Forbrænding - Combustion

De flammer forårsaget som følge af en brændstof undergår forbrænding (forbrænding)

Forbrænding eller forbrænding er en kemisk reaktion ved eksoterm redox ved høj temperatur mellem et brændstof (reduktionsmidlet) og en oxidant , normalt atmosfærisk ilt , der producerer oxiderede, ofte gasformige produkter, i en blanding kaldet røg . Forbrænding resulterer ikke altid i brand , fordi en flamme kun er synlig, når stoffer, der undergår forbrænding, fordamper, men når den gør det, er en flamme en karakteristisk indikator for reaktionen. Selvom aktiveringsenergien skal overvindes for at starte forbrænding (f.eks. Ved at bruge en tændt tændstik til at tænde en brand), kan varmen fra en flamme give nok energi til at gøre reaktionen selvbærende. Forbrænding er ofte en kompliceret sekvens af elementære radikale reaktioner . Faste brændstoffer , såsom træ og kul , gennemgår først endoterm pyrolyse for at producere gasformige brændstoffer, hvis forbrænding derefter leverer den varme, der kræves for at producere flere af dem. Forbrænding er ofte varm nok, at glødelamper lys i form af enten glødende eller en flamme produceres. Et simpelt eksempel kan ses i forbrændingen af brint og ilt i vand damp , en reaktion, der almindeligvis anvendes til brændsel raketmotorer . Denne reaktion frigiver 242 kJ / mol varme og reducerer entalpien i overensstemmelse hermed (ved konstant temperatur og tryk):  

2 H
2
(g) + O
2
(g) → 2 H
2
O
(g)

Forbrænding af et organisk brændstof i luft er altid eksotermisk, fordi dobbeltbindingen i O 2 er meget svagere end andre dobbeltbindinger eller par enkeltbindinger, og derfor dannelsen af ​​de stærkere bindinger i forbrændingsprodukterne CO
2
og H.
2
O
resulterer i frigivelse af energi. Bindingsenergierne i brændstoffet spiller kun en mindre rolle, da de ligner dem i forbrændingsprodukterne; f.eks. er summen af bindingsenergierne for CH 4 næsten den samme som CO
2
. Den forbrændingsvarme er ca. -418 kJ per mol O 2 opbrugt i forbrændingsreaktionen, og kan anslås ud fra grundstofsammensætningen af brændslet.

Ukatalyseret forbrænding i luft kræver relativt høje temperaturer. Komplet forbrænding er støkiometrisk vedrørende brændstoffet, hvor der ikke er resterende brændstof, og ideelt set ingen resterende oxidant. Termodynamisk er den kemiske ligevægt ved forbrænding i luft overvældende på siden af ​​produkterne. Imidlertid er fuldstændig forbrænding næsten umulig at opnå, da den kemiske ligevægt ikke nødvendigvis er nået eller kan indeholde uforbrændte produkter såsom kulilte , hydrogen og endda kulstof ( sod eller aske). Således er den producerede røg normalt giftig og indeholder uforbrændte eller delvist oxiderede produkter. Enhver forbrænding ved høje temperaturer i atmosfærisk luft , som er 78 procent nitrogen , vil også skabe små mængder af flere nitrogenoxider , almindeligvis omtalt som NOx , da forbrænding af nitrogen foretages termodynamisk ved høje, men ikke lave temperaturer. Da afbrænding sjældent er ren, kan rengøring af brændstofgas eller katalysatorer være påkrævet ved lov.

Brande opstår naturligt, antændt af lynnedslag eller af vulkanske produkter. Forbrænding ( ild ) var den første kontrollerede kemiske reaktion, der blev opdaget af mennesker i form af lejrbål og bål , og er fortsat den vigtigste metode til at producere energi til menneskeheden. Normalt er brændstoffet kulstof , carbonhydrider eller mere komplicerede blandinger, såsom træ, der indeholder delvist oxiderede carbonhydrider. Den termiske energi, der produceres ved forbrænding af enten fossile brændstoffer, såsom kul eller olie , eller fra vedvarende brændstoffer som f.eks. Brænde , høstes til forskellige anvendelser som madlavning , produktion af elektricitet eller industriel eller husholdningsvarme. Forbrænding er også i øjeblikket den eneste reaktion, der bruges til at drive raketter . Forbrænding bruges også til at ødelægge ( forbrænde ) affald, både ufarligt og farligt.

Oxidanter til forbrænding har et højt oxidationspotentiale og omfatter atmosfærisk eller rent ilt , chlor , fluor , chlortrifluorid , lattergas og salpetersyre . For eksempel forbrænder brint i chlor for at danne hydrogenchlorid med frigivelse af varme og lys, der er karakteristisk for forbrænding. Selvom det normalt ikke katalyseres, kan forbrænding katalyseres af platin eller vanadium , som ved kontaktprocessen .

Typer

Fuldstændig og ufuldstændig

Komplet

Forbrænding af metan , et carbonhydrid .

Ved fuldstændig forbrænding brænder reaktanten i ilt og producerer et begrænset antal produkter. Når et carbonhydrid brænder i ilt, vil reaktionen primært give kuldioxid og vand. Når elementer brændes, er produkterne primært de mest almindelige oxider. Kulstof vil give kuldioxid , svovl vil give svovldioxid , og jern vil give jern (III) oxid . Kvælstof anses ikke for at være et brændbart stof, når ilt er oxidanten . Stadig små mængder af forskellige nitrogenoxider (almindeligvis betegnet NO
x
arter) dannes, når luften er det oxidative.

Forbrænding er ikke nødvendigvis gunstig for den maksimale oxidationsgrad, og den kan være temperaturafhængig. For eksempel produceres svovltrioxid ikke kvantitativt ved forbrænding af svovl. INGEN
x
arter forekommer i betydelige mængder over ca. 2.800 ° F (1.540 ° C), og der produceres mere ved højere temperaturer. Mængden af NO
x
er også en funktion af iltoverskud.

I de fleste industrielle anvendelser og ved brande er luft iltkilden ( O
2
). I luften blandes hver mol ilt med ca.3,71  mol nitrogen. Kvælstof deltager ikke i forbrænding, men ved høje temperaturer vil noget nitrogen blive omdannet til NO
x
(for det meste NO , med meget mindre mængder NO
2
). På den anden side, når der er utilstrækkelig ilt til at forbrænde brændstoffet fuldstændigt, omdannes noget brændstofkulstof til kulilte , og nogle af hydrogenerne forbliver uomsatte. Et komplet sæt ligninger for forbrænding af et carbonhydrid i luften kræver derfor en yderligere beregning for fordelingen af ​​ilt mellem kulstof og brint i brændstoffet.

Den mængde luft, der kræves for at fuldstændig forbrænding kan finde sted, er kendt som ren luft. I praksis er den anvendte luft imidlertid 2-3 gange ren luft.

Ufuldstændig

Ufuldstændig forbrænding vil forekomme, når der ikke er nok ilt til, at brændstoffet reagerer fuldstændigt for at producere kuldioxid og vand. Det sker også, når forbrændingen slukkes af en køleplade, såsom en fast overflade eller flammefælde. Som det er tilfældet med fuldstændig forbrænding, produceres vand ved ufuldstændig forbrænding; dog carbon , carbonmonoxid er, og hydroxid i stedet for oplysninger carbondioxid.

For de fleste brændstoffer, såsom dieselolie, kul eller træ, sker pyrolyse før forbrænding. Ved ufuldstændig forbrænding forbliver pyrolyseprodukter uforbrændte og forurener røgen med skadelige partikler og gasser. Delvist oxiderede forbindelser er også et problem; delvis oxidation af ethanol kan producere skadeligt acetaldehyd , og kulstof kan producere giftigt kulilte.

Forbrændingsanordningernes design kan forbedre forbrændingskvaliteten, f.eks. Brændere og forbrændingsmotorer . Yderligere forbedringer opnås ved hjælp af katalytiske efterbrændingsanordninger (såsom katalysatorer ) eller ved simpel delvis tilbageføring af udstødningsgasserne til forbrændingsprocessen. Sådanne anordninger kræves af miljølovgivningen for biler i de fleste lande. De kan være nødvendige for at gøre det muligt for store forbrændingsanordninger, såsom termiske kraftværker , at nå lovlige emissionsstandarder .

Forbrændingsgraden kan måles og analyseres med testudstyr. HVAC -entreprenører, brandmænd og ingeniører bruger forbrændingsanalysatorer til at teste effektiviteten af en brænder under forbrændingsprocessen. Effektiviteten af ​​en forbrændingsmotor kan også måles på denne måde, og nogle amerikanske stater og lokale kommuner bruger forbrændingsanalyser til at definere og vurdere effektiviteten af ​​køretøjer på vejen i dag.

Ufuldstændig forbrænding producerede kulilte

Kulilte er et af produkterne fra ufuldstændig forbrænding . Kulstof frigives i den normale ufuldstændige forbrændingsreaktion og danner sod og støv. Da kulilte er en giftig gas, foretrækkes fuldstændig forbrænding, da kulilte også kan føre til åndedrætsbesvær ved indånding, da det indtager iltets sted og kombineres med hæmoglobin.

Problemer forbundet med ufuldstændig forbrænding
Miljøproblemer:

Disse oxider kombineres med vand og ilt i atmosfæren, hvilket skaber salpetersyre og svovlsyre , som vender tilbage til Jordens overflade som sur aflejring eller "sur regn". Syreudfældning skader vandlevende organismer og dræber træer. På grund af dets dannelse af visse næringsstoffer, der er mindre tilgængelige for planter som calcium og fosfor, reducerer det produktiviteten i økosystemet og gårde. Et yderligere problem forbundet med nitrogenoxider er, at de sammen med kulbrinteforurenende stoffer bidrager til dannelsen af ozonjorden , en vigtig bestanddel af smog.

Menneskelige sundhedsproblemer:

Vejrtrækning af kulilte forårsager hovedpine, svimmelhed, opkastning og kvalme. Hvis kulilteindholdet er højt nok, bliver mennesker bevidstløse eller dør. Eksponering for moderate og høje niveauer af kulilte over lange perioder er positivt korreleret med risiko for hjertesygdomme. Mennesker, der overlever alvorlig kulilteforgiftning, kan lide langsigtede helbredsproblemer. Kulilte fra luft absorberes i lungerne, som derefter binder sig med hæmoglobin i menneskets røde blodlegemer. Dette ville reducere de røde blodlegemers evne til at transportere ilt i hele kroppen.

Ulmende

Smolning er den langsomme, lavtemperatur, flammeløse forbrændingsform, der opstår ved varmen, der udvikler sig, når ilt direkte angriber overfladen af ​​et kondenseret fase brændstof. Det er en typisk ufuldstændig forbrændingsreaktion. Faste materialer som kan modstå en ulmende reaktion omfatter kul, cellulose , træ , bomuld , tobak , tørv , duff , humus , syntetisk skum, forkulning polymerer (herunder polyurethanskum ) og støv . Almindelige eksempler på ulmende fænomener er opstart af boligbrande på polstrede møbler på grund af svage varmekilder (f.eks. En cigaret, en kortsluttet ledning) og den vedvarende forbrænding af biomasse bag de flammende fronter af skovbrande .

Hurtig

Et eksperiment, der demonstrerer den store mængde energi, der frigives ved forbrænding af ethanol. En blanding af alkohol (i dette tilfælde ethanol) damp og luft i en stor plastflaske med en lille hals antændes, hvilket resulterer i en stor blå flamme og en 'whoosh' lyd.

Hurtig forbrænding er en form for forbrænding, også kendt som en brand , hvor store mængder af varme og lys energi frigives, hvilket ofte resulterer i en flamme . Dette bruges i en form for maskiner såsom forbrændingsmotorer og i termobariske våben . En sådan forbrænding kaldes ofte for hurtig forbrænding, men for en forbrændingsmotor er dette unøjagtigt. En forbrændingsmotor fungerer nominelt på en kontrolleret hurtig forbrænding. Når brændstof-luftblandingen i en forbrændingsmotor eksploderer, kaldes det detonation .

Spontan

Spontan forbrænding er en type forbrænding, der opstår ved selvopvarmning (temperaturstigning på grund af eksoterme indre reaktioner), efterfulgt af termisk løbsk (selvopvarmning, der hurtigt accelererer til høje temperaturer) og til sidst antændelse. For eksempel antændes fosfor ved stuetemperatur uden påføring af varme. Organiske materialer undergår bakteriel kompostering kan generere tilstrækkelig varme til at nå det punkt, forbrænding.

Turbulent

Forbrænding, der resulterer i en turbulent flamme, er den mest anvendte til industriel anvendelse (f.eks. Gasturbiner , benzinmotorer osv.), Fordi turbulensen hjælper blandingsprocessen mellem brændstoffet og oxidatoren .

Mikro-tyngdekraft

Farvet gråskala-sammensat billede af de enkelte rammer fra en video af en baggrundsbelyst brændstofdråbe, der brænder i mikrogravitation.

Udtrykket 'mikro' tyngdekraft refererer til en gravitationstilstand, der er 'lav' (dvs. 'mikro' i betydningen 'lille' og ikke nødvendigvis en milliontedel af Jordens normale tyngdekraft), således at opdriftens indflydelse på fysiske processer kan være betragtes som lille i forhold til andre flowprocesser, der ville være til stede ved normal tyngdekraft. I et sådant miljø kan varme- og strømningstransportdynamikken opføre sig ganske anderledes end under normale tyngdekraftsforhold (f.eks. Tager et stearins flamme form af en kugle.). Mikrogravitationsforbrændingsforskning bidrager til forståelsen af ​​en lang række aspekter, der er relevante for både et rumfartøjs miljø (f.eks. Branddynamik relevant for besætningssikkerhed på den internationale rumstation ) og terrestriske (jordbaserede) forhold (f.eks. Dråbe forbrændingsdynamik til at hjælpe med at udvikle nye brændstofblandinger til forbedret forbrænding, fremstillingsprocesser for materialer , termisk styring af elektroniske systemer , flerfaset strømningskogende dynamik og mange andre).

Mikroforbrænding

Forbrændingsprocesser, der sker i meget små mængder, betragtes som mikroforbrænding . Det høje forhold mellem overflade og volumen øger det specifikke varmetab. Slukningsafstand spiller en afgørende rolle for at stabilisere flammen i sådanne forbrændingskamre .

Kemiske ligninger

Støkiometrisk forbrænding af et carbonhydrid i ilt

Generelt er den kemiske ligning for støkiometrisk forbrænding af et carbonhydrid i oxygen:

hvor .

For eksempel er den støkiometriske afbrænding af propan i oxygen:

Støkiometrisk forbrænding af et carbonhydrid i luft

Hvis den støkiometriske forbrænding finder sted ved hjælp af luft som iltkilde, kan nitrogenet i luften ( Jordens atmosfære ) føjes til ligningen (selvom den ikke reagerer) for at vise brændstofets støkiometriske sammensætning i luft og sammensætningen af den resulterende røggas. Bemærk, at behandling af alle ikke -iltkomponenter i luft som nitrogen giver et forhold mellem nitrogen og ilt på 3,77, dvs. (100% - O2%) / O2%, hvor O2% er 20,95% vol:

hvor .

For eksempel er den støkiometriske forbrænding af propan ( ) i luft:

Den støkiometriske sammensætning af propan i luft er 1 / (1 + 5 + 18,87) = 4,02% vol.

Den støkiometriske forbrændingsreaktion for C α H β O γ i luft:

Den støkiometriske forbrændingsreaktion for C α H β O γ S δ :

Den støkiometriske forbrændingsreaktion for C α H β O γ N δ S ε :

Den støkiometriske forbrændingsreaktion for C α H β O γ F δ :

Spor forbrændingsprodukter

Forskellige andre stoffer begynder at forekomme i betydelige mængder i forbrændingsprodukter, når flammetemperaturen er over ca.1600  K . Når der bruges overskydende luft, kan nitrogen oxideres til NO og i langt mindre grad til NO
2
. CO dannes ved disproportionering af CO
2
og H.
2
og OH -form ved disproportionering af H
2
O
.

For eksempel hvornår mol propan brændes med28,6  mol luft (120% af den støkiometriske mængde) indeholder forbrændingsprodukterne 3,3% O
2
. På1400  K , indeholder ligevægtsforbrændingsprodukterne 0,03% NO og 0,002% OH . På1800  K , indeholder forbrændingsprodukterne 0,17% NO , 0,05% OH , 0,01% CO og 0,004% H
2
.

Dieselmotorer køres med et overskud af ilt for at forbrænde små partikler, der har tendens til at dannes med kun en støkiometrisk mængde ilt, hvilket nødvendigvis producerer nitrogenoxidemissioner . Både USA og EU håndhæver grænser for emissioner af nitrogenoxid fra køretøjer, som nødvendiggør brug af særlige katalysatorer eller behandling af udstødningen med urinstof (se Dieseludstødningsvæske ).

Ufuldstændig forbrænding af et carbonhydrid i ilt

Den ufuldstændige (delvis) forbrænding af et carbonhydrid med oxygen producerer en gasblanding, der hovedsageligt indeholder CO
2
, CO , H
2
O
, og H.
2
. Sådanne gasblandinger fremstilles sædvanligvis til brug som beskyttende atmosfærer til varmebehandling af metaller og til gasforbrænding . Den generelle reaktionsligning for ufuldstændig forbrænding af et mol af et carbonhydrid i oxygen er:

Når z falder under omtrent 50% af den støkiometriske værdi, CH
4
kan blive et vigtigt forbrændingsprodukt når z falder til under cirka 35% af den støkiometriske værdi, kan elementært carbon blive stabilt.

Produkterne ved ufuldstændig forbrænding kan beregnes ved hjælp af en materialebalance sammen med antagelsen om, at forbrændingsprodukterne når ligevægt . For eksempel ved forbrænding af en mol propan ( C
3
H
8
) med fire mol O
2
, dannes syv mol forbrændingsgas, og z er 80% af den støkiometriske værdi. De tre elementære ligningsligninger er:

  • Kulstof:
  • Brint:
  • Ilt:

Disse tre ligninger er i sig selv utilstrækkelige til at beregne forbrændingsgassammensætningen. Ved ligevægtspositionen giver vand-gasforskydningsreaktionen imidlertid en anden ligning:

;

For eksempel kl 1200  K værdien af K eq er 0,728. Opløsningen består af forbrændingsgassen af ​​42,4% H
2
O
, 29,0% CO
2
14,7% H
2
og 13,9% CO . Kulstof bliver en stabil fase kl1200  K ogatm tryk, når z er mindre end 30% af den støkiometriske værdi, på hvilket tidspunkt forbrændingsprodukterne indeholder mere end 98% H
2
og CO og ca. 0,5% CH
4
.

Stoffer eller materialer, der undergår forbrænding, kaldes brændstoffer . De mest almindelige eksempler er naturgas, propan, petroleum, diesel, benzin, kul, kul, træ osv.

Flydende brændstoffer

Forbrænding af flydende brændstof i en oxiderende atmosfære sker faktisk i gasfasen. Det er dampen, der brænder, ikke væsken. Derfor vil en væske normalt kun tage ild over en bestemt temperatur: dens flammepunkt . Flammepunktet for et flydende brændstof er den laveste temperatur, ved hvilken det kan danne en antændelig blanding med luft. Det er den mindste temperatur, hvor der er nok fordampet brændstof i luften til at starte forbrændingen.

Gasformige brændstoffer

Forbrænding af gasformige brændstoffer kan forekomme gennem en af ​​fire karakteristiske forbrændingstyper: diffusionsflamme , forblandet flamme , autoignitiv reaktionsfront eller som en detonation . Den type forbrænding, der faktisk forekommer, afhænger af, i hvilken grad brændstoffet og oxidationsmidlet blandes før opvarmning: for eksempel dannes en diffusionsflamme, hvis brændstoffet og oxidationsmidlet adskilles i første omgang, hvorimod en forblandet flamme dannes på anden måde. Tilsvarende afhænger typen af ​​forbrænding også af trykket: en detonation er for eksempel en autoignitiv reaktionsfront koblet til en stærk stødbølge, der giver den dens karakteristiske højtryks-top og høje detonationshastighed .

Faste brændstoffer

En opbygningen af polymer forbrænding

Forbrændingsakten består af tre relativt forskellige, men overlappende faser:

  • Forvarmningsfase , når det uforbrændte brændstof opvarmes til dets flammepunkt og derefter brandpunktet . Brandfarlige gasser begynder at udvikles i en proces, der ligner tørdestillation .
  • Destillationsfase eller gasfase , når blandingen af ​​udviklede brandfarlige gasser med ilt antændes. Energi produceres i form af varme og lys. Flammer er ofte synlige. Varmeoverførsel fra forbrændingen til det faste stof opretholder udviklingen af ​​brandfarlige dampe.
  • Trækulfase eller fast fase , når produktionen af ​​brandfarlige gasser fra materialet er for lav til vedvarende tilstedeværelse af flamme, og det forkullede brændstof ikke brænder hurtigt og bare lyser og senere kun røg .

Forbrændingsstyring

Effektiv procesopvarmning kræver genvinding af den størst mulige del af et brændsels forbrændingsvarme i det materiale, der behandles. Der er mange muligheder for tab ved driften af ​​en opvarmningsproces. Typisk er dominerende tab er fri varme forlader med udledningsgassen (dvs. den røggas ). Temperaturen og mængden af ​​røggas angiver dens varmeindhold ( entalpi ), så at holde mængden lav minimerer varmetab.

I en perfekt ovn ville forbrændingsluftstrømmen blive tilpasset brændstofstrømmen for at give hvert brændstofmolekyle den nøjagtige mængde ilt, der er nødvendig for at forårsage fuldstændig forbrænding. I den virkelige verden forbrænder forbrændingen imidlertid ikke på en perfekt måde. Uforbrændt brændstof (normalt CO og H
2
), der udledes fra systemet, repræsenterer et varmetabstab (samt en sikkerhedsrisiko). Da brændbare stoffer er uønskede i røggassen, mens tilstedeværelsen af ​​ureageret ilt der udgør minimale sikkerheds- og miljøhensyn, er det første princip for forbrændingsstyring at tilvejebringe mere ilt, end det teoretisk er nødvendigt for at sikre, at alt brændstof brænder. For metan ( CH
4
) forbrænding, for eksempel kræves lidt mere end to iltmolekyler.

Det andet princip om forbrændingsstyring er imidlertid ikke at bruge for meget ilt. Den korrekte mængde ilt kræver tre typer målinger: For det første aktiv kontrol af luft og brændstofstrøm; for det andet offgas iltmåling; og for det tredje måling af brændbare brændstoffer. For hver opvarmningsproces eksisterer der en optimal tilstand med minimalt offgas -varmetab med acceptable niveauer af brændbar koncentration. Minimering af overskydende ilt betaler en ekstra fordel: For en given afgastemperatur er NOx -niveauet lavest, når overskydende ilt holdes lavest.

Overholdelse af disse to principper fremmes ved at lave materiale- og varmebalancer på forbrændingsprocessen. Den materialebalance direkte relaterer forholdet luft / brændstof til procentdelen af O
2
i forbrændingsgassen. Varmebalancen relaterer den varme, der er tilgængelig for ladningen, til den samlede nettovarme, der produceres ved forbrænding af brændstof. Yderligere materiale- og varmebalancer kan foretages for at kvantificere den termiske fordel ved at forvarme forbrændingsluften eller berige den med ilt.

Reaktionsmekanisme

Forbrænding i ilt er en kædereaktion, hvor mange forskellige radikale mellemprodukter deltager. Den høje energi, der kræves til initiering, forklares af den usædvanlige struktur af dioxygenmolekylet . Den laveste energikonfiguration af dioxygenmolekylet er en stabil, relativt ureaktiv diradical i en triplet spin-tilstand . Binding kan beskrives med tre bindingselektronpar og to antibindende elektroner, med spins justeret, således at molekylet har et totalt nulmoment uden nul. De fleste brændstoffer er derimod i en singlet -tilstand med parrede spins og nul totalt vinkelmoment. Interaktion mellem de to er kvantemekanisk en " forbudt overgang ", dvs. mulig med en meget lav sandsynlighed. For at starte forbrænding kræves energi for at tvinge dioxygen til en spinparret tilstand eller singlet oxygen . Dette mellemprodukt er ekstremt reaktivt. Energien tilføres som varme , og reaktionen producerer derefter ekstra varme, som gør det muligt at fortsætte.

Forbrænding af kulbrinter menes at være initieret af hydrogenatom -abstraktion (ikke protonabstraktion) fra brændstoffet til ilt for at give en hydroperoxidradikal (HOO). Dette reagerer yderligere for at give hydroperoxider, som brydes op for at give hydroxylradikaler . Der er en lang række af disse processer, der producerer brændstofradikaler og oxiderende radikaler. Oxiderende arter indbefatter singlet oxygen, hydroxyl, monatomisk oxygen og hydroperoxyl . Sådanne mellemprodukter er kortvarige og kan ikke isoleres. Imidlertid er ikke-radikale mellemprodukter stabile og produceres ved ufuldstændig forbrænding. Et eksempel er acetaldehyd produceret ved forbrænding af ethanol . Et mellemprodukt ved forbrænding af kulstof og kulbrinter, kulilte , er af særlig betydning, fordi det er en giftig gas , men også økonomisk nyttig til produktion af syntesegas .

Faste og tunge flydende brændstoffer gennemgår også et stort antal pyrolysereaktioner , der giver lettere oxiderede, gasformige brændstoffer. Disse reaktioner er endoterme og kræver konstant energitilførsel fra de igangværende forbrændingsreaktioner. Mangel på ilt eller andre forkert udformede forhold resulterer i, at disse skadelige og kræftfremkaldende pyrolyseprodukter udsendes som tyk, sort røg.

Forbrændingshastigheden er mængden af ​​et materiale, der gennemgår forbrænding over en periode. Det kan udtrykkes i gram pr. Sekund (g/s) eller kilogram pr. Sekund (kg/s).

Detaljerede beskrivelser af forbrændingsprocesser, fra det kemiske kinetiske perspektiv, kræver formulering af store og indviklede baner af elementære reaktioner. F.eks. Involverer forbrænding af kulbrintebrændstoffer typisk hundredvis af kemiske arter, der reagerer i henhold til tusindvis af reaktioner.

Inddragelse af sådanne mekanismer i beregningsstrømløsere repræsenterer stadig en temmelig udfordrende opgave hovedsageligt i to aspekter. For det første kan antallet af frihedsgrader (proportionalt med antallet af kemiske arter) være dramatisk stort; for det andet introducerer kildebegrebet på grund af reaktioner et forskelligt antal tidsskalaer, der gør hele det dynamiske system stift. Som følge heraf bliver den direkte numeriske simulering af turbulente reaktive strømme med tunge brændstoffer snart umulig at håndtere, selv for moderne supercomputere.

Derfor er der udtænkt en overflod af metoder til at reducere kompleksiteten af ​​forbrændingsmekanismer uden at ty til højt detaljeret niveau. Eksempler er givet af:

  • Relaxation Redistribution Method (RRM)
  • Intrinsic Low-Dimensional Manifold (ILDM) tilgang og videre udvikling
  • Den invariante begrænsede ligevægts kant præimage kurve metode.
  • Et par variationstilgange
  • Computational Singular perturbation (CSP) -metoden og yderligere udviklinger.
  • Rate Rate Controlled Equilibrium (RCCE) og Quasi Equilibrium Manifold (QEM) tilgang.
  • G-ordningen.
  • Metoden til Invariant Grids (MIG).

Kinetisk modellering

Den kinetiske modellering kan undersøges for indsigt i reaktionsmekanismerne for termisk nedbrydning ved forbrænding af forskellige materialer ved hjælp af f.eks. Termogravimetrisk analyse .

Temperatur

Antoine Lavoisier udfører et eksperiment relateret til forbrænding genereret af forstærket sollys.

Under forudsætning af perfekte forbrændingsbetingelser, såsom fuldstændig forbrænding under adiabatiske forhold (dvs. intet varmetab eller forstærkning), kan den adiabatiske forbrændingstemperatur bestemmes. Formlen, der giver denne temperatur, er baseret på termodynamikkens første lov og noterer sig, at forbrændingsvarmen udelukkende bruges til opvarmning af brændstoffet, forbrændingsluften eller ilt og forbrændingsproduktgasserne (almindeligvis omtalt som forbrændingsvarmen røggas ).

For fossile brændstoffer, der forbrændes i luft, afhænger forbrændingstemperaturen af ​​alt følgende:

Den adiabatiske forbrændingstemperatur (også kendt som den adiabatiske flammetemperatur ) stiger for højere varmeværdier og indblæsningsluft- og brændstoftemperaturer og for støkiometriske luftforhold, der nærmer sig en.

Almindeligvis er de adiabatiske forbrændingstemperaturer for kul omkring 2.200 ° C (3.992 ° F) (for indblæsningsluft og brændstof ved omgivelsestemperaturer og for ), omkring 2.150 ° C (3.902 ° F) for olie og 2.000 ° C (3.632 ° F) for naturgas .

I industriel fyrede varmeapparater , kraftværksblokke dampgeneratorer , og store gasfyrede turbiner , den mere almindelige måde at udtrykke brugen af mere end den støkiometriske forbrændingsluft procent overskydende forbrændingsluft . For eksempel betyder overskydende forbrændingsluft på 15 procent, at der bruges 15 procent mere end den nødvendige støkiometriske luft.

Ustabilitet

Forbrændingsstabilitet er typisk voldsomme trykoscillationer i et forbrændingskammer. Disse tryksvingninger kan være så høje som 180  dB, og langvarig eksponering for disse cykliske tryk og termiske belastninger reducerer motorkomponenternes levetid. I raketter, såsom F1, der blev brugt i Saturn V -programmet, førte ustabilitet til massiv skade på forbrændingskammeret og omgivende komponenter. Dette problem blev løst ved at redesigne brændstofindsprøjtningen. I flydende jetmotorer kan dråbestørrelsen og fordelingen bruges til at dæmpe ustabiliteten. Forbrændingsstabilitet er et stort problem i jordbaserede gasturbinemotorer på grund af NO
x
emissioner. Tendensen er at køre magert, et ækvivalensforhold mindre end 1, for at reducere forbrændingstemperaturen og dermed reducere NO
x
emissioner; imidlertid kører forbrændingen magert gør det meget modtageligt for forbrænding ustabilitet.

Den Rayleigh Criterion er grundlaget for analysen af termoakustisk forbrænding ustabilitet og bedømmes efter Rayleigh Index over en cyklus af ustabilitet

hvor q 'er varmeafgivelseshastigheden og p' er trykudsvingene. Når varmeafgivelsessvingningerne er i fase med trykoscillationerne, er Rayleigh -indekset positivt, og størrelsen af ​​den termoakustiske ustabilitet maksimeres. På den anden side, hvis Rayleigh -indekset er negativt, sker der termoakustisk dæmpning. Rayleigh -kriteriet indebærer, at en termoakustisk ustabilitet kan kontrolleres optimalt ved at have varmefrigivelsessvingninger 180 grader ude af fase med trykoscillationer ved samme frekvens. Dette minimerer Rayleigh -indekset.

Se også

Referencer

Yderligere læsning

  • Poinsot, Thierry; Veynante, Denis (2012). Teoretisk og numerisk forbrænding (3. udgave). European Center for Research and Advanced Training in Scientific Computation.
  • Lackner, Maximilian; Vinter, Franz; Agarwal, Avinash K., red. (2010). Håndbog om forbrænding, 5 bind . Wiley-VCH . ISBN 978-3-527-32449-1.
  • Baukal, Charles E., red. (1998). Oxygenforbedret forbrænding . CRC Tryk .
  • Glassman, Irvin; Yetter, Richard. Forbrænding (fjerde udgave).
  • Turns, Stephen (2011). En introduktion til forbrænding: begreber og applikationer .
  • Ragland, Kenneth W; Bryden, Kenneth M. (2011). Forbrændingsteknik (Anden udgave).
  • Baukal, Charles E. Jr, red. (2013). "Industriel forbrænding". John Zink Hamworthy Combustion Handbook: Three-Volume Set (Anden udgave).
  • Gardiner, WC Jr (2000). Gasfaseforbrændingskemi (revideret red.).