izgaranje
TRANSCRIPT
IZGARANJEPRETVORBA KEMIJSKE ENERGIJE U UNUTRAŠNJU TERMIČKU ENERGIJU
Kemijska energija sadržana u gorivu pretvara se u unutrašnju termičku energiju. Unutrašnja termička energija je svojstvo termodinamičkog sustava a sastoji se od kinetičke energije molekula u gibanju i njihove potencijalne energije uzrokovane međudjelovanjem privlačnih i odbojnih molekularnih sila. Proces pretvorbe kemijske u unutrašnju energiju naziva se izgaranjem. Izgaranje je kemijska reakcija oksidacije gorivih sastojaka iz nekog goriva s kisikom iz zraka uz pojavu topline i svjetlosti. Nosioci topline su produkti izgaranja-plinovi. Izgaranje može biti i bez prisustva zraka, kako je to kod raketnih pogonskih goriva i eksplozivnih materijala. Kod njih kisik se nalazi pohranjen u gorivu u nekom obliku (vezan u kemijski spoj) ili kao odvojena jedinica-oksidator u tekućem stanju.Gorivo izgara prema zakonu o održanju mase. Broj atoma koji sudjeluje u izgaranju ostaje nepromijenjen. Energetska jednadžba izgaranja temelji se na prvom zakonu termodinamike: U svakom izoliranom sustavu energija je konstantna, ona ne nestaje niti se stvara, jedino se pretvara iz jednog oblika u drugi.
Obzirom na uvjete koji vladaju pri izgaranju odnosno na količina kisika, vrijeme izgaranja i temperaturu, izgaranje može biti potpuno i nepotpuno.Kod potpunog izgaranja svi gorivi elementi sadržani u gorivu u potpunosti izgore, odnosno pretvore se u produkte izgaranja. Kako bi gorivi elementi u gorivu u potpunosti izgorili, moraju biti zadovoljeni slijedeći uvjeti:
- kemijski sastav i stanje goriva moraju biti pripremljeni sukladno namjeni - u komori za izgaranje mora biti visoka temperatura koja omogućuje paljenje goriva
(temperatura samozapaljenja)- miješanje goriva i zraka mora biti zadovoljavajuće, kao i zadovoljavajući omjer goriva
i zraka,- proces izgaranja mora teći u zadanom brzinom, odnosno zadanom vremenskom
okviru.
Nepotpuno izgaranje goriva je proces u kojem gorivi elementi ili sastojci ne izgore potpuno nego samo djelomično. To znači da plinovi izgaranja uz produkte izgaranja sadrže još i sastojke goriva koji zbog bilo kojeg razloga nisu stigli izgorjeti. Oni odnose dio kemijske energije koja se nije pretvorila u toplinsku energiju što je gubitak za pogon.
Stehiometrijski odnosi izgaranja
Svi kemijski procesi u prirodi, pa tako i izgaranje, odvijaju se prema zakonima stalnih omjera, ili stehiometrijskim zakonima: Elementi koji tvore neki spoj međusobno se uvijek spajaju u određenim omjerima bez obzira na količinu tvari koje sudjeluju u reakciji. Količina gorive tvari izražava se maseno ili volumno.Količina razvijene topline pri izgaranju kod krutih i tekućih goriva izračunava se na temelju elementarne analize (sastav goriva po kemijskim elementima), a kod plinovitih na temelju molekularne analize. Određivanje iznosa količine goriva, količine kisika i zraka potrebnih za izgaranje po jedinici nekog goriva kao i određivanje količine i sastava plinova izgaranja vrši se na temelju jednadžbi izgaranja.
1
Jednadžbe izgaranja
Jednadžba izgaranja
Vodik (H2) 2H2 +O2 2H2OUgljik (C), nepotpuno izgaranje C + 0,5O2 COUgljik (C), potpuno izgaranje C + O2 CO2
Ugljični monoksid (CO) CO + 0,5O2 CO2
Sumpor (S) S + O2 SO2
Sumpor dioksid (SO2) 2S + 3O2 SO3
Ugljikovodici (CmHn) Cm+Hn + (m+0,25n)O2 mCO2 + 0,5nH2O Kvantitativni odnos između tvari koje međusobno reagiraju ilustrira slijedeći primjer:
2CO+O22CO2
Dvije molekule ugljik (II)oksida, (ugljičnog monoksida), reagira sa 1molekulom kisika i izgaranjem daju dvije molekule ugljik(IV)oksida,(ugljičnog dioksida). Odnosno određena množina O2 reagira sa dva puta većom množinom CO, pri čemu nastaje dva puta veća množina CO2 .
Množina tvari izražava se u jedinicama naziva mol [n]. Tako da navedenu jednadžbu iskazujemo: 1mol O2 reagira sa 2mola CO i daje 2mola CO2. Mol sadrži Avogadrov broj čestica (NA=6,022x1023/mol ili 6,022x1026/kmol) određene tvari. Odnos između mase tvari m i množine njezinih čestica n definira molarna masa M (g/mol ili kg/kmol) čestice te tvari.
m = n•M
Ovdje se mora strogo voditi računa o vrsti čestice. Primjer: molarna masa atomarnog kisikovog atoma O iznosi M =15,999kg/kmol (≈ 16), dok za molekularni kisik O2 iznosi M =31,998kg/kmol(≈ 32)
2CO+O22CO2
m(CO)= 2 • (MC + MO)m(O2)= 1 • MO2
m(CO2)= 2 • (MC + 2xMO)
m(CO) = 2kmol • (12,1kg/kmol + 16,0kg/kmol) = 56,2kgm(O2) = 1kmol • 32,0kg/kmol=32,0kgm(CO2) = 2kmol • (12,1kg/kmol + 2x16kg/kmol) = 88,02kg
m-masa (kg)
Dakle 56,2kg CO i 32,0kg O2 izgaranjem daju 88,02kg CO2. Odnosno masa smjese je jednaka zbroju pojedinačnih masa
m(CO2)= m(CO) + m(O2) ili m=(ma+mb+mc+…+mn)
2
Jednadžba izgaranja Hd MJ/kmol
Vodik (H2) 1 kmol H2 + 0,5 kmolO2 1kmolH2O 240,00Ugljik (C), nepotpuno izgaranje 1kmolC + 0,5kmolO2 1kmolCO 123,80Ugljik (C), potpuno izgaranje 1kmolC + 1kmolO2 1kmolCO2 407,00Ugljični monoksid (CO) 1kmolCO + 0,5kmolO2 CO2 283,20Sumpor (S) 1kmolS + 1kmolO2 1kmolSO2 297,00Sumpor dioksid (SO2) 1kmolS + 1,5kmolO2 1kmolSO3 398,00Ugljikovodici (CmHn) 1kmolCm + Hn + (m+0,25n)kmolO2
mkmolCO2 + 0,5nkmolH2O + toplina (Q)
Količina svakog plina od 1kmola (mola) pri istom tlaku i temperaturi zauzima isti volumen iznosa 22,4m3(dm3) sa Avogadrovim brojem čestica. Ako se uvedu mase za 1kmol tvari koje izgaraju, navedene jednadžbe se mogu izraziti tako da se dobiju potrebne količine kisika za izgaranje po volumenu (1m3) ili po masi (1kg) tvari koja izgara.
C + O2 CO2
1kmol C+ 1kmol O2 1kmol CO2
1kg C + 2,667kg O2 3,667kg CO2
1kg C + 1,867m3 O2 1,867m3 CO2
C + 0,5O2 CO1kmol C + 0,5kmolO2 1kmol CO1kg C + 1,333kg O2 2,333kg CO1kg C + 0,933m3O2 1,867m3CO
H2 + 0,5O2 H2O1kmol H2 +0,5kmol O2 1kmol H2O1kg H2 + 8kg O2 9kg H2O1kg H2 + 5,6m3O2 11,2m3 H2O1m3 H2 + 5,6m3O2 1m3 H2O
S + O2 SO2
1kmol S + 1kmol O2 1kmol SO2
1kg S + 1kg O2 2kg SO2
1kg S +0,7m3O2 0,7m3 SO2
Jednadžbe izgaranja ugljika, vodika i sumpora i odnos jedinica
U tekućim i plinovitim gorivima glavni su sastojci ugljikovodici kod kojih se sastav može prikazati i općim izrazom CxHyOz, gdje x,y,z znače broj atoma ugljika, vodika i kisika. Za tako označeni ugljikovodik može se napisati jednadžba izgaranja:
1kmol CxHyOz +
Smjese plinova
Za smjese plinova pri proračunu primjenjuju zakoni koji se odnose za idealan plin ukoliko tlakovi nisu vrlo visoki. Za standardne okolnosti uzima se temperatura od 0°C i tlak 101325 Pa. Maseni i volumni udjeli pojedinih plinova u smjesi izračunavaju se omjerom masenog ili volumnog udjela datog plina i ukupne mase odnosno volumena plinske smjese.
Parcijalni tlakovi
3
Pri konstantnoj temperaturi parcijalni tlak pojedinog plina u plinskoj smjesi jednak je umnošku volumnog udjela tog plina i ukupnog tlaka plinske smjese. Iz tog slijedi da je zbroj parcijalnih tlakova pojedinih plinova u smjesi jednak ukupnom tlaku smjese.(Daltonov zakon parcijalnih tlakova)
pV = nRT
R=plinska konstanta=8,314 J/Kmol
p = pa + pb + …. pn
Parcijalni tlak pojedinog plina u smjesi izračunava se prema
pn = nu • p
gdje je pn – parcijalni tlak određenog plina nnu - molni udio plina n u smjesi
nu = nn / (na + nb …) ili nu = nn / n, gdje je n broj molova smjese
Volumni udjeli
Parcijalni volumen Vn plina n u smjesi plinova definiran je kao volumen koji bi zauzimao taj plin pri temperaturi T i ukupnom tlaku p. Prema tome slijedi:
Vn=mnRnT/p, odnosno Vn=nnRnT/p,
Ukupni volumen smjese iznosi V=Va+Vb+….=(na+nb+…..) RT/p, pa je volumni udio Vu plina n jednak
Vu= Vn/V=(nn/n)=nu
Iz ovog slijedi da je volumni udio jednak molarnom udjelu.
Određivanje potrebnih količina kisika i zraka za izgaranje
Određivanje minimalno potrebnih količina zraka, odnosno kisika, za potpuno izgaranje goriva vrši se na temelju jednadžbi izgaranja pojedinih sastojaka goriva. Ukoliko gorivo u sebi već sadrži kisik tada se ukupni iznos umanjuje za iznos tog sadržaja.
4
Za kruta i tekuća goriva obično se daju podaci o masenom udjelu pojedinog elementa u gorivu a označavaju se malim slovima:c-maseni udio ugljika, h-vodika, s-sumpora, o-kisika, n-dušika, w-vode, a-pepela pa mora biti:
c + h + s + o + n + w + a = 1
Poznavanjem količine svakog elemenata u kilomol-ima po kilogramu goriva (cm=c/12, hm=h/4 itd.), određuju se potrebne količine kisika u kilomol-ima po kilogramu za svaki sastojak u gorivu. Jednadžba za izračunavanje minimalne količine kisika potrebne za izgaranje 1kg goriva glasi:
kmola O2 / kg goriva
Element maseni udiokg/kg goriva
kol. elementakmol/kg goriva
kol. kisikakmol/kg goriva
kol. kisikakg/kg goriva
kol. kisikam3/kg goriva
CCO2
CCOcc
cm=c/12cm=c/12
ocm=c/12ocm=c/24
2,667c1,333c
1,867c0,933c
Vodik h hm=h/2 ohm=h/4 8h 5,6hSumpor s sm=s/32 osm=s/32 s 0,7sKisik o om=o/32 oom= -o/32 -o -0,7oDušik n nm=n/28 - - -Voda w wm=w/18 - - -
Minimalna teoretski potrebna količina zraka izračunava se prema:
lm min= om min/0,21 kmol zraka/kg goriva
gdje je 0,21 molni(volumni) udio kisika u zraku.
Potpuno izgaranje goriva u komori za izgaranje nije moguće postići dovođenjem minimalne količine zraka lm min zbog nemogućnosti postizanja optimalnog miješanja goriva i zraka. Za potpuno izgaranje potrebno je svaku česticu goriva dovesti u kontakt sa kisikom. Zato se u komoru dovodi veća količina zraka lm, definirana relacijom:
lm min = lm min
(ili pretičak zraka) je omjer stvarno dovedenog zraka lm i minimalno potrebnoga lm min. Vrijednost mu je uvijek veća od 1 (1)
Potrebna količina zraka može se odrediti u kg/kg goriva. U tu svrhu pomnoži se lijeva strana jednadžbe sa molnom masom molekularnog kisika (32kg) jer to odgovara masi kisika po kmolu. Tada se dobiva za minimalno potrebnu količinu kisika:
ok min = 2,66c +8h +s-o kgO2/kg goriva
Minimalna se količina zraka izračunava prema
5
lk min= ok min/0,232 , jer je 0,232 maseni udio kisika u zraku.
Da bi se odredila potrebna količina kisika u m3 po kg goriva, desna strana jednadžbeom min= c/12 + h/4 + s/32 - o/32 kmola O2 / kg goriva, pomnoži se sa 22,4m3, pa se dobiva
on min=1,867c + 5,6h + 0,7s - 0,7o m3O2/kg goriva.
Navedena jednadžba rabi se za izračun minimalno potrebne količine kisika kod izgaranja krutih i tekućih goriva.
Sastav i količina plinova izgaranja
Količina i sastav plinova izgaranja utvrđuje se na analogan način kao i potrebne količine kisika polazeći od jednadžbe izgaranja ugljika prikazane u molnim omjerima. Plinovi izgaranja sastoje se od CO2, H2O, SO2, N2 iz goriva i zraka, i O2 kao višak kisika jer je 1.Količina kisika koja se pojavljuje u plinovima izgaranja zapravo je višak kisika doveden sa zrakom u komoru, pa on iznosi:
0,21 (-1) lm min
jer je 0,21 lm min dovedeni kisik, a 0,21 lm min količina potrebna za potpuno izgaranje.
Dušik u plinovima izgaranja sastoji se od dušika iz goriva (n/28) što je mala količina i dušika dovedenog sa zrakom jer on ne sudjeluje u kemijskim reakcijama za vrijeme izgaranja.Budući da je volumni udio dušika u zraku 0,79, ta količina se dobiva iz relacije
0,79 lm min
Količina i sastav plina u plinovima izgaranja za čvrsta goriva ukmol/kg goriva
Maseni ud. kg/kg goriva
CO2
kmol/kg goriva
COkmol/
kg goriva
SO2
kmol/kg goriva
H2Okmol/
kg goriva
Okmol/
kg goriva
N2
kmol/kg goriva
CCO2
CCOcc
c/12-
-c/12
--
--
- --
Vodik h - - - h/2 - -Sumpor s - - s/32 - - -Kisik o - - - - - -Dušik n - - - - - n/28Voda w - - - w/18 - -Iz zraka - - - - - 0,21(-1)
x lm min
0,79 x lm min
Količina i sastav plina u plinovima izgaranja za čvrsta goriva um3/kg goriva
6
Maseni ud. kg/kg goriva
CO2
m3/kg goriva
COm3/
kg goriva
SO2
m3/kg goriva
H2Om3/
kg goriva
Om3/
kg goriva
N2
m3/kg goriva
CCO2
CCOcc
1,867c-
-1,867c
--
--
- --
Vodik h - - - 11,2h - -Sumpor s - - 0,7s - - -Kisik o - - - - - -Dušik n - - - - - 0,8nVoda w - - - 1,244w - -Iz zraka - - - - - 0,21(-1)
x ln min
0,79 x ln min
……….Količina i sastav plina u plinovima izgaranja za tekuća i plinovita goriva u
kg/kg gorivaMaseni ud. kg/kg goriva
CO2
kg/kg goriva
COkg/
kg goriva
SO2
kg/kg goriva
H2Okg/
kg goriva
Okg/
kg goriva
N2
kg/kg goriva
CCO2
CCOcc
3,667c-
-2,333c
--
--
- --
Vodik h - - - 9h - -Sumpor s - - 2s - - -Kisik o - - - - - -Dušik n - - - - - -Voda w - - - w - -Iz zraka - - - - - 0,232(-
1) x lk min
0,768 x lk min
7