Adiabatsko zgorevanje

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje

Adiabatsko zgorevanje je zgorevanje, ki poteka pri konstantnem tlaku ali prostornini, pri katerem ni izgube energije v okolje. Adiabatna temperatura zgorevanja je temperatura produktov, doseženih, ko so kemične reakcije končane in je vzpostavljeno termodinamično ravnotežje. Temperatura adiabatnega zgorevanja pri konstantnem tlaku je nižja od temperature adiabatnega zgorevanja pri konstantni prostornini, saj se v prvem primeru del energije, proizvedene med reakcijo, porabi za povečanje prostornine sistema .

Vplivni dejavniki

Ker se kemične lastnosti produktov zgorevanja razlikujejo pri različnih vrednostih zunanjega tlaka, je temperatura zgorevanja pri konstantno nizkem tlaku običajno omejena s stopnjo ionizacije nastalega plina. Različne vrste goriv z različnimi toplotami zgorevanja in z različnimi molekularnimi sestavami bodo imele različne temperature zgorevanja. Popolnega izgorevanja v realnih sistemih ne pride, saj kemične reakcije vodijo do disociacije komponent in potekajo s končno hitrostjo , kar spremeni razmerje komponent in ne omogoča doseganja popolnega termodinamičnega ravnovesja.

Obstaja veliko programov za izračun temperature zgorevanja ob upoštevanju disociacije. Ti programi uporabljajo ravnotežne konstante (Stanjan, NASA CEA, AFTP) ali minimizirajo termodinamične potenciale.

Pogoste vrste goriv

Diagram molekule propana
Diagram oktanskih molekul (glej bencin ).

Najpogostejša, vsakodnevno uporabljena goriva so organske spojine in njihove mešanice, kot so les , vosek , maščobe , različne plastike , zemeljski in naftni plini ter bencin . Tabela prikazuje adiabatno temperaturo zgorevanja teh in drugih snovi v zraku in kisiku v normalnih pogojih (750,06 mm Hg in 25 °C ), z razmerjem blizu enote (" ») (angleščina) gorivo / oksidant in pod pogojem, da sistemski tlak ostane nespremenjen kot posledica reakcije.

Temperatura adiabatnega zgorevanja običajnih materialov pri konstantnem tlaku
Gorivo Oksidacijsko sredstvo (°C)
Acetilen (C 2 H 2 ) Zrak 2500
Acetilen (C 2 H 2 ) Kisik 3480
Butan (C 4 H 10 ) Zrak 1970
cian (C 2 N 2 ) Kisik 4525
Acetilen dinitril (C 4 N 2 ) Kisik 4990
etan (C 2 H 6 ) Zrak 1955
vodik (H 2 ) Zrak 2210
vodik (H 2 ) Kisik 3200 [1]
metan (CH 4 ) Zrak 1950
Zemeljski plin Zrak 1960 [2]
propan (C 3 H 8 ) Zrak 1980
propan (C 3 H 8 ) Kisik 2526
MAPP-Gas (angleščina) ( metilacetilen , C 3 H 4 ) Zrak 2010
MAPP-Gas (angleščina) ( metilacetilen , C 3 H 4 ) Kisik 2927
Les Zrak 1980
kerozin Zrak 2093 [3]
Svetlo olje Zrak 2104 [3]
Destilat gorivo (eng.) Zrak 2101 [3]
Kurilno olje Zrak 2102 [3]
Premog Zrak 2172 [3]
antracit Zrak 2180 [3]
antracit Kisik ≈2900 [glej 1]
  1. Temperatura ≈3200 K ustreza 50 % kemične disociacije CO 2 pri tlaku 1 atm . Zadnja vrednost ostane konstantna med adiabatnim zgorevanjem, CO 2 pa predstavlja 97 % izkoristka reakcije zgorevanja antracita v kisiku . Višje temperature za to reakcijo je treba opazovati pri višjih tlakih (do 3800 K in več, glej Jongsup Hong et al , stran 8 ).

Termodinamika

Prvi zakon termodinamike za izoliran sistem lahko zapišemo kot:

kje, in toplota oziroma delo, ki sta nastali med postopkom, in in - notranja energija reagentov in rezultati reakcij. Če predpostavimo, da med adiabatskim zgorevanjem prostornina ostane nespremenjena, potem proces ne opravi dela ,

in ne pride do izgube toplote, saj se domneva, da je proces adiabatski : ... Posledično notranja energija reakcijskih produktov sovpada z notranjo energijo reaktantov: ... Ker je to izoliran sistem, je masa produktov in reagentov konstantna in prvi zakon lahko zapišemo takole:

...

Če predpostavimo, da tlak med adiabatskim zgorevanjem ostane nespremenjen, potem lahko za opravljeno delo izraz zapišemo kot:

Ker v adiabatnem procesu ni izgub toplote , iz prvega zakona to dobimo

Ker iz definicije entalpije , in v izoliranem sistemu je masa produktov in reagentov konstantna, prvi zakon ima naslednjo obliko:

...

Tako je adiabatna temperatura zgorevanja pri konstantnem tlaku nižja kot pri konstantni prostornini, kar je v prvem primeru povezano s potrebo po opravljanju dela za povečanje prostornine.

Če predpostavimo, da pride do popolnega zgorevanja in so izpolnjeni stehiometrični pogoji komponent ali da je oksidant presežek, lahko za izračun temperature zgorevanja uporabimo naslednjo formulo:

Natančno razmerje komponent ne zagotavlja dovolj spremenljivk za izračune, saj je za doseganje molskega ravnovesja potrebno in - slednje spojine so najpogostejši produkti nepopolnega zgorevanja bogate mešanice.

Če pa upoštevamo reakcijo izmenjave med ogljikovim dioksidom in vodo

in za to reakcijo uporabite ravnotežno konstanto , potem bo posledično število spremenljivk zadostovalo za določitev temperature.

Sodobni programski paketi za termodinamične izračune omogočajo iskanje adiabatske temperature kot rezultat numerične rešitve problema maksimiranja entropije pri danem tlaku in entalpiji sistema (dani prostornini in notranji energiji). V tem primeru se seveda upošteva disociacija produktov zgorevanja (z ustrezno izbiro komponent, ki sestavljajo sistem). Številčna rešitev je močno poenostavljena s konveksno temperaturno odvisnostjo entropije sistema. To zahteva nenegativnost izvoda specifične toplote pri konstantnem tlaku glede na temperaturo (to je skoraj vedno izpolnjeno, zato je za programsko izvedbo izračuna adiabatske temperature mogoče uporabiti standardne algoritme iz teorije konveksnega programiranja ).

Poglej tudi

Opombe (uredi)

Povezave