Förbränning
En kort introduktion
2015-01-22
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)
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
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
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
Tidslinje för projektarbete
Projektarbeten Förbränning – grupper
Biobränslen
(FF1-FF4)
Sven-Inge Möller
Vätgasförbränning
(FF5,FF6)
Elna Heimdal Nilsson
Fordon
(FF7-FF10)
Christian Brackmann
Utsläpp
(FF11,FF13)
Elna Heimdal Nilsson
FF1 Henrik Bilski
FF5 Per-Victor Persson
FF7 Johannes Nilsson
FF11 Johan Bäckström
Anthony Smith
Hans Rietz
Emir Husic
Fredrik Karåker Sundström
Carl Tidelius
Axel Friberg
Jameel Habbosh
Henrik Edlund
FF2 Joakim Ysing
FF6 Ludvig Rappe
FF8 Alexander Lindgren
FF13 Ludvik Brodl
Oscar Gunnesson
Andreas Coroiu
Mikael Nilsson
Jakob Krantz
Kalle Elmér
Samuel Johansson
Filip Bontin
Axel Larsson
FF3 Lukas Brandt Brune
FF9 Hampus Altvall
Joacim Åström
Nikola Nikolic
Kasper Bratz
Fredrik Sydvart
FF4 Johan Nilsson
FF10 Philip Pedersen
Christine Boghammar
Kasper Bratz
Erik Söderberg
Erik Munkby