Adiabatické spalování

Adiabatické spalování - spalování probíhající při konstantním tlaku nebo objemu, při kterém nedochází ke ztrátám energie do okolí. Teplota adiabatického spalování je teplota produktů dosažená po dokončení chemických reakcí a ustavení termodynamické rovnováhy. Teplota adiabatického spalování při konstantním tlaku je nižší než teplota adiabatického spalování při konstantním objemu, protože v prvním případě je část energie vyrobené během reakce vynaložena na zvětšení objemu systému .

Ovlivňující faktory

Protože se chemické vlastnosti produktů spalování liší při různých tlacích okolního prostředí, je teplota spalování při konstantním nízkém tlaku obvykle omezena úrovní ionizace výsledného plynu. Různé typy paliv s různým spalným teplem a s různým molekulárním složením budou mít různé teploty spalování. V reálných systémech nedochází k úplnému spalování, protože chemické reakce vedou k disociaci složek a probíhají konečnou rychlostí , což mění poměr složek a neumožňuje dosažení úplné termodynamické rovnováhy.

Existuje velké množství programů pro výpočet teploty spalování s přihlédnutím k disociaci. Tyto programy využívají rovnovážné konstanty (Stanjan, NASA CEA, AFTP) nebo minimalizují termodynamické potenciály.

Běžné druhy paliv

Nejběžnějšími, každodenními palivy jsou organické sloučeniny a jejich směsi, jako je dřevo , vosk , tuky , různé plasty , přírodní a ropné plyny, benzín . Tabulka ukazuje teplotu adiabatického spalování těchto a dalších látek ve vzduchu a kyslíku za normálních podmínek (750,06 mm Hg a 25 ° C ), s poměrem blízkým jednotce (" ") palivo / okysličovadlo a za předpokladu, že tlak v systému zůstane v důsledku reakce nezměněn.

Teplota adiabatického spalování běžných materiálů při konstantním tlaku

Pohonné hmoty	Oxidátor	$T_{ad}$ (°C)
Acetylen (C 2 H 2 )	Vzduch	2500
Acetylen (C 2 H 2 )	Kyslík	3480
butan ( C4H10 ) _ _	Vzduch	1970
azurová ( C2N2 ) _ _	Kyslík	4525
Acetylenditrile ( C4N2 ) _ _	Kyslík	4990
Ethan ( C2H6 ) _ _	Vzduch	1955
vodík (H 2 )	Vzduch	2210
vodík (H 2 )	Kyslík	3200 [1]
metan (CH 4 )	Vzduch	1950
Zemní plyn	Vzduch	1960 [2]
Propan (C 3 H 8 )	Vzduch	1980
Propan (C 3 H 8 )	Kyslík	2526
plyn MAPP( methylacetylen , C 3 H 4 )	Vzduch	2010
plyn MAPP( methylacetylen , C 3 H 4 )	Kyslík	2927
Dřevo	Vzduch	1980
Petrolej	Vzduch	2093 [3]
lehký olej	Vzduch	2104 [3]
destilované palivo	Vzduch	2101 [3]
topný olej	Vzduch	2102 [3]
Uhlí	Vzduch	2172 [3]
Antracit	Vzduch	2180 [3]
Antracit	Kyslík	≈2900 [viz 1]

↑ Teplota rovna ≈3200 K odpovídá 50 % chemické disociace CO 2 při tlaku 1 atm . Tato hodnota zůstává konstantní během adiabatického spalování a CO 2 je 97 % výtěžku spalovací reakce antracitu v kyslíku . Vyšší teploty této reakce by měly být pozorovány při vyšších tlacích (až 3800 K a výše, viz Jongsup Hong et al Archived 12. listopadu 2011 na Wayback Machine , str . 8 ).

Termodynamika

První termodynamický zákon pro izolovaný systém lze napsat jako:

{}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R}

kde a teplo a práce, v tomto pořadí, které byly vyrobeny během procesu, a a jsou vnitřní energie reaktantů a výsledky reakce. Pokud předpokládáme, že při adiabatickém spalování zůstává objem nezměněn, pak proces neprodukuje práci , ${}_{R}Q_{P}$ ${}_{R}W_{P}$ ${\displaystyle U_{R))$ ${\displaystyle U_{P))$

{}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=0

a nedochází k žádným tepelným ztrátám, protože se předpokládá, že proces je adiabatický : . V důsledku toho se vnitřní energie reakčních produktů shoduje s vnitřní energií reaktantů: . Protože se jedná o izolovaný systém, hmotnost produktů a reaktantů je konstantní a první zákon lze zapsat v následujícím tvaru: ${}_{R}Q_{P}=0$ $U_{P}=U_{R}$

{\displaystyle U_{P}=U_{R}\Šipka doprava m_{P}u_{P}=m_{R}u_{R}\Šipka doprava u_{P}=u_{R))

Za předpokladu, že tlak zůstává konstantní během adiabatického spalování, pak za vykonanou práci lze výraz zapsat jako,

{}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=p\left({V_{P}-V_{R}}\right)

Vzhledem k tomu, že v adiabatickém procesu nedochází k žádným tepelným ztrátám , získáme z prvního zákona, že ${}_{R}Q_{P}=0$

-p\left({V_{P}-V_{R}}\right)=U_{P}-U_{R}\Šipka doprava U_{P}+pV_{P}=U_{R}+pV_ {R}

Protože z definice entalpie a v izolovaném systému je hmotnost produktů a reaktantů konstantní, první zákon má následující podobu: $H_{P}=H_{R}$

{\displaystyle H_{P}=H_{R}\Šipka doprava m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\Šipka doprava h_{P}=h_{R))

Teplota adiabatického spalování při konstantním tlaku je tedy menší než při konstantním objemu, což je v prvním případě způsobeno nutností vykonat práci na zvětšení objemu.

Za předpokladu, že dojde k úplnému spalování a jsou splněny stechiometrické podmínky složek nebo je přebytek oxidačního činidla, lze pro výpočet teploty spalování použít následující vzorec:

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\doleva({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}\vpravo)\do \nu _{1 }{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{ 3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{4}{\rm {O}}_{\rm {2}}

Přesný poměr složek neposkytuje dostatek proměnných pro výpočty, protože a jsou vyžadovány pro dosažení molární rovnováhy - posledně uvedené sloučeniny jsou nejčastějšími produkty nedokonalého spalování bohaté směsi. $CO$ $H_2$

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\doleva({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}\vpravo)\do \nu _{1 }{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{ 3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{5}{\rm {CO}}+\nu _{6}{\rm {H}}_{\rm { 2}}

Pokud však vezmeme v úvahu výměnnou reakci mezi oxidem uhličitým a vodou

{\rm {CO}}_{\rm {2}}+H_{2}\Šipka doleva {\rm {CO}}+{\rm {H}}_{\rm {2}}{\ rm{O}}

a použít pro tuto reakci rovnovážnou konstantu , pak bude výsledný počet proměnných stačit k určení teploty.

Moderní softwarové balíky pro termodynamické výpočty umožňují najít adiabatickou teplotu jako výsledek numerického řešení problému maximalizace entropie při daném tlaku a entalpii systému (daném objemu a vnitřní energii). V tomto případě se přirozeně počítá s disociací zplodin hoření (při vhodném výběru komponent, které systém tvoří). Numerické řešení je značně zjednodušeno, když je závislost entropie systému na teplotě konvexní. To vyžaduje nezápornost derivace měrného tepla při konstantním tlaku vzhledem k teplotě (provádí se téměř vždy, proto lze pro programování výpočtu adiabatické teploty použít standardní algoritmy z teorie konvexního programování).

Viz také

adiabatický proces
Dieselový cyklus (cyklus konstantního tlaku)
Ottoův cyklus (cyklus konstantního objemu)

Poznámky

↑ Teploty plamene Archivováno 17. dubna 2014 na Wayback Machine
↑ North American Combustion Handbook, svazek 1, 3. vydání, North American Mfg Co., 1986. Archivováno 16. července 2011 na Wayback Machine
↑ 1 2 3 4 5 6 Prezentace v Power Pointu: Teplota plamene Archivováno 17. července 2011 na Wayback Machine , Hsin Chu, Katedra environmentálního inženýrství, Národní univerzita Cheng Kung , Tchaj-wan

Odkazy

(anglicky) Babrauskas, Vytenis Teploty v plamenech a požárech . Fire Science and Technology Inc. (25. února 2006). Datum přístupu: 27. ledna 2008. Archivováno z originálu 17. května 2012. (neurčitý)
(anglicky) Výpočet teploty adiabatického plamene
(anglicky) Adiabatická teplota plamene
(anglicky) Adiabatic Flame Temperature . Inženýrský Toolbox . Datum přístupu: 27. ledna 2008. Archivováno z originálu 17. května 2012. (neurčitý) adiabatická teplota plamene vodíku, metanu, propanu a oktanu s kyslíkem nebo vzduchem jako oxidanty
(Česky) Teploty plamene pro některé běžné plyny . Inženýrský Toolbox . Datum přístupu: 27. ledna 2008. Archivováno z originálu 17. května 2012. (neurčitý)
(anglicky) Teplota modrého plamene a běžných materiálů
Online kalkulačka teploty adiabatického plamene pomocí Cantera
(anglicky) Program teploty adiabatického plamene
(anglicky) Gaseq , program pro provádění výpočtů chemické rovnováhy.
Flame Temperature Calculator - Konstantní tlak bipropelantu adiabatické spalování
(anglicky) Kalkulačka teploty adiabatického plamene