Förbränning En kort introduktion 2013-01-25 Joakim Bood [email protected] 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) 1 Människan har använt förbränning sedan urminnes tider Tidiga användningsområden • Generera värme • Generera ljus • Matlagning • Bearbeta metaller Joakim Bood Global energianvändning Global energianvändning Nya och förnyelsebara källor Organiska och fossila källor Joakim Bood 2 Varför studera förbränning? Ökad kunskap om förbränningsprocesser skapar förutsättningar för: • Högre effektivitet lägre bränslekonsumtion mindre CO2 • Mindre utsläpp av föroreningar NOx, SOx, partiklar (sot) • Utveckling av koncept för alternativa bränslen samt ny teknologi HCCI-förbränning, oxyfuelförbränning, bränsleceller • Ökad säkerhet förhindra uppkomst och spridning av oönskad brand Joakim Bood Förbränning är komplext! Processer/Utmaningar Kemisk kinetik Strömning Fysikaliska processer Termodynamik Diffusion Värmeledning, strålning Olika faser “Verktyg” Experimentella mättekniker Teori och modellering (gas, droppar, partiklar) Praktiska bränslen Foto: Per-Erik Bengtsson Exempel på förbränning i en icke-förblandad flamma. Per-Erik Bengtsson 3 Olika typer av flammor Bränsle/oxidant-mixning Strömning Exempel Turbulent Ottomotor Stationära gasturbiner Laminär Bunsenlåga (med en yttre ickeförblandad zon för >1) Laboratorieflammor Turbulent Dieselmotor Flygplansturbin H2/O2 raketmotor Laminär Vedbrasa Stearinlåga Förblandad Ickeförblandad (Diffusion) Joakim Bood 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 Joakim Bood 4 Laminära och turbulenta flammor Laminära flammor Förblandad Turbulenta flammor Icke-förblandad Icke-förblandad Förblandad Foto: Per-Erik Bengtsson Foto: Per-Erik Bengtsson Turbulensen ger snabb värmefrigörelse och snabb flamutbredning effektivare förbränning Modellering av turbulenta icke-förblandade flammor är mycket komplicerad. Låg flamhastighet Joakim Bood Förbränning i motorer Förblandade flammor Icke-förblandade flammor Dieselmotor Ottomotor • Förångat bränsle och oxidant blandas (på molekylnivå) före förbränningen. • Bränsle och luft introduceras separat och blandas först under förbränningen. • I en Ottomotor antänds bränsle/luftblandningen med ett tändstift. • Energifrigörelsehastigheten beror på blandningsprocessen. • Kolväte/luft-flammor har flamhastigheter runt 0.5 m/s. • Reaktionszon mellan området med bränsle och området med luft. Joakim Bood 5 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 Joakim Bood Flamhastighet och adiabatisk flamtemperatur Bränsle Flamhastighet (m/s) Adiabatisk flamtemperatur (K) Alkaner Metan/luft Etan/luft Propan/luft 0.45 0.47 0.46 2225 2260 2267 0.75 0.72 2370 2334 1.58 2539 Alkener Eten/luft Propen/luft Alkyner Etyn/luft Joakim Bood 6 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 reaktionensformeln för propan/luft-förbränning är: 1 C3H8 + 5 O2 + 18.8 N2 3 CO2 + 4 H2O + 18.8 N2 Exampel: Beräkna ekvivalensförhållandet för en blandning med molförhållandet 1:4 mellan propan och syre. 1/ 4 1.2 1/ 5 Joakim Bood Mer om stökiometri Stökiometrisk förbränning av propan: 1 C3H8 + 5 O2 + 18.8 N2 3 CO2 + 4 H2O + 18.8 N2 En stökiometrisk kolväteförbränning ger idealt enbart produkterna CO2 och H2O. För en sådan flamma är =1. Molfraktionen av propan: X propan 1 0.040 1 5 18.8 Xpropan= 0.040 blandningen stökiometrisk Xpropan< 0.040 blandningen bränsle-mager O2 i avgaserna Xpropan> 0.040 blandningen bränsle-rik (fet) CO and H2 i avgaserna Joakim Bood 7 Temperatur som funktion av Temperature in ethane-air flames Den högsta temperaturen i en förblandad kolväte/luft-flamma ligger typiskt nära stökimetrisk blandning ( = 1). 2500 Temperature / K 2000 1500 Från = 1 minskar temperaturen med minskande p.g.a. att den avgivna värmen även går åt till att värma upp kvarvarande syre och kväve. 1000 500 0 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 Equivalence ratio Joakim Bood Ämneskoncentrationer i produktgasen • Från = 1 ökar CO och H2 koncentrationerna markant med ökande . Concentrations in ethane-air flame 0,09 0,08 CO O2 • Från = 1 ökar O2 koncentrationen markant med minskande . • Vid =1 är CO, H2 och O2 koncentrationerna inte noll p.g.a. kemiska jämvikter. Mole fraction 0,07 0,06 H2 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 © Per-Erik Bengtsson 8 Förbränningskemi Stökiometrisk förbränning av metan: CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O Detta är den globala reaktionsformeln. Denna 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). Joakim Bood Svartkroppsstrålning (Planckstrålning) 4.5E+11 T=1600K T=2000K 3 Signal intensity (W/m ) 3) Signalintensitet (W/m 4E+11 3.5E+11 3E+11 2.5E+11 2E+11 1.5E+11 1E+11 5E+10 0 400 800 Synliga området 1200 1600 2000 2400 2800 Wavelength(nm) (nm) Våglängd Foto: Per-Erik Bengtsson Joakim Bood 9 Kemilumeniscens från flammor Synligt Emissionsintensitet UV Våglängd (nm) 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. Till skillnad från Planckstrålningen är denna emission smalbandig (förekommer bara på vissa bestämda färger). © Per-Erik Bengtsson Sammanfattning Typiska karakteristika för förbränning: • Mycket komplext fenomen • Exoterma reaktioner – Reaktanter Produkter + Energi • Oxidationsprocesser – Syre i luft är ofta oxidant • Produkterna har hög temperatur – Typiskt över 2000 K • Strålning – Kemilumeniscens, Planckstrålning (svartkroppsstrålning) Joakim Bood 10 Biobränslen Johan Zetterberg Väteförbränning (FF6,FF7) & Oxyfuel (FF12-FF14) Elna Heimdal Nilsson Fordon (FF8-FF10) Joakim Bood FF1 RYRSTEDT GEORGE FF6 LARSSON HENNING ANNERSTEDT FREDRIK DIB FIRAS STÅHL PHILIP ENGLUND VICTOR LINDBERG SIMON HINDEFELT SEBASTIAN FF2 SIMKO RICHARD FF7 KRISTENSSON MARCUS FF9 HEINZE CARL‐JOHAN MARTINSSON WILLIAM NISULA HANNES SÖRENSEN CATARINA FF3 JOHARI FARHAD KARIMINEJAD VESAL FF10 BYTYQI VATAN CICEK MEHMET FATIH FF12 LINDQVIST FILIP SINHA SURAJ AFGHANI KHORASGANI SOHEIL BERGLUND JAKOB JINBÄCK JONAS FF4 LINDBERG FREDRIK SAMUELSSON DENNIS JOHANSSON NICKLAS FF13 GULDBERG VIKTOR TENGGREN CHRISTIAN LINDELL FOLKE FF5 TOKARCHUK ANTONINA FF14 ANDERSSON JOHAN ARKLID KARL‐JOHAN BOMAN EMIL FF8 KLEVE BIRGER MAGNUSSON MIKAEL 11