Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 26/

Transkript

1 Föreläsning Termodynamik och Förbränning 26/

2 Projektstart Projekt: Förbränningsfysik För alla projekt i Förbränning, samling på torsdag 27/10 kl i E421. För vägbeskrivning till E421 se instruktionen på laborationshäftet. Denna sal (E421) ligger alldeles bredvid E420 där laborationsgenomgångarna kommer att hållas. Projekt: Kärnfysik För alla projekt i Kärnfysik, samling på torsdag 27/10 kl i H530. Projekt: Matematisk Fysik För projekt i Matematisk Fysik sker projektstart efter information via mail. Bokning av Laboration i Förbränning 12 laborationstider mellan 30/10 och 14/11. Måndag 31/ , Tisdag 1/ , Onsdag 2/ , Onsdag 2/ , Fredag 4/ , Måndag 7/ , Tisdag 8/ , Onsdag 9/ , Onsdag 9/ , Fredag 11/ , Måndag 14/ Bokning sker på tavlan utanför expeditionen (trapphallen) fram till och med fredagen den 28 oktober kl. 17 därefter finns listan vid rum E314 i Enoch Thulinlaboratoriet. För att garanteras plats på laborationen ska bokning ha skett senast den 31 oktober kl 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. Tre beräkningsuppgifter (i laborationsinstruktionen) ska lämnas in tillsammans med rapporten. Samling inför laborationerna sker i E420, se information på laborationshandledningens framsida. Inlämning av rapport sker inom en vecka från laborationstillfället i inlämningsfack märkt Per- Erik Bengtsson längst ner i trapphallen Återlämning sker inom en vecka från inlämningen. 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 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 Praktiska bränslen Exempel på turbulent förbränning Verktyg Teoretiska modeller 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 Bränsle + luft Förbränning i bensinmotor Insugsrör Avgasrör Tändstift Kolv Cylinder 5

6 Lektionens innehåll 1 Definitioner Frigjord energi Värmevärdeä H (entalpi) 2 Adiabatisk flamtemperatur H Vad är temperatur? C p (värmekapacitet) Molekylers rotationer och vibrationer 3 Gassammansättning H Kemisk jämvikt S (entropi) G (Gibbs fria energi) 4 Förbränning ur termodynamisk synpunkt Förbränning av vätgas med syrgas 2 H O 2 2 H 2 O k = A T n exp(-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

7 Förbränning av metan 1 CH O 2 1 CO H 2 O 149 reaktioner för metanoxidation Hur många behövs för ett verkligt bränsle? 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 (not 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 0 =0.1 MPa. 7

8 Standardbildningsentalpi Entalpin för N 2, O 2, H 2 och C s,grafit vid referensförhållandet ges värdet 0, dvs H=0 Från denna definition kan standardbildningsentalpin H 0 ges för alla andra ämnen. H 0 f, 298 Entalpi, H H 2, O 2, N 2, C s, grafit. H0 f, 298 C 3 H 8 H 2 O (l) kj/mole kj/mole Tabell 1. Standardbildningsentalpin, H 0 f, 298, för olika ämnen (p 0 =0.1 MPa, T 0 =298 K) H 0 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 0 N 2 kvävgas 0 H 2 vätgas 0 C grafit (s) kol, grafit 0 SO svavelmonoxid 5.01 NO 2 kvävedioxid C 2 H 4 etylen (eten) NO kväveoxid H väte C 2 H 2 acetylen (etyn) O syre C(g) kol, gasfas

9 Tabell A.7 Termokemiska data för vatten (H 2 O) ideal gas. molvikt T r = K. Referenstryck = p 0 =0.1 MPa C 0 p S 0 H 0 -H 0 (T r ) f H 0 f G 0 T K J/molK J/molK kj/mol kj/mol kj/mol Ur NY TEKNIK Bränslens energiinnehåll = värmevärde 9

10 C p uttryckt som polynom i temperatur 10

11 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 = molekylmassa (kg) T = temperatur (K) 1. Argon vid temperaturen 300 K v 400 m/s Atomstorlek: Fri medelväglängd : Kollisionsfrekvens: Tid mellan kollisioner: 1 Å 1 m 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 = molmassa (g) T = temperatur (K) 1. Kvävgas vid temperaturen 300 K v = 500 m/s Molekylstorlek: 2Å Fri medelväglängd : 0,3 m Kollisionsfrekvens: per sekund Tid mellan kollisioner: 0.6 ns 2. Det finns ytterligare frihetsgrader: rotationer och vibrationer 11

12 Rotationer och vibrationer 0,09 Nitrogen (N 2 ) Energinivådiagram för diatomär moleyl Relativ po pulation 0,08 0,07 0,06 T=300 K 0,05 0,04 0,03 T=1700 K 0,02 0, Rotationskvanttal J J v=1 v=1 v=0 Internukleärt avstånd ion Relativ populati 1 0,9 08 0,8 0,7 0,6 v=0 0,5 v=1 0,4 0,3 v=2 0,2 0, Temperatur (K) Värmekapacitet, Cp Cp / J mol -1 K N2 O2 CO2 H2O Ar Temperatur / K 12

13 l Temperaturmätning i motor T=490 K Signal T=706 K Energi Upphettning av koldioxid 100% 90% 80% Koncentration 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% CO O O O 2 CO 2 0% Temperatur / K 13

14 Upphettning av vatten 100% 90% 80% H 2 O 70% Koncentration 60% 50% 40% 30% 20% 10% O 2 OH H 2 H O 0% Temperatur / K 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) <0 reaktionen går spontant t åt höger >0 reaktionen går spontant åt vänster 14

15 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, >2000 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. Produktgaskoncentrationer in C 3 H 8 /luftflamma 15

16 Produktgaskoncentrationer in C 3 H 8 /O 2 -flamma Det är lätt att få något att brinna, men att göra det miljövänligt och effektivt kräver kunskap inom många vetenskapliga områden! Vihar enbart gjorten termodynamiskbetraktelse 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! 16