Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 3/ Förbränningsfysik

Transkript

1 Föreläsning Termodynamik och Förbränning 3/ P EikB t Per-Erik Bengtsson Förbränningsfysik per-erik.bengtsson@forbrf.lth.se 1

2 Projektstart Projekt: Förbränningsfysik För alla projekt i Förbränning, samling på torsdag 6/11 kl i E421. För vägbeskrivning till E421 se instruktionen på laborationshäftet. Denna sal (E421) ligger alldeles bredvid E42 där laborationsgenomgångarna kommer att hållas. Projekt: Kärnfysik För alla projekt i Kärnfysik, samling på torsdag 6/11 kl i H322. Projekt: Matematisk Fysik För alla projekt i Matematisk Fysik, samling på torsdag 6/11 kl i biblioteket Matematisk Fysik. Bokning av Laboration i Förbränning 11 laborationstider (+ 1 reservtid) mellan 1/11 och 26/11 Bokning sker på tavlan i trapphallen utanför sal Rydberg (1 trappa ner) fram till och med fredagen den 7 november kl. 17 därefter finns listan vid rum E314 i Enoch Thulinlaboratoriet. För att garanteras plats på laborationen ska bokning ha skett senast den 7 november. 8 personer per laboration, laborationen görs i grupper om två. Laborationhandledningen består av tre delar (Laborationsinstruktion, Teori (om förbränning),teori (om termoelement) Tre förberedelseuppgifter ska vara gjorda före laborationstillfället. Två beräkningsuppgifter (i laborationsinstruktionen) ska lämnas in tillsammans med rapporten. Samling inför laborationerna sker i E42, se information på laborationshandledningens framsida. Laborationen ingår inte i betygsättningen på kursen. 2

3 Prognos världens energibehov överraskning Global energianvändn nng Organiska och fossila bränslen Nya och förnybara energikällor geotermisk sol ny biomassa vind kärnkraft vattenkraft gas olja År kol biomassa Mål: Effektiv miljövänlig förbränning! Partikelutsläpp från marin Dieselmotor Foto: Henrik Bladh NO 2 -utsläpp från stationär förbränningsugn 3

4 Förbränning är komplext! Delområden Kemisk kinetik Flödeskarakteristik Fysikaliska processer Diffusion Värmeledning Strålning Termodynamik Olika faser Gaser Droppar Partiklar Komplexa bränslen Exempel på turbulent förbränning Verktyg Teori Modellering Experimentella tekniker Lasertekniker! Olika flamtyper på Bunsenbrännare Diffusionsflamma Förblandad flamma, Turbulent strömning Förblandad flamma, Laminär strömning 4

5 Flamstruktur N 2 H 2 O CO 2 C 3 H 8 N 2 O 2 Förbränning av vätgas med syrgas 2 H O 2 2 H 2 O k = A T n exp(-e E a /RT) Number Reaction A n E a [kj/mole] 1 H + O 2 OH + O O + H 2 H + OH OH + H 2 H + H 2 O O + H 2 O OH + OH H +M H+H+M H O + O + M O 2 + M O + H + M OH + M H + O + M H 2 O + M H + O 2 + M HO 2 + M HO 2 + H H 2 + O HO 2 + H OH + OH HO 2 + O OH + O HO 2 + OH H 2 O + O HO 2 + HO 2 H 2 O 2 + O H 2 O 2 + M OH + OH M 16 H 2 O 2 + H H 2 O + OH H 2 O 2 + H H 2 + HO H 2 O 2 + O OH + HO H 2 O 2 + OH H 2 O + HO

6 Förbränning av metan 1 CH O 2 1 CO H 2 O 149 reaktioner för metanoxidation Hur många behövs för ett verkligt bränsle? Lektionens innehåll 1 Definitioner H (entalpi) Frigjord energi mol Värmevärde 2 Adiabatisk flamtemperatur H Vad är temperatur? C p (värmekapacitet) Molekylers rotationer och vibrationer 3 Produktgasens sammansättning H Kemisk jämvikt S (entropi) G (Gibbs fria energi) 4 Förbränning ur termodynamisk synpunkt 6

7 Ur NY TEKNIK Bränslens energiinnehåll = värmevärde 7

8 Standardtillstånd Standardtillstånd: den stabila formen av ett atomslag (N, O, H, C) vid referensförhållandet. För N är det N 2 (inte N, N 3, etc.) För O är det O 2 (inte O, O 3, etc.) För H är det H 2 (inte H, H 3, etc.) För C är det C s,grafit (inte C, C s,diamant, etc.) Referensförhållandet är ett definierat tryck och en definierad temperatur, oftast T=298 K och p =.1 MPa. Standardbildningsentalpi Entalpin för N 2, O 2, H 2 och C s,grafit vid referensförhållandet ges värdet, dvs H=. Från denna definition kan standardbildningsentalpin H ges för alla andra ämnen. H f, 298 Entalpi, H H 2, O 2, N 2, C s, grafit H f, 298 C 3 H 8 H 2 O (l) kj/mol kj/mol 8

9 Tabell 1. Standardbildningsentalpin, H f, 298, för olika ämnen (p =.1 MPa, T =298 K) H f, 298 (kj/mol) SO 3 svaveltrioxid CO 2 koldioxid SO 2 svaveldioxid H 2 O(l) vatten, vätskefas H 2 O(g) vatten, gasfas CH 3 OH(l) metanol, vätska CO kolmonoxid C 3 H 8 propan CH 4 metan O 2 syrgas N 2 kvävgas H 2 vätgas C grafit (s) kol, grafit SO svavelmonoxid 5.1 NO 2 kvävedioxid 33.1 C 2 H 4 etylen (eten) NO kväveoxid 9.29 H väte 218. C 2 H 2 acetylen (etyn) O syre C(g) kol, gasfas Beräkna värmevärdet för propan vid 298 K och.1 MPa (1) Lösning 1. Beräkna stökiometriska koefficenter: 1 C 3 H O N 2 3 CO H 2 O (l) N 2 2. Beräkna frigjord energi vid reaktionen: H n ( H ) n ( H ) T j j f, T j i i f, T i Hess lag Luft: X N2 =.78 X O2 =.21 X Ar =.1 Förenkla: X N2 =.79 X O2 =.21 Det ger 3.76 mol N 2 på varje mol O 2 H H f, 298 ( CO 2 ) 4 H f, 298 ( H 2 O( l )) H f, 298 ( N 2 1 H f, 298 ( C H 3 8 ) 3 H f, 298 ( O ) H 2 f, 298 ( N H 298 = 3( )+4(-285.1)+ - 1(13.85) - - = kj Frigjord energi Q = -H = kj per mol propan 2 ) ) 9

10 Beräkna värmevärdet för propan vid 298 K och.1 MPa (2) 3. Beräkna molvikten för propan: M C =12 g/mol och M H =1 g/mol ger M C3H8 =312+81= 1 44 g/mol M C3H8 4. Beräkna värmevärdet HV = Q / M C = kj/mol / 44. g /mol = 5.4 MJ/kg 3H8 Detta är det högre värmevärdet, dvs HHV=5.4 MJ/kg. Då görs beräkningen på att vatten bildas i vätskefas. Det benämns också kalorimetriskt värmevärde. Det lägre värmevärdet, LHV, erhålls med beräkning av vatten i gasfas. Det ger LHV = 46.4 MJ/kg. Detta värmevärde kallas också effektivt värmevärde 1

11 Flamtemperaturer Den frigjorda energin från reaktionen kommer att värma upp produkterna. Temperaturen kommer att öka! H T T f T C p produkterdt Q = -H = kj per mol propan 1 C 3 H O N 2 3 CO H 2 O (l) N 2 Hur hög blir temperaturen maximalt i en propan/syrgas-flamma? Hur hög blir temperaturen maximalt i en propan/luft-flamma? Vilken flamma ger högst temperatur? Entalpi vs temperatur H 1 C 3 H 8 5 O N 2 3CO 2 4 H 2 O 18.8 N 2 C p H T P H Adiabatisk flam- temperatur Temperatur / K Entalpin är konstant om det inte finns värmeförluster H T T f T C p produkterdt 11

12 Fundera på följande problem! Q Q Kvävgas (N 2 ) Koldioxid (CO 2 ) Två identiska volymer är isolerade från omgivningen. Den ena innehåller kvävgas och den andra koldioxid vid 298 K och atmosfärstryck. Värme Q överförs till kvävgasen så att temperaturen ökar 1 grader. Samma värme Q överförs till koldioxiden. Hur hög blir temperaturen? Över 1 grader 1 grader Under 1 grader C p uttryckt som polynom i temperatur 12

13 Enatomär gas P(v) Maxwell Boltzmannfördelning Ökad T v 8 k T m 1 / 2 v k = Boltzmanns konstant (1.38 E-23 J/K) m = massa (kg) T = temperatur (K) 1. Argon vid temperaturen 3 K v 4 m/s Atomstorlek: Fri medelväglängd : Kollisionsfrekvens: Tid mellan kollisioner: 1 Å 1 m 41 8 per sekund 2 ns Diatomär gas P(v) Maxwell Boltzmannfördelning Ökad T v 8 k T m 1 / 2 v k = Boltzmanns konstant (1,38 E-23 J/K) m = massa (g) T = temperatur (K) 1. Kvävgas vid temperaturen 3 K v = 5 m/s Molekylstorlek: 2Å Fri medelväglängd :,3 m Kollisionsfrekvens: 21 9 per sekund Tid mellan kollisioner:.6 ns 13

14 Enatomär gas Diatomär gas P(v) Maxwell Boltzmannfördelning Ökad T v 8 k T m 1 / 2 Det finns ytterligare frihetsgrader: rotationer och vibrationer! v Rotationer och vibrationer,9 Nitrogen (N 2 ) Energinivådiagram för diatomär moleyl Relativ po pulation,8,7,6 T=3 K,5,4,3 T=17 K,2, Rotationskvanttal J J v=2 v=1 v= Internukleärt avstånd ion Relativ populati 1,9 8,8,7,6 v=,5 v=1,4,3 v=2,2, Temperatur (K) 14

15 l Temperaturmätning i motor T=49 K Signal T=76 K Energi Vad är temperatur? Ett system med lika många mol av ett ämne har ett större energiinnehåll vid högre temperatur. T=1 K T=3 K Luft Luft Molekylerna (i genomsnitt) rör sig snabbare (mer rörelseenergi) e vibrerar snabbare (mer vibrationsenergi) roterar snabbare (mer rotationsenergi) vid högre temperatur Temperatur är ett mått på ett systems förmåga att avge värme. 15

16 Värmekapacitet, Cp -1 Cp / J mol -1 K N2 O2 CO2 H2O Ar Temperatur / K Ett ämne med fler frihetsgrader har högre värmekapacitet! Vad händer när molekyler kolliderar? P(v) v,9,8,7,6 T=3 K,5,4,3,2 T=17 K, E kin +E vib +E rot bevaras vid kollisionen 16

17 Gibbs fria energi (G) G = H TS G avgör riktningen för en reaktion. En tänkt reaktion A + B C + D Om G = G(produkter) G(reaktanter) < reaktionen går spontant t åt höger > reaktionen går spontant åt vänster Är reaktionen 1 H O 2 1 H 2 O(g) spontan vid 298 K and.1 MPa? Lösning: 1. Beräkna G T = G(products) G (reactants) vid 298 K G T n j ( G f,t ) j n i ( G f,t ) i j n ( H j j i ) i T ) i j produkter i reaktanter f,t ) j ni( H f,t n j( ST ) j ni( ST G f, T, H f, T, S T i j i f, 298 [kj/mol] 1 H O 2 1 H 2 O (g) H S 298 [J/mol-K] kan hittas i tabeller G 298 = 1( ) ( )1-3 = kj G<, alltså är reaktionen spontan mot att bilda vatten! Är detta korrekt? 17

18 Termokemiska data för vatten Ett system strävar mot att minimera G Gib bbs fria energi (G) H 2 + ½ O 2 Gibbs fria energi (G) H 2 + ½ O 2 Gibbs fria energi (G) H 2 + ½ O K H 2 O 15 K H 2 O 3 K H 2 O G 298 = kj/mol G 298 = kj/mol G 298 = kj/mol 18

19 Förbränning i förblandad flamma Kolväte/H 2 O 2 N 2 CO 2 H 2 O N 2 T f ~21-25 K 295 K T ~3-5 m Upphettning av vatten 1% 9% 8% H 2 O 7% Koncentration 6% 5% 4% 3% 2% 1% O 2 OH H 2 H O % Temperatur / K 19

20 Upphettning av koldioxid 1% 9% 8% Koncentration 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% CO O O O 2 CO 2 % Temperatur / K Produktgaskoncentrationer in C 3 H 8 /luftflamma 2

21 Produktgaskoncentrationer in C 3 H 8 /O 2 -flamma Mer CO än CO 2 Sammanfattning: Förbränning i förblandad flamma C 3 H 8 Mest CO 2 O N 2 H 2 O N : Reaktanterna närmar sig reaktionszonen 2: Hundratals ämnen och reaktioner. 3: Hög temperatur, >2 K, höga koncentrationer av ämnen som CO, H 2 och atomer. Kemisk jämvikt råder. Systemet maximerar entropin och minimerar Gibbs fria energi. G=H-TS 4: Temperaturen sjunker. De kemiska jämvikterna förskjuts mot mer CO 2 och H 2 O. 21

22 Det är lätt att få något att brinna, men att göra det miljövänligt och effektivt kräver kunskap inom många vetenskapliga områden! Experiment kopplat till teori och modellberäkningar leder till bättre design av förbränningsapparater. Vi har enbart gjort en termodynamisk betraktelse av en förblandad flamma. Några saker att fundera på: Förbränning kan ske inom stora tryck och temperaturområden och bete sig olika på grund av detta. Olika flamtyper (förblandat, icke förblandat) beter sig olika. Graden av turbulens har stor inverkan på effektivitet och föroreningar. Fasta och vätskeformiga bränslens struktur ger olika beteenden. That s fantastic! I can t keep up with all this modern combustion technology! 22