Adiabatikus égés

Adiabatikus égés - állandó nyomáson vagy térfogaton végbemenő égés , amelyben nincs energiaveszteség a környezet számára. Az adiabatikus égési hőmérséklet a termékek azon hőmérséklete, amelyet a kémiai reakciók befejeződésekor és a termodinamikai egyensúly létrejöttekor érnek el. Az adiabatikus égési hőmérséklet állandó nyomáson alacsonyabb, mint az állandó térfogatú adiabatikus égési hőmérséklet, mivel az első esetben a reakció során keletkező energia egy részét a rendszer térfogatának növelésére fordítják .

Befolyásoló tényezők

Mivel az égéstermékek kémiai tulajdonságai különböző környezeti nyomásokon eltérőek, az égési hőmérsékletet állandó alacsony nyomáson általában a keletkező gáz ionizációs szintje korlátozza. A különböző típusú, eltérő égési hővel és eltérő molekulaösszetételű tüzelőanyagok eltérő égési hőmérséklettel rendelkeznek. A valós rendszerekben nem fordul elő teljes égés, mivel a kémiai reakciók az összetevők disszociációjához vezetnek, és véges sebességgel mennek végbe , ami megváltoztatja a komponensek arányát, és nem teszi lehetővé a teljes termodinamikai egyensúly elérését.

Számos program létezik az égési hőmérséklet kiszámítására, figyelembe véve a disszociációt. Ezek a programok egyensúlyi állandókat (Stanjan, NASA CEA, AFTP) használnak, vagy minimalizálják a termodinamikai potenciálokat.

Az üzemanyagok gyakori típusai

A legelterjedtebb, mindennapi üzemanyagok a szerves vegyületek és ezek keverékei, mint a fa , viasz , zsírok , különféle műanyagok , természetes és kőolajgázok , benzin . A táblázat ezen és más anyagok adiabatikus égési hőmérsékletét mutatja levegőben és oxigénben normál körülmények között (750,06 Hgmm és 25 °C ), egységhez közeli aránnyal (" ") üzemanyag / oxidálószer , és feltéve, hogy a rendszer nyomása a reakció eredményeként változatlan marad.

Közönséges anyagok adiabatikus égési hőmérséklete állandó nyomáson

Üzemanyag	Oxidálószer	$T_{ad}$ (°C)
Acetilén (C 2 H 2 )	Levegő	2500
Acetilén (C 2 H 2 )	Oxigén	3480
Bután (C 4 H 10 )	Levegő	1970
Cián (C 2 N 2 )	Oxigén	4525
Acetilén-nitril (C 4 N 2 )	Oxigén	4990
Etán (C 2 H 6 )	Levegő	1955
Hidrogén (H 2 )	Levegő	2210
Hidrogén (H 2 )	Oxigén	3200 [1]
Metán (CH 4 )	Levegő	1950
Földgáz	Levegő	1960 [2]
Propán (C 3 H 8 )	Levegő	1980
Propán (C 3 H 8 )	Oxigén	2526
MAPP gáz( Metil - acetilén , C 3 H 4 )	Levegő	2010
MAPP gáz( Metil - acetilén , C 3 H 4 )	Oxigén	2927
Faipari	Levegő	1980
Kerozin	Levegő	2093 [3]
könnyű olaj	Levegő	2104 [3]
desztillált üzemanyag	Levegő	2101 [3]
gázolaj	Levegő	2102 [3]
Szén	Levegő	2172 [3]
Antracit	Levegő	2180 [3]
Antracit	Oxigén	≈2900 [lásd 1]

↑ A ≈3200 K -nek megfelelő hőmérséklet a CO 2 kémiai disszociációjának 50%-ának felel meg 1 atm nyomáson . Ez utóbbi érték állandó marad az adiabatikus égés során, és a CO 2 az antracit oxigénben történő égési reakciójának 97%-a . Ennek a reakciónak a magasabb hőmérsékletét kell megfigyelni magasabb nyomáson (3800 K -ig és afölött, lásd: Jongsup Hong et al . Archivált : 2011. november 12., a Wayback Machine , 8. oldal ).

Termodinamika

A termodinamika első főtétele egy izolált rendszerre a következőképpen írható fel:

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

ahol, illetve hő és munka, amely a folyamat során keletkezett, és és a reaktánsok belső energiája és a reakció eredménye. Ha feltételezzük, hogy az adiabatikus égés során a térfogat változatlan marad, akkor a folyamat nem termel munkát , ${}_{R}Q_{P}$ ${}_{R}W_{P}$ ${\displaystyle U_{R))$ ${\displaystyle U_{P))$

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

és nincs hőveszteség, mivel a folyamatot adiabatikusnak feltételezzük : . Ennek eredményeként a reakciótermékek belső energiája egybeesik a reaktánsok belső energiájával: . Mivel ez egy elszigetelt rendszer, a termékek és a reagensek tömege állandó, és az első törvény a következő formában írható fel: ${}_{R}Q_{P}=0$ $U_{P}=U_{R}$

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

Feltételezve, hogy a nyomás állandó marad az adiabatikus égés során, akkor az elvégzett munkára a kifejezés felírható:

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

Mivel az adiabatikus folyamatban nincs hőveszteség , az első törvényből azt kapjuk, hogy ${}_{R}Q_{P}=0$

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

Mivel az entalpia definíciójából és izolált rendszerben a termékek és a reaktánsok tömege állandó, az első törvény a következő alakot ölti: $H_{P}=H_{R}$

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

Így az adiabatikus égési hőmérséklet állandó nyomáson alacsonyabb, mint állandó térfogaton, ami annak köszönhető, hogy az első esetben a térfogat növelése érdekében munkát kell végezni.

Feltételezve, hogy teljes égés megy végbe, és teljesülnek a komponensek sztöchiometriai feltételei , vagy feleslegben van oxidálószer, a következő képlet használható az égési hőmérséklet kiszámításához:

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

Az összetevők pontos aránya nem ad elegendő változót a számításokhoz, mivel és szükséges a moláris egyensúly eléréséhez - ez utóbbi vegyületek a gazdag keverék tökéletlen égésének leggyakoribb termékei. $CO$ $H_2$

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

Ha azonban figyelembe vesszük a szén-dioxid és a víz közötti cserereakciót

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

és ehhez a reakcióhoz használjunk egyensúlyi állandót , akkor a kapott változószám elegendő lesz a hőmérséklet meghatározásához.

A termodinamikai számításokhoz használt modern szoftvercsomagok lehetővé teszik az adiabatikus hőmérséklet meghatározását az entrópia maximalizálása probléma numerikus megoldása eredményeként adott nyomáson és a rendszer entalpiáján (adott térfogat és belső energia). Ebben az esetben természetesen figyelembe veszik az égéstermékek disszociációját (a rendszert alkotó alkatrészek megfelelő megválasztásával). A numerikus megoldás nagymértékben leegyszerűsödik, ha a rendszer entrópiájának a hőmérséklettől való függése konvex. Ehhez az állandó nyomású fajhő hőmérsékletre vonatkoztatott deriváltjának nem-negatívsága szükséges (ez szinte mindig megtörténik, ezért a konvex programozás elméletéből származó standard algoritmusok segítségével programozható az adiabatikus hőmérséklet számítása).

Lásd még

adiabatikus folyamat
Dízelciklus (állandó nyomású ciklus)
Otto ciklus (állandó térfogatú ciklus)

Jegyzetek

↑ Lánghőmérsékletek Archiválva : 2014. április 17. a Wayback Machine -nél
↑ North American Combustion Handbook, 1. kötet, 3. kiadás, North American Mfg Co., 1986. Archiválva : 2011. július 16. a Wayback Machine -nél
↑ 1 2 3 4 5 6 Power Point bemutató: Lánghőmérséklet Archiválva : 2011. július 17., a Wayback Machine , Hsin Chu, Környezetmérnöki Tanszék, Nemzeti Cheng Kung Egyetem , Tajvan

Linkek

(angol) Babrauskas, Vytenis Hőmérséklet lángokban és tüzekben . Fire Science and Technology Inc. (2006. február 25.). Hozzáférés dátuma: 2008. január 27. Az eredetiből archiválva : 2012. május 17. (határozatlan)
(angol) Az adiabatikus láng hőmérsékletének kiszámítása
(angol) Adiabatikus láng hőmérséklete
(angol) Adiabatikus láng hőmérséklete . A Mérnöki Eszköztár . Hozzáférés dátuma: 2008. január 27. Az eredetiből archiválva : 2012. május 17. (határozatlan) hidrogén, metán, propán és oktán adiabatikus lánghőmérséklete oxigénnel vagy levegővel oxidálószerként
(Magyar) Lánghőmérséklet egyes közönséges gázokhoz . A Mérnöki Eszköztár . Hozzáférés dátuma: 2008. január 27. Az eredetiből archiválva : 2012. május 17. (határozatlan)
(angol) A kék láng hőmérséklete és a közönséges anyagok
Online adiabatikus lánghőmérséklet kalkulátor a Cantera segítségével
(angol) Adiabatikus lánghőmérsékletű program
(angol) Gaseq , kémiai egyensúlyi számításokat végző program.
Lánghőmérséklet kalkulátor - Állandó nyomású bipropeller adiabatikus égés
(angol) Adiabatic Flame hőmérséklet kalkulátor