Förbränning
En kort introduktion
2014-01-24
Christian Brackmann
[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)
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
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
Olika typer av flammor
Bränsle/oxidant-mixning
Strömning
Exempel
Turbulent
Ottomotor
Stationära gasturbiner
Laminär
Bunsenlåga (med en yttre ickeförblandad zon för f>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
Laminära och turbulenta flammor
Laminära flammor
Förblandad
Turbulenta flammor
Icke-förblandad
Icke-förblandad
Förblandad
Foto: Per-Erik Bengtsson
Låg flamhastighet
Foto: Per-Erik
Bengtsson
Turbulensen ger snabb värmefrigörelse
och snabb flamutbredning  effektivare förbränning
Modellering av turbulenta icke-förblandade
flammor är mycket komplicerad.
Joakim Bood
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 reaktionsformeln 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:
1
X propan 
 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
Förbränningskemi
Stökiometrisk förbränning av metan:
CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O
Detta är den globala reaktionsformeln.
Den 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
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
Temperatur som funktion av f
Temperature in ethane-air flames
Den högsta temperaturen i en
förblandad kolväte/luft-flamma
ligger typiskt nära stökimetrisk
blandning (f = 1).
2500
Temperature / K
2000
1500
Från f = 1 minskar
temperaturen med minskande f
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
Equivalence ratio
© Per-Erik Bengtsson
1.4
Svartkroppsstrålning (Planckstrålning)
4.5E+11
T=1600K
T=2000K
3
) 3)
Signal intensity (W/m
(W/m
Signalintensitet
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
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 förbränning
Typiska karakteristika för förbränning:
• Mycket komplext fenomen
• Exoterma kemiska reaktioner
– Reaktanter  Produkter + Energi
• Oxidationsprocesser
– Syre i luft är ofta oxidant
• Produkterna har hög temperatur
– Typiskt över 2000 K
• Strålning
– Kemiluminiscens, Planckstrålning (svartkroppsstrålning)
Joakim Bood
Projektarbete Förbränning - Fordon
Ottomotor - förblandad förbränning
Dieselmotor - icke-förblandad förbränning
•
Förångat bränsle och oxidant blandas (på
molekylnivå) före förbränningen.
•
Bränsle och luft introduceras separat och blandas
först under förbränningen.
•
Bränsle/luft-blandningen antänds med tändstift.
•
•
Propagerande flamma i cylindern, v~0.5 m/s.
Bränsle/luft-blandningen självantänds p.g.a.
temperaturökning vid kompression.
•
Reaktionszon mellan områden med bränsle och
luft.
Joakim Bood
Projektarbete Förbränning - Bränslen
• Biobränslen
• CO2-neutrala över lång tid
• Olika bränslen och
förädlingstekniker
• Distribution
• Miljöpåverkan
• Vätgasförbränning
• Energikälla-energibärare
• Bränsleceller
• Miljöpåverkan
Christian Brackmann
Projektarbete Förbränning – CO2-avskiljning
• Att återföra CO2 producerad i förbränning till berggrunden
där fossila bränslen har sitt ursprung.
• Insamling, transport, återföring
• Energieffektivet hos processen
• Miljöpåverkan
• Vilken skala krävs?
R.S. Haszeldine et al., ”Carbon Capture and Stroage:How
Green Can Black Be?”, Science 325, 1647 (2009).
Christian Brackmann
Projektarbeten Förbränning – grupper
Biobränslen
(FF1-FF5)
Sven-Inge Möller
Vätgasförbränning
(FF6,FF7)
Elna Heimdal-Nilsson
Fordon
(FF8-FF11)
Christian Brackmann
FF1 Erik Alstersjö
FF6 Filip Gummesson
FF8 Victor Ecéus
Rebecka Alves-Martins
Thomas Strahl
Christoffer Tott Persson
Emil Persson
Kristoffer Hilmersson
Petter Henriksson
Carolina Sartorius
Martin Gunnarsson
FF2 Hanna Björgvinsdottir
FF7 Victor Sannum
FF9 Gustav Lundsgård
Robin Seibold
Rickard Johansson
Victor Nedström
Alexander Wormbs
Daniel Ohlsson
Olof Knape
Victor Johnsson
Bernt Christenssen
FF3 Fredrik Carlström
FF10 Sven Elfgren
Axel Ahlbeck
Mergim Rama
Johan Henriksson
Daniel Jankovic
Anton Jakobsson
Klas Sonesson
FF4 Emil Jönsson
FF11 Artur Matulaniec
Niklas Jonsson
Jonas Jacobsson
Jonny Karlsson Springare
Fredrik Paulsson
Emil Apelgren
Simon Kopljar
FF5 Charlotte Leifland
Fredrik Lindholm
Fredrik Helander
Jonathan Knorn