Förbränning. En kort introduktion Christian Brackmann

Transkript

1 Förbränning En kort introduktion Christian Brackmann

2 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)

3 Global energianvändning Global energianvändning Nya och förnyelsebara källor Organiska och fossila källor Joakim Bood

4 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 Joakim Bood

5 Förbränning är komplext! Processer/Utmaningar Kemisk kinetik Strömning Fysikaliska processer Termodynamik Diffusion Värmeledning, strålning Verktyg Experimentella mättekniker Teori och modellering Olika faser (gas, droppar, partiklar) Praktiska bränslen Foto: Per-Erik Bengtsson Exempel på förbränning i en icke-förblandad flamma. Per-Erik Bengtsson

6 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 f>1) Laboratorieflammor Dieselmotor Flygplansturbin H 2 /O 2 raketmotor Vedbrasa Stearinlåga Joakim Bood

7 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 Joakim Bood

8 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. Joakim Bood

9 Förbränningskemi Stökiometrisk förbränning av metan: CH O 2 CO H 2 O Detta är den globala reaktionsformeln. Den 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). Joakim Bood

10 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 Joakim Bood

11 Temperatur / K Temperatur som funktion av f Adiabatisk flamtemperatur Etan/luft Temperatur i etan-luft flammor Den högsta temperaturen i en förblandad kolväte/luft-flamma ligger typiskt nära stökimetrisk blandning (f = 1) Blandningsförhållande, f Från f = 1 minskar temperaturen med minskande f p.g.a. att den avgivna värmen även går åt till att värma upp kvarvarande syre och kväve. Joakim Bood

12 Mol fraktion Ämneskoncentrationer i produktgasen Från = 1 ökar CO och H 2 koncentrationerna markant med ökande O 2 Produkter i etan-luft flamma CO Från = 1 ökar O 2 koncentrationen markant med minskande H 2 Vid =1 är CO, H 2 och O 2 koncentrationerna inte noll p.g.a. kemiska jämvikter Blandningsförhållande, f Per-Erik Bengtsson

13 Signalintensitet (W/m 3 ) Svartkroppsstrålning (Planckstrålning) 4.5E+11 4E+11 T=1600K T=2000K Signal intensity (W/m 3 ) 3.5E+11 3E E+11 2E E+11 1E+11 5E Våglängd Wavelength (nm) Synliga området Foto: Per-Erik Bengtsson Joakim Bood

14 Emissionsintensitet Kemiluminiscens från flammor UV 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 kemiluminiscens. Våglängd (nm) Till skillnad från Planckstrålningen är denna emission smalbandig (förekommer bara på vissa bestämda färger). Per-Erik Bengtsson

15 Sammanfattning förbränning Typiska karakteristika för förbränning: Mycket komplext fenomen Exoterma kemiska reaktioner Reaktanter Produkter + Energi Oxidationsprocesser Syre i luft är ofta oxidant Produkterna har hög temperatur Typiskt över 2000 K Strålning Kemiluminiscens, Planckstrålning (svartkroppsstrålning) Joakim Bood

16 Projektarbete Förbränning - Fordon Ottomotor - förblandad förbränning Dieselmotor - icke-förblandad förbränning Förångat bränsle och oxidant blandas (på molekylnivå) före förbränningen. Bränsle/luft-blandningen antänds med tändstift. Propagerande flamma i cylindern, v~0.5 m/s. Bränsle och luft introduceras separat och blandas först under förbränningen. Bränsle/luft-blandningen självantänds p.g.a. temperaturökning vid kompression. Reaktionszon mellan områden med bränsle och luft. Joakim Bood

17 Exempel analys dieselmotor V 1 =750 cm 3, T 1 =300 K, p 1 = Pa, V 2 =V 1 /18 Dieselmotor arbetar med bränsle/luft blandning med temperatur 300 K, atmosfärstryck och kompressionsförhållande 18. Volymen efter avslutad förbränning är dubbelt så stor som vid antändning. Vilken temperatur uppnås efter förbränning? Adiabatisk kompression T 2 =953 K p 3 =p 2 T 3 T 2 V V 3 2 T 2 V T1 V V 3 =2V 2 T 3 =1900 K

18 Exempel analys dieselmotor Är hög temperatur fördelaktigt? W Q in Qin Q Q in ut Q 1 Q ut in C 1 C v p ( T ( T 4 3 T1 ) T ) 2 Ur effektivitetssynpunkt, ja Kemiska reaktioner i förbränningsgas O 2 2O O + N 2 NO + N N + O 2 NO + O N + OH NO + H Bildning av kväveoxid NO gynnas av hög temperatur.

19 Projektarbete Förbränning - Bränslen Biobränslen CO 2 -neutrala över lång tid Olika bränslen och förädlingstekniker Distribution Miljöpåverkan Christian Brackmann

20 Exempel förbränning biomassa Furuträ, elementsammansättning Molfraktioner C : 50.7% w/w 50.7/12=4.2 H : 6.4 % w/w 6.4/2=3.2 O : 42.5% w/w 42.5/32=1.3 N : 0.1% w/w Aska : 0.3% w/w 4.2C + ( O 2 ) + 1.6H 2 + ( )N 2 4.2CO H 2 O + ( )N 2 Vad blir den adiabatiska flamtemperaturen? Kemisk energi i bränslet, värmevärde Q=19.8 MJ/kg, frigörs och värmer upp produkterna enligt Q N C N C N C ) T ( CO2 p, CO2 H2O p, CO2 N2 p, N 2 T=2103 K T = 298 K K=2401 K=2128 C N antal mol, C p molar värmekapacitet

21 Exempel förbränning biomassa Egenskaper biomassa Förnyelsebart bränsle Värmevärde något lägre än kolväten Hög temperatur kan uppnås för effektiva termodynamiska processer Att fundera över för hållbar utveckling baserad på biobränsleförbränning Geografisk fördelning av resurser Distribution och hantering bränslet degraderas Variationer i bränsleslag och kvalitet Miljöpåverkan från nya emissioner

22 Projektarbete Förbränning CO 2 -avskiljning Att återföra CO 2 producerad i förbränning till berggrunden där fossila bränslen har sitt ursprung. Insamling, transport, återföring Energieffektivet hos processen Miljöpåverkan Vilken skala krävs? R.S. Haszeldine et al., Carbon Capture and Stroage:How Green Can Black Be?, Science 325, 1647 (2009). Christian Brackmann

23 Tidslinje för projektarbete