Yanma Analizi Hesaplayıcısı

Yanma analizi hesaplayıcısı, bir yakıt yandığında denkleştirilmiş kimyasal denklemi, hava-yakıt oranını ve açığa çıkan ısıyı bulur. Metan, propan ve oktan gibi yaygın yakıtların yanı sıra atomları tek tek girilen özel hidrokarbon yakıtlarla da çalışır.

Yanma analizi hesaplayıcısı nasıl kullanılır?

1. Metan veya propan gibi bir yakıt türü seçin ya da "özel" seçeneğini belirleyip yakıt molekülündeki karbon, hidrojen, oksijen ve azot atomlarının sayısını girin.
2. Özel bir yakıt için standart oluşum entalpisini kJ/mol cinsinden de girin. Bu değer çoğu yakıt için negatiftir: metan için −74,8, propan için −103,8. Yakıtın bulunduğu faza ait değeri kullanın; etanol buharı için −234,8, sıvı etanol için −277,0 gibi. Hidrojen gazı veya karbon gibi standart hâlindeki bir element için değer 0 olur.
3. Oksitleyiciyi seçin: hacimce %21 oksijen ve %79 azot içeren hava veya saf oksijen.
4. Fazlalık yüzdesini ayarlayın. Tam stokiyometrik karışım için %0 kullanın; fazladan oksitleyici eklemek için daha yüksek bir sayı girin. Hava seçildiğinde alanın etiketi "Hava Fazlası", saf oksijen seçildiğinde ise "Oksijen Fazlası" olur.
5. Sonuçları okuyun: denkleştirilmiş denklem, oksitleyicinin yakıta kütle oranı, yakıtın molü ve kilogramı başına açığa çıkan ısı ve her ürün gazının kütlece payı.

Hava seçildiğinde oran "Hava-Yakıt Oranı" olarak adlandırılır. Saf oksijende karışımda hava bulunmadığından aynı sonuç "Oksitleyici-Yakıt Oranı" olarak gösterilir. Yakıt formülleri Hill sırasına göre yazılır: önce karbon, sonra hidrojen, ardından diğer elementler gelir; bu nedenle bir karbon, iki hidrojen ve iki oksijen atomu içeren özel bir yakıt CH₂O₂ şeklinde yazılır.

Yanma nedir?

Yanma, bir yakıt ile genellikle oksijen olan bir oksitleyici arasındaki ısı açığa çıkaran kimyasal tepkimedir. Tam yanmada, hidrokarbon yakıt (karbon ve hidrojenden oluşan bir molekül), yalnızca karbondioksit (CO₂) ve su (H₂O) oluşturacak kadar oksijenle tepkimeye girer. Oksijen yeterli değilse tepkime eksik gerçekleşir ve ayrıca karbon monoksit (CO), kurum ve yanmamış yakıt oluşur.

Stokiyometrik oksijen formülü

CₓHᵧOᵤ formülündeki bir yakıtın tam yanması için gereken oksijen (O₂) molü şöyledir:

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

Burada x karbon atomlarının sayısını, y hidrojen atomlarının sayısını ve z yakıtta zaten bulunan oksijen atomlarının sayısını gösterir. Denkleştirilmiş denklem şöyledir:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Hava-yakıt oranı nasıl hesaplanır?

Hava-yakıt oranı (AFR), tam yanma için gereken hava kütlesinin yakıt kütlesine bölünmesiyle elde edilir. Bulmak için:

1. Yukarıdaki formülden stokiyometrik O₂ molünü hesaplayın.
2. Oksitleyici hava ise, 79:21 hava oranını kullanarak karşılık gelen N₂ molünü bulun: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Her iki gazı mol kütlelerini kullanarak kütleye dönüştürün (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) ve hava kütlesini bulmak için bunları toplayın.
4. Hava kütlesini yakıtın mol kütlesine bölün.

Çözümlü örnek: metan

Metan (CH₄) bir karbon ve dört hidrojen atomuna sahiptir; bu nedenle yakıtın molü başına n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol oksijene ihtiyaç duyar:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Oksitleyici olarak hava kullanıldığında, 2 mol O₂, 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂ getirir. Hava kütlesi (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g olur. Metanın mol kütlesi yaklaşık 16,04 g/mol olduğundan hava-yakıt oranı kütlece 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 : 1 olur.

Yanma ısısı

Yanma ısısı, yakılan yakıtın molü veya kilogramı başına açığa çıkan enerjidir. Her maddenin standart oluşum entalpisinden yararlanılarak Hess yasasıyla hesaplanır:

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

Burada Q, yakıtın molü başına kJ/mol cinsinden açığa çıkan ısıyı, ΔHf ise yakıtın standart oluşum entalpisini gösterir.

393,5 ve 241,8 kJ/mol değerleri CO₂ ve su buharının oluşum entalpisinden gelir. Su sıvı olarak değil buhar olarak kabul edildiğinden bu hesap, yüksek ısıl değer (HHV) değil, düşük ısıl değerini (LHV) verir. HHV daha büyüktür; çünkü çoğu yanma ekipmanının içinde gerçekleşmeyen su buharının sıvıya yoğuşması sırasında açığa çıkan ısıyı da hesaba katar.

Metan için ΔHf = −74,8 kJ/mol olduğundan açığa çıkan ısı 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol olur. Metanın mol kütlesine (16,04 g/mol) bölündüğünde yaklaşık 50,0 MJ/kg elde edilir.

Yakıtın molü başına hesaplandığı için oksitleyici ne olursa olsun ve ne kadar fazla hava kullanılırsa kullanılsın açığa çıkan ısı aynıdır. Fazla hava alev sıcaklığını ve egzoz bileşimini değiştirir; yakıtta depolanan enerjiyi değiştirmez.

Yaygın yakıtlar

Metan, doğal gazın ana bileşenidir. Propan ve bütan ısıtma, yemek pişirme ve taşınabilir ocaklarda kullanılır. Bu hesaplamalarda oktan benzinin yerini tutar; ancak gerçek benzin çok sayıda hidrokarbonun karışımıdır ve kendi stokiyometrik AFR değeri genellikle 14,7:1 civarında verilir.

Fazla hava ve yanma verimliliği

Fazla hava, stokiyometrik miktarın üzerine eklenen ve yüzde olarak ifade edilen havadır. Kusurlu karışımın bir miktar yakıtı yanmadan bırakması nedeniyle gerçek yakıcılar tam olarak %0 fazla hava ile nadiren çalışır.

• %0 fazla havada karışım tam olarak stokiyometriktir. Bu, en yüksek alev sıcaklığını sağlar; ancak karışım kusurluysa eksik yanma riski taşır.
• Yakıcıların çoğu 10–20% fazla hava ile çalışır; böylece tüm yakıt güvenilir biçimde yanarken yalnızca az miktarda ısı kaybedilir.
• %50 üzerindeki fazla hava verimi daha da düşürür; çünkü fazladan azot ve oksijen ısıyı soğurur ve egzozla birlikte çıkar. Ayrıca alev sıcaklığını düşürerek azot oksitlerin (NOx) oluşumunu azaltabilir.

Yanma tepkimesini etkileyenler

Yakıt bileşimi. Karbonun hidrojene oranı daha yüksek olan yakıtlar kilogram başına daha az enerji açığa çıkarır ve aynı enerji çıkışı için daha fazla CO₂ üretir.

Oksitleyici seçimi. Hava, tepkimeyi azotla seyreltir; bu nedenle saf oksijene kıyasla alev sıcaklığını düşürür. Saf oksijenle yanma daha sıcak gerçekleşir; ancak yakıtta bulunan veya içeri sızan havadan gelen azot varsa daha fazla azot oksit üretebilir.

Yakıt kaynaklı azot. Yakıttaki azot atomları atom olarak hesaba katılır ve N₂ molekülleri hâlinde çıkar; bu nedenle yakıttaki iki azot atomu ürünlere bir mol N₂ ekler.

Karışım. Tepkimenin tamamlanması için yakıt ile oksitleyicinin iyi karışması gerekir. Yakıtça fazla veya yakıtça fakir bölgeler, genel karışım ortalama olarak doğru olsa bile eksik yanar.

Yanma analizinin kullanıldığı yerler

Mühendisler bu hesaplamaları otomobil ve uçak motorları tasarlamak, endüstriyel fırınları ve kazanları ayarlamak ve konut ısıtma sistemlerini boyutlandırmak için kullanır. Çevre mühendisleri, emisyon raporlaması için CO₂ ve NOx salımını tahmin etmek üzere aynı denkleştirilmiş denklemleri kullanır.

Sık sorulan sorular

Tam ve eksik yanma arasındaki fark nedir? Tam yanma, tüm yakıtı CO₂ ve suya dönüştürmeye yetecek oksijen bulunduğunda gerçekleşir. Eksik yanma, oksijen yetersiz olduğunda gerçekleşir ve bunun yerine karbon monoksit, kurum ve yanmamış yakıt üretir.

Yanma sistemleri neden fazla hava kullanır? Fazladan hava, karışımın mükemmel olmadığı yerlerde bile yakıtın her bölümünün yeterli oksijenle karşılaşmasını sağlar. Karbon monoksit oluşumunu önlemek için çoğu sistem yaklaşık 10–20% fazla hava ile çalışır.

Hava-yakıt oranı nasıl hesaplanır? Yakıtın formülünden gereken O₂ molünü bulun; oksitleyici hava ise karşılık gelen N₂ miktarını ekleyin, her ikisini kütleye dönüştürün ve toplam hava kütlesini yakıt kütlesine bölün. Metan, yakıtın kilogramı başına yaklaşık 17,1 kg hava gerektirir.

Yüksek ve düşük ısıl değer arasındaki fark nedir? Düşük ısıl değer (LHV), oluşan suyun buhar olarak kaldığını varsayar. Yüksek ısıl değer (HHV), suyun sıvıya yoğuşarak ek ısı açığa çıkardığını varsayar. Çoğu yanma ekipmanı su buharının yoğuşmadan egzoz olarak çıkmasına izin verdiğinden bu hesaplayıcı LHV'yi raporlar.

Stokiyometrik yanma nedir? Stokiyometrik yanma, ürünlerde artık yakıt veya oksijen kalmayacak şekilde yakıt ile oksitleyicinin tam olarak karıştırılmasıdır. Bundan daha fazla hava, fazla hava olarak adlandırılır; daha azı ise yakıtça zengin karışım olarak adlandırılır.

Yakıt bileşimi egzozu etkiler mi? Evet. Yakıtta daha fazla hidrojen bulunması egzozda daha fazla su buharı anlamına gelir. Daha fazla karbon, daha fazla CO₂ demektir. Azot veya kükürt içeren yakıtlar yandığında azot oksitler veya kükürt dioksit de üretebilir.