Föreläsning. Projektstart. Föreläsningar. Laboration i Förbränning. Termodynamik och Förbränning 5/

Transkript

1 Proektstart Förbrännngsfysk: Samlng på torsdag 2/11 kl E421. Kärnfysk: Samlng på torsdag 2/11 kl H322. Matematsk Fysk: Samlng på torsdag 2/11 kl C368 Föreläsnngar Vetenskaplgt skrvande och ltteratursöknng Måndagen den 19/ sal Rydberg På hemsdan för kursen fnns några texter (sammanfattnng, nlednng, slutsats). Förbered dg genom att läsa genom texterna förväg nför dskusson på lektonen. Inspratonsföreläsnng av homas B. Johansson (obl. närvaro) Måndagen den 26/ sal Rydberg homas är regerngens särsklde utredare om Fosslfrhet på väg och har de senaste fem åren haft uppdraget som co char exekutvkommttén för Global Energy Assessment. Laboraton Förbrännng Föreläsnng 1 laboratonstder mellan 12/11 och 23/11. Boknng sker på tavlan trapphallen utanför sal Rydberg (1 trappa ner) fram tll och med torsdagen den 8 november kl. 16 därefter fnns lstan vd rum E314 Enoch hulnlaboratoret. För att garanteras plats på laboratonen ska boknng ha skett senast den 9 november. 8 personer per laboraton, laboratonen görs grupper om två. Laboratonhandlednngen består av tre delar (Laboratonsnstrukton, eor (om förbrännng), eor (om termoelement) re förberedelseuppgfter ska vara gorda före laboratonstllfället. vå beräknngsuppgfter ( laboratonsnstruktonen) ska lämnas n tllsammans med rapporten. Samlng nför laboratonerna sker E42, se nformaton på laboratonshandlednngens framsda. Laboratonen ngår nte betygsättnngen på kursen, men måste vara godkänd för att man ska få betyg på kursen. ermodynamk och Förbrännng 5/ Per-Erk Bengtsson Förbrännngsfysk per-erk.bengtsson@forbrf.lth.se 1

2 Prognos världens energbehov Mål: Effektv mlövänlg förbrännng! överrasknng geotermsk Global energanvändnng År Organska och fossla bränslen Nya och förnybara energkällor sol ny bomassa vnd kärnkraft vattenkraft gas ola kol bomassa NO 2 utsläpp från statonär förbrännngsugn Partkelutsläpp från marn Deselmotor Foto: Henrk Bladh 2

3 Euro 3 NOx / g/km Euro 5 Euro 4 Euro 6 Partculate Matter (PM) / g/km Förbrännng är komplext! Varför lyser en flamma gul? Kemsk knetk Flödeskarakterstk Fyskalska processer Dffuson Värmelednng Strålnng ermodynamk Olka faser Gaser Droppar Partklar Komplexa bränslen Verktyg eor Modellerng Expermentella teknker Laserteknker! Nanometerstora sotpartklar avger strålnng: Planck s strålnngslag 2 2hc 1 I( ) 5 hc / k e 1 Wen s förskutnngslag max 3 2,8981 K m Stefan Boltzmann s lag 4 I 3

4 Olka flamtyper på Bunsenbrännare Dffusonsflamma Förblandad flamma nstabl strömnng Förblandad flamma, Icke statonär strömnng Förblandad flamma, Statonär strömnng Flamstruktur N2 H2O CO2 Reaktons zon C3H8 N2 O2 4

5 k = A n exp( E a /R) 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 ] 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 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 Förbrännng av metan 1 CH O 2 1 CO H 2 O 149 reaktoner för metanoxdaton Hur många behövs för en större bränslemolekyl? Lektonens nnehåll Ur NY EKNIK 1 Frgord energ H (entalp) Värmevärde mol (1 mol är 6,23*1 23 av ämnet) 2 Adabatsk flamtemperatur H Vad är temperatur? C p (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 5

6 Standardtllstånd Standardtllstånd: den termodynamskt stabla formen av ett atomslag (N, O, H, C) vd ett referensförhållande. FörN ärdetn 2 (nte N, N 3, etc.) FörO ärdeto 2 (nte O, O 3, etc.) FörH ärdeth 2 (nte H, H 3, etc.) FörC ärdetc s,graft (nte C, C s,damant, etc.) Referensförhållandet är ett defnerat tryck och en defnerad temperatur, oftast =298 K och p=.1 MPa. Entalpn för standardtllståndet (N 2, 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, N 2, C s, graft H f, 298 C 3 H 8 H 2 O (l) kj/mol kj/mol H f, 298 abell 1. Standardbldnngsentalpn, H f, 298, för olka ämnen (p=.1 MPa, =298 K) H 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 N 2 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

7 Beräkna värmevärdet för propan vd 298 K och.1 MPa (1) Lösnng 1. Beräkna stökometrska koeffcenter: 1 C 3 H O N 2 3 CO H 2 O (l) N 2 2. Beräkna frgord energ vd reaktonen: H n ( H ) n ( H ) f, f, Hess lag f, 298 ( N 2 f, f, f, 298 ( N 2 ) H H f, ( CO 2 ) 4 H f, ( H 2 O( l )) H 1 H ( C H ) 3 H ( O ) H H 298 = 3( ) + 4(-285.1) + - 1(-13.85) - - = kj Frgord energ Q = H = 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 N 2 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. emperaturen kommer att öka! ( f ) H f C p produkterd Q = -H = kj per mol propan 1 C 3 H O N 2 3 CO H 2 O (l) N 2 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? 7

8 Entalp vs temperatur Fundera på fölande problem! H 1 C 3 H 8 5 O N 2 3 CO 2 4 H 2 O 18.8 N 2 H C p f p C produkterd H P Q Kvävgas (N 2 ) vå dentska volymer är solerade från omgvnngen. Den ena nnehåller kvävgas och den andra koldoxd vd 298 K och atmosfärstryck. H Adabatsk flamtemperatur emperatur / 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 ratomära molekyler Atomer Datomära molekyler N2 O2 CO2 H2O Ar P(v) Maxwell Boltzmannfördelnng Ökad v 8 k v m 1 / 2 k = Boltzmanns konstant (1.38 E 23 J/K) m = massa (kg) = temperatur (K) 1 1. Argon vd temperaturen 3 K v 4 m/s emperatur / K Ett ämne med fler frhetsgrader har högre värmekapactet! Atomstorlek: Fr medelväglängd : Kollsonsfrekvens: d mellan kollsoner: 1 Å 1 m 41 8 per sekund 2 ns 8

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

10 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) =3 K Luft =1 K Luft,9 v,8,7,6 =3 K Molekylerna ( genomsntt) rör sg snabbare (mer rörelseenerg) vbrerar snabbare (mer vbratonsenerg) roterar snabbare (mer rotatonsenerg) vd högre temperatur emperatur är ett mått på ett systems förmåga att avge värme. otala energn bevaras vd kollsonen. För att bestämma en temperatur behövs en fördelnng, dvs nformaton från många molekyler.,5,4,3,2,1 =17 K Gbbs fra energ (G) G = H S G avgör rktnngen för en reakton. En tänkt reakton A + B C + D Om G = 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 DG = G(products) G (reactants) vd 298 K G n ( H n ( G f, ) f, ) n ( H n ( G f, f, ) ) n ( S ) n ( S ) produkter reaktanter G kan httas tabeller f,, H f,, S Med spontant menas rktnng för att uppnå termodynamsk stabltet, dt systemet strävar. 1

11 ermokemska data för vatten Är reaktonen 1 H O 2 1 H 2 O(g) spontan vd 298 K and.1 MPa? Lösnng: 1. Beräkna G = G(products) G (reactants) vd 298 K G n ( H n ( G f, ) f, ) n ( H n ( G f, f, ) ) n ( S ) n ( S ) produkter reaktanter G kan httas tabeller f,, H f,, S 1 H O 2 1 H 2 O (g) H f, 298 [kj/mol] S 298 [J/mol-K] G 298 = 1) ( ( )1-3 = kj G <, alltså är reaktonen spontan mot att blda vatten! Är detta korrekt? Aktverngsenerg Ett system strävar mot att mnmera G H E a 2 H 2 + O 2 H kj 2 H 2 O Gbbs fra energ (G) H 2 + ½ O 2 Gbbs fra energ (G) H 2 + ½ O 2 Gbbs fra energ (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 G = H S 11

12 Förbrännng förblandad flamma Produktgaskoncentratoner n C 3 H 8 /luftflamma C 3 H 8 O 2 N 2 CO 2 H 2 O N 2 f ~21-25 K 295 K ~3-5 m Produktgaskoncentratoner n C 3 H 8 /O 2 flamma Mer CO än CO 2 C 3 H 8 O 2 N 2 Sammanfattnng: Förbrännng förblandad flamma Mest CO 2 H 2 O N 2 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 S 4: emperaturen sunker. De kemska ämvkterna förskuts mot mer CO 2 och H 2 O. 12

13 Vätskeformga bränslen Vätskeformga bränslen brnner ALLID gasfas. Vätskan förångas och förbrännngen sker gasfas 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 Varför forska förbrännngsprocesser? förstå fenomen som detonaton, antändnng exploson, och brandsprdnng. lägre halter av förorenngar som sot och kväveoxder. 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! effektvare förbrännngsprocesser med lägre bränsleförbruknng. utveckla framtdens förbrännngsteknologer. 13

14 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: Olka flamtyper (förblandat, cke förblandat) påverkar förbrännngen. Förbrännng kan ske nom stora tryck och temperaturområden och bete sg olka på grund av detta. Graden av turbulens har stor nverkan på effektvtet och förorenngar. Fasta och vätskeformga bränslens struktur påverkar förbrännngen. hat s fantastc! I can t keep up wth all ths modern combuston technology! Hur sker vår energförsörnng? Framtden Hur ska energförsörnngen ske för den tunga basndustrn? Kan v flyga säkert, effektvt och rent utan förbrännng? Hur farlga är de nya deselmotorerna? Hur sker vår elförsörnng? Hur lagrar v el från ntermttenta källor som sol och vnd? Elblar naturlgt steg? Batterer tll vlken kostnad? Varfrån kommer elen? 14