Förbränning. En kort introduktion Joakim Bood

Transkript

1 Förbränning En kort introduktion Avdelningen för Förbränningsfysik vid Fysiska Institutionen ~ 35 anställda ~ 20 doktorander 2-5 examensarbetare Forskning inom Laserdiagnostik Kemisk kinetik Turbulenta flöden Nätverk och samarbeten Andra avdelningar på LTH Andra universitet/högskolor Industri Utländska universitet och forskningsinstitut Kurser Laserbaserad förbrännings diagnostik, 7.5 HP, VT-1 Grundläggande förbränning, 7.5 HP, VT-2 Molekylfysik, 7.5 HP, HT-2 (vartannat år) 1

2 Människan har använt förbränning sedan urminnes tider Tidiga användningsområden Generera värme Generera ljus Matlagning Bearbeta metaller Global energianvändning Global energianvändning Organiska och fossila källor Nya och förnyelsebara källor 2

3 Varför studera förbränning? Ökad kunskap om förbränningsprocesser skapar förutsättningar för: Högre effektivitet lägre bränslekonsumtion mindre CO 2 Mindre utsläpp av föroreningar NO x, SO x, partiklar (sot) Utveckling av koncept för alternativa bränslen samt ny teknologi HCCI-förbränning, oxyfuelförbränning, bränsleceller Ökad säkerhet förhindra uppkomst och spridning av oönskad brand Förbränning är komplext! Processer/Utmaningar Kemisk kinetik Strömning Fysikaliska processer Termodynamik Diffusion Värmeledning, strålning Olika faser (gas, droppar, partiklar) Praktiska bränslen Foto: Per-Erik Bengtsson Exempel på förbränning i en icke-förblandad flamma. Verktyg Experimentella mättekniker Teori och modellering Per-Erik Bengtsson 3

4 Olika typer av flammor Bränsle/oxidant-mixning Strömning Exempel Förblandad Ickeförblandad (Diffusion) Turbulent Laminär Turbulent Laminär Ottomotor Stationära gasturbiner Bunsenlåga (med en yttre ickeförblandad zon för >1) Laboratorieflammor Dieselmotor Flygplansturbin H 2 /O 2 raketmotor Vedbrasa Stearinlåga Förblandade och icke-förblandade flammor Förblandade flammor Bränsle och luft blandas före förbränningen Produktzon Icke-förblandade flammor (Diffusionsflammor) Bränsle och luft brinner där de möts Reaktionszon Förvärmningszon Oförbränd zon Porös plugg Bränsle + luft Luft Bränsle Luft Per-Erik Bengtsson and 4

5 Laminära och turbulenta flammor Laminära flammor Turbulenta flammor Förblandad Icke-förblandad Icke-förblandad Förblandad Foto: Per-Erik Bengtsson Låg flamhastighet Foto: Per-Erik Bengtsson Turbulensen ger snabb värmefrigörelse och snabb flamutbredning effektivare förbränning Modellering av turbulenta icke-förblandade flammor är mycket komplicerad. Förbränning i motorer Förblandade flammor Icke-förblandade flammor Ottomotor Förångat bränsle och oxidant blandas (på molekylnivå) före förbränningen. I en Ottomotor antänds bränsle/luftblandningen med ett tändstift. Kolväte/luft-flammor har flamhastigheter runt 0.5 m/s. Dieselmotor Bränsle och luft introduceras separat och blandas först under förbränningen. Energifrigörelsehastigheten beror på blandningsprocessen. Reaktionszon mellan området med bränsle och området med luft. 5

6 Adiabatisk flamtemperatur Inga värmeförluster till omgivningen. All avgiven värme från förbränningen används för att värma upp produktgasen. Den adiabatiska flamtemperaturen kan beräknas och är den teoretiskt högsta temperatur en flamma kan uppnå. Den adiabatiska flamtemperaturen uppnås aldrig i verkligheten: - Inget verkligt förbränningsrum är adiabatiskt - Dissociation av produkter sänker temperaturen Flamhastighet och adiabatisk flamtemperatur Bränsle Flamhastighet Adiabatisk flam- (m/s) temperatur (K) Alkaner Metan/luft Etan/luft Propan/luft Alkener Eten/luft Propen/luft Alkyner Etyn/luft

7 Stökiometri Stökiometri uttrycker förhållandet mellan koncentrationerna av bränsle och oxidant i blandningen. Ekvivalensförhållandet,, definieras: ( antal mol bränsle / antal mol syre) i verklig blandning ( antal mol bränsle / antal mol syre) i stökiometrisk blandning Den stökiometriska reaktionensformeln för propan/luft-förbränning är: 1 C 3 H O N 2 3 CO H 2 O N 2 Exampel: Beräkna ekvivalensförhållandet för en blandning med molförhållandet 1:4 mellan propan och syre. 1 / 4 1 / Mer om stökiometri Stökiometrisk förbränning av propan: 1 C 3 H O N 2 3 CO H 2 O N 2 En stökiometrisk kolväteförbränning ger idealt enbart produkterna CO 2 och H 2 O. För en sådan flamma är =1. Molfraktionen av propan: X propan X propan = blandningen stökiometrisk X propan < blandningen bränsle-mager X propan > blandningen bränsle-rik (fet) O 2 i avgaserna CO and H 2 i avgaserna 7

8 Temperatur som funktion av Temperature / K Temperature in ethane-air flames Equivalence ratio Den högsta temperaturen i en förblandad kolväte/luft-flamma ligger typiskt nära stökimetrisk blandning ( = 1). Från = 1 minskar temperaturen med minskande p.g.a. att den avgivna värmen även går åt till att värma upp kvarvarande syre och kväve. Ämneskoncentrationer i produktgasen Från = 1 ökar CO och H 2 koncentrationerna markant med ökande. Från = 1 ökar O 2 koncentrationen markant med minskande. Vid =1 är CO, H 2 och O 2 koncentrationerna inte noll p.g.a. kemiska jämvikter. Mole fraction 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 Concentrations in ethane-air flame O Equivalence ratio CO H 2 Per-Erik Bengtsson 8

9 Förbränningskemi Stökiometrisk förbränning av metan: CH O 2 CO H 2 O Detta är den globala reaktionsformeln. Denna visar visserligen reaktanter och slutprodukter, men ger ingen information om hur förbränningen sker på molekylnivå. Den globala reaktionen är alltså inte någon verklig reaktion. Det som verkligen händer beskrivs av en kemisk mekanism bestående av ett stort antal elementarreaktioner, vilket är verkliga reaktioner. För ett enkelt bränsle som metan krävs t.ex. 149 elementarreaktioner för en fullständig beskrivning av förbränningen (se schemat till höger). Svartkroppsstrålning (Planckstrålning) Signalintensitet intensity (W/m 3 ) 3 ) 4.5E+11 4E E+11 3E E+11 2E E+11 1E+11 5E+10 T=1600K T=2000K Synliga området Våglängd Wavelength (nm) Foto: Per-Erik Bengtsson 9

10 Kemilumeniscens från flammor Emissionsintensitet UV Våglängd (nm) Synligt Den blå-gröna emissionen från reaktionszonen har sitt ursprung i spårämnen som via kemiska reaktioner bildats i ett exciterat tillstånd (tillstånd med förhöjd energi). Den strålning som sänds ut då dessa ämnen deexciteras kallas kemilumeniscens. Till skillnad från Planckstrålningen är denna emission smalbandig (förekommer bara på vissa bestämda färger). Per-Erik Bengtsson Sammanfattning Typiska karakteristika för förbränning: Mycket komplext fenomen Exoterma reaktioner Reaktanter Produkter + Energi Oxidationsprocesser Syre i luft är ofta oxidant Produkterna har hög temperatur Typiskt över 2000 K Strålning Kemilumeniscens, Planckstrålning (svartkroppsstrålning) 10

11 Biobränslen Johan Zetterberg Väteförbränning (FF6,FF7) & Oxyfuel (FF12-FF14) Elna Heimdal Nilsson Fordon (FF8-FF10) FF1 RYRSTEDT GEORGE FF6 LARSSON HENNING FF8 KLEVE BIRGER ANNERSTEDT FREDRIK DIB FIRAS STÅHL PHILIP ENGLUND VICTOR LINDBERG SIMON HINDEFELT SEBASTIAN FF2 SIMKO RICHARD FF7 KRISTENSSON MARCUS FF9 HEINZE CARL JOHAN MARTINSSON WILLIAM NISULA HANNES SÖRENSEN CATARINA FF3 JOHARI FARHAD KARIMINEJAD VESAL FF10 BYTYQI VATAN CICEK MEHMET FATIH FF12 LINDQVIST FILIP SINHA SURAJ AFGHANI KHORASGANI SOHEIL BERGLUND JAKOB JINBÄCK JONAS FF4 LINDBERG FREDRIK JOHANSSON NICKLAS TENGGREN CHRISTIAN FF5 TOKARCHUK ANTONINA ARKLID KARL JOHAN SAMUELSSON DENNIS FF13 GULDBERG VIKTOR LINDELL FOLKE FF14 ANDERSSON JOHAN BOMAN EMIL MAGNUSSON MIKAEL 11