Adiabatisk forbrænding

Adiabatisk forbrænding - forbrænding sker ved et konstant tryk eller volumen, hvor der ikke er noget tab af energi til miljøet. Den adiabatiske forbrændingstemperatur er den temperatur af produkterne, der opnås, når kemiske reaktioner er afsluttet, og termodynamisk ligevægt er etableret. Den adiabatiske forbrændingstemperatur ved konstant tryk er lavere end den adiabatiske forbrændingstemperatur ved konstant volumen, da i det første tilfælde en del af den energi, der produceres under reaktionen, bruges på at øge systemets volumen .

Påvirkningsfaktorer

Da de kemiske egenskaber af forbrændingsprodukterne er forskellige ved forskellige omgivende tryk, er forbrændingstemperaturen ved et konstant lavt tryk sædvanligvis begrænset af niveauet af ionisering af den resulterende gas. Forskellige typer brændstoffer med forskellige forbrændingsvarme og med forskellig molekylær sammensætning vil have forskellige forbrændingstemperaturer. Fuldstændig forbrænding forekommer ikke i virkelige systemer, da kemiske reaktioner fører til dissociation af komponenter og forekommer med en endelig hastighed , hvilket ændrer forholdet mellem komponenter og ikke tillader opnåelse af fuldstændig termodynamisk ligevægt.

Der findes et stort antal programmer til beregning af forbrændingstemperaturen under hensyntagen til dissociation. Disse programmer bruger ligevægtskonstanter (Stanjan, NASA CEA, AFTP) eller minimerer termodynamiske potentialer.

Almindelige typer brændstoffer

De mest almindelige hverdagsbrændstoffer er organiske forbindelser og blandinger deraf, såsom træ , voks , fedtstoffer , forskellige plasttyper , natur- og petroleumsgasser , benzin . Tabellen viser den adiabatiske forbrændingstemperatur af disse og andre stoffer i luft og oxygen under normale forhold (750,06 mm Hg og 25 ° C ), med et forhold tæt på enhed (" ") brændstof / oxidationsmiddel og forudsat at systemtrykket forbliver uændret som følge af reaktionen.

Adiabatisk forbrændingstemperatur af almindelige materialer ved konstant tryk

Brændstof	Oxidationsmiddel	$T_{ad}$ (°C)
Acetylen ( C2H2 ) _ _	Luft	2500
Acetylen ( C2H2 ) _ _	Ilt	3480
Butan ( C4H10 ) _ _	Luft	1970
Cyan ( C2N2 ) _ _	Ilt	4525
Acetylendinitril ( C4N2 ) _ _	Ilt	4990
Ethan ( C2H6 ) _ _	Luft	1955
Brint (H 2 )	Luft	2210
Brint (H 2 )	Ilt	3200 [1]
Metan (CH 4 )	Luft	1950
Naturgas	Luft	1960 [2]
Propan ( C3H8 ) _ _	Luft	1980
Propan ( C3H8 ) _ _	Ilt	2526
MAPP gas( Methylacetylen , C3H4 ) _ _	Luft	2010
MAPP gas( Methylacetylen , C3H4 ) _ _	Ilt	2927
Træ	Luft	1980
Petroleum	Luft	2093 [3]
let olie	Luft	2104 [3]
destillat brændstof	Luft	2101 [3]
brændselsolie	Luft	2102 [3]
Kul	Luft	2172 [3]
Antracit	Luft	2180 [3]
Antracit	Ilt	≈2900 [se 1]

↑ En temperatur lig med ≈3200 K svarer til 50 % af den kemiske dissociation af CO 2 ved et tryk på 1 atm . Sidstnævnte værdi forbliver konstant under adiabatisk forbrænding, og CO 2 er 97 % af udbyttet af forbrændingsreaktionen af antracit i oxygen . Højere temperaturer af denne reaktion bør observeres ved højere tryk (op til 3800 K og derover, se Jongsup Hong et al Arkiveret 12. november 2011 på Wayback Machine , s . 8 ).

Termodynamik

Termodynamikkens første lov for et isoleret system kan skrives som:

{}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R}

hvor henholdsvis varme og arbejde, der blev produceret under processen, og og er reaktanternes indre energi og reaktionens resultater. Hvis vi antager, at volumen under adiabatisk forbrænding forbliver uændret, producerer processen ikke arbejde , ${}_{R}Q_{P}$ ${}_{R}W_{P}$ ${\displaystyle U_{R))$ ${\displaystyle U_{P))$

{}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=0

og der er intet varmetab, da processen antages at være adiabatisk : . Som et resultat falder den indre energi af reaktionsprodukterne sammen med den indre energi af reaktanterne: . Da dette er et isoleret system, er massen af produkter og reaktanter konstant, og den første lov kan skrives i følgende form: ${}_{R}Q_{P}=0$ $U_{P}=U_{R}$

{\displaystyle U_{P}=U_{R}\Rightarrow m_{P}u_{P}=m_{R}u_{R}\Rightarrow u_{P}=u_{R))

Hvis det antages, at trykket forbliver konstant under adiabatisk forbrænding, kan udtrykket for det udførte arbejde skrives som,

{}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=p\left({V_{P}-V_{R}}\right)

Da der ikke er noget varmetab i den adiabatiske proces , får vi fra den første lov, at ${}_{R}Q_{P}=0$

-p\left({V_{P}-V_{R}}\right)=U_{P}-U_{R}\Rightarrow U_{P}+pV_{P}=U_{R}+pV_ {R}

Da fra definitionen af entalpi og i et isoleret system er massen af produkter og reaktanter konstant, tager den første lov følgende form: $H_{P}=H_{R}$

{\displaystyle H_{P}=H_{R}\Rightarrow m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\Rightarrow h_{P}=h_{R))

Således er den adiabatiske forbrændingstemperatur ved konstant tryk mindre end ved konstant volumen, hvilket skyldes behovet for at udføre arbejde for at øge volumenet i det første tilfælde.

Forudsat at fuldstændig forbrænding finder sted, og komponenternes støkiometriske betingelser er opfyldt, eller der er et overskud af oxidant, kan følgende formel bruges til at beregne forbrændingstemperaturen:

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\venstre({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\til \nu _{1 }{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{ 3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{4}{\rm {O}}_{\rm {2}}

Det nøjagtige forhold mellem komponenter giver ikke tilstrækkelige variabler til beregninger, da og er nødvendige for at opnå molær balance - sidstnævnte forbindelser er de mest almindelige produkter af ufuldstændig forbrænding af en rig blanding. $CO$ $H_2$

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\venstre({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\til \nu _{1 }{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{ 3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{5}{\rm {CO}}+\nu _{6}{\rm {H}}_{\rm { 2}}

Men hvis vi tager hensyn til udvekslingsreaktionen mellem kuldioxid og vand

{\rm {CO}}_{\rm {2}}+H_{2}\Leftrightarrow {\rm {CO}}+{\rm {H}}_{\rm {2}}{\ rm{O}}

og brug en ligevægtskonstant til denne reaktion, så vil det resulterende antal variable være tilstrækkeligt til at bestemme temperaturen.

Moderne softwarepakker til termodynamiske beregninger gør det muligt at finde den adiabatiske temperatur som et resultat af en numerisk løsning af problemet med at maksimere entropi ved et givet tryk og entalpi i systemet (givet volumen og intern energi). I dette tilfælde tages der naturligvis højde for dissociationen af forbrændingsprodukter (med et passende valg af komponenter, der udgør systemet). Den numeriske løsning er meget forenklet, når afhængigheden af systemets entropi af temperaturen er konveks. Dette kræver ikke-negativiteten af derivatet af den specifikke varme ved konstant tryk med hensyn til temperatur (det udføres næsten altid, derfor kan standardalgoritmer fra teorien om konveks programmering bruges til at programmere beregningen af den adiabatiske temperatur).

Se også

adiabatisk proces
Diesel cyklus (konstant tryk cyklus)
Otto -cyklus (konstant volumen-cyklus)

Noter

↑ Flammetemperaturer Arkiveret 17. april 2014 på Wayback Machine
↑ North American Combustion Handbook, bind 1, 3. udgave, North American Mfg Co., 1986. Arkiveret 16. juli 2011 på Wayback Machine
↑ 1 2 3 4 5 6 Power Point-præsentation: Flammetemperatur arkiveret den 17. juli 2011 på Wayback Machine , Hsin Chu, Department of Environmental Engineering, National Cheng Kung University , Taiwan