Föreläsning. Projektstart. Prognos världens energibehov. Laboration i Förbränning. Termodynamik och Förbränning 31/

Transkript

1 Global energanvändnng Föreläsnng Termodynamk och Förbrännng 31/1 216 Per-Erk Bengtsson Förbrännngsfysk Proektstart Proekt: Förbrännngsfysk För alla proekt Förbrännng, samlng på torsdag 3/11 kl E421. För vägbeskrvnng tll E421 se nstruktonen på laboratonshäftet. Denna sal (E421) lgger alldeles bredvd E42 där laboratonsgenomgångarna kommer att hållas. Proekt: Kärnfysk För alla proekt Kärnfysk, samlng på torsdag 3/11 kl H322. Proekt: Matematsk Fysk För alla proekt Matematsk Fysk, samlng på torsdag 3/11 kl C368 Laboraton Förbrännng Prognos världens energbehov överrasknng 1 laboratonstder (+ 1 reservtd) mellan 8/11 och 24/11. Boknng sker på tavlan trapphallen utanför sal Rydberg (1 trappa ner) fram tll och med torsdagen den 3 november kl. 16 därefter fnns lstan vd rum E314 Enoch Thulnlaboratoret. För att garanteras plats på laboratonen ska boknng ha skett senast den 7 november. Nya och förnybara energkällor geotermsk sol 8 personer per laboraton, laboratonen görs grupper om två. ny bomassa Laboratonhandlednngen består av tre delar (Laboratonsnstrukton, Teor (om förbrännng),teor (om termoelement) vnd Tre förberedelseuppgfter ska vara gorda före laboratonstllfället. Två beräknngsuppgfter ( laboratonsnstruktonen) ska lämnas n tllsammans med rapporten. Organska och fossla bränslen kärnkraft vattenkraft gas Samlng nför laboratonerna sker E42, se nformaton på laboratonshandlednngens framsda. Laboratonen ngår nte betygsättnngen på kursen. År ola kol bomassa 1

2 Mål: Effektv mlövänlg förbrännng! Förbrännng är komplext! NO 2 -utsläpp från statonär förbrännngsugn Partkelutsläpp från marn Deselmotor Foto: Henrk Bladh Delområden Kemsk knetk Flödeskarakterstk Fyskalska processer Dffuson Värmelednng Strålnng Termodynamk Olka faser Gaser Droppar Partklar Komplexa bränslen Exempel på turbulent förbrännng Verktyg Teor Modellerng Expermentella teknker Laserteknker! Olka flamtyper på Bunsenbrännare Flamstruktur Reaktonszon H 2 O CO 2 C 3 H 8 O 2 Dffusonsflamma Förblandad flamma, Turbulent strömnng Förblandad flamma, Lamnär strömnng 2

3 Förbrännng av vätgas med syrgas 2 H O 2 2 H 2 O Reaktonshastgheten d[h 2 O]/dt= 2 k [H 2 ] 2 [O 2 ] k = A T n exp(-e a /RT) Reaktonshastgheten är starkt temperaturberoende för många förbrännngsreaktoner! Number Reacton 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 2 + M H + H + M 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 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 Förbrännng av metan 1 CH O 2 1 CO H 2 O 149 reaktoner för metanoxdaton Hur många behövs för ett verklgt bränsle? Lektonens nnehåll Ur NY TEKNIK 1 Frgord energ H (entalp) Värmevärde mol (1 mol är 6,23*1 23 av ämnet) 2 Adabatsk flamtemperatur H Vad är temperatur? Cp (värmekapactet) Molekylers rotatoner och vbratoner 3 Produktgasens sammansättnng H Kemsk ämvkt S (entrop) G (Gbbs fra energ) B A 4 Sammanfattnng Några förbrännngsexempel Bränslens energnnehåll = värmevärde 3

4 Standardtllstånd Standardtllstånd: den termodynamskt stabla formen av ett atomslag (N, O, H, C) vd ett referensförhållande. För N är det (nte N, N 3, etc.) För O är det O 2 (nte O, O 3, etc.) För H är det H 2 (nte H, H 3, etc.) För C är det C s,graft (nte C, C s,damant, etc.) Referensförhållandet är ett defnerat tryck och en defnerad temperatur, oftast T=298 K och p=.1 MPa. Entalpn för standardtllståndet (, O 2, H 2 och C s,graft ) vd referensförhållandet ges värdet, dvs H=. Från denna defnton kan standardbldnngsentalpn bestämmas för alla andra ämnen. Standardbldnngsentalp Entalp, H H 2, O 2,, C s, graft DH f, 298 C 3 H 8 H 2 O (l) kj/mol kj/mol DH f, 298 Tabell 1. Standardbldnngsentalpn, DH f, 298, för olka ämnen (p=.1 MPa, T=298 K) DH f, 298 (kj/mol) SO 3 svaveltroxd CO 2 koldoxd SO 2 svaveldoxd H 2 O(l) vatten, vätskefas H 2 O(g) vatten, gasfas CH 3 OH(l) metanol, vätska CO kolmonoxd C 3 H 8 propan CH 4 metan O 2 syrgas kvävgas H 2 vätgas C graft (s) kol, graft SO svavelmonoxd 5.1 NO 2 kvävedoxd 33.1 C 2 H 4 etylen (eten) NO kväveoxd 9.29 H väte 218. C 2 H 2 acetylen (etyn) O syre C(g) kol, gasfas

5 Beräkna värmevärdet för propan vd 298 K och.1 MPa (1) Lösnng 1. Beräkna stökometrska koeffcenter: 1 C 3 H O CO H 2 O (l) Beräkna frgord energ vd reaktonen: DH n ( DH ) n ( DH ) T f, T f, T Hess lag f, 298 ( f, 3 8 f, f, 298 ( N2 ) 298 DH DH f, ( CO 2 ) 4 DH f, ( H 2 O( l )) DH 1 DH ( C H ) 3 DH ( O ) DH DH 298 = 3( ) + 4(-285.1) + - 1(13.85) - - = kj Frgord energ Q = -DH = kj per mol propan ) Luft: X N2 =.78 X O2 =.21 X Ar =.1 Förenkla: X N2 =.79 X O2 =.21 Det ger 3.76 mol på vare mol O 2 Beräkna värmevärdet för propan vd 298 K och.1 MPa (2) 3. Beräkna molvkten för propan: M C =12 g/mol och M H =1 g/mol ger M C3H8 =312+81= 44 g/mol 4. Beräkna värmevärdet HV = Q / M C3H8 = kj/mol / 44. g /mol = 5.4 MJ/kg Detta är det högre värmevärdet, dvs HHV=5.4 MJ/kg. Då görs beräknngen på att vatten bldas vätskefas. Det benämns också kalormetrskt värmevärde. Det lägre värmevärdet, LHV, erhålls med beräknng av vatten gasfas. Det ger LHV = 46.4 MJ/kg. Detta värmevärde kallas också effektvt värmevärde. Flamtemperaturer Den frgorda energn från reaktonen kommer att värma upp produkterna. Temperaturen kommer att öka! (T T f ) DH T T f T C p produkter dt Q = -DH = kj per mol propan 1 C 3 H O CO H 2 O (l) Alkaner har lknande värmevärden Etanol och metanol har låga värmevärden Vätgas har mycket högt värmevärde Hur hög blr temperaturen maxmalt en propan/syrgas-flamma? Hur hög blr temperaturen maxmalt en propan/luft-flamma? Vlken flamma ger högst temperatur? 5

6 Entalp vs temperatur Fundera på fölande problem! H 1 C 3 H 8 5 O CO 2 4 H 2 O 18.8 DH T C p T f T p C produkter dt H T P Q Kvävgas ( ) Två dentska volymer är solerade från omgvnngen. Den ena nnehåller kvävgas och den andra koldoxd vd 298 K och atmosfärstryck. DH Adabatsk flamtemperatur Temperatur / K Entalpn är konstant om det nte fnns värmeförluster Q Koldoxd (CO 2 ) Värme Q överförs tll kvävgasen så att temperaturen ökar 1 grader. Samma värme Q överförs tll koldoxden. Hur hög blr temperaturen? Över 1 grader 1 grader Under 1 grader Värmekapactet, Cp Enatomär gas 7 Cp / J mol -1 K Tratomära molekyler Atomer Datomära molekyler N2 O2 CO2 H2O Ar P(v) Maxwell-Boltzmannfördelnng Ökad T v 8k T v m 1/ 2 k = Boltzmanns konstant (1.38 E-23 J/K) m = massa (kg) T = temperatur (K) 1 1. Argon vd temperaturen 3 K v 4 m/s Temperatur / K Ett ämne med fler frhetsgrader har högre värmekapactet! Atomstorlek: Fr medelväglängd : Kollsonsfrekvens: Td mellan kollsoner: 1 Å 1 m 41 8 per sekund 2 ns 6

7 Sgnal Relatv populaton Datomär gas Enatomär gas Datomär gas P(v) Maxwell-Boltzmannfördelnng Ökad T 1. Kvävgas vd temperaturen 3 K v = 5 m/s Molekylstorlek: Fr medelväglängd : Kollsonsfrekvens: Td mellan kollsoner: 2 Å.3 m 21 9 per sekund.6 ns v 8k T v m k = Boltzmanns konstant (1,38 E-23 J/K) m = massa (g) T = temperatur (K) 1/ 2 P(v) Maxwell-Boltzmannfördelnng Ökad T Det fnns ytterlgare frhetsgrader rotatoner och vbratoner! v 8k T v m 1/ 2 Rotatoner och vbratoner Temperaturmätnng motor Ntrogen ( ),9,8,7,6,5 T=3 K,4,3 Energnvådagram för datomär moleyl T=17 K,2, Rotatonskvanttal T=49 K 1 v=2 J v=1 J v= Internukleärt avstånd Relatv populaton,9,8,7 v=,6,5 v=1,4 v=2,3,2, Temperatur (K) Energ T=76 K 7

8 Vad är temperatur? Ett system med lka många mol av ett ämne har ett större energnnehåll vd högre temperatur. Vad händer vd en molekylkollson? P(v) T=3 K Luft T=1 K Luft,9 v,8,7,6 T=3 K Molekylerna ( genomsntt) rör sg snabbare (mer rörelseenerg) vbrerar snabbare (mer vbratonsenerg) roterar snabbare (mer rotatonsenerg) vd högre temperatur Temperatur är ett mått på ett systems förmåga att avge värme. Totala energn bevaras vd kollsonen.,5,4,3,2,1 T=17 K För att bestämma en temperatur behövs en fördelnng, dvs nformaton från många molekyler. Gbbs fra energ (G) G = H TS G avgör rktnngen för en reakton. En tänkt reakton A + B C + D Om = G(produkter) G(reaktanter) < reaktonen går spontant åt höger > reaktonen går spontant åt vänster Är reaktonen 1 H O 2 1 H 2 O(g) spontan vd 298 K and.1 MPa? Lösnng: 1. Beräkna T = G(products) G (reactants) vd 298 K T n ( f,t ) n ( DH f,t ) n( f,t ) n( DH f,t ) T D n ( ST ) n D ( ST ) produkter reaktanter kan httas tabeller f, T, DH f, T, DST Med spontant menas rktnng för att uppnå termodynamsk stabltet, dt systemet strävar. 8

9 Gbbs fra energ (G) Gbbs fra energ (G) Gbbs fra energ (G) Termokemska data för vatten Är reaktonen 1 H O 2 1 H 2 O(g) spontan vd 298 K and.1 MPa? Lösnng: 1. Beräkna T = G(products) G (reactants) vd 298 K T n ( f,t ) n ( DH f,t ) n( f,t ) n( DH f,t ) T D n ( ST ) n D ( ST ) produkter reaktanter kan httas tabeller f, T, DH f, T, DST DS 298 [J/mol-K] 1 H O 2 1 H 2 O (g) D H f, 298 [kj/mol] = 1) ( ( )1-3 = kj <, alltså är reaktonen spontan mot att blda vatten! Är detta korrekt? Aktverngsenerg Ett system strävar mot att mnmera G 298 K H 298 = kj/mol E a 2 H 2 + O 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O 15 K D H kj 2 H 2 O H 2 + ½ O 2 H 2 O 3 K 298 = kj/mol 298 = kj/mol G = H TS H 2 + ½ O 2 H 2 O 9

10 Förbrännng förblandad flamma Produktgaskoncentratoner n C 3 H 8 /luftflamma Kolväte/H 2 O 2 CO 2 H 2 O T f ~21-25 K 295 K T ~3-5 m Produktgaskoncentratoner n C 3 H 8 /O 2 -flamma Mer CO än CO 2 C 3 H 8 O 2 Sammanfattnng: Förbrännng förblandad flamma Mest CO 2 H 2 O 1: Reaktanterna närmar sg reaktonszonen 2: Hundratals ämnen och reaktoner. 3: Hög temperatur, >2 K, höga koncentratoner av ämnen som CO, H 2 och atomer. Kemsk ämvkt råder. Systemet maxmerar entropn och mnmerar Gbbs fra energ. G=H-TS 4: Temperaturen sunker. De kemska ämvkterna förskuts mot mer CO 2 och H 2 O. 1

11 Vätskeformga bränslen Vätskeformga bränslen brnner ALLTID gasfas. Vätskan förångas och förbrännngen sker gasfas (som en dffusonsflamma vd låg turbulens) För pölar beror rsk för antändnng på förångnngsegenskaper. Pöl I en deselmotor förångas dropparna upphettad luft från den ökade kompressonen. Droppe Fasta bränslen (Bobränslen) Högt vattennnehåll försämrar förbrännngen då bränslet först måste torkas. 8-9% av förbrännngen sker gasfas då flyktga ämnen förbränns (olka slags flyktga kolväten) Resterande förbrännng sker det återstående kolet. Återstoden är aska (hög halt av metallsalter) Intensv värmestrålnng från sotpartklar. Bränder Brandförlopp är exponentella och ett rum kan vara övertänt på några mnuter! Rummet är övertänt när värmestrålnngen från sot vd taket är så stark att den nterar brand rummets brännbara materal. HA EN BRANDVARNARE HEMMA! HA EN BRANDSLÄCKARE HEMMA! Det är lätt att få något att brnna, men att göra det mlövänlgt och effektvt kräver kunskap nom många vetenskaplga områden! Experment kopplat tll teor och modellberäknngar leder tll bättre desgn av förbrännngsapparater. V har enbart gort en termodynamsk betraktelse av en förblandad flamma. Några saker att fundera på: Förbrännng kan ske nom stora tryck- och temperaturområden och bete sg olka på grund av detta. Olka flamtyper (förblandat, cke-förblandat) beter sg olka. Graden av turbulens har stor nverkan på effektvtet och förorenngar. Fasta och vätskeformga bränslens struktur ger olka beteenden. That s fantastc! I can t keep up wth all ths modern combuston technology! 11