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 Människan har använt förbränning sedan urminnes tider Tidiga användningsområden Generera värme Generera ljus Matlagning Bearbeta metaller

4 Global energianvändning Global energianvändning Nya och förnyelsebara källor Organiska och fossila källor

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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.

10 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 reaktionsformeln 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 / 1 /

11 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

12 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).

13 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

14 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

15 Temperatur som funktion av f Temperature / K Temperature in ethane-air flames Equivalence ratio Den högsta temperaturen i en förblandad kolväte/luft-flamma ligger typiskt nära stökimetrisk blandning (f = 1). 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.

16 Ämneskoncentrationer i produktgasen Från = 1 ökar CO och H 2 koncentrationerna markant med ökande. 0,09 0,08 0,07 Concentrations in ethane-air flame O 2 CO 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 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0, Equivalence ratio H 2 Per-Erik Bengtsson

17 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

18 Emissionsintensitet Kemilumeniscens 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 kemilumeniscens. Våglängd (nm) Till skillnad från Planckstrålningen är denna emission smalbandig (förekommer bara på vissa bestämda färger). Per-Erik Bengtsson

19 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)

20 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.

21 Projektarbete Förbränning - Bränslen Biobränslen CO 2 -neutrala över lång tid Olika bränslen och förädlingstekniker Distribution Miljöpåverkan Vätgasförbränning Energikälla-energibärare Bränsleceller Miljöpåverkan Christian Brackmann

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

24 Projektarbeten Förbränning grupper Biobränslen (FF1-FF5) Sven-Inge Möller Vätgasförbränning (FF6,FF7) Elna Heimdal-Nilsson FF1 Erik Alstersjö FF6 Filip Gummesson FF8 Victor Ecéus Fordon (FF8-FF11) Christian Brackmann Rebecka Alves-Martins Thomas Strahl Christoffer Tott Persson Emil Persson Kristoffer Hilmersson Petter Henriksson Carolina Sartorius Martin Gunnarsson FF2 Hanna Björgvinsdottir FF7 Victor Sannum FF9 Gustav Lundsgård Robin Seibold Rickard Johansson Victor Nedström Alexander Wormbs Daniel Ohlsson Olof Knape FF3 Fredrik Carlström Axel Ahlbeck Johan Henriksson Anton Jakobsson FF4 Emil Jönsson Victor Johnsson Bernt Christenssen FF10 Sven Elfgren Mergim Rama Daniel Jankovic Klas Sonesson FF11 Artur Matulaniec Niklas Jonsson Jonny Karlsson Springare Emil Apelgren Jonas Jacobsson Fredrik Paulsson Simon Kopljar FF5 Charlotte Leifland Fredrik Lindholm Fredrik Helander Jonathan Knorn