Adiabaattinen palaminen

Adiabaattinen palaminen - palaminen , joka tapahtuu vakiopaineessa tai tilavuudessa, jossa ei tapahdu energian menetystä ympäristölle. Adiabaattinen palamislämpötila on tuotteiden lämpötila, joka saavutetaan, kun kemialliset reaktiot ovat päättyneet ja termodynaaminen tasapaino on saavutettu. Adiabaattinen palamislämpötila vakiopaineessa on alhaisempi kuin adiabaattinen palamislämpötila vakiotilavuudessa, koska ensimmäisessä tapauksessa osa reaktion aikana tuotetusta energiasta käytetään järjestelmän tilavuuden lisäämiseen .

Vaikuttavat tekijät

Koska palamistuotteiden kemialliset ominaisuudet vaihtelevat eri ympäristön paineissa, palamislämpötilaa jatkuvassa matalassa paineessa rajoittaa yleensä syntyvän kaasun ionisaatiotaso . Erityyppisillä polttoaineilla, joilla on eri palamislämmöt ja erilainen molekyylikoostumus, on erilaiset palamislämpötilat. Täydellistä palamista ei tapahdu todellisissa järjestelmissä, koska kemialliset reaktiot johtavat komponenttien dissosioitumiseen ja tapahtuvat äärellisellä nopeudella , mikä muuttaa komponenttien suhdetta eikä mahdollista täydellistä termodynaamista tasapainoa.

Palamislämpötilan laskemiseen on olemassa suuri määrä ohjelmia, joissa otetaan huomioon dissosiaatio. Nämä ohjelmat käyttävät tasapainovakioita (Stanjan, NASA CEA, AFTP) tai minimoivat termodynaamiset potentiaalit.

Yleisimmät polttoainetyypit

Yleisimpiä päivittäisiä polttoaineita ovat orgaaniset yhdisteet ja niiden seokset, kuten puu , vaha , rasvat , erilaiset muovit , luonnon- ja öljykaasut , bensiini . Taulukossa on esitetty näiden ja muiden aineiden adiabaattinen palamislämpötila ilmassa ja hapessa normaaleissa olosuhteissa (750,06 mm Hg ja 25 °C ) suhteella , joka on lähellä yksikköä (" ") polttoaine / hapetin ja edellyttäen, että järjestelmän paine pysyy muuttumattomana reaktion seurauksena.

Tavallisten materiaalien adiabaattinen palamislämpötila vakiopaineessa

Polttoaine	Hapettaja	$T_{ad}$ (°C)
Asetyleeni (C 2 H 2 )	ilmaa	2500
Asetyleeni (C 2 H 2 )	Happi	3480
Butaani (C 4 H 10 )	ilmaa	1970
syaani (C 2 N 2 )	Happi	4525
Asetyleeninitriili (C 4 N 2 )	Happi	4990
Etaani (C 2 H 6 )	ilmaa	1955
Vety (H 2 )	ilmaa	2210
Vety (H 2 )	Happi	3200 [1]
Metaani (CH 4 )	ilmaa	1950
Maakaasu	ilmaa	1960 [2]
Propaani (C 3 H 8 )	ilmaa	1980
Propaani (C 3 H 8 )	Happi	2526
MAPP kaasu( Metyyliasetyleeni , C 3 H 4 )	ilmaa	2010
MAPP kaasu( Metyyliasetyleeni , C 3 H 4 )	Happi	2927
Puu	ilmaa	1980
Kerosiini	ilmaa	2093 [3]
kevyt öljy	ilmaa	2104 [3]
tislepolttoainetta	ilmaa	2101 [3]
polttoöljy	ilmaa	2102 [3]
Hiili	ilmaa	2172 [3]
Antrasiitti	ilmaa	2180 [3]
Antrasiitti	Happi	≈ 2900 [katso 1]

↑ Lämpötila, joka vastaa ≈3200 K , vastaa 50 % CO 2 :n kemiallisesta dissosiaatiosta 1 atm :n paineessa . Jälkimmäinen arvo pysyy vakiona adiabaattisen palamisen aikana, ja CO 2 on 97 % antrasiitin palamisreaktion saannosta hapessa . Tämän reaktion korkeampia lämpötiloja tulee havaita korkeammissa paineissa (3 800 K :iin ja yli, katso Jongsup Hong et al . Arkistoitu 12. marraskuuta 2011, Wayback Machine , s . 8 ).

Termodynamiikka

Eristetyn järjestelmän termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö voidaan kirjoittaa seuraavasti:

{\displaystyle {}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R))

jossa prosessin aikana tuotettu lämpö ja työ, ja ovat lähtöaineiden sisäinen energia ja reaktion tulokset. Jos oletetaan, että adiabaattisen palamisen aikana tilavuus pysyy muuttumattomana, prosessi ei tuota työtä , ${\näyttötyyli {}_{R}Q_{P}}$ ${\näyttötyyli {}_{R}W_{P}}$ ${\näyttötyyli U_{R))$ ${\näyttötyyli U_{P))$

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

ja lämpöhäviötä ei tapahdu, koska prosessin oletetaan olevan adiabaattinen : . Tämän seurauksena reaktiotuotteiden sisäinen energia osuu yhteen lähtöaineiden sisäisen energian kanssa: . Koska tämä on eristetty järjestelmä, tuotteiden ja lähtöaineiden massa on vakio ja ensimmäinen laki voidaan kirjoittaa seuraavassa muodossa: ${}_{R}Q_{P}=0$ $U_{P}=U_{R}$

{\displaystyle U_{P}=U_{R}\Rightarrow m_{P}u_{P}=m_{R}u_{R}\Rightarrow u_{P}=u_{R))

Olettaen, että paine pysyy vakiona adiabaattisen palamisen aikana, voidaan tehdylle työlle lauseke kirjoittaa seuraavasti:

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

Koska adiabaattisessa prosessissa ei ole lämpöhäviötä , saamme ensimmäisestä laista, että ${}_{R}Q_{P}=0$

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

Koska entalpian määritelmästä ja eristetyssä järjestelmässä tuotteiden ja lähtöaineiden massa on vakio, ensimmäinen laki on seuraavanlainen: $H_{P}=H_{R}$

{\displaystyle H_{P}=H_{R}\Rightarrow m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\Rightarrow h_{P}=h_{R))

Siten adiabaattinen palamislämpötila vakiopaineessa on pienempi kuin vakiotilavuudessa, mikä johtuu tarpeesta tehdä työtä tilavuuden lisäämiseksi ensimmäisessä tapauksessa.

Olettaen, että täydellinen palaminen tapahtuu ja komponenttien stoikiometriset ehdot täyttyvät tai hapettimia on liikaa, voidaan palamislämpötilan laskemiseen käyttää seuraavaa kaavaa:

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\oikea)\to \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}}

Tarkka komponenttien suhde ei anna riittävästi muuttujia laskelmia varten, koska ja niitä tarvitaan molaarisen tasapainon saavuttamiseksi - jälkimmäiset yhdisteet ovat yleisimpiä rikkaan seoksen epätäydellisen palamisen tuotteita. $CO$ $H_2$

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\oikea)\to \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}}

Kuitenkin, jos otamme huomioon hiilidioksidin ja veden välisen vaihtoreaktion

{\rm {CO}}_{\rm {2}}+H_{2}\Leftrightarrow {\rm {CO}}+{\rm {H}}_{\rm {2}}{\ rm{O}}

ja käytä tasapainovakiota tähän reaktioon, niin tuloksena oleva muuttujien lukumäärä on riittävä lämpötilan määrittämiseen.

Nykyaikaiset ohjelmistopaketit termodynaamisia laskelmia varten mahdollistavat adiabaattisen lämpötilan löytämisen numeerisen ratkaisun tuloksena entropian maksimointiongelmaan tietyllä paineella ja järjestelmän entalpialla (annettu tilavuus ja sisäinen energia). Tässä tapauksessa palamistuotteiden dissosiaatio otetaan luonnollisesti huomioon (asianmukaisella järjestelmän muodostavien komponenttien valinnalla). Numeerinen ratkaisu yksinkertaistuu suuresti, kun järjestelmän entropian riippuvuus lämpötilasta on kupera. Tämä edellyttää ominaislämmön derivaatan ei-negatiivisuutta vakiopaineessa lämpötilan suhteen (se suoritetaan lähes aina, joten adiabaattisen lämpötilan laskentaan voidaan ohjelmoida konveksin ohjelmoinnin teorian standardialgoritmeja).

Katso myös

adiabaattinen prosessi
Dieselsykli (vakiopainejakso)
Otto- sykli (vakiovolyymisykli)

Muistiinpanot

↑ Liekin lämpötilat Arkistoitu 17. huhtikuuta 2014 Wayback Machinessa
↑ North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986. Arkistoitu 16. heinäkuuta 2011 Wayback Machinessa
↑ 1 2 3 4 5 6 Power Point -esitys: Flame Temperature Arkistoitu 17. heinäkuuta 2011 Wayback Machinessa , Hsin Chu, ympäristötekniikan laitos, National Cheng Kung University , Taiwan

Linkit

(Suomi) Babrauskas, Vytenis Lämpötilat liekeissä ja tulipaloissa . Fire Science and Technology Inc. (25. helmikuuta 2006). Käyttöpäivä: 27. tammikuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 17. toukokuuta 2012. (määrätön)
(Suomi) Adiabaattisen liekin lämpötilan laskeminen
(Suomi) Adiabaattinen liekin lämpötila
(Suomi) Adiabaattisen liekin lämpötila . Suunnittelutyökalupakki . Käyttöpäivä: 27. tammikuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 17. toukokuuta 2012. (määrätön) vedyn, metaanin, propaanin ja oktaanin adiabaattinen liekin lämpötila hapen tai ilman kanssa hapettimina
(Suomi) Liekin lämpötilat joillekin yleisille kaasuille . Suunnittelutyökalupakki . Käyttöpäivä: 27. tammikuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 17. toukokuuta 2012. (määrätön)
(Suomi) Sinisen liekin lämpötila ja yleiset materiaalit
Online -adiabaattinen liekin lämpötilalaskin Canteralla
(Suomi) Adiabaattinen liekin lämpötilaohjelma
(englanniksi) Gaseq , ohjelma kemiallisen tasapainon laskelmien suorittamiseen.
Liekin lämpötilalaskin – vakiopaineinen bipropellantinen adiabaattinen poltto
(Suomi) Adiabaattinen liekin lämpötilalaskin