Adiabatisk förbränning

Adiabatisk förbränning - förbränning som sker vid ett konstant tryck eller volym, där det inte sker någon energiförlust till miljön. Den adiabatiska förbränningstemperaturen är temperaturen hos produkterna som uppnås när kemiska reaktioner är fullbordade och termodynamisk jämvikt är etablerad. Den adiabatiska förbränningstemperaturen vid konstant tryck är lägre än den adiabatiska förbränningstemperaturen vid konstant volym, eftersom i det första fallet en del av energin som produceras under reaktionen går åt till att öka systemets volym .

Påverkande faktorer

Eftersom de kemiska egenskaperna hos förbränningsprodukterna skiljer sig åt vid olika omgivningstryck, begränsas vanligtvis förbränningstemperaturen vid ett konstant lågt tryck av nivån av jonisering av den resulterande gasen. Olika typer av bränslen med olika förbränningsvärme och med olika molekylär sammansättning kommer att ha olika förbränningstemperaturer. Fullständig förbränning sker inte i verkliga system, eftersom kemiska reaktioner leder till dissociation av komponenter och sker med en ändlig hastighet , vilket ändrar förhållandet mellan komponenter och inte tillåter att uppnå fullständig termodynamisk jämvikt.

Det finns ett stort antal program för att beräkna förbränningstemperaturen, med hänsyn tagen till dissociation. Dessa program använder jämviktskonstanter (Stanjan, NASA CEA, AFTP) eller minimerar termodynamiska potentialer.

Vanliga typer av bränslen

De vanligaste vardagsbränslena är organiska föreningar och blandningar därav, såsom trä , vax , fetter , olika plaster , natur- och petroleumgaser , bensin . Tabellen visar den adiabatiska förbränningstemperaturen för dessa och andra ämnen i luft och syre under normala förhållanden (750,06 mm Hg och 25 ° C ), med ett förhållande nära enhet (" ") bränsle / oxidationsmedel och förutsatt att systemtrycket förblir oförändrat till följd av reaktionen.

Adiabatisk förbränningstemperatur av vanliga material vid konstant tryck

Bränsle	Oxidationsmedel	$T_{ad}$ (°C)
Acetylen ( C2H2 ) _ _	Luft	2500
Acetylen ( C2H2 ) _ _	Syre	3480
Butan ( C4H10 ) _ _	Luft	1970
Cyan ( C2N2 ) _ _	Syre	4525
Acetylenedinitril ( C4N2 ) _ _	Syre	4990
Etan ( C2H6 ) _ _	Luft	1955
Väte (H 2 )	Luft	2210
Väte (H 2 )	Syre	3200 [1]
Metan (CH 4 )	Luft	1950
Naturgas	Luft	1960 [2]
Propan ( C3H8 ) _ _	Luft	1980
Propan ( C3H8 ) _ _	Syre	2526
MAPP gas( Metylacetylen , C 3 H 4 )	Luft	2010
MAPP gas( Metylacetylen , C 3 H 4 )	Syre	2927
Trä	Luft	1980
Fotogen	Luft	2093 [3]
ljus olja	Luft	2104 [3]
destillat bränsle	Luft	2101 [3]
eldningsolja	Luft	2102 [3]
Kol	Luft	2172 [3]
Antracit	Luft	2180 [3]
Antracit	Syre	≈2900 [se 1]

↑ En temperatur lika med ≈3200 K motsvarar 50 % av den kemiska dissociationen av CO 2 vid ett tryck av 1 atm . Det senare värdet förblir konstant under adiabatisk förbränning, och CO 2 är 97 % av utbytet av förbränningsreaktionen av antracit i syre . Högre temperaturer av denna reaktion bör observeras vid högre tryck (upp till 3800 K och högre, se Jongsup Hong et al Arkiverad 12 november 2011 på Wayback Machine , s . 8 ).

Termodynamik

Termodynamikens första lag för ett isolerat system kan skrivas som:

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

var och värme och arbete, respektive, som producerades under processen, och och är den inre energin hos reaktanterna och resultatet av reaktionen. Om vi antar att volymen under adiabatisk förbränning förblir oförändrad, producerar processen inte arbete , ${}_{R}Q_{P}$ ${}_{R}W_{P}$ ${\displaystyle U_{R))$ ${\displaystyle U_{P))$

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

och det finns ingen värmeförlust, eftersom processen antas vara adiabatisk : . Som ett resultat sammanfaller reaktionsprodukternas inre energi med reaktanternas inre energi: . Eftersom detta är ett isolerat system är massan av produkter och reaktanter konstant och den första lagen kan skrivas i följande 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))

Om man antar att trycket förblir konstant under adiabatisk förbränning, kan uttrycket för det utförda arbetet skrivas som,

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

Eftersom det inte finns någon värmeförlust i den adiabatiska processen , får vi från den första lagen att ${}_{R}Q_{P}=0$

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

Eftersom från definitionen av entalpi och i ett isolerat system är massan av produkter och reaktanter konstant, tar den första lagen följande 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 är den adiabatiska förbränningstemperaturen vid konstant tryck lägre än vid konstant volym, vilket beror på behovet av att utföra arbete för att öka volymen i det första fallet.

Om man antar att fullständig förbränning äger rum och komponenternas stökiometriska villkor är uppfyllda, eller att det finns ett överskott av oxidationsmedel, kan följande formel användas för att beräkna förbränningstemperaturen:

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\vänster({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\höger)\till \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 exakta förhållandet mellan komponenter ger inte tillräckligt med variabler för beräkningar, eftersom och krävs för att uppnå molär balans - de senare föreningarna är de vanligaste produkterna av ofullständig förbränning av en rik blandning. $CO$ $H_2$

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\vänster({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\höger)\till \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 om vi tar hänsyn till utbytesreaktionen mellan koldioxid och vatten

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

och använd en jämviktskonstant för denna reaktion, då kommer det resulterande antalet variabler att vara tillräckligt för att bestämma temperaturen.

Moderna mjukvarupaket för termodynamiska beräkningar gör det möjligt att hitta den adiabatiska temperaturen som ett resultat av en numerisk lösning av problemet med att maximera entropin vid ett givet tryck och entalpi i systemet (given volym och intern energi). I detta fall beaktas naturligtvis dissociationen av förbränningsprodukter (med ett lämpligt val av komponenter som utgör systemet). Den numeriska lösningen är avsevärt förenklad när beroendet av systemets entropi på temperaturen är konvext. Detta kräver icke-negativiteten hos derivatan av den specifika värmen vid konstant tryck med avseende på temperatur (det utförs nästan alltid, därför kan standardalgoritmer från teorin om konvex programmering användas för att programmera beräkningen av den adiabatiska temperaturen).

Se även

adiabatisk process
Dieselcykel (konstant tryckcykel)
Otto -cykel (cykel med konstant volym)

Anteckningar

↑ Flamtemperaturer Arkiverad 17 april 2014 på Wayback Machine
↑ North American Combustion Handbook, Volym 1, 3:e upplagan, North American Mfg Co., 1986. Arkiverad 16 juli 2011 på Wayback Machine
↑ 1 2 3 4 5 6 Power Point-presentation: Flame Temperature Arkiverad 17 juli 2011 på Wayback Machine , Hsin Chu, Department of Environmental Engineering, National Cheng Kung University , Taiwan

Länkar

(engelska) Babrauskas, Vytenis Temperaturer i lågor och bränder . Fire Science and Technology Inc. (25 februari 2006). Datum för åtkomst: 27 januari 2008. Arkiverad från originalet den 17 maj 2012. (obestämd)
(engelska) Beräkning av adiabatisk flamtemperatur
(engelska) Adiabatisk lågtemperatur
(engelska) Adiabatisk lågtemperatur . Engineering Toolbox . Datum för åtkomst: 27 januari 2008. Arkiverad från originalet den 17 maj 2012. (obestämd) adiabatisk flamtemperatur av väte, metan, propan och oktan med syre eller luft som oxidationsmedel
(Svenska) Flamtemperaturer för vissa vanliga gaser . Engineering Toolbox . Datum för åtkomst: 27 januari 2008. Arkiverad från originalet den 17 maj 2012. (obestämd)
(Svenska) Temperaturen på en blå låga och vanliga material
Online adiabatisk lågtemperaturräknare med Cantera
(engelska) Program för adiabatisk flamtemperatur
(engelska) Gaseq , program för att utföra kemiska jämviktsberäkningar.
Flame Temperatur Calculator - Konstant tryck bipropellant adiabatisk förbränning
(engelska) Adiabatic Flame Temperature kalkylator