsläppen av CO₂ och NOx i utsläppsrapporteringen.

Vanliga frågor och svar

Vad är skillnaden mellan fullständig och ofullständig förbränning? Fullständig förbränning sker när det finns tillräckligt med syre för att omvandla allt bränsle till CO₂ och vatten. Ofullständig förbränning sker när syret inte räcker till, vilket i stället bildar kolmonoxid, sot och oförbränt bränsle.

Varför använder förbränningssystem luftöverskott? Extra luft säkerställer att alla delar av bränslet kommer i kontakt med tillräckligt med syre, även där blandningen inte är perfekt. De flesta system körs med cirka 10–20% luftöverskott för att undvika att kolmonoxid bildas.

Hur beräknas luft-bränsleförhållandet? Bestäm substansmängden O₂ som behövs utifrån bränslets formel, lägg till motsvarande mängd N₂ om oxidationsmedlet är luft, omvandla båda till massa och dividera den totala luftmassan med bränslemassan. Metan behöver cirka 17,1 kg luft per kilogram bränsle.

Vad är skillnaden mellan högre och lägre värmevärde? Det lägre värmevärdet (LHV) förutsätter att det bildade vattnet förblir i ångform. Det högre värmevärdet (HHV) förutsätter att vattnet kondenserar tillbaka till vätska och frigör extra värme. Den här kalkylatorn anger LHV, eftersom de flesta förbränningsanläggningar släpper ut vattenångan med avgaserna i stället för att kondensera den.

Vad är stökiometrisk förbränning? Stökiometrisk förbränning är den exakta blandningen av bränsle och oxidationsmedel där inget bränsle eller syre blir kvar bland produkterna. All luft utöver denna mängd kallas luftöverskott; mindre mängd kallas en bränslerik blandning.

Påverkar bränslets sammansättning avgaserna? Ja. Mer väte i bränslet innebär mer vattenånga i avgaserna. Mer kol innebär mer CO₂. Bränsle som innehåller kväve eller svavel kan också bilda kväveoxider eller svaveldioxid vid förbränning.