เครื่องคำนวณวิเคราะห์การเผาไหม้

เครื่องคำนวณวิเคราะห์การเผาไหม้ใช้หาสมการเคมีที่ดุลแล้ว อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง และความร้อนที่ปล่อยออกมาเมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้ ใช้ได้กับเชื้อเพลิงทั่วไป เช่น มีเทน โพรเพน และออกเทน รวมถึงเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนกำหนดเองที่ป้อนจำนวนอะตอมทีละชนิด

วิธีใช้เครื่องคำนวณวิเคราะห์การเผาไหม้

1. เลือกชนิดเชื้อเพลิง เช่น มีเทนหรือโพรเพน หรือเลือก "กำหนดเอง" แล้วป้อนจำนวนอะตอมของคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจนในโมเลกุลเชื้อเพลิง
2. สำหรับเชื้อเพลิงที่กำหนดเอง ให้ป้อนเอนทัลปีมาตรฐานของการเกิดเป็น kJ/mol ด้วย ค่านี้เป็นลบสำหรับเชื้อเพลิงส่วนใหญ่: มีเทนคือ −74.8 และโพรเพนคือ −103.8 ใช้ค่าตามเฟสที่เชื้อเพลิงอยู่ เช่น สำหรับเอทานอลในสถานะไอคือ −234.8 หรือสำหรับเอทานอลในสถานะของเหลวคือ −277.0 ธาตุในสถานะมาตรฐาน เช่น แก๊สไฮโดรเจนหรือคาร์บอน มีค่า 0
3. เลือกสารออกซิไดซ์: อากาศ (ออกซิเจน 21% และไนโตรเจน 79% โดยปริมาตร) หรือออกซิเจนบริสุทธิ์
4. กำหนดเปอร์เซ็นต์ส่วนเกิน ใช้ 0% สำหรับส่วนผสมตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์พอดี หรือใช้ค่าที่สูงกว่าเพื่อเติมสารออกซิไดซ์เพิ่มเติม ช่องนี้มีชื่อว่า "อากาศส่วนเกิน" เมื่อใช้อากาศ และ "ออกซิเจนส่วนเกิน" เมื่อใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์
5. อ่านผลลัพธ์ ได้แก่ สมการที่ดุลแล้ว อัตราส่วนมวลของสารออกซิไดซ์ต่อเชื้อเพลิง ความร้อนที่ปล่อยต่อน้ำมันเชื้อเพลิงหนึ่งโมลและหนึ่งกิโลกรัม และสัดส่วนมวลของแก๊สผลิตภัณฑ์แต่ละชนิด

เมื่อเลือกอากาศ อัตราส่วนนี้เรียกว่า "อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง" เมื่อใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์ จะไม่มีอากาศในส่วนผสม จึงเรียกผลเดียวกันว่า "อัตราส่วนสารออกซิไดซ์ต่อเชื้อเพลิง" สูตรเชื้อเพลิงแสดงตามลำดับฮิลล์: คาร์บอนก่อน ไฮโดรเจนเป็นอันดับสอง แล้วจึงเป็นธาตุอื่น ๆ ดังนั้นเชื้อเพลิงกำหนดเองที่มีคาร์บอนหนึ่งอะตอม ไฮโดรเจนสองอะตอม และออกซิเจนสองอะตอม จะแสดงเป็น CH₂O₂

การเผาไหม้คืออะไร?

การเผาไหม้คือปฏิกิริยาเคมีระหว่างเชื้อเพลิงกับสารออกซิไดซ์ ซึ่งโดยทั่วไปคือออกซิเจน และมีการปล่อยความร้อนออกมา ในการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน (โมเลกุลที่ประกอบด้วยคาร์บอนและไฮโดรเจน) จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในปริมาณเพียงพอจนเกิดเฉพาะคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) และน้ำ (H₂O) หากออกซิเจนไม่เพียงพอ ปฏิกิริยาจะเกิดไม่สมบูรณ์ และยังก่อให้เกิดคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) เขม่า และเชื้อเพลิงที่ไม่เผาไหม้

สูตรออกซิเจนตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์

สำหรับเชื้อเพลิงที่มีสูตร CₓHᵧOᵤ จำนวนโมลของออกซิเจน (O₂) ที่จำเป็นต่อการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์คือ:

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

ในที่นี้ x คือจำนวนอะตอมคาร์บอน y คือจำนวนอะตอมไฮโดรเจน และ z คือจำนวนอะตอมออกซิเจนที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงแล้ว สมการที่ดุลแล้วคือ:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

วิธีคำนวณอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง

อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง (AFR) คือมวลอากาศหารด้วยมวลเชื้อเพลิงที่จำเป็นต่อการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ วิธีหาอัตราส่วนมีดังนี้:

1. คำนวณจำนวนโมลของ O₂ ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์จากสูตรข้างต้น
2. หากสารออกซิไดซ์คืออากาศ ให้หาจำนวนโมลที่สอดคล้องกันของ N₂ โดยใช้อัตราส่วนอากาศ 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21)
3. แปลงแก๊สทั้งสองชนิดเป็นมวลโดยใช้มวลโมลาร์ (O₂ = 32.00 ก./mol, N₂ = 28.02 ก./mol) แล้วนำมาบวกกันเพื่อหามวลอากาศ
4. หารมวลอากาศด้วยมวลโมลาร์ของเชื้อเพลิง

ตัวอย่างการคำนวณ: มีเทน

มีเทน (CH₄) มีคาร์บอนหนึ่งอะตอมและไฮโดรเจนสี่อะตอม จึงต้องใช้ n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol ของออกซิเจนต่อเชื้อเพลิงหนึ่งโมล:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

เมื่อใช้อากาศเป็นสารออกซิไดซ์ 2 mol ของ O₂ จะนำ 2 × (79/21) ≈ 7.52 mol ของ N₂ มาด้วย มวลอากาศคือ (2 × 32.00) + (7.52 × 28.02) ≈ 274.8 ก. มวลโมลาร์ของมีเทนประมาณ 16.04 ก./mol ดังนั้นอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงคือ 274.8 ÷ 16.04 ≈ 17.1 ต่อ 1 โดยมวล

ความร้อนของการเผาไหม้

ความร้อนของการเผาไหม้คือพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อเชื้อเพลิงที่เผาไหม้หนึ่งโมลหรือหนึ่งกิโลกรัม คำนวณโดยใช้กฎของเฮสส์และเอนทัลปีมาตรฐานของการเกิดของสารแต่ละชนิด:

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

โดยที่ Q คือความร้อนที่ปล่อยออกมาต่อโมลของเชื้อเพลิง มีหน่วยเป็น kJ/mol และ ΔHf คือเอนทัลปีมาตรฐานของการเกิดของเชื้อเพลิง

ค่า 393.5 และ 241.8 kJ/mol มาจากเอนทัลปีของการเกิดของ CO₂ และไอน้ำ เนื่องจากนับน้ำในรูปไอ ไม่ใช่ของเหลว ดังนั้นค่านี้จึงเป็นค่าความร้อนต่ำ (LHV) ไม่ใช่ค่าความร้อนสูง (HHV) ค่า HHV สูงกว่า เพราะรวมความร้อนที่ปล่อยออกมาเมื่อไอน้ำควบแน่นเป็นของเหลวด้วย ซึ่งมักไม่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์เผาไหม้ส่วนใหญ่

สำหรับมีเทน ΔHf = −74.8 kJ/mol ดังนั้นความร้อนที่ปล่อยออกมาคือ 393.5(1) + 241.8(2) − 74.8 = 802.3 kJ/mol เมื่อนำไปหารด้วยมวลโมลาร์ของมีเทน (16.04 ก./mol) จะได้ประมาณ 50.0 MJ/kg

ความร้อนที่ปล่อยออกมาเท่ากันไม่ว่าจะใช้สารออกซิไดซ์ชนิดใดและใช้อากาศส่วนเกินมากเพียงใด เพราะคำนวณต่อเชื้อเพลิงหนึ่งโมล อากาศส่วนเกินเปลี่ยนอุณหภูมิเปลวไฟและองค์ประกอบของไอเสีย แต่ไม่เปลี่ยนพลังงานที่สะสมอยู่ในเชื้อเพลิง

เชื้อเพลิงทั่วไป

มีเทนเป็นองค์ประกอบหลักของแก๊สธรรมชาติ โพรเพนและบิวเทนใช้สำหรับทำความร้อน ประกอบอาหาร และเตาแบบพกพา ในการคำนวณเหล่านี้ใช้ออกเทนแทนน้ำมันเบนซิน แม้ว่าน้ำมันเบนซินจริงจะเป็นส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนหลายชนิด และโดยทั่วไปมีค่า AFR ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ใกล้ 14.7:1

อากาศส่วนเกินและประสิทธิภาพการเผาไหม้

อากาศส่วนเกินคืออากาศที่เติมเกินจากปริมาณตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ โดยระบุเป็นร้อยละ หัวเผาจริงแทบไม่ทำงานโดยมีอากาศส่วนเกินเท่ากับ 0% เนื่องจากการผสมที่ไม่สมบูรณ์อาจทำให้เชื้อเพลิงบางส่วนไม่เผาไหม้

• ที่อากาศส่วนเกิน 0% ส่วนผสมจะตรงตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์พอดี ทำให้อุณหภูมิเปลวไฟสูงสุด แต่เสี่ยงต่อการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์หากผสมกันไม่ทั่วถึง
• หัวเผาส่วนใหญ่ทำงานที่อากาศส่วนเกิน 10–20% ซึ่งเผาเชื้อเพลิงได้หมดอย่างสม่ำเสมอ โดยสูญเสียความร้อนเพียงเล็กน้อย
• อากาศส่วนเกินที่มากกว่า 50% ทำให้ประสิทธิภาพลดลงอีก เพราะไนโตรเจนและออกซิเจนส่วนเกินดูดซับความร้อนและออกไปพร้อมไอเสีย นอกจากนี้ยังลดอุณหภูมิเปลวไฟ ซึ่งอาจลดการเกิดไนโตรเจนออกไซด์ (NOx)

ปัจจัยที่มีผลต่อปฏิกิริยาการเผาไหม้

องค์ประกอบของเชื้อเพลิง เชื้อเพลิงที่มีอัตราส่วนคาร์บอนต่อไฮโดรเจนสูงกว่าจะให้พลังงานต่อกิโลกรัมน้อยกว่า และผลิต CO₂ มากกว่าสำหรับพลังงานที่ได้เท่ากัน

การเลือกสารออกซิไดซ์ อากาศเจือจางปฏิกิริยาด้วยไนโตรเจน ทำให้อุณหภูมิเปลวไฟต่ำกว่าเมื่อเทียบกับออกซิเจนบริสุทธิ์ การเผาไหม้ด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์ให้ความร้อนสูงกว่า แต่อาจก่อให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์มากขึ้น หากมีไนโตรเจนอยู่ในเชื้อเพลิงหรือมีอากาศรั่วไหลเข้าไป

ไนโตรเจนที่อยู่ในเชื้อเพลิง อะตอมไนโตรเจนในเชื้อเพลิงจะนับเป็นอะตอมและออกมาเป็นโมเลกุล N₂ ดังนั้นไนโตรเจนสองอะตอมในเชื้อเพลิงจะเพิ่ม N₂ หนึ่งโมลในผลิตภัณฑ์

การผสม เชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์ต้องผสมกันอย่างทั่วถึงเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดจนสมบูรณ์ บริเวณที่มีเชื้อเพลิงมากเกินไปหรือน้อยเกินไปจะเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ แม้ส่วนผสมโดยรวมจะถูกต้องโดยเฉลี่ย

การวิเคราะห์การเผาไหม้ใช้ที่ใด

วิศวกรใช้การคำนวณเหล่านี้ในการออกแบบเครื่องยนต์รถยนต์และอากาศยาน ปรับเตาอุตสาหกรรมและหม้อไอน้ำ และกำหนดขนาดระบบทำความร้อนในที่อยู่อาศัย วิศวกรสิ่งแวดล้อมใช้สมการที่ดุลแล้วชุดเดียวกันเพื่อประมาณการปล่อย CO₂ และ NOx สำหรับการรายงานมลพิษ

คำถามที่พบบ่อย

การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์กับไม่สมบูรณ์แตกต่างกันอย่างไร การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์เกิดขึ้นเมื่อมีออกซิเจนเพียงพอที่จะเปลี่ยนเชื้อเพลิงทั้งหมดเป็น CO₂ และน้ำ การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์เกิดขึ้นเมื่อออกซิเจนไม่เพียงพอ ทำให้เกิดคาร์บอนมอนอกไซด์ เขม่า และเชื้อเพลิงที่ไม่เผาไหม้แทน

เหตุใดระบบเผาไหม้จึงใช้อากาศส่วนเกิน อากาศเพิ่มเติมช่วยให้มั่นใจว่าเชื้อเพลิงทุกส่วนสัมผัสกับออกซิเจนเพียงพอ แม้การผสมจะไม่สมบูรณ์ ระบบส่วนใหญ่ทำงานด้วยอากาศส่วนเกินประมาณ 10–20% เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดคาร์บอนมอนอกไซด์

คำนวณอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงอย่างไร หาจำนวนโมลของ O₂ ที่ต้องใช้จากสูตรเชื้อเพลิง เติม N₂ ที่สอดคล้องกันหากสารออกซิไดซ์คืออากาศ แปลงทั้งสองชนิดเป็นมวล แล้วหารมวลอากาศรวมด้วยมวลเชื้อเพลิง มีเทนต้องใช้อากาศประมาณ 17.1 กก. ต่อเชื้อเพลิงหนึ่งกิโลกรัม

ค่าความร้อนสูงกับค่าความร้อนต่ำแตกต่างกันอย่างไร ค่าความร้อนต่ำ (LHV) สมมติว่าน้ำที่เกิดขึ้นยังคงเป็นไอ ส่วนค่าความร้อนสูง (HHV) สมมติว่าน้ำควบแน่นกลับเป็นของเหลวและปล่อยความร้อนเพิ่มเติม เครื่องคำนวณนี้รายงานค่า LHV เนื่องจากอุปกรณ์เผาไหม้ส่วนใหญ่ปล่อยไอน้ำออกไปพร้อมไอเสียแทนที่จะทำให้ไอน้ำควบแน่น

การเผาไหม้ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์คืออะไร การเผาไหม้ตามสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์คือส่วนผสมของเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์ในปริมาณพอดี โดยไม่มีเชื้อเพลิงหรือออกซิเจนเหลืออยู่ในผลิตภัณฑ์ อากาศที่มากกว่านี้เรียกว่าอากาศส่วนเกิน ส่วนอากาศที่น้อยกว่านี้เรียกว่าส่วนผสมที่มีเชื้อเพลิงมาก

องค์ประกอบของเชื้อเพลิงมีผลต่อไอเสียหรือไม่ มี เชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนมากกว่าจะมีไอน้ำในไอเสียมากขึ้น คาร์บอนที่มากขึ้นหมายถึง CO₂ ที่มากขึ้น เชื้อเพลิงที่มีไนโตรเจนหรือกำมะถันอาจทำให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์หรือซัลเฟอร์ไดออกไซด์ระหว่างการเผาไหม้