Arderea adiabatică

Arderea adiabatică - arderea care are loc la o presiune sau volum constant, în care nu există pierderi de energie pentru mediu. Temperatura de ardere adiabatică este temperatura produselor atinsă atunci când reacțiile chimice sunt complete și se stabilește echilibrul termodinamic. Temperatura de ardere adiabatică la presiune constantă este mai mică decât temperatura de ardere adiabatică la volum constant, deoarece în primul caz, o parte din energia produsă în timpul reacției este cheltuită pentru creșterea volumului sistemului .

Factori de influență

Deoarece proprietățile chimice ale produselor de ardere diferă la diferite presiuni ambientale, temperatura de ardere la o presiune joasă constantă este de obicei limitată de nivelul de ionizare al gazului rezultat. Diferite tipuri de combustibili cu diferite călduri de ardere și cu diferite compoziții moleculare vor avea temperaturi de ardere diferite. Arderea completă nu are loc în sistemele reale, deoarece reacțiile chimice duc la disocierea componentelor și au loc la o viteză finită , ceea ce modifică raportul componentelor și nu permite atingerea echilibrului termodinamic complet.

Există un număr mare de programe pentru calcularea temperaturii de ardere, ținând cont de disociere. Aceste programe folosesc constante de echilibru (Stanjan, NASA CEA, AFTP) sau minimizează potențialele termodinamice.

Tipuri comune de combustibili

Cei mai des întâlniți combustibili de zi cu zi sunt compușii organici și amestecurile acestora, cum ar fi lemnul , ceara , grăsimile , diverse materiale plastice , gazele naturale și petroliere , benzina . Tabelul arată temperatura de ardere adiabatică a acestor și a altor substanțe în aer și oxigen în condiții normale (750,06 mm Hg și 25 ° C ), cu un raport apropiat de unitate (" ") combustibil / oxidant și cu condiția ca presiunea sistemului să rămână neschimbată ca urmare a reacției.

Temperatura de ardere adiabatică a materialelor comune la presiune constantă

Combustibil	Oxidant	$T_{ad}$ (°C)
Acetilena ( C2H2 ) _ _	Aer	2500
Acetilena ( C2H2 ) _ _	Oxigen	3480
Butan ( C4H10 ) _ _	Aer	1970
Cyan (C 2 N 2 )	Oxigen	4525
Acetilendinitril ( C4N2 ) _ _	Oxigen	4990
Etan ( C2H6 ) _ _	Aer	1955
Hidrogen ( H2 )	Aer	2210
Hidrogen ( H2 )	Oxigen	3200 [1]
Metan ( CH4 )	Aer	1950
Gaz natural	Aer	1960 [2]
Propan ( C3H8 ) _ _	Aer	1980
Propan ( C3H8 ) _ _	Oxigen	2526
gaz MAPP( metilacetilenă , C3H4 ) _ _	Aer	2010
gaz MAPP( metilacetilenă , C3H4 ) _ _	Oxigen	2927
Lemn	Aer	1980
Kerosenul	Aer	2093 [3]
ulei uşor	Aer	2104 [3]
combustibil distilat	Aer	2101 [3]
păcură	Aer	2102 [3]
Cărbune	Aer	2172 [3]
Antracit	Aer	2180 [3]
Antracit	Oxigen	≈2900 [vezi 1]

↑ O temperatură egală cu ≈3200 K corespunde la 50% din disocierea chimică a CO 2 la o presiune de 1 atm . Ultima valoare rămâne constantă în timpul arderii adiabatice, iar CO2 reprezintă 97% din randamentul reacției de ardere a antracitului în oxigen . Temperaturile mai ridicate ale acestei reacții ar trebui să fie observate la presiuni mai mari (până la 3800 K și mai mult, vezi Jongsup Hong și colab . Arhivat 12 noiembrie 2011 la Wayback Machine , p . 8 ).

Termodinamica

Prima lege a termodinamicii pentru un sistem izolat poate fi scrisă astfel:

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

unde, respectiv căldura și lucrul care au fost produse în timpul procesului și și sunt energia internă a reactanților și rezultatele reacției. Dacă presupunem că în timpul arderii adiabatice volumul rămâne neschimbat, atunci procesul nu produce muncă , ${}_{R}Q_{P}$ ${}_{R}W_{P}$ $U_{R)$ $U_{P)$

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

și nu există pierderi de căldură, deoarece procesul se presupune a fi adiabatic : . Ca urmare, energia internă a produşilor de reacţie coincide cu energia internă a reactanţilor: . Deoarece acesta este un sistem izolat, masa produselor și reactanților este constantă și prima lege poate fi scrisă în următoarea formă: ${}_{R}Q_{P}=0$ $U_{P}=U_{R}$

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

Presupunând că presiunea rămâne constantă în timpul arderii adiabatice, atunci pentru munca efectuată, expresia poate fi scrisă ca:

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

Deoarece nu există pierderi de căldură în procesul adiabatic , obținem din prima lege că ${}_{R}Q_{P}=0$

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

Deoarece din definiția entalpiei și într-un sistem izolat, masa produselor și reactanților este constantă, prima lege ia următoarea formă: $H_{P}=H_{R}$

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

Astfel, temperatura de ardere adiabatică la presiune constantă este mai mică decât la volum constant, ceea ce se datorează necesității de a face lucru pentru a crește volumul în primul caz.

Presupunând că are loc arderea completă și condițiile de stoichiometrie ale componentelor sunt îndeplinite sau există un exces de oxidant, se poate folosi următoarea formulă pentru a calcula temperatura de ardere:

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\stânga({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\dreapta)\la \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}}

Raportul exact al componentelor nu oferă suficiente variabile pentru calcule, deoarece și sunt necesare pentru a atinge echilibrul molar - aceștia din urmă compuși sunt cei mai obișnuiți produse ale arderii incomplete a unui amestec bogat. $CO$ $H_2$

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\stânga({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\dreapta)\la \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}}

Totuși, dacă ținem cont de reacția de schimb dintre dioxidul de carbon și apă

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

și folosiți o constantă de echilibru pentru această reacție, atunci numărul de variabile rezultat va fi suficient pentru a determina temperatura.

Pachetele software moderne pentru calcule termodinamice fac posibilă găsirea temperaturii adiabatice ca urmare a unei soluții numerice a problemei de maximizare a entropiei la o presiune și entalpie date a sistemului (volum și energie internă date). În acest caz, se ia în considerare în mod natural disocierea produselor de ardere (cu o alegere adecvată a componentelor care alcătuiesc sistemul). Soluția numerică este mult simplificată atunci când dependența entropiei sistemului de temperatură este convexă. Acest lucru necesită nenegativitatea derivatei căldurii specifice la presiune constantă în raport cu temperatură (este aproape întotdeauna efectuată, prin urmare, se pot folosi algoritmi standard din teoria programării convexe pentru a programa calculul temperaturii adiabatice).

Vezi și

proces adiabatic
Ciclu diesel (ciclu cu presiune constantă)
Ciclul Otto (ciclu cu volum constant)

Note

↑ Temperaturile flăcării Arhivat 17 aprilie 2014 la Wayback Machine
↑ North American Combustion Handbook, Volumul 1, ediția a 3-a, North American Mfg Co., 1986. Arhivat la 16 iulie 2011 la Wayback Machine
↑ 1 2 3 4 5 6 Prezentare Power Point: Temperatura flăcării Arhivat 17 iulie 2011 la Wayback Machine , Hsin Chu, Departamentul de Inginerie a Mediului, Universitatea Națională Cheng Kung , Taiwan

Link -uri

(Engleză) Babrauskas, Vytenis Temperaturi în flăcări și incendii . Fire Science and Technology Inc. (25 februarie 2006). Data accesului: 27 ianuarie 2008. Arhivat din original la 17 mai 2012. (nedefinit)
(Engleză) Calculul temperaturii flăcării adiabatice
(engleză) Temperatura adiabatică a flăcării
(Engleză) Adiabatic Flame Temperature . Cutia de instrumente de inginerie . Data accesului: 27 ianuarie 2008. Arhivat din original la 17 mai 2012. (nedefinit) temperatura adiabatică a flăcării a hidrogenului, metanului, propanului și octanului cu oxigen sau aer ca oxidanți
(Engleză) Temperaturile flăcării pentru unele gaze comune . Cutia de instrumente de inginerie . Data accesului: 27 ianuarie 2008. Arhivat din original la 17 mai 2012. (nedefinit)
(Engleză) Temperatura unei flăcări albastre și materiale comune
Calculator online de temperatură a flăcării adiabatice folosind Cantera
(Engleză) Program de temperatură a flăcării adiabatice
(engleză) Gaseq , program pentru efectuarea calculelor de echilibru chimic.
Calculator de temperatură a flăcării - combustie adiabatică bipropelante cu presiune constantă
(Engleză) Calculator de temperatură a flăcării adiabatice