yanma - Combustion

Alevler bir sonucu olarak oluşan yakıt geçiren yanma (yakma)

Yanma veya yanma , bir yakıt (indirgeyici) ile bir oksitleyici , genellikle atmosferik oksijen arasında, duman olarak adlandırılan bir karışımda oksitlenmiş, genellikle gaz halinde ürünler üreten, yüksek sıcaklıkta ekzotermik bir redoks kimyasal reaksiyonudur . Yanma her zaman yangınla sonuçlanmaz , çünkü alev yalnızca yanmaya maruz kalan maddeler buharlaştığında görünür, ancak oluştuğunda alev, reaksiyonun karakteristik bir göstergesidir. Yanmayı başlatmak için aktivasyon enerjisinin üstesinden gelinmesi gerekirken (örneğin, bir ateş yakmak için yanan bir kibrit kullanmak), alevden gelen ısı, reaksiyonun kendi kendini sürdürmesini sağlamak için yeterli enerji sağlayabilir. Yanma genellikle karmaşık bir temel radikal reaksiyon dizisidir . Odun ve kömür gibi katı yakıtlar , önce yanması daha sonra daha fazlasını üretmek için gereken ısıyı sağlayan gaz halindeki yakıtları üretmek için endotermik pirolize tabi tutulur . Yanma genellikle , parlayan veya alev şeklinde akkor ışık üretecek kadar sıcaktır . Basit bir örnek yanması görülebilir hidrojen ve oksijen halinde su buharı , bir reaksiyon, yakıt için kullanılan roket motorları . Bu reaksiyon 242 kJ / mol ısı açığa çıkarır ve buna göre entalpiyi azaltır (sabit sıcaklık ve basınçta):  

2 saat
2
(g) + O
2
(g) → 2 H
2
O
(g)

Çünkü hava, bir organik yakıt yanma her zaman ekzotermiktir çift bağ O'da 2 bu nedenle diğer çift bağları veya tek bağların çiftleri ve yanma ürünleri güçlü bağlarının oluşumu çok daha zayıf olduğu CO
2
ve H
2
O
, enerjinin serbest bırakılmasıyla sonuçlanır. Yakıttaki bağ enerjileri, yanma ürünlerindekilere benzer oldukları için yalnızca küçük bir rol oynar; örneğin, toplamı bağ enerjileri CH 4 neredeyse aynıdır olan CO
2
. Yanma ısısı -418 yaklaşık O molü başına kJ 2 yanma reaksiyonu içinde kullanılan ve yakıtın temel bileşimden tahmin edilebilir.

Havada katalizlenmemiş yanma nispeten yüksek sıcaklıklar gerektirir. Tam yanma, kalan yakıt ve ideal olarak artık oksidan olmayan yakıtla ilgili olarak stokiyometriktir . Termodinamik olarak, havadaki yanmanın kimyasal dengesi ezici bir çoğunlukla ürünlerin tarafındadır. Bununla birlikte, kimyasal dengeye mutlaka ulaşılmadığından veya karbon monoksit , hidrojen ve hatta karbon ( kurum veya kül) gibi yanmamış ürünler içerebileceğinden, tam yanmanın sağlanması neredeyse imkansızdır . Bu nedenle, üretilen duman genellikle zehirlidir ve yanmamış veya kısmen oksitlenmiş ürünler içerir. Atmosferik havada yüksek sıcaklıklarda, yüzde 78 nitrojen olan herhangi bir yanma , aynı zamanda , nitrojenin yanması termodinamik olarak yüksek sıcaklıklarda tercih edildiğinden, genellikle NOx olarak adlandırılan birkaç nitrojen oksitin küçük miktarlarını da oluşturacaktır . Yanma nadiren temiz olduğundan, kanunen yakıt gazı temizleme veya katalitik konvertörler gerekebilir.

Yangınlar , yıldırım çarpmaları veya volkanik ürünler tarafından ateşlenerek doğal olarak meydana gelir . Yanma ( ateş ), insanlar tarafından kamp ateşi ve şenlik ateşi şeklinde keşfedilen ilk kontrollü kimyasal reaksiyondu ve insanlık için enerji üretmenin ana yöntemi olmaya devam ediyor. Yakıt genellikle karbon , hidrokarbonlar veya kısmen oksitlenmiş hidrokarbonlar içeren odun gibi daha karmaşık karışımlardır . Ya da yakılması ile üretilen termal enerji, fosil yakıt gibi kömür ya da petrol ile veya yenilenebilir yakıtlar gibi odun gibi çeşitli kullanımlar için hasat edilir yemek üretimi , elektrik ya da endüstriyel veya ev ısıtma. Yanma ayrıca şu anda roketlere güç sağlamak için kullanılan tek reaksiyondur . Yanma , hem tehlikesiz hem de tehlikeli olan atıkları yok etmek ( yakmak ) için de kullanılır .

Yanma için oksidanlar yüksek oksidasyon potansiyeline sahiptir ve atmosferik veya saf oksijen , klor , flor , klor triflorür , nitröz oksit ve nitrik asit içerir . Örneğin, hidrojen yanıklar klor oluşturmak üzere hidrojen klorid ısı ve yanma ışık karakteristik kurtuluş. Genellikle katalize edilmemesine rağmen , kontak işleminde olduğu gibi yanma platin veya vanadyum ile katalize edilebilir .

Türler

Tam ve eksik

Tamamlayınız

Bir hidrokarbon olan metan gazının yanması .

Tam yanmada, reaktan oksijende yanar ve sınırlı sayıda ürün üretir. Bir hidrokarbon oksijende yandığında, reaksiyon öncelikle karbondioksit ve su verir. Elementler yakıldığında, ürünler öncelikle en yaygın oksitlerdir. Karbon karbondioksit verecek , kükürt kükürt dioksit verecek ve demir demir(III) oksit verecek . Oksijen oksidan olduğunda, nitrojen yanıcı bir madde olarak kabul edilmez . Yine de, az miktarda çeşitli nitrojen oksitler (genelde NO olarak adlandırılır)
x
türleri) hava oksidatif olduğunda oluşur.

Yanma, maksimum oksidasyon derecesi için mutlaka uygun değildir ve sıcaklığa bağlı olabilir. Örneğin, kükürt trioksit , kükürtün yanması ile nicel olarak üretilmez. NUMARA
x
türler yaklaşık 2,800 °F'nin (1,540 °C) üzerinde önemli miktarlarda görülür ve daha yüksek sıcaklıklarda daha fazlası üretilir.
NO miktarı
x
aynı zamanda oksijen fazlasının bir fonksiyonudur.

Çok endüstriyel uygulamalarda ve yangınları , hava oksijen kaynağı (bir O
2
). Havada, her mol oksijen yaklaşık olarak3.71  mol nitrojen. Azot yanma yer almaz, ancak yüksek sıcaklıklarda bir azot dönüştürülür NO
x
(çoğunlukla NO , çok daha küçük miktarlarda NO
2
). Öte yandan, yakıtı tamamen yakmak için yeterli oksijen olmadığında, yakıt karbonunun bir kısmı karbon monoksite dönüştürülür ve hidrojenlerin bir kısmı reaksiyona girmeden kalır. Bu nedenle, bir hidrokarbonun havada yanması için eksiksiz bir denklem seti, yakıttaki karbon ve hidrojen arasındaki oksijen dağılımı için ek bir hesaplama gerektirir.

Tam yanmanın gerçekleşmesi için gereken hava miktarı saf hava olarak bilinir. Ancak pratikte kullanılan hava, saf havanın 2-3 katıdır.

eksik

Yakıtın karbon dioksit ve su üretmek için tamamen reaksiyona girmesine izin verecek kadar oksijen olmadığında eksik yanma meydana gelir. Aynı zamanda, yanma, katı bir yüzey veya alev kapanı gibi bir ısı emici tarafından söndürüldüğünde de olur. Tam yanmada olduğu gibi, eksik yanmada su üretilir; ancak karbon dioksit yerine karbon , karbon monoksit ve hidroksit üretilir.

Dizel yağı, kömür veya odun gibi çoğu yakıt için piroliz yanmadan önce gerçekleşir. Eksik yanmada, piroliz ürünleri yanmadan kalır ve dumanı zararlı partikül madde ve gazlarla kirletir. Kısmen oksitlenmiş bileşikler de bir endişe kaynağıdır; etanolün kısmi oksidasyonu zararlı asetaldehit üretebilir ve karbon toksik karbon monoksit üretebilir.

Yanma cihazlarının tasarımları, brülörler ve içten yanmalı motorlar gibi yanma kalitesini iyileştirebilir . Daha fazla iyileştirme, katalitik son yakma cihazları ( katalitik konvertörler gibi ) veya egzoz gazlarının yanma işlemine basit kısmi geri dönüşü ile elde edilebilir . Bu tür cihazlar, çoğu ülkede otomobiller için çevre mevzuatı tarafından zorunludur . Termik santraller gibi büyük yakma cihazlarının yasal emisyon standartlarına ulaşmasını sağlamak için gerekli olabilir .

Test ekipmanı ile yanma derecesi ölçülebilir ve analiz edilebilir. HVAC müteahhitleri, itfaiyeciler ve mühendisler , yanma işlemi sırasında bir brülörün verimliliğini test etmek için yanma analizörleri kullanır . Ayrıca, içten yanmalı bir motorun verimliliği bu şekilde ölçülebilir ve bazı ABD eyaletleri ve yerel belediyeler bugün yoldaki araçların verimliliğini tanımlamak ve derecelendirmek için yanma analizini kullanır.

Eksik yanma üretilen karbon monoksit

Karbon monoksit eksik yanma ürünlerinden biridir . Karbon, normal tamamlanmamış yanma reaksiyonunda açığa çıkarak kurum ve toz oluşturur. Karbon monoksit zehirli bir gaz olduğundan tam yanma tercih edilir, çünkü karbon monoksit oksijenin yerini aldığı ve hemoglobin ile birleştiği için solunduğunda solunum sorunlarına da yol açabilir.

Eksik yanma ile ilgili sorunlar
Çevre sorunları:

Bu oksitler atmosferdeki su ve oksijenle birleşerek nitrik asit ve sülfürik asitler oluşturur ve bunlar asit birikimi veya "asit yağmuru" olarak Dünya yüzeyine geri döner. Asit birikimi suda yaşayan organizmalara zarar verir ve ağaçları öldürür. Kalsiyum ve fosfor gibi bitkilerde daha az bulunan bazı besin maddelerini oluşturması nedeniyle ekosistemin ve çiftliklerin verimliliğini azaltır. Nitrojen oksitlerle ilgili ek bir problem , hidrokarbon kirleticilerle birlikte , dumanın önemli bir bileşeni olan yer seviyesindeki ozonun oluşumuna katkıda bulunmalarıdır .

İnsan sağlığı sorunları:

Karbon monoksit solumak baş ağrısına, baş dönmesine, kusmaya ve mide bulantısına neden olur. Karbon monoksit seviyeleri yeterince yüksekse, insanlar bilinçsiz hale gelir veya ölür. Orta ve yüksek seviyelerde karbon monoksite uzun süre maruz kalmak, kalp hastalığı riski ile pozitif ilişkilidir. Şiddetli karbon monoksit zehirlenmesinden kurtulan insanlar uzun vadeli sağlık sorunları yaşayabilir. Havadaki karbon monoksit akciğerlerde emilir ve daha sonra insan kırmızı kan hücrelerinde hemoglobine bağlanır . Bu, kırmızı kan hücrelerinin vücutta oksijen taşıma kapasitesini azaltacaktır.

için için yanan

İçin için yanan yanma, oksijen doğrudan yoğunlaştırılmış fazlı bir yakıtın yüzeyine saldırdığında ortaya çıkan ısı tarafından sürdürülen yavaş, düşük sıcaklıkta, alevsiz yanma şeklidir. Tipik olarak tamamlanmamış bir yanma reaksiyonudur. İçin için yanan bir reaksiyonu sürdürebilen katı maddeler arasında kömür, selüloz , odun , pamuk , tütün , turba , duff , humus , sentetik köpükler, kömürleşen polimerler ( poliüretan köpük dahil ) ve toz bulunur . İçin için yanan olayların yaygın örnekleri, döşemeli mobilyalarda zayıf ısı kaynakları (örneğin, bir sigara, kısa devreli bir tel) tarafından konut yangınlarının başlatılması ve orman yangınlarının yanan cephelerinin arkasında biyokütlenin sürekli yanmasıdır .

Ani

Etanolün yanması sırasında açığa çıkan büyük miktarda enerjiyi gösteren bir deney. Küçük boyunlu büyük bir plastik şişede alkol (bu durumda etanol) buharı ve hava karışımı tutuşturulur, bu da büyük bir mavi alev ve 'vı' sesiyle sonuçlanır.

Hızlı yanma başka türlü olarak bilinen yanma bir biçimi olan yangın ısı ve büyük miktarlarda olduğu, ışık genellikle sonuçlanan enerji salınır, alev . Bu, içten yanmalı motorlar gibi bir makine biçiminde ve termobarik silahlarda kullanılır . Böyle bir yanmaya genellikle Hızlı yanma denir, ancak içten yanmalı bir motor için bu doğru değildir. Bir içten yanmalı motor nominal olarak kontrollü bir hızlı yanmayla çalışır. Tüm hava-yakıt karışımı olarak bilinen bir içten yanmalı motor patlar, patlama .

Doğal

Kendiliğinden yanma , kendiliğinden ısınma ( ekzotermik iç reaksiyonlar nedeniyle sıcaklıktaki artış ), ardından termal kaçak (hızla yüksek sıcaklıklara hızlanan kendi kendine ısınma) ve son olarak tutuşma ile meydana gelen bir yanma türüdür . Örneğin, fosfor, ısı uygulanmadan oda sıcaklığında kendiliğinden tutuşur. Bakteriyel kompostlaştırmaya maruz kalan organik malzemeler , yanma noktasına ulaşmak için yeterli ısı üretebilir.

çalkantılı

Türbülanslı alevle sonuçlanan yanma, en çok endüstriyel uygulamalarda kullanılır (örneğin gaz türbinleri , benzinli motorlar , vb.), çünkü türbülans, yakıt ve oksitleyici arasındaki karıştırma işlemine yardımcı olur .

mikro-yerçekimi

Mikro yerçekiminde yanan bir arkadan aydınlatmalı yakıt damlacığının videosundan alınan tek tek karelerin renkli gri tonlamalı birleşik görüntüsü.

'Mikro' yerçekimi terimi, 'düşük' (yani, 'küçük' anlamında 'mikro' ve Dünya'nın normal yerçekiminin milyonda biri olması gerekmeyen) bir yerçekimi durumunu ifade eder; öyle ki, kaldırma kuvvetinin fiziksel süreçler üzerindeki etkisi aşağıdaki gibi olabilir. normal yerçekiminde mevcut olacak diğer akış süreçlerine göre küçük olarak kabul edilir. Böyle bir ortamda, termal ve akış taşıma dinamikleri , normal yerçekimi koşullarından oldukça farklı davranabilir (örneğin, bir mumun alevi bir küre şeklini alır.). Mikro yerçekimi yanma araştırması, hem bir uzay aracının çevresi (örneğin, Uluslararası Uzay İstasyonunda mürettebat güvenliği ile ilgili yangın dinamikleri ) hem de karasal (Dünya tabanlı) koşullar (örneğin, damlacık) ile ilgili çok çeşitli yönlerin anlaşılmasına katkıda bulunur. geliştirilmiş yanma, malzeme üretim süreçleri , elektronik sistemlerin termal yönetimi , çok fazlı akış kaynama dinamikleri ve diğerleri için yeni yakıt karışımlarının geliştirilmesine yardımcı olmak için yanma dinamikleri).

Mikro yanma

Çok küçük hacimlerde meydana gelen yanma süreçleri mikro yanma olarak kabul edilir . Yüksek yüzey-hacim oranı, özgül ısı kaybını arttırır. Bu tür yanma odalarındaki alevin dengelenmesinde söndürme mesafesi hayati bir rol oynar .

kimyasal denklemler

Oksijende bir hidrokarbonun stokiyometrik yanması

Genel olarak, bir hidrokarbonun oksijende stokiyometrik yanması için kimyasal denklem şöyledir:

nerede .

Örneğin, propanın oksijende stokiyometrik yanması :

Bir hidrokarbonun havada stokiyometrik yanması

Stokiyometrik yanma oksijen kaynağı olarak hava kullanılarak gerçekleşirse, havada bulunan nitrojen ( Dünya Atmosferi ) denkleme eklenebilir (reaksiyona girmese de) yakıtın havadaki stokiyometrik bileşimini ve bileşimini göstermek için. ortaya çıkan baca gazından. Havadaki tüm oksijen olmayan bileşenlerin nitrojen olarak işlenmesinin, 3,77'lik bir 'azot' oksijen oranı verdiğini unutmayın, yani (%100 - %O2) / %O2, burada %O2, hacim %20,95'tir:

nerede .

Örneğin, propanın ( ) havada stokiyometrik yanması şöyledir:

Propanın havadaki stokiyometrik bileşimi 1 / (1 + 5 + 18.87) = %4.02 hacimdir.

Havada C α H β O γ için stokiyometrik yanma reaksiyonu :

C α H β O γ S δ için stokiyometrik yanma reaksiyonu :

C α H β O γ N δ S ε için stokiyometrik yanma reaksiyonu :

C α H β O γ F δ için stokiyometrik yanma reaksiyonu :

İz yanma ürünleri

Çeşitli diğer maddeler zaman yanma ürünlerinin önemli miktarlarda ortaya çıkmaya başlar alev sıcaklığı yaklaşık üzerindedir1600  K . Fazla hava kullanıldığı zaman, azot okside olabilir NO ve çok daha az bir ölçüde, için NO
2
. CO ile oluşur orantısını arasında CO
2
ve H
2
ve H'nin orantısızlaştırılmasıyla OH formu
2
Ç
.

Örneğin, ne zaman mol propan ile yakılır.28.6  mol hava (stoikiometrik miktarın %120'si), yanma ürünleri %3.3 O içerir
2
. NS1400  K , denge yanma ürünleri %0.03 NO ve %0.002 OH içerir . NS1800  K , yanma ürünleri %0.17 NO , %0.05 OH , %0.01 CO ve %0.004 H içerir.
2
.

Dizel motorlar , yalnızca stokiyometrik miktarda oksijenle oluşmaya meyilli olan ve mutlaka nitrojen oksit emisyonları üreten küçük parçacıkları yakmak için fazla oksijenle çalıştırılır . Hem Amerika Birleşik Devletleri hem de Avrupa Birliği , özel katalitik konvertörlerin kullanılmasını veya egzozun üre ile işlenmesini gerektiren araç nitrojen oksit emisyonlarına sınırlamalar getirir (bkz. Dizel egzoz sıvısı ).

Hidrokarbonun oksijende eksik yanması

Bir hidrokarbonun oksijen ile eksik (kısmi) yanması, esas olarak CO içeren bir gaz karışımı üretir.
2
, CO , H
2
O
ve H
2
. Bu tür gaz karışımları genellikle metallerin ısıl işlemi ve gaz karbonlama için koruyucu atmosferler olarak kullanılmak üzere hazırlanır . Oksijende bir mol hidrokarbonun eksik yanması için genel reaksiyon denklemi :

Z aşağıdaki stoikiometrik değer yaklaşık% 50 düşer, CH
4
önemli bir yanma ürünü haline gelebilir; zaman z Aşağıdaki stoikiometrik değer yaklaşık% 35 düşer, element karbon sabit olabilir.

Eksik yanma ürünleri, yanma ürünlerinin dengeye ulaştığı varsayımıyla birlikte bir malzeme dengesi yardımıyla hesaplanabilir . Örneğin, bir mol propanın yanmasında ( C
3
H
8
) dört mol O ile
2
, yedi mol yanma gazı oluşur ve z , stokiyometrik değerin %80'idir. Üç temel denge denklemi şunlardır:

  • Karbon:
  • Hidrojen:
  • Oksijen:

Bu üç denklem, yanma gazı bileşimini hesaplamak için kendi başlarına yetersizdir. Ancak denge konumunda su-gaz kayma reaksiyonu başka bir denklem verir:

;

Örneğin, 1200  K değeri K eşdeğer 0.728 olan. Çözme, yanma gazı %42.4 H'den oluşur.
2
O
, %29,0 CO
2
, % 14.7 H
2
ve %13.9 CO . Karbon kararlı bir faz haline gelir1200  bin veatm basınç z, stokiyometrik değerin %30'undan az olduğunda, bu noktada yanma ürünleri %98'den fazla H içerir
2
ve CO ve yaklaşık %0.5 CH
4
.

Yanan madde veya maddelere yakıt denir . En yaygın örnekler doğal gaz, propan, gazyağı, dizel, benzin, odun kömürü, kömür, odun vb.

Sıvı yakıtlar

Bir sıvı yakıtın oksitleyici bir atmosferde yanması aslında gaz fazında gerçekleşir. Yanan sıvı değil buhardır. Bu nedenle, bir sıvı normalde yalnızca belirli bir sıcaklığın üzerinde alev alır: parlama noktası . Bir sıvı yakıtın parlama noktası, hava ile tutuşabilir bir karışım oluşturabileceği en düşük sıcaklıktır. Yanmayı başlatmak için havada yeterli miktarda buharlaşmış yakıtın bulunduğu minimum sıcaklıktır.

gaz yakıtlar

Gaz halindeki yakıtların yanması, dört farklı yanma türünden biri yoluyla gerçekleşebilir: difüzyon alevi , önceden karıştırılmış alev , kendiliğinden tutuşan reaksiyon cephesi veya patlama olarak . Gerçekte meydana gelen yanma türü, ısıtmadan önce yakıt ve oksitleyicinin karıştırılma derecesine bağlıdır : örneğin, yakıt ve oksitleyici başlangıçta ayrılırsa bir difüzyon alevi oluşur, aksi takdirde önceden karıştırılmış bir alev oluşur. Benzer şekilde, yanmanın türü de basınca bağlıdır: örneğin bir patlama, güçlü bir şok dalgasına bağlı, kendisine karakteristik yüksek basınç zirvesini ve yüksek patlama hızını veren, kendiliğinden tutuşan bir reaksiyon cephesidir .

Katı yakıtlar

Genel bir polimer yanma şeması

Yanma eylemi, nispeten farklı ancak örtüşen üç aşamadan oluşur:

  • Fazı Ön ısıtma yanmamış, yakıt parlama noktası ve daha sonra ısıtılır yanma noktasının . Kuru damıtmaya benzer bir süreçte yanıcı gazlar oluşmaya başlar .
  • Damıtma fazı veya gaz fazı , gelişen yanıcı gazların oksijenle karışımı tutuşturulduğunda. Enerji, ısı ve ışık şeklinde üretilir. Alevler genellikle görülebilir. Yanmadan katıya ısı transferi, yanıcı buharların oluşumunu sağlar.
  • Kömür faz veya katı faz malzeme yanıcı gazların çıkış alev kalıcı varlığı ve çok düşük olan, kömürleşmiş hızlı ve sadece parlamalar ve daha sonra yalnızca yanmaz yakıt smoulders .

yanma yönetimi

Verimli proses ısıtması , bir yakıtın yanma ısısının mümkün olan en büyük kısmının işlenen malzemeye geri kazanılmasını gerektirir . Bir ısıtma işleminin çalışmasında birçok kayıp yolu vardır. Tipik olarak, baskın kayıp, atık gazla (yani baca gazı ) çıkan hissedilir ısıdır . Çıkış gazının sıcaklığı ve miktarı, ısı içeriğini ( entalpi ) gösterir, bu nedenle miktarını düşük tutmak ısı kaybını en aza indirir.

Mükemmel bir fırında , yanma havası akışı, her bir yakıt molekülüne tam yanmayı sağlamak için gereken tam oksijen miktarını vermek için yakıt akışıyla eşleştirilecektir. Ancak gerçek dünyada yanma mükemmel bir şekilde ilerlemez. Yanmamış yakıt (genellikle CO ve H
2
) sistemden boşaltılması, bir ısıl değer kaybını (aynı zamanda bir güvenlik tehlikesini) temsil eder. Çıkış gazında yanıcı maddeler istenmediğinden, reaksiyona girmemiş oksijenin varlığı minimum güvenlik ve çevresel kaygılar ortaya çıkarırken, yanma yönetiminin ilk ilkesi, tüm yakıtın yanmasını sağlamak için teorik olarak ihtiyaç duyulandan daha fazla oksijen sağlamaktır. Metan için ( CH
4
) yanma, örneğin iki oksijen molekülünden biraz daha fazla gereklidir.

Bununla birlikte, yanma yönetiminin ikinci ilkesi, çok fazla oksijen kullanmamaktır. Doğru oksijen miktarı üç tür ölçüm gerektirir: birincisi, hava ve yakıt akışının aktif kontrolü; ikincisi, atık gaz oksijen ölçümü; ve üçüncüsü, yanıcı gazların ölçümü. Her ısıtma işlemi için, kabul edilebilir düzeyde yanıcı madde konsantrasyonu ile minimum atık gaz ısı kaybının optimum bir koşulu vardır. Fazla oksijenin en aza indirilmesi ek bir fayda sağlar: belirli bir çıkış gazı sıcaklığı için, fazla oksijen en düşük tutulduğunda NOx seviyesi en düşüktür.

Yanma işleminde malzeme ve ısı dengeleri yapılarak bu iki prensibe bağlılık daha da artırılır. Malzeme dengesi ile doğrudan ilgilidir hava / yakıt oranının yüzdesi olarak O
2
yanma gazında. Isı dengesi, şarj için mevcut olan ısıyı yakıtın yanması tarafından üretilen toplam net ısı ile ilişkilendirir. Yanma havasının ön ısıtılmasından veya oksijen bakımından zenginleştirilmesinden elde edilen termal avantajı ölçmek için ek malzeme ve ısı dengeleri yapılabilir.

reaksiyon mekanizması

Oksijende yanma, birçok farklı radikal ara ürünün katıldığı bir zincirleme reaksiyondur . Başlatma için gereken yüksek enerji, dioksijen molekülünün olağandışı yapısıyla açıklanır . Dioksijen molekülünün en düşük enerjili konfigürasyonu, üçlü spin durumunda kararlı, nispeten reaktif olmayan bir diradikaldir . Bağlanma , molekülün sıfırdan farklı toplam açısal momentuma sahip olacağı şekilde, spinleri hizalanmış, üç bağ elektron çifti ve iki anti bağ elektronu ile tanımlanabilir . Öte yandan, yakıtların çoğu, eşleştirilmiş dönüşler ve sıfır toplam açısal momentum ile tekli haldedir. İkisi arasındaki etkileşim kuantum mekaniksel olarak bir " yasak geçiş " tir , yani çok düşük bir olasılıkla mümkündür. Yanmayı başlatmak için, dioksijeni spin-eşli duruma veya tekli oksijene zorlamak için enerji gereklidir . Bu ara madde son derece reaktiftir. Enerji ısı olarak sağlanır ve reaksiyon daha sonra devam etmesine izin veren ek ısı üretir.

Hidrokarbonların yanmasının, bir hidroperoksit radikali (HOO) vermek üzere yakıttan oksijene hidrojen atomu soyutlaması (proton soyutlaması değil) ile başlatıldığı düşünülmektedir. Bu, hidroksil radikalleri vermek üzere parçalanan hidroperoksitleri vermek üzere daha fazla reaksiyona girer . Yakıt radikalleri ve oksitleyici radikaller üreten bu süreçlerin çok çeşitli vardır. Oksitleyici türler arasında singlet oksijen, hidroksil, monatomik oksijen ve hidroperoksil bulunur . Bu tür ara ürünler kısa ömürlüdür ve izole edilemez. Bununla birlikte, radikal olmayan ara ürünler kararlıdır ve eksik yanmada üretilir. Bir örnek, etanolün yanması sırasında üretilen asetaldehittir . Karbon ve hidrokarbonların yanmasında bir ara madde olan karbon monoksit , zehirli bir gaz olduğu için özel bir öneme sahiptir , fakat aynı zamanda sentez gazı üretimi için ekonomik olarak da faydalıdır .

Katı ve ağır sıvı yakıtlar ayrıca daha kolay oksitlenen gazlı yakıtlar veren çok sayıda piroliz reaksiyonuna girer. Bu reaksiyonlar endotermiktir ve devam eden yanma reaksiyonlarından sabit enerji girişi gerektirir. Oksijen eksikliği veya diğer uygun olmayan şekilde tasarlanmış koşullar, bu zararlı ve kanserojen piroliz ürünlerinin kalın, siyah duman olarak yayılmasına neden olur.

Yanma hızı, belirli bir süre boyunca yanmaya maruz kalan bir malzemenin miktarıdır. Saniyede gram (g/s) veya saniyede kilogram (kg/s) olarak ifade edilebilir.

Yanma işlemlerinin kimyasal kinetik perspektifinden ayrıntılı açıklamaları, büyük ve karmaşık temel reaksiyon ağlarının formüle edilmesini gerektirir. Örneğin, hidrokarbon yakıtların yanması, tipik olarak, binlerce reaksiyona göre reaksiyona giren yüzlerce kimyasal türü içerir.

Bu tür mekanizmaların hesaplamalı akış çözücülere dahil edilmesi, esas olarak iki açıdan hala oldukça zorlu bir görevi temsil etmektedir. İlk olarak, serbestlik derecesi sayısı (kimyasal türlerin sayısıyla orantılı) çarpıcı biçimde büyük olabilir; ikincisi, tepkimelerden kaynaklanan kaynak terim, tüm dinamik sistemi katılaştıran farklı sayıda zaman ölçeği sunar . Sonuç olarak, ağır yakıtlarla türbülanslı reaktif akışların doğrudan sayısal simülasyonu, modern süper bilgisayarlar için bile kısa sürede zorlu hale gelir.

Bu nedenle, yüksek detay seviyesine başvurmadan yanma mekanizmalarının karmaşıklığını azaltmak için çok sayıda metodoloji geliştirilmiştir. Örnekler aşağıdakiler tarafından sağlanmaktadır:

  • Gevşeme Yeniden Dağıtım Yöntemi (RRM)
  • İçsel Düşük Boyutlu Manifold (ILDM) yaklaşımı ve daha ileri gelişmeler
  • Değişmez kısıtlı denge kenarı ön görüntü eğrisi yöntemi.
  • Birkaç değişken yaklaşım
  • Hesaplamalı Tekil pertürbasyon (CSP) yöntemi ve daha ileri gelişmeler.
  • Hız Kontrollü Kısıtlı Denge (RCCE) ve Yarı Denge Manifoldu (QEM) yaklaşımı.
  • G Planı.
  • Değişmez Izgaralar Yöntemi (MIG).

Kinetik modelleme

Kinetik modelleme, örneğin Termogravimetrik analiz kullanılarak farklı malzemelerin yanması sırasında termal bozunmanın reaksiyon mekanizmaları hakkında bilgi edinmek için araştırılabilir .

Sıcaklık

Antoine Lavoisier , güçlendirilmiş güneş ışığının ürettiği yanma ile ilgili bir deney yürütüyor.

Adyabatik koşullar altında tam yanma (yani, ısı kaybı veya kazancı yok) gibi mükemmel yanma koşulları varsayılarak , adyabatik yanma sıcaklığı belirlenebilir. Bu sıcaklığı veren formül , termodinamiğin birinci yasasına dayanmaktadır ve yanma ısısının tamamen yakıtı, yanma havasını veya oksijeni ve yanma ürünü gazlarını (genelde yanma ürünü gazları) ısıtmak için kullanıldığı gerçeğini dikkate alır . baca gazı ).

Fosil yakıtların havada yakılması durumunda, yanma sıcaklığı aşağıdakilerin tümüne bağlıdır:

Adyabatik yanma sıcaklığı ( adyabatik alev sıcaklığı olarak da bilinir ), daha yüksek ısıtma değerleri ve giriş havası ve yakıt sıcaklıkları ve bire yaklaşan stokiyometrik hava oranları için artar.

En yaygın olarak, kömürler için adyabatik yanma sıcaklıkları yaklaşık 2.200 °C (3.992 °F) (ortam sıcaklıklarında giriş havası ve yakıt için ve için ), yağ için yaklaşık 2.150 °C (3.902 °F) ve 2.000 °C (3.632 °F)'dir. F) doğal gaz için .

Endüstriyel ateşlemeli ısıtıcılarda , elektrik santrali buhar jeneratörlerinde ve büyük gazla çalışan türbinlerde , stokiyometrik yanma havasından daha fazlasının kullanımını ifade etmenin daha yaygın yolu, yüzde fazla yanma havasıdır . Örneğin, yüzde 15'lik fazla yanma havası, gerekli stokiyometrik havadan yüzde 15 daha fazlasının kullanıldığı anlamına gelir.

kararsızlıklar

Yanma kararsızlıkları tipik olarak bir yanma odasındaki şiddetli basınç salınımlarıdır. Bu basınç salınımları 180  dB kadar yüksek olabilir ve bu döngüsel basınca ve termal yüklere uzun süreli maruz kalma motor bileşenlerinin ömrünü kısaltır. Satürn V programında kullanılan F1 gibi roketlerde, kararsızlıklar yanma odası ve çevresindeki bileşenlerde büyük hasara yol açtı. Bu sorun, yakıt enjektörünün yeniden tasarlanmasıyla çözüldü. Sıvı jet motorlarında, kararsızlıkları azaltmak için damlacık boyutu ve dağılımı kullanılabilir. Yanma kararsızlıkları, NO nedeniyle yer tabanlı gaz türbini motorlarında büyük bir endişe kaynağıdır.
x
emisyonlar. Eğilim, yanma sıcaklığını azaltmak ve böylece
NO'yu azaltmak için 1'den küçük bir eşdeğerlik oranı olan yalın çalışmadır.
x
emisyonlar; bununla birlikte, yanmayı yalın çalıştırmak, onu yanma kararsızlığına karşı çok hassas hale getirir.

Rayleigh Ölçütü termoakustik yanma instabilite analizi için temel oluşturur ve istikrarsızlık bir çevrim boyunca Rayleigh dizini kullanarak değerlendirilir

burada q', ısı salma hızı düzensizliğidir ve p', basınç dalgalanmasıdır. Isı salınım salınımları basınç salınımları ile aynı fazda olduğunda, Rayleigh İndeksi pozitiftir ve termo akustik kararsızlığın büyüklüğü maksimize edilir. Öte yandan, Rayleigh İndeksi negatifse, termoakustik sönüm oluşur. Rayleigh Kriteri, aynı frekansta basınç salınımları ile faz dışı 180 derece ısı salınım salınımlarına sahip olarak bir termoakustik kararsızlığın optimal olarak kontrol edilebileceğini ima eder. Bu Rayleigh İndeksini en aza indirir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • Poinsot, Thierry; Veynante, Denis (2012). Teorik ve Sayısal Yanma (3. baskı). Bilimsel Hesaplamada Avrupa Araştırma ve İleri Eğitim Merkezi.
  • Eksik, Maximilian; Kış, Franz; Agarwal, Avinash K., ed. (2010). Yanma El Kitabı, 5 ciltlik set . Wiley-VCH . ISBN'si 978-3-527-32449-1.
  • Baukal, Charles E., ed. (1998). Oksijenle Güçlendirilmiş Yanma . CRC Basın .
  • Glassman, Irvin; Yeter, Richard. Yanma (Dördüncü baskı).
  • Döner, Stephen (2011). Yanmaya Giriş: Kavramlar ve Uygulamalar .
  • Ragland, Kenneth W; Bryden, Kenneth M. (2011). Yanma Mühendisliği (İkinci baskı).
  • Baukal, Charles E. Jr, ed. (2013). "Endüstriyel Yanma". John Zink Hamworthy Yanma El Kitabı: Üç Cilt Seti (İkinci baskı).
  • Gardiner, WC Jr (2000). Gaz Fazlı Yanma Kimyası (Revize ed.).