Energibalans och temperatur. Oorganisk Kemi I Föreläsning

Transkript

1 Energibalans och temperatur Oorganisk Kemi I Föreläsning

2 Innehåll Värme i förbränning Energibalans Värmeöverföring Temperaturer

3 Termer och begrepp Standardbildningsentalpi Värmevärde Effektivt och kalorimetriskt värmevärde Specifik värmekapacitet Strålning, konvektion och ledning Rökgaskondensering Adiabatisk flamtemperatur

4 Mål Att definiera sambanden mellan reaktionsvärmen och gastemperaturer i förbränningsprocessen Att introducera terminologi som används i samband med förbränningsprocesser med fasta bränslen

5 Förbränning av fasta bränslen Bränsle: Luft: C + O 2 CO 2 4H + O 2 2H 2 O 2O O 2 Rökgas: Aska: Fukt N 2 Aska O 2 Brännbar: N 2 N 2 Aska Aska Fukt H 2 O CO 2 N 2 O 2 aska C H 2 O H O

6 Squad task 1 Föreslå parametrar som i stor grad eller i viss mån avgör hur mycket energi man får ut vid förbränning av ett bränsle? hur starka bindningar det bryts i förbränningen värmevärde förekomst av vatten förekomst av aska (askbildande/inert material) hur fullständigt det förbränns energiförluster

7 Energibalanser behandlas på samma sätt som ämnesbalanser In Reaktor Ut

8 Termodynamik Energi Reaktanter ΔE Produkter

9 Förbränning Energi Bränsle + luft ΔE Rökgaser

10 Standardbildningsentalpi Den energi som krävs för att ett ämne ska bildas utifrån de ingående grundämnena Betecknas ΔH f Grundämnenas standardbildningsentalpi = 0 0 C(s), H 2, O 2 (g) ΔH f (kj/mol) CH 4 (g) = -75 kj/mol H 2 O(g) = -242 kj/mol CO 2 (g) = -394 kj/mol

11 Förbränning av rena kolväten (t.ex. CH 4 ) CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O Bränsle: Luft: Ex: CH 4 N 2 Rökgas: CO 2 Aska: ingen O 2 N 2 O 2 H 2 O

12 Reaktionsentalpi Den mängd energi som åtgår för att en reaktion skall ske (negativt värde innebär att energi frigörs) CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) ΔH r = Σ(n i ΔH f ) produkter - Σ(n i ΔH f ) reaktanter = 1(-394) + 2(-242) (1(-75) + 2(0))kJ = -803kJ

13 Värmevärde Vid förbränning av metan frigörs - 803kJ energi per mol metan Värmevärde: 803 kj/mol M = ,008 g/mol = g/mol 803 kj/mol / g/mol = 50.0 kj/g 50.0 MJ/kg Se tabellerat värmevärde i MAOL Förutom H 2 ger CH 4 störst energi / viktsenhet

14 Värmevärde Kalorimetriskt värmevärde den värme som frigörs vid förbränning av bränslet och då vattenångan i rökgaserna kondenserar till vatten H 2 O(g) H 2 O(l) Effektivt värmevärde den värme som frigörs vid förbränning av bränslet men då vattenångan i rökgaserna förblir i gasfas Kalorimetriskt Effektivt

15 Fasta bränslen Kol, ved, torv, avfall, slam blandningar av ett stort antal ämnen kol, delvis grafit: C(s) ved, cellulosa: C 6 H 12 O 6 (s), hemicellulosa och lignin lättast att ange grundämnessammansättning C 52 % (av vikten) H 6 % O 41 % S...

16 Värmevärde från C:H:O förhållandet Närmevärdesformel enligt Dubbel H i = 34.1 C H O där C. H och O = massandel i torrsubstans OBS! Effektivt värmevärde

17 Squad task 2 Använd den empiriska formeln nedan för att beräkna det effektiva värmevärdet för fuktigt, torrt och askfritt bränsle H i = 34.1 C H 9.85 O Bränsle Fuktigt Torrt Torrt & Askfritt C 23,5 % 35,3 % 53,2 % H 3,1 % 4,7 % 7,0 % O 17,6 % 26,4 % 39,8 % H i (Dubbel) 9.4 MJ/kg 14.2 MJ/kg 21.4 MJ/kg H i (uppmätt) 8.7 MJ/kg 14.4 MJ/kg 21.6 MJ/kg Vad är bränslets ask och fukthalt? Askhalt: 22.1% Fukthalt: 33.7% Vilken inverkan har askan och fukten på det effektiva värmevärdet?

18 Fuktiga bränslens värmevärde Brännbara substansen avger energi Fukten upptar energi vid förångningen Askan varken avger eller upptar energi, men tar plats H af = [brännbara substansen värmevärde] H ts = [torrsubstansen värmevärde] H i = [fuktiga bränslets värmevärde]

19 Effektivt värmevärde fuktigt bränsle H i = (1 A F) * H af 2.5 F (MJ/kg) A = askhalt (kg aska / kg fuktigt bränsle) F = fukthalt (kg vatten / kg fuktigt bränsle) H af = [brännbara substansen värmevärde] H i = [fuktiga bränslets värmevärde]

20 Squad task 3 Bränsle %-C %-H %-O Ask-% Fukt-% Eff.vv MJ/kg Ved Ved Ved Ved Kol Kol Kol Kol

21 Energibalanser Energi Luft Bränsle Reaktor Rökgas Aska

22 Hur mycket energi produceras? All energi från förbränningen avges i form av värme värmen upptas av rökgaserna rökgasernas C p -värde bestämer hur mycket värme som lagras per mängd rökgas värme upptas av ångan i pannväggarna rökgaserna kyls ned i pannan värmen som upptas är nyttiggjord energi värme förloras med rökgaserna ur skortstenen

23 Värmeöverföring: rökgas vatten/ånga

24 Energibalanser Tillvaratagen Energi Tillförd Energi Reaktor Förlorad Energi

25 Värmeöverföring Konvektion Värmetransport över fasgränsen från rökgasen till metallrörytan Ledning Värmetransport genom metallrörytan Strålning Värmetransport i form av ljus (fotoner)

26 Energibalanser Tillförd Energi med bränslet värmen i luften Reaktor Nyttiggjord Energi värme till ångan Förlorad Energi värmen i rökgaserna Tillförd energi = Nyttiggjord energi + Förlorad energi

27 Adiabatisk förbränningstemperatur All förbränningsvärme upptas av rökgaserna, ingen värmeöverföring indikerar maximala rökgastemperaturen alltid lägre rökgastemperturer i praktiken Procedur vid beräkning av T ad antag bränslemängd och använd luftmängd bestäm värmen i förbränningsluften (H luft ) beräkna energiomsättningen vid förbränning

28 Procedur vid beräkning av T ad Utgå från luft och rökgasmängden per kg bränsle bestäm antal mol N 2 och O 2 i luften bestäm antal mol CO 2, H 2 O, N 2, O 2 i rökgasen Använd diagrammet på nästa sida och beräkna värmemängd i luften och rökgasen (kj) som funktion av temperturen, plotta i ett exceldiagram Utgå från värmen i förbränningsluften (kj) om annan än referenstemperturen (25 C) läs av värmemängden i luften från diagrammet Bestäm förbränningsvärmen (kj) effektiva värmevärdet för fuktigt bränsle addera värdet till värmemängden från luften

29 Exempel T ad : värmeinnehåll Förbränningsluft och Rökgas per kg bränsle N 2 O 2 tot N 2 O 2 CO 2 H 2 O tot mol E T(K) kj/mol kj/mol kj kj/mol kj/mol kj/mol kj/mol kj E E E E E E

30 Princip för T ad : plottad funktion Energi (kj) 3 Luft 1. Luften förvärms till 700 K 2 5. Som upphettas till 2200 K Motsvarar ca 1500 kj 3. Förbänningen avger kj 4. Energin upptas av rökgaserna Rökgas Temperatur (K)

31 Sammanfattning Energibalanser kan behandlas som ämnesmängdsbalanser, d.v.s stökiometri Bränslen har olika värmevärde (energiinnehåll) som beror av sammansättning i C, H och O askhalt och framförallt fukthalt Med energibalanser kan man beräkna energiförluster (med rökgasen) adiabatisk förbränningstemperatur