Förbränning. En kort introduktion Christian Brackmann

Relevanta dokument
Förbränning. En kort introduktion Christian Brackmann

Förbränning. En kort introduktion Christian Brackmann

Förbränning. En kort introduktion Joakim Bood

Presentation av Förbränningsfysik

Projektarbeten på kursen i Fysik för C & D

Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 26/

Projektarbeten på kursen i Fysik för C & D

Projektarbeten på kursen i Fysik för C & D

Förbränningsmotorer. Per Tunestål

FBU, maj, Revinge. Thomas K Nilsson

Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 2/ Per-Erik Bengtsson Förbränningsfysik

Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 3/ Förbränningsfysik

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Innehåll. Energibalans och temperatur. Termer och begrepp. Mål. Hur mycket energi. Förbränning av fasta bränslen

Bränsleanalys och rökgaskalkyl. Oorganisk Kemi I Föreläsning

Kapitel 6. Termokemi

Bränsleanalys och rökgaskalkyl. Oorganisk Kemi I Föreläsning

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Kapitel 6. Termokemi

Innehåll. Energibalans och temperatur. Termer och begrepp. Mål. Squad task 1. Förbränning av fasta bränslen

Energibalans och temperatur. Oorganisk Kemi I Föreläsning

Kolmonoxidutsläpp från ett förbränningskraftverk. En rapport over studiebesök vid Oriketo förbränningskraftverk

Laboration i. Förbränning

Laboration i. Förbränning. Enoch Thulin-laboratoriet, hemvist för avdelningen för Förbränningsfysik sedan 2001.

Resultatlista Totalt Alla Klasser Treskerundan 2018

Avancerade kemiska beräkningar del 3. Niklas Dahrén

Bredd Junior Senior Deltävling 1 Deltävling 2 Deltävling 3 Deltävling 4 Deltävling 5 Deltävling 6 Totalt Placering Startnr Namn Klubb Heat 1 Heat 2

P Gymn U, SO 3000 M 1 Yavar Birandvand Idrottsgymnasiet Bollnäs 10.57,29 2 Alexander Lindholm Idrottsgymnasiet Bollnäs 13.02,72

KLASS L 15 KLASS L 15 STÅ

Order of Merit Herrar 2015, Göteborgs Golfförbund

Elit A Nr Namn Klubb Bil T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 Lägsta Näst 3:e Summa Lägsta

FSS-tävling Kristianstad Grundomgång 200 meter

VW Polo SMK Hörby 01:48,7 01:49,6 02:44,1 06:22,4 Anton Johansson. 01:47,8 01:46,7 02:37,6 06:12,1 Viktor Zettergren Helen Zettergren

Elden och dess natur. Förbränningsfysik 410

Grundläggande energibegrepp

JÄMTSMASHEN 2006 Klass 10: HSA

Utomhusstatistik Klippans FK 2005

ETE310 Miljö och Fysik

SWE CUP Elite Men Malmö Älvsjö Kungsbacka Hallstavik. Elite Women Malmö Älvsjö Kungsbacka Hallstavik

Maila eller ring /Petter Nilsson

Laboration i. Förbränning

Laboration i. Förbränning. Enoch Thulin-laboratoriet, hemvist för avdelningen för Förbränningsfysik sedan 2001.

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Miljöfordon. Fredrik Ohlsson Produktchef Norden

Kategori: Kat.3 Kat. 3

FMCK Borås Resultat division 2 VMFs - Deltävling 5 A-final

Bergvärme. Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. X är värmen i berggrundens grundvatten. med hjälp av värmepump.

Resultatlista Stjärnsvängen Klass:VOC Mekonomen A

Björksta Open 2006 Luftgevär Resultat L 7

Startlista Breddstafetten 2008 Sida

Resultatlista från VINTERSPELEN 26 JANUARI 2008

Patrik Johansson Öppen 140 Andreas Modin Öppen 134 Bengt Gunnarsson Öppen 132 Dick Gyllström Öppen 132 Peter Andersson Öppen 130 Kurt Söderberg Öppen

SKRIDSKOKLUBBEN TROLLHÄTTAN

Fredag 23/3 kl Lördag 24/3 kl Bana Namn Bana Namn 1 Simon Stål, HBC 1 Lars Olsson, BK Hammaren 1 Matti Persson, HBC 1 Daniel Ströbäck, BK

ETE310 Miljö och Fysik

Kapitel 3. Stökiometri. Kan utföras om den genomsnittliga massan för partiklarna är känd. Man utgår sedan från att dessa är identiska.

JÄMTSMASHEN HELG 1 Klass 1: HSA

Kap 6: Termokemi. Energi:

Serien Div 3 Norra Resultatlista. Heat 1 Reservlag Heat 1. Anslagen:...

ETE331 Framtidens miljöteknik

Storvretaloppet / UNT-Cupen OFFICIELL STARTLISTA

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

BRATTLÖFS CUP Midvintersprinten Silverrundan Lokabacken TOTALT. Utbildning

Svenskars rekord i NHL

ARBETSGIVANDE GASCYKLER

Seriematch 2, div. 3, i Karlshamn

KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi. KINETIK 2(2) A: Kap

GRUPP - 5 Börjar Kl: 08:30

GAS SOM ENERGIKÄLLA. Användes redan 900 f.kr. i Kina i lampor. Gas som sipprade fram ur marken togs omhand och transporterades i bamburör till byarna.

ETE331 Framtidens miljöteknik

Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. Elektricitet

Måndag. Bana: Grus 1 Bana: Grus 2 Bana: Plexi 1 Tränare: Olof Tränare: Peter Tränare: David olof/david

Aktivt kol från rötslam

Allmän kemi. Läromålen. Viktigt i kap 17. Kap 17 Termodynamik. Studenten skall efter att ha genomfört delkurs 1 kunna:

RANK UTDELNING I SFK7AN

HEDERSPRISER TV-PUCKEN Fet stil: 1964 Västerbotten 1971 Värmland 1978 Stockholm 1986 Stockholm 1994 Ångermanland

Kemi och energi. Exoterma och endoterma reaktioner

Resultatlista Snöserien Laxå MK B r e d d

Seriematch 2, div. 3, i Karlshamn

RESULTAT. Seniorer Robbin Eriksson Storfors MK Johan Hallgren Hagfors MK

SÄSONGSBÄSTA TIDER. och personligt rekord från tidigare säsong i klassindelning Pojkar till Herrar. P m

SydOstSmashen ProViva feb 2009

Biobränsle. Biogas. Effekt. Elektricitet. Energi

Cup-sammanställning -GEC- Gotland Enduro Championship 2018

Prislista Gärdscupen. Södra Gärds SKF. Inteckning vandringspris Stående Andrarum Brösarp 2003 Södra Gärds 2004

r c λ >1.1

Föreningsprodukter Cup OFFICIELLA RESULTAT

Resultat Kuljaktstig 21/ Korsberga JVF

RESULTAT DM 2013 Jämtkrafthallen, Ås, 9-10 november

Cadetti Utbildning NC Start nr Förnamn Efternamn Klubb PMS PMS VMF VMF LMS LMK UAK UAK JMK

SPARBANKEN GRIPEN CUP feb 2007

INLINEHOCKEYLEAGUE MATCHPROTOKOLL. mv Mattias Banérson Amar Zubcevic

Propan lönar sig! Dags att ersätta oljan!

Asarumsmashen mar 2006

Umeå Nordiska apr 2008

den 22 maj 2016 Golfhäftet Trophy 2016 RESULTATLISTA Plac Namn Klubb SHCP Klass Till par Total Sär.

Föreläsning 2.3. Fysikaliska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt S = k lnw

den 6 juli 2016 Pro s Prize RESULTATLISTA Plac Namn Klubb SHCP Klass Till par Total Sär.

Vilket av våra vanliga bilbränslen är mest miljövänligt? Klass 9c

25-meterbassäng 50 frisim 6 Strömberg, Johannes :24.95 Helsingborg

Transkript:

Förbränning En kort introduktion 2014-01-24 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)

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

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

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

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

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

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.

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 8 + 5 O 2 + 18.8 N 2 3 CO 2 + 4 H 2 O + 18.8 N 2 Exampel: Beräkna ekvivalensförhållandet för en blandning med molförhållandet 1:4 mellan propan och syre. 1 / 1 / 4 5 1.2

Mer om stökiometri Stökiometrisk förbränning av propan: 1 C 3 H 8 + 5 O 2 + 18.8 N 2 3 CO 2 + 4 H 2 O + 18.8 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 1 1 5 18.8 0.040 X propan = 0.040 blandningen stökiometrisk X propan < 0.040 blandningen bränsle-mager X propan > 0.040 blandningen bränsle-rik (fet) O 2 i avgaserna CO and H 2 i avgaserna

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).

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

Flamhastighet och adiabatisk flamtemperatur Bränsle Flamhastighet Adiabatisk flam- (m/s) temperatur (K) Alkaner Metan/luft 0.45 2225 Etan/luft 0.47 2260 Propan/luft 0.46 2267 Alkener Eten/luft 0.75 2370 Propen/luft 0.72 2334 Alkyner Etyn/luft 1.58 2539

Temperatur som funktion av f Temperature / K 2500 2000 1500 1000 500 0 Temperature in ethane-air flames 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 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.

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 0,00 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 Equivalence ratio H 2 Per-Erik Bengtsson

Signalintensitet (W/m 3 ) Svartkroppsstrålning (Planckstrålning) 4.5E+11 4E+11 T=1600K T=2000K Signal intensity (W/m 3 ) 3.5E+11 3E+11 2.5E+11 2E+11 1.5E+11 1E+11 5E+10 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 Våglängd Wavelength (nm) Synliga området Foto: Per-Erik Bengtsson

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

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)

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.

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

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