Калькулятор аналізу горіння

Калькулятор аналізу горіння визначає збалансоване хімічне рівняння, співвідношення повітря до палива та кількість теплоти, що виділяється під час згоряння палива. Він працює для поширених видів палива, таких як метан, пропан і октан, а також для довільних вуглеводневих палив, склад яких задають поатомно.

Як користуватися калькулятором аналізу горіння

1. Виберіть тип палива, наприклад метан або пропан, або виберіть «довільне» й укажіть кількість атомів вуглецю, водню, кисню та азоту в молекулі палива.
2. Для довільного палива також укажіть його стандартну ентальпію утворення в кДж/моль. Для більшості видів палива це значення від’ємне: для метану — −74,8, а для пропану — −103,8. Використовуйте значення для фази, у якій перебуває паливо, наприклад −234,8 для пари етанолу або −277,0 для рідкого етанолу. Елемент у стандартному стані, наприклад газоподібний водень або вуглець, має значення 0.
3. Виберіть окисник: повітря (21% кисню, 79% азоту за об’ємом) або чистий кисень.
4. Установіть відсоток надлишку. Використовуйте 0% для точної стехіометричної суміші або більше значення, щоб додати надлишок окисника. Для повітря поле має назву «Надлишок повітря», а для чистого кисню — «Надлишок кисню».
5. Ознайомтеся з результатами: урівняним рівнянням, масовим співвідношенням окисника до палива, кількістю теплоти, що виділяється на моль і кілограм палива, та масовою часткою кожного газоподібного продукту.

Якщо вибрано повітря, співвідношення має назву «Співвідношення повітря до палива». Для чистого кисню в суміші немає повітря, тому той самий результат називається «Співвідношення окисника до палива». Формули палива записують у порядку Гілла: спочатку вуглець, потім водень, а далі інші елементи, тому паливо з одним атомом вуглецю, двома атомами водню та двома атомами кисню записують як CH₂O₂.

Що таке горіння?

Горіння — це хімічна реакція між паливом і окисником, зазвичай киснем, під час якої виділяється теплота. За повного горіння вуглеводневе паливо (молекула, що складається з вуглецю та водню) реагує з достатньою кількістю кисню, утворюючи лише вуглекислий газ (CO₂) і воду (H₂O). Якщо кисню недостатньо, реакція є неповною, і додатково утворюються чадний газ (CO), сажа та незгоріле паливо.

Формула стехіометричної кількості кисню

Для палива з формулою CₓHᵧOᵤ кількість молів кисню (O₂), необхідна для повного згоряння, дорівнює:

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

Тут x — кількість атомів вуглецю, y — кількість атомів водню, а z — кількість атомів кисню, які вже містяться в паливі. Урівняне рівняння має вигляд:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Як розрахувати співвідношення повітря до палива

Співвідношення повітря до палива (AFR) — це маса повітря, поділена на масу палива, необхідну для повного горіння. Щоб його визначити:

1. Розрахуйте стехіометричну кількість молів O₂ за наведеною вище формулою.
2. Якщо окисником є повітря, визначте відповідну кількість речовини N₂ за співвідношенням повітря 79:21: кількість речовини N₂ = кількість речовини O₂ × (79/21).
3. Переведіть обидва гази в масу за їхніми молярними масами (O₂ = 32,00 г/моль, N₂ = 28,02 г/моль) і додайте їх, щоб отримати масу повітря.
4. Поділіть масу повітря на молярну масу палива.

Приклад розрахунку: метан

Метан (CH₄) має один атом вуглецю та чотири атоми водню, тому на нього припадає n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol кисню на моль палива:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Якщо окисником є повітря, 2 mol O₂ містять 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Маса повітря становить (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 г. Молярна маса метану дорівнює приблизно 16,04 г/моль, тому співвідношення повітря до палива становить 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 до 1 за масою.

Теплота згоряння

Теплота згоряння — це енергія, що виділяється на моль або кілограм спаленого палива. Її обчислюють за законом Гесса, використовуючи стандартну ентальпію утворення кожної речовини:

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

де Q — теплота, що виділяється на моль палива, у кДж/моль, а ΔHf — стандартна ентальпія утворення палива.

Значення 393,5 і 241,8 кДж/моль походять з ентальпії утворення CO₂ і водяної пари. Оскільки воду враховують як пару, а не як рідину, це відповідає нижчій теплоті згоряння (LHV), а не вищій (HHV). HHV більша, оскільки також враховує теплоту, що виділяється під час конденсації водяної пари в рідину, а цього в більшості установок для спалювання не відбувається.

Для метану ΔHf = −74,8 кДж/моль, тому теплота, що виділяється, становить 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 кДж/моль. Якщо поділити це значення на молярну масу метану (16,04 г/моль), отримаємо приблизно 50,0 МДж/кг.

Кількість теплоти, що виділяється, однакова для будь-якого окисника та будь-якої кількості надлишкового повітря, оскільки її визначають на моль палива. Надлишок повітря змінює температуру полум’я та склад вихлопних газів, але не змінює енергію, запасену в паливі.

Поширені види палива

| Паливо | Формула | Стехіометричне співвідношення повітря до палива (за масою) | Нижча теплота згоряння | | |---|---|---|---| | Метан | CH₄ | 17,1 : 1 | 50,0 МДж/кг | | Пропан | C₃H₈ | 15,6 : 1 | 46,4 МДж/кг | | Бутан | C₄H₁₀ | 15,4 : 1 | 45,7 МДж/кг | | Октан | C₈H₁₈ | 15,0 : 1 | 44,8 МДж/кг |

Метан є основним компонентом природного газу. Пропан і бутан використовують для опалення, приготування їжі та в портативних плитках. У цих розрахунках октан замінює бензин, хоча насправді бензин є сумішшю багатьох вуглеводнів, і його стехіометричне співвідношення повітря до палива зазвичай наводять близьким до 14,7:1.

Надлишок повітря та ефективність горіння

Надлишок повітря — це додаткове повітря понад стехіометричну кількість, виражене у відсотках. Реальні пальники рідко працюють із надлишком повітря, що точно дорівнює 0%, оскільки через неповне змішування частина палива може залишитися незгорілою.

• За надлишку повітря 0% суміш є точно стехіометричною. Це забезпечує найвищу температуру полум’я, але за недосконалого змішування існує ризик неповного горіння.
• Більшість пальників працює з надлишком повітря 10–20%, що забезпечує повне згоряння палива з невеликими втратами теплоти.
• Надлишок повітря понад 50% додатково знижує ефективність, оскільки надлишкові азот і кисень поглинають теплоту та виходять із відпрацьованими газами. Він також знижує температуру полум’я, що може зменшити утворення оксидів азоту (NOx).

Що впливає на реакцію горіння

Склад палива. Палива з більшим співвідношенням вуглецю до водню виділяють менше енергії на кілограм і утворюють більше CO₂ за однакового виходу енергії.

Вибір окисника. Повітря розбавляє реакційну суміш азотом, тому температура полум’я нижча, ніж у разі використання чистого кисню. Горіння в чистому кисні відбувається за вищої температури, але може утворювати більше оксидів азоту, якщо азот присутній у паливі або потрапляє з повітрям через негерметичність.

Азот у складі палива. Атоми азоту в паливі враховують як атоми, і вони виходять у вигляді молекул N₂, тому два атоми азоту в паливі додають один моль N₂ до продуктів реакції.

Змішування. Паливо та окисник мають добре змішуватися, щоб реакція відбулася повністю. Ділянки із занадто багатою або занадто бідною паливною сумішшю згоряють неповністю, навіть якщо загалом суміш має правильний склад.

Де застосовують аналіз горіння

Інженери використовують ці розрахунки для проєктування автомобільних і авіаційних двигунів, налаштування промислових печей і котлів, а також визначення розмірів систем опалення житлових будинків. Інженери з охорони довкілля використовують ті самі збалансовані рівняння для оцінювання обсягів викидів CO₂ і NOx у звітності про викиди.

Поширені запитання

У чому різниця між повним і неповним горінням? Повне горіння відбувається, коли кисню достатньо, щоб перетворити все паливо на CO₂ і воду. Неповне горіння відбувається за нестачі кисню; замість цього утворюються чадний газ, сажа та незгоріле паливо.

Чому в системах згоряння використовують надлишок повітря? Додаткове повітря забезпечує контакт кожної частини палива з достатньою кількістю кисню навіть за недосконалого змішування. У більшості систем використовують приблизно 10–20% надлишку повітря, щоб уникнути утворення чадного газу.

Як розраховують співвідношення повітря до палива? Визначте кількість речовини O₂, необхідну за формулою палива, додайте відповідну кількість N₂, якщо окисником є повітря, переведіть обидва гази в масу та поділіть загальну масу повітря на масу палива. На один кілограм палива метану потрібно приблизно 17,1 кг повітря.

У чому різниця між вищою та нижчою теплотою згоряння? Нижча теплота згоряння (LHV) передбачає, що утворена вода залишається у вигляді пари. Вища теплота згоряння (HHV) передбачає конденсацію води назад у рідину з виділенням додаткової теплоти. Цей калькулятор показує LHV, оскільки більшість установок для спалювання випускає водяну пару з відпрацьованими газами, а не конденсує її.

Що таке стехіометричне горіння? Стехіометричне горіння — це точна суміш палива й окисника, у продуктах якої не залишається ні палива, ні кисню. Будь-яка більша кількість повітря називається надлишком повітря, а будь-яка менша — багатою на паливо сумішшю.

Чи впливає склад палива на вихлопні гази? Так. Більша кількість водню в паливі означає більше водяної пари у вихлопних газах. Більша кількість вуглецю означає більше CO₂. Паливо, що містить азот або сірку, під час горіння також може утворювати оксиди азоту або діоксид сірки.