Förbränning En kort introduktion 2015-01-22 Christian Brackmann Christian.Brackmann@forbrf.lth.se
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)
Global energianvändning Global energianvändning Nya och förnyelsebara källor Organiska och fossila källor Joakim Bood
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
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
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
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
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
Förbränningskemi Stökiometrisk förbränning av metan: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 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
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
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
Projektarbete Förbränning - Bränslen Biobränslen CO 2 -neutrala över lång tid Olika bränslen och förädlingstekniker Distribution Miljöpåverkan Vätgasförbränning Energikälla-energibärare Bränsleceller Miljöpåverkan Christian Brackmann
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
Tidslinje för projektarbete
Projektarbeten Förbränning grupper Biobränslen (FF1-FF4) Sven-Inge Möller Vätgasförbränning (FF5,FF6) Elna Heimdal Nilsson Fordon (FF7-FF10) Christian Brackmann Utsläpp (FF11,FF13) Elna Heimdal Nilsson FF1 Henrik Bilski FF5 Per-Victor Persson FF7 Johannes Nilsson FF11 Johan Bäckström Anthony Smith Hans Rietz Emir Husic Fredrik Karåker Sundström Carl Tidelius Axel Friberg Jameel Habbosh Henrik Edlund FF2 Joakim Ysing FF6 Ludvig Rappe FF8 Alexander Lindgren FF13 Ludvik Brodl Oscar Gunnesson Andreas Coroiu Mikael Nilsson Jakob Krantz Kalle Elmér Samuel Johansson Filip Bontin Axel Larsson FF3 Lukas Brandt Brune Joacim Åström Kasper Bratz FF4 Johan Nilsson Christine Boghammar Erik Söderberg FF9 Hampus Altvall Nikola Nikolic Fredrik Sydvart FF10 Philip Pedersen Kasper Bratz Erik Munkby