Yanma - Combustion

"Yazma" buraya yönlendirir. Yaralanma türü için bkz. Yanmak. Harici ateşleme olmadan yanma için bkz. içten yanma. Araç motoru için bkz. İçten yanmalı motor. Diğer kullanımlar için bkz. Yakma (belirsizliği giderme), Yanma (belirsizliği giderme), ve Ateşleme (belirsizliği giderme).
alevler bir sonucu olarak yakıt yanma geçiriyor (yanma)
Hava kirliliği azaltma ekipmanı için yanma kontrolü sağlar endüstriyel işlemler.

Yanmaveya yanan,[1] yüksek sıcaklık ekzotermik redoks Kimyasal reaksiyon arasında yakıt (indirgeyici) ve bir oksidan genellikle atmosferik oksijen olarak adlandırılan bir karışımda oksitlenmiş, genellikle gazlı ürünler üreten Sigara içmek. Yanma her zaman yangınla sonuçlanmaz, ancak yangın çıktığında, alev reaksiyonun karakteristik bir göstergesidir. Yanmayı başlatmak için aktivasyon enerjisinin üstesinden gelinmesi gerekirken (örneğin, bir ateşi yakmak için yanan bir kibrit kullanarak), bir alevden gelen ısı, reaksiyonu kendi kendine devam ettirmek için yeterli enerji sağlayabilir. Yanma genellikle karmaşık bir dizi temel radikal reaksiyonlar. Katı yakıtlar, gibi Odun ve kömür ilk geçmek endotermik piroliz daha sonra yanması daha fazla üretmek için gereken ısıyı sağlayan gazlı yakıtlar üretmek. Yanma genellikle yeterince sıcaktır akkor ışık ikisinden biri şeklinde parıltılı veya a alev üretilmektedir. Basit bir örnek, hidrojen ve oksijen içine Su buhar yakıt sağlamak için yaygın olarak kullanılan bir reaksiyon roket motorları. Bu reaksiyon 242'yi serbest bırakır kJ /mol ısıyı azaltır ve entalpi buna göre (sabit sıcaklık ve basınçta):

2H
2(g) + Ö
2(g) → 2H
2Ö(g)

Organik bir yakıtın havada yanması her zaman ekzotermiktir çünkü O'daki çift bağ2 diğer çift bağlardan veya tek bağ çiftlerinden çok daha zayıftır ve bu nedenle yanma ürünlerinde daha güçlü bağların oluşumu CO
2 ve H
2Ö enerji salınımı ile sonuçlanır.[2] Yakıttaki bağ enerjileri, yanma ürünlerindekilere benzer olduklarından, yalnızca küçük bir rol oynarlar; ör., toplamı bağ enerjileri CH4 neredeyse aynı CO
2. yanma ısısı O molü başına yaklaşık −418 kJ2 yanma reaksiyonunda tükenir ve yakıtın temel bileşiminden tahmin edilebilir.[2]

Havada katalizlenmemiş yanma nispeten yüksek sıcaklıklar gerektirir. Tam yanma stokiyometrik Kalan yakıtın olmadığı ve ideal olarak artık oksidanın olmadığı yakıtla ilgili. Termodinamik olarak, kimyasal Denge Havadaki yanma, ezici bir şekilde ürünlerin yanındadır. Bununla birlikte, kimyasal dengeye mutlaka ulaşılmadığından veya aşağıdaki gibi yanmamış ürünler içerebileceğinden tam yanmanın elde edilmesi neredeyse imkansızdır. karbonmonoksit, hidrojen ve hatta karbon (is veya kül). Böylece üretilen Sigara içmek genellikle toksiktir ve yanmamış veya kısmen oksitlenmiş ürünler içerir. Yüksek sıcaklıklarda herhangi bir yanma atmosferik hava yüzde 78 olan azot, ayrıca birkaç tane küçük miktarlarda azot oksitler, genellikle şu şekilde anılır NOx nitrojenin yanması termodinamik olarak yüksek sıcaklıklarda tercih edildiği için düşük sıcaklıklarda değil. Yanma nadiren temiz olduğundan, yakıt gazı temizleme veya Katalik dönüştürücüler kanunen gerekli olabilir.

Yangınlar doğal olarak oluşur, tarafından tutuşturulur Şimşek grev veya volkanik Ürün:% s. Yanma (ateş ), insanlar tarafından keşfedilen ilk kontrollü kimyasal reaksiyondu. kamp ateşleri ve şenlik ateşleri ve insanlık için enerji üretmenin ana yöntemi olmaya devam ediyor. Genellikle yakıt karbon, hidrokarbonlar veya daha karmaşık karışımlar, örneğin Odun kısmen oksitlenmiş hidrokarbonlar içeren. Her ikisinin de yanmasından üretilen termal enerji fosil yakıtlar gibi kömür veya sıvı yağ veya şuradan yenilenebilir yakıtlar gibi yakacak odun, gibi çeşitli kullanımlar için hasat edilir yemek pişirme, üretimi elektrik veya endüstriyel veya evsel ısıtma. Yanma aynı zamanda şu anda güç sağlamak için kullanılan tek reaksiyondur. roketler. Yanma ayrıca yok etmek için de kullanılır (Yakmak ) hem tehlikeli olmayan hem de tehlikeli atık.

Yanma için oksidanlar, yüksek oksidasyon potansiyeline sahiptir ve atmosferik veya saf oksijen, klor, flor, klor triflorür, nitröz oksit ve Nitrik asit. Örneğin, hidrojen yanar klor oluşturmak üzere hidrojen klorür yanmanın ısı ve ışık karakteristiğinin serbest bırakılması ile. Genellikle katalize edilmemesine rağmen, yanma şu şekilde katalize edilebilir: platin veya vanadyum olduğu gibi iletişim süreci.

Türler

Eksiksiz ve eksik

Ayrıca bakınız: piroliz

Tamamlayınız

Yanması metan, bir hidrokarbon.

Tam yanmada, reaktan oksijende yanar ve sınırlı sayıda ürün üretir. Zaman hidrokarbon oksijende yanarsa, reaksiyon öncelikle karbondioksit ve su verir. Elementler yandığında, ürünler öncelikle en yaygın oksitlerdir. Karbon verecek karbon dioksit kükürt verecek kükürt dioksit ve demir verecek demir (III) oksit. Oksijen, oksijen kaynağı olduğunda, nitrojen yanıcı bir madde olarak kabul edilmez. oksidan. Yine de, küçük miktarlarda çeşitli nitrojen oksitler (genellikle HAYIR
x türler) hava oksidatif olduğunda oluşur.

Yanma, mutlaka maksimum oksidasyon derecesine uygun olmayabilir ve sıcaklığa bağlı olabilir. Örneğin, kükürt trioksit kükürt yanması ile kantitatif olarak üretilmez. NOx türleri, yaklaşık 2,800 ° F'nin (1,540 ° C) üzerinde önemli miktarlarda görülür ve daha yüksek sıcaklıklarda daha fazlası üretilir. NOx miktarı da oksijen fazlalığının bir fonksiyonudur.[3]

Çoğu endüstriyel uygulamada ve yangınlar, hava oksijen kaynağıdır (Ö
2). Havada, her mol oksijen yaklaşık olarak 3.71 mol nitrojen. Azot yanmada yer almaz, ancak yüksek sıcaklıklarda bir miktar nitrojen yanmaya HAYIR
x (çoğunlukla HAYIR çok daha küçük miktarlarda HAYIR
2 ). Öte yandan, yakıtı tamamen yakmak için yeterli oksijen olmadığında, bir miktar yakıt karbonu karbonmonoksit ve bazı hidrojenler reaksiyona girmeden kalır. Bu nedenle, havada bir hidrokarbonun yanması için eksiksiz bir denklem seti, yakıttaki karbon ve hidrojen arasında oksijen dağılımı için ek bir hesaplama gerektirir.

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

Eksik yanma

Ayrıca bakınız: Charring

Yakıtın karbondioksit ve su üretecek şekilde tamamen reaksiyona girmesine izin verecek yeterli oksijen olmadığında eksik yanma meydana gelecektir. Ayrıca yanma, katı bir yüzey veya alev kapanı gibi bir ısı emici tarafından söndürüldüğünde de meydana gelir. Tam yanmada olduğu gibi, su eksik yanma ile üretilir; ancak, karbon, karbonmonoksit ve karbondioksit yerine hidroksit üretilir.

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

Yanma cihazlarının tasarımları, aşağıdaki gibi yanma kalitesini artırabilir. brülörler ve içten yanmalı motorlar. Daha fazla iyileştirmeye şu yolla ulaşılabilir: katalitik yanma sonrası cihazlar (örneğin Katalik dönüştürücüler ) veya basit kısmi dönüşü egzoz gazları yanma sürecine. Bu tür cihazlar aşağıdakiler tarafından gereklidir: Çevre mevzuatı çoğu ülkede otomobiller için. Büyük yanma cihazlarını etkinleştirmek için gerekli olabilirler. termik santraller hukuka ulaşmak için emisyon standartları.

Yanma derecesi test ekipmanı ile ölçülebilir ve analiz edilebilir. HVAC müteahhitler, itfaiyeciler ve mühendisler test etmek için yanma analizörleri kullanın verimlilik yanma işlemi sırasında bir brülörün. Ayrıca, bir içten yanmalı 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 karbon monoksit üretti

Karbon monoksit şu ürünlerden biridir: eksik yanma.[4] Normal tamamlanmamış yanma reaksiyonunda karbon açığa çıkar ve kurum ve toz oluşturur. Karbonmonoksit zehirli bir gaz olduğundan tam yanma tercih edilir çünkü karbon monoksit solunduğunda oksijenin yerini alıp hemoglobin ile birleştiğinden solunum sorunlarına da yol açabilir.[5]

Eksik yanma ile ilgili sorunlar
Çevre sorunları:[6]

Bu oksitler, Su ve oksijen atmosferde, yaratma Nitrik asit ve sülfürik asitler asit birikimi veya "asit yağmuru" olarak Dünya yüzeyine geri dönen. Asit birikimi suda yaşayan organizmalara zarar verir ve ağaçları öldürür. Kalsiyum ve fosfor gibi bitkiler için daha az bulunan bazı besin maddelerinin oluşumundan dolayı ekosistemin ve çiftliklerin verimini düşürür. İle ilişkili ek bir sorun azot oksitler onlar mı hidrokarbon kirleticiler, oluşumuna katkıda bulunur troposferik ozon, kirli hava kirliliğinin önemli bir bileşenidir.

İnsan sağlığı sorunları:[6]

Nefes karbonmonoksit baş ağrısı, baş dönmesi, kusma ve mide bulantısına neden olur. Karbon monoksit seviyeleri yeterince yüksekse, insanlar bilinçsiz hale gelir veya ölür. Uzun süreler boyunca orta ve yüksek seviyelerde karbon monoksite maruz kalma, kalp hastalığı riski ile pozitif olarak ilişkilidir. Ağır hayatta kalan insanlar karbonmonoksit zehirlenmesi uzun vadeli sağlık sorunları yaşayabilir.[7] Havadaki karbon monoksit akciğerlerde emilir ve daha sonra hemoglobin insanın kırmızı kan hücrelerinde. Bu, kırmızı kan hücrelerinin vücutta oksijen taşıma kapasitesini azaltacaktır.

İçin için yanan

İçin için yanan Oksijen yoğunlaştırılmış fazlı bir yakıtın yüzeyine doğrudan saldırdığında ortaya çıkan ısı ile sürdürülen yavaş, düşük sıcaklıkta, alevsiz yanma şeklidir. Tipik olarak tamamlanmamış bir yanma reaksiyonudur. İçten yanma reaksiyonunu sürdürebilen katı maddeler arasında kömür, selüloz, Odun, pamuk, tütün, turba, duff, humus, sentetik köpükler, kömürleşme polimerler (dahil olmak üzere poliüretan köpük ) ve toz. İçten yanma olaylarının yaygın örnekleri, evlerde yangınların başlamasıdır. döşemeli mobilya zayıf ısı kaynakları (örneğin, bir sigara, kısa devreli bir tel) ve biyokütlenin alevli cephelerinin ardında sürekli yanması ile orman yangınları.

Hızlı

Etanolün yanmasıyla açığa çıkan büyük miktarda enerjiyi gösteren bir deney. Küçük boyunlu büyük bir plastik şişedeki alkol (bu durumda etanol) buharı ve hava karışımı tutuşur ve bu da büyük bir mavi alev ve bir "vızıltı" sesi ile sonuçlanır.

Hızlı yanma, aksi takdirde bir yanma olarak bilinen bir yanma şeklidir. ateş büyük miktarlarda ısı ve ışık enerji açığa çıkar, bu da genellikle alev. Bu, aşağıdaki gibi bir makine biçiminde kullanılır içten yanmalı motorlar ve termobarik silahlar. Böyle bir yanmaya genellikle Hızlı yanma adı verilir, ancak içten yanmalı bir motor için bu yanlıştır.[tartışmalı – tartışmak] Bir içten yanmalı motor nominal olarak kontrollü bir hızlı yanma ile çalışır. Ne zaman yakıt-hava karışımı içten yanmalı bir motorda patlar, bu da patlama.[tartışmalı – tartışmak]

Doğal

İçten yanma kendi kendine ısınma ile meydana gelen bir yanma türüdür (buna bağlı sıcaklık artışı ekzotermik iç reaksiyonlar), ardından ısıl kaçma (hızlı bir şekilde yüksek sıcaklıklara çıkan kendi kendine ısınma) ve son olarak ateşleme. Örneğin, fosfor oda sıcaklığında ısı uygulanmadan kendiliğinden tutuşur. Bakteriyel olan organik maddeler kompostlama yanma noktasına ulaşmak için yeterli ısı üretebilir.[8]

Çalkantılı

Türbülanslı bir alevle sonuçlanan yanma, endüstriyel uygulama için en çok kullanılanıdır (örn. gaz türbinleri, benzinli motorlar, vb.) çünkü türbülans, yakıt ile yakıt arasındaki karışım sürecine yardımcı olur. oksitleyici.

Mikro yerçekimi

Mikro yerçekiminde yanan arkadan aydınlatmalı bir yakıt damlacığının bir videosundan ayrı ayrı karelerin renklendirilmiş gri ölçekli kompozit görüntüsü.

'Mikro' yerçekimi terimi, 'düşük' (yani 'küçük' anlamında 'mikro' ve Dünya'nın normal yerçekiminin milyonda biri olması gerekmez) bir yerçekimi durumunu ifade eder. kaldırma kuvveti Fiziksel süreçler, normal yerçekiminde mevcut olabilecek diğer akış süreçlerine göre küçük kabul edilebilir. Böyle bir ortamda termal ve akış taşıma dinamikleri normal yerçekimi koşullarından oldukça farklı davranabilir (örn. mum alevi küre şeklini alır.[9]). Mikro yerçekimi yanma araştırması, bir uzay aracının ortamı ile ilgili çok çeşitli yönlerin anlaşılmasına katkıda bulunur (örneğin, gemide mürettebat güvenliğiyle ilgili yangın dinamikleri). Uluslararası Uzay istasyonu ) ve karasal (Dünya tabanlı) koşullar (örneğin, iyileştirilmiş yanma için yeni yakıt karışımları geliştirmeye yardımcı olmak için damlacık yanma dinamikleri, malzeme üretim süreçleri, elektronik sistemlerin ısıl yönetimi, çok fazlı akış kaynama dinamikleri ve diğerleri).

Mikro yanma

Çok küçük hacimlerde gerçekleşen yanma süreçleri dikkate alınır mikro yanma. Yüksek yüzey-hacim oranı özgül ısı kaybını artırır. Söndürme mesafe, alevi stabilize etmede hayati bir rol oynar. yanma odaları.

Kimyasal denklemler

Oksijende bir hidrokarbonun stokiyometrik yanması

Genel olarak kimyasal denklem için stokiyometrik bir yanma hidrokarbon oksijende:

nerede .

Örneğin, stokiyometrik yanması propan oksijende:

Bir hidrokarbonun havada stokiyometrik yanması

Oksijen kaynağı olarak hava kullanılarak stokiyometrik yanma gerçekleşirse, azot havada mevcut (Dünya Atmosferi ), havadaki yakıtın stokiyometrik bileşimini ve ortaya çıkan baca gazının bileşimini göstermek için denkleme eklenebilir (reaksiyona girmese de). Havadaki tüm oksijen olmayan bileşenlerin nitrojen olarak işlenmesinin, 3,77'lik bir 'nitrojen' / oksijen oranı verdiğine dikkat edin, yani (% 100 -% O2) /% O2;

nerede .

Örneğin, propan'ın stokiyometrik yanması () havada:

Havadaki propan stokiyometrik bileşimi 1 / (1 + 5 + 18.87) =% 4.02 hacimdir.


C için stokiyometrik yanma reaksiyonuαHβÖγ havada:


C için stokiyometrik yanma reaksiyonuαHβÖγSδ:


C için stokiyometrik yanma reaksiyonuαHβÖγNδSε:


C için stokiyometrik yanma reaksiyonuαHβÖγFδ:

Yanma ürünlerini takip edin

Yanma ürünlerinde önemli miktarlarda çeşitli diğer maddeler görünmeye başlar. alev sıcaklığı hakkında yukarıda 1600 K. Fazla hava kullanıldığında nitrojen, HAYIR ve çok daha az bir ölçüde HAYIR
2. CO formlar orantısızlık nın-nin CO
2, ve H
2 ve OH orantısızlık ile formu H
2Ö.

Örneğin, ne zaman 1 mol propan ile yakılır 28.6 mol hava (stokiyometrik miktarın% 120'si), yanma ürünleri% 3,3 içerir Ö
2. Şurada: 1400 K, denge yanma ürünleri% 0,03 içerir HAYIR ve% 0.002 OH. Şurada: 1800 Kyanma ürünleri% 0.17 içerir HAYIR, 0.05% OH, 0.01% COve% 0.004 H
2.[10]

Dizel motorlar sadece stokiyometrik miktarda oksijen ile oluşma eğiliminde olan küçük parçacıkları yakmak için fazla oksijen ile çalıştırılırlar ve nitrojen oksit emisyonlar. Hem Amerika Birleşik Devletleri hem de Avrupa Birliği sınırları uygulamak özel kullanımı gerektiren araç nitrojen oksit emisyonlarına Katalik dönüştürücüler veya egzozun işlenmesi üre (görmek Dizel egzoz sıvısı ).

Oksijende bir hidrokarbonun eksik yanması

Eksik (kısmi) yanma hidrokarbon oksijen ile esas olarak aşağıdakileri içeren bir gaz karışımı üretir CO
2, CO, H
2Ö, ve H
2. Bu tür gaz karışımları, genel olarak, çevre için koruyucu atmosferler olarak kullanılmak üzere hazırlanır. ısı tedavisi metallerin ve gazla karbonlama.[11] Birinin eksik yanması için genel reaksiyon denklemi köstebek Oksijen içindeki bir hidrokarbonun:

Ne zaman z stokiyometrik değerin yaklaşık% 50'sinin altına düşer, CH
4 önemli bir yanma ürünü haline gelebilir; ne zaman z stokiyometrik değerin yaklaşık% 35'inin altına düşer, temel karbon kararlı hale gelebilir.

Eksik yanma ürünleri, bir malzeme dengesi yanma ürünlerinin ulaştığı varsayımı ile birlikte denge.[12][13] Örneğin, birinin yanmasında köstebek propan (C
3H
8) dört mol ile Ö
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 kayması reaksiyonu başka bir denklem verir:

;

Örneğin, 1200 K değeri Keq 0.728'dir.[14] Çözülürse, yanma gazı% 42,4'ten oluşur H
2Ö, 29.0% CO
2, 14.7% H
2ve% 13.9 CO. Karbon, kararlı bir faz haline gelir 1200 K ve 1 ATM z stokiyometrik değerin% 30'undan az olduğunda basınç, bu noktada yanma ürünleri% 98'den fazlasını içerir H
2 ve CO ve yaklaşık% 0,5 CH
4.


Yanmaya uğrayan maddeler veya malzemeler yakıtlar. En yaygın örnekler doğal gaz, propan, gazyağı, dizel, benzin, odun kömürü, kömür, odun vb.

Sıvı yakıtlar

Bir yanma sıvı yakıt oksitleyici bir atmosferde aslında gaz fazında gerçekleşir. Sıvı değil buharı yakar. Bu nedenle, bir sıvı normalde yalnızca belirli bir sıcaklığın üzerinde alev alır: alevlenme noktası. Bir sıvı yakıtın parlama noktası, hava ile tutuşabilir bir karışım oluşturabileceği en düşük sıcaklıktır. Havada yanmayı başlatmak için yeterli buharlaşmış yakıtın bulunduğu minimum sıcaklıktır.

Gazlı yakıtlar

Gazlı yakıtların yanması, dört farklı yanma türünden biri yoluyla meydana gelebilir: difüzyon alevi, önceden karıştırılmış alev, otomatik ateşlemeli reaksiyon cephesi veya olarak patlama.[15] Gerçekte meydana gelen yanma türü, yanma derecesine bağlıdır. yakıt ve oksitleyici ısıtmadan önce karıştırılır: örneğin, yakıt ve oksitleyici başlangıçta ayrılırsa bir difüzyon alevi oluşurken, aksi takdirde önceden karıştırılmış bir alev oluşur. Benzer şekilde, yanma türü de basınca bağlıdır: örneğin bir patlama, güçlü bir şok dalgasına bağlı bir otomatik ateşlemeli reaksiyon cephesidir ve ona karakteristik yüksek basınç tepe noktası ve yüksek patlama hızı.[15]

Katı yakıtlar

Genel bir şema polimer yanma

Yanma eylemi, nispeten farklı ancak örtüşen üç aşamadan oluşur:

  • Ön ısıtma aşaması, ne zaman yanmamış yakıt parlama noktasına kadar ısıtılır ve sonra Ateş noktası. Parlayıcı gazlar benzer bir süreçte gelişmeye başlar. kuru damıtma.
  • Damıtma aşaması veya gaz fazı, gelişen yanıcı gazların oksijen ile karışımı tutuştuğunda. Enerji, ısı ve ışık şeklinde üretilir. Alevler genellikle görülebilir. Yanmadan katıya ısı transferi, yanıcı buharların oluşumunu sürdürür.
  • Kömür fazı veya Katı FazMalzemeden çıkan yanıcı gazların çıkışı kalıcı alev varlığı için çok düşük olduğunda ve kömürleşmiş yakıt hızlı yanmaz ve sadece parlar ve daha sonra sadece Smoulders.

Yanma yönetimi

Verimli proses ısıtma bir yakıtın mümkün olan en büyük kısmının geri kazanılmasını gerektirir. yanma ısısı işlenmekte olan malzemeye.[16][17] Bir ısıtma işleminin işletilmesinde birçok kayıp yolu vardır. Tipik olarak, baskın kayıp hissedilen sıcaklık ile ayrılmak offgas (yani Baca gazı ). Çıkış gazının sıcaklığı ve miktarı, ısı içeriğini gösterir (entalpi ), bu nedenle miktarını düşük tutmak ısı kaybını en aza indirir.

Mükemmel fırın Yanma havası akışı, her bir yakıt molekülüne tam yanmaya neden olmak için gereken tam oksijen miktarını vermek için yakıt akışıyla eşleşecektir. Ancak gerçek dünyada yanma mükemmel bir şekilde ilerlemiyor. Yanmamış yakıt (genellikle CO ve H
2) sistemden boşaltılırsa, bir ısıtma değeri kaybını (aynı zamanda bir güvenlik tehlikesi) temsil eder. Atık gazda yanıcı maddeler istenmediğinden, tepkimeye girmemiş oksijenin varlığı asgari güvenlik ve çevre endişeleri ortaya koyarken, yanma yönetiminin ilk prensibi, tüm yakıtın yanmasını sağlamak için teorik olarak ihtiyaç duyulandan daha fazla oksijen sağlamaktır. Metan için (CH
4) yanma, örneğin, biraz daha fazla oksijen molekülüne ihtiyaç vardır.

Yanma yönetiminin ikinci prensibi ise çok fazla oksijen kullanmamaktır. Doğru oksijen miktarı üç tür ölçüm gerektirir: birincisi, hava ve yakıt akışının aktif kontrolü; ikinci olarak, atık gaz oksijen ölçümü; ve üçüncüsü, yanıcı atık gazların ölçümü. Her bir ısıtma işlemi için, kabul edilebilir yanıcı konsantrasyon seviyeleri ile minimum atık gaz ısı kaybı için optimum bir koşul mevcuttur. Fazla oksijenin en aza indirilmesi ek bir fayda sağlar: belirli bir çıkış gazı sıcaklığı için, NOx Fazla oksijen en düşük seviyede tutulduğunda seviye en düşüktür.[3]

Bu iki ilkeye bağlılık, yanma işlemi üzerinde malzeme ve ısı dengeleri yapılarak ilerletilir.[18][19][20][21] malzeme dengesi doğrudan ilişkilendirir hava yakıt oranı yüzdesine Ö
2 yanma gazında. Isı dengesi, şarj için mevcut olan ısıyı yakıtın yanması ile üretilen toplam net ısı ile ilişkilendirir.[22][23] Yanma havasının ön ısıtılmasının ısıl avantajını ölçmek için ek malzeme ve ısı dengeleri yapılabilir,[24][25] veya onu oksijenle zenginleştirmek.[26][27]

Reaksiyon mekanizması

Oksijende yanma bir zincirleme tepki birçok farklı radikal ara maddeler katılır. Başlatma için gereken yüksek enerji, olağandışı yapısıyla açıklanmaktadır. dioksijen molekül. Dioksijen molekülünün en düşük enerjili konfigürasyonu, kararlı, nispeten reaktif olmayan bir diradikaldir. üçlü dönüş durumu. Bağlanma, üç bağ elektron çifti ve iki antibonding elektronu ile tanımlanabilir. dönüşler molekül sıfır olmayan toplam açısal momentuma sahip olacak şekilde hizalandı. Öte yandan, yakıtların çoğu, eşleştirilmiş dönüşler ve sıfır toplam açısal momentum ile tek bir durumdadır. İkisi arasındaki etkileşim kuantum mekanik olarak bir "yasak geçiş ", yani çok düşük bir olasılıkla mümkündür. Yanmayı başlatmak için, dioksijen'i spin-eşleştirilmiş bir duruma zorlamak için enerji gerekir veya tekli oksijen. Bu ara ürün son derece reaktiftir. Enerji şu şekilde sağlanır: sıcaklık ve reaksiyon daha sonra ek ısı üretir ve bu da devam etmesine izin verir.

Hidrokarbonların yanmasının, yakıttan oksijene hidrojen atomu soyutlamasıyla (proton soyutlaması değil) başlatıldığı ve bir hidroperoksit radikali (HOO) verdiği düşünülmektedir. Bu, hidroperoksitler vermek için daha fazla reaksiyona girer ve bunlar parçalanarak hidroksil radikalleri. Yakıt radikalleri ve oksitleyici radikaller üreten bu proseslerin çok çeşitli vardır. Oksitleyici türler arasında tekli oksijen, hidroksil, monatomik oksijen ve hidroperoksil. Bu tür ara ürünler kısa ömürlüdür ve izole edilemez. Bununla birlikte, radikal olmayan ara ürünler kararlıdır ve eksik yanma ile üretilir. Bir örnek asetaldehit yanması ile üretilen etanol. Karbon ve hidrokarbonların yanmasında bir ara ürün, karbonmonoksit, özel bir öneme sahiptir çünkü zehirli gaz, aynı zamanda üretimi için ekonomik olarak yararlı syngas.

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

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

Kimyasal kinetik perspektifinden yanma işlemlerinin ayrıntılı tanımları, temel reaksiyonların geniş ve karmaşık ağlarının formülasyonunu gerektirir.[28] Örneğin, hidrokarbon yakıtların yanması, tipik olarak binlerce reaksiyona göre reaksiyona giren yüzlerce kimyasal türü içerir.

Hesaplamalı akış çözücülere bu tür mekanizmaların dahil edilmesi, esas olarak iki açıdan oldukça zorlu bir görevi temsil etmektedir. Birincisi, serbestlik derecelerinin sayısı (kimyasal türlerin sayısı ile orantılı olarak) çarpıcı biçimde büyük olabilir; ikincisi, reaksiyonlardan kaynaklanan kaynak terim, bütününü oluşturan farklı sayıda zaman ölçeği sunar. dinamik sistem katı. Sonuç olarak, türbülanslı reaktif akışların ağır yakıtlarla doğrudan sayısal simülasyonu, modern süper bilgisayarlar için bile kısa sürede zorlu hale gelir.[29]

Bu nedenle, yüksek ayrıntı düzeyine başvurmadan yanma mekanizmalarının karmaşıklığını azaltmak için çok sayıda metodoloji geliştirilmiştir. Örnekler şu şekilde sağlanmaktadır:

  • Gevşeme Yeniden Dağıtım Yöntemi (RRM)[30][31][32][33]
  • İçsel Düşük Boyutlu Manifold (ILDM) yaklaşımı ve diğer gelişmeler[34][35][36]
  • Değişmez kısıtlı denge kenarı ön görüntü eğrisi yöntemi.[37]
  • Birkaç varyasyonel yaklaşım[38][39]
  • Hesaplamalı Tekil pertürbasyon (CSP) yöntemi ve diğer gelişmeler.[40][41]
  • Hız Kontrollü Kısıtlı Denge (RCCE) ve Yarı Denge Manifoldu (QEM) yaklaşımı.[42][43]
  • G-Şeması.[44]
  • Değişmez Izgaralar Yöntemi (MIG).[45][46][47]

Kinetik modelleme

Kinetik modelleme, örneğin, farklı malzemelerin yanmasındaki termal ayrışmanın reaksiyon mekanizmalarının anlaşılması için araştırılabilir. Termogravimetrik analiz.[48]

Sıcaklık

Antoine Lavoisier Yükseltilmiş güneş ışığının ürettiği yanma ile ilgili bir deney yapmak.

Altında tam yanma gibi mükemmel yanma koşulları varsayarak adyabatik koşullar (yani, ısı kaybı veya kazancı yok), adyabatik yanma sıcaklığı belirlenebilir. Bu sıcaklığı veren formül, termodinamiğin birinci yasası ve şu gerçeği not eder: yanma ısısı tamamen yakıtı, yanma havasını veya oksijeni ve yanma ürünü gazlarını ısıtmak için kullanılır (genellikle Baca gazı ).

Fosil yakıtların havada yanması durumunda, yanma sıcaklığı aşağıdakilerin hepsine bağlıdır:

Adyabatik yanma sıcaklığı (aynı zamanda adyabatik alev sıcaklığı ) daha yüksek ısıtma değerleri ve giriş havası ve yakıt sıcaklıkları için ve bire yaklaşan stokiyometrik hava oranları için artışlar.

En yaygın olarak, kömürler için adyabatik yanma sıcaklıkları yaklaşık 2,200 ° C'dir (3,992 ° F) (ortam sıcaklıklarında giriş havası ve yakıt için ve ), yağ için yaklaşık 2.150 ° C (3.902 ° F) ve 2.000 ° C (3.632 ° F) doğal gaz.[49][50]

Endüstriyel olarak ateşli ısıtıcılar, güç istasyonu buhar jeneratörleri ve büyük gazla çalışan türbinler Stokiyometrik yanma havasından daha fazlasını ifade etmenin daha yaygın yolu fazla yanma havası yüzdesi. Örneğin, yüzde 15'lik fazla yanma havası, gerekli stokiyometrik havadan yüzde 15 daha fazla kullanıldığı anlamına gelir.

İstikrarsızlıklar

Yanma dengesizlikleri, tipik olarak bir yanma odasındaki şiddetli basınç salınımlarıdır. Bu basınç salınımları 180 kadar yüksek olabilir dB ve bu döngüsel basınca ve termal yüklere uzun süreli maruz kalma, motor bileşenlerinin ömrünü kısaltır. Saturn V programında kullanılan F1 gibi roketlerde dengesizlikler yanma odası ve çevresindeki bileşenlerde büyük hasara yol açtı. Bu sorun, yakıt enjektörünün yeniden tasarlanmasıyla çözüldü. Sıvı jet motorlarında damlacık boyutu ve dağılımı dengesizlikleri azaltmak için kullanılabilir. Yanma dengesizlikleri, NOx emisyonları nedeniyle yer tabanlı gaz türbin motorlarında önemli bir sorundur. Eğilim, yanma sıcaklığını düşürmek ve dolayısıyla NOx emisyonlarını azaltmak için 1'den daha düşük bir eşdeğerlik oranı olan zayıf çalışma yönündedir; ancak, yanmanın zayıf çalışması onu yanma kararsızlığına çok duyarlı hale getirir.

Rayleigh Kriteri termoakustik yanma kararsızlığının analizinin temelidir ve bir kararsızlık döngüsü üzerinden Rayleigh Endeksi kullanılarak değerlendirilir[51]

burada q 'ısı salım hızı tedirginliği ve p' basınç dalgalanmasıdır.[52][53]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 sönümleme meydana gelir. Rayleigh Kriteri, bir termoakustik kararsızlığın, aynı frekanstaki basınç salınımları ile 180 derece faz dışı ısı salınım salınımları ile optimum şekilde kontrol edilebileceğini ima eder.[54][55] Bu, Rayleigh Endeksini en aza indirir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ yanmanın günlük anlamı alevlerin eşlik ettiği yanmadır.
  2. ^ a b Schmidt-Rohr, K (2015). "Yanmalar Neden Her Zaman Ekzotermiktir ve O Molekülünde Yaklaşık 418 kJ Verir2". J. Chem. Educ. 92 (12): 2094–2099. Bibcode:2015JChEd..92.2094S. doi:10.1021 / acs.jchemed.5b00333.
  3. ^ a b NOx oluşumu. Alentecinc.com. Erişim tarihi: 2010-09-28.
  4. ^ "Eksik yanma süreci".
  5. ^ "Eksik yanmayı gösteren yanma".
  6. ^ a b "Eksik yanma ile ilgili Çevre Sorunları".
  7. ^ "Karbonmonoksit zehirlenmesi".
  8. ^ "Mükemmel Bir Fırtına: Malç Ateşi Dinamikleri ve Önleme". Soilandmulchproducernews.com. Alındı 2018-07-12.
  9. ^ Shuttle-Mir Tarih / Bilim / Mikro yerçekimi / Mikro yerçekiminde Mum Alevi (CFM) - MGBX. Spaceflight.nasa.gov (1999-07-16). Erişim tarihi: 2010-09-28.
  10. ^ [1] Equilib-Web
  11. ^ ASM Fırın Atmosferleri Komitesi, Fırın atmosferleri ve karbon kontrolü, Metals Park, OH [1964].
  12. ^ "Ekzotermik atmosferler". Endüstriyel Isıtma: 22. Haziran 2013. Alındı 5 Temmuz 2013.
  13. ^ [2] ExoCalc
  14. ^ "Reaksiyon-Web". Crct.polymtl.ca. Alındı 2018-07-12.
  15. ^ a b Bradley, D (2009-06-25). "Yanma ve gelecekteki motor yakıtlarının tasarımı". Makine Mühendisleri Enstitüsü Bildirileri, Bölüm C: Makine Mühendisliği Bilimi Dergisi. 223 (12): 2751–2765. doi:10.1243 / 09544062jmes1519. S2CID  97218733.
  16. ^ "Doğal gaz için yanma ısısının hesaplanması". Endüstriyel Isıtma: 28. Eylül 2012. Alındı 5 Temmuz 2013.
  17. ^ [3] HeatCalc
  18. ^ "Maddi bir denge kurmak". Endüstriyel Isıtma: 20. Kasım 2012. Alındı 5 Temmuz 2013.
  19. ^ [4] MatBalCalc
  20. ^ "Isı dengesi oluşturmak". Endüstriyel Isıtma: 22. Aralık 2012. Alındı 5 Temmuz 2013.
  21. ^ [5] HeatBalCalc
  22. ^ "Mevcut yanma ısısı". Endüstriyel Isıtma: 22. Nisan 2013. Alındı 5 Temmuz 2013.
  23. ^ [6] AvailHeatCalc
  24. ^ "Sistem dengesi oluşturma (Bölüm 2)". Endüstriyel Isıtma: 24. Mart 2012. Alındı 5 Temmuz 2013.
  25. ^ [7] SysBalCalc2
  26. ^ "Sistem dengesi oluşturma (Bölüm 1)". Endüstriyel Isıtma: 22. Şubat 2012. Alındı 5 Temmuz 2013.
  27. ^ [8] SysBalCalc
  28. ^ Hukuk, C.K. (2006). Yanma Fiziği. Cambridge, İngiltere: Cambridge University Press. ISBN  9780521154215.
  29. ^ Goussis, D .; Maas, U. (2011). Türbülanslı Yanma Modellemesi. Springer Science. s. 193–220.
  30. ^ Chiavazzo, Eliodoro; Karlin, İlya (2011). "Karmaşık çok ölçekli sistemlerin uyarlanabilir basitleştirmesi". Phys. Rev. E. 83 (3): 036706. arXiv:1011.1618. Bibcode:2011PhRvE..83c6706C. doi:10.1103 / PhysRevE.83.036706. PMID  21517624. S2CID  7458232.
  31. ^ Chiavazzo, Eliodoro; Asinari, Pietro; Visconti, Filippo (2011). "Çok ölçekli yanma sistemlerinin hızlı hesaplanması". Phil. Trans. Roy. Soc. Bir. 369 (1945): 2396–2404. arXiv:1011.3828. Bibcode:2011RSPTA.369.2396C. doi:10.1098 / rsta.2011.0026. PMID  21576153. S2CID  14998597.
  32. ^ Chiavazzo, Eliodoro (2012). "Doğrusallaştırılmış Gevşeme Yeniden Dağıtım Yöntemi ile çok ölçekli dinamik sistemlerde yavaş ve hızlı dinamiklerin yaklaştırılması". Hesaplamalı Fizik Dergisi. 231 (4): 1751–1765. arXiv:1102.0730. Bibcode:2012JCoPh.231.1751C. doi:10.1016 / j.jcp.2011.11.007. S2CID  16979409.
  33. ^ Kooshkbaghi, Mehdi; Frouzakis, E. Christos; Chiavazzo, Eliodoro; Boulouchos, Konstantinos; Karlin, İlya (2014). "Yanma kinetiğinin azaltılması için küresel gevşeme yeniden dağıtım yöntemi" (PDF). Kimyasal Fizik Dergisi. 141 (4): 044102. Bibcode:2014JChPh.141d4102K. doi:10.1063/1.4890368. PMID  25084876.
  34. ^ Maas, U .; Pope, S.B. (1992). "Kimyasal kinetiğin basitleştirilmesi: kompozisyon uzayında içsel düşük boyutlu manifoldlar". Yan. Alev. 88 (3–4): 239–264. doi:10.1016 / 0010-2180 (92) 90034-m.
  35. ^ Bykov, V .; Maas, U (2007). "ILDM kavramının reaksiyon-difüzyon manifoldlarına uzantısı". Yan. Teori Modeli. 11 (6): 839–862. Bibcode:2007CTM .... 11..839B. doi:10.1080/13647830701242531. S2CID  120624915.
  36. ^ Nafe, J .; Maas, U. (2002). "ILDM'leri iyileştirmek için genel bir algoritma". Yan. Teori Modeli. 6 (4): 697–709. Bibcode:2002CTM ..... 6..697N. doi:10.1088/1364-7830/6/4/308. S2CID  120269918.
  37. ^ Ren, Z .; Pope, S.B .; Vladimirsky, A .; Guckenheimer, J.M. (2006). "Kimyasal kinetiğin boyutunun azaltılması için değişmez kısıtlı denge kenarı ön görüntü eğrisi yöntemi". J. Chem. Phys. 124 (11): 114111. Bibcode:2006JChPh.124k4111R. doi:10.1063/1.2177243. PMID  16555878.
  38. ^ Lebiedz, D (2010). "Enerji tüketen dinamik sistemlerin model azaltılması için entropi ile ilgili uç ilkeler". Entropi. 12 (4): 706–719. Bibcode:2010 Giriş..12..706L. doi:10.3390 / e12040706.
  39. ^ Reinhardt, V .; Winckler, M .; Lebiedz, D. (112). "Yörünge tabanlı optimizasyon yaklaşımları ile kimyasal kinetikte yavaş çeken manifoldların yaklaştırılması" (PDF). J. Phys. Chem. Bir. 112 (8): 1712–1718. Bibcode:2008JPCA..112.1712R. doi:10.1021 / jp0739925. PMID  18247506.
  40. ^ Lam, S.H .; Goussis, D. (1991). Conventional Asymptotic and Computational Singular Perturbation for Symplified Kinetics Modelling. Berlin: Springer.
  41. ^ Valorani, M.; Goussis, D.; Najm, H.N. (2005). "Higher order corrections in the approximation of low-dimensional manifolds and the construction of simplified problems with the csp method". J. Comput. Phys. 209 (2): 754–786. Bibcode:2005JCoPh.209..754V. doi:10.1016/j.jcp.2005.03.033.
  42. ^ Keck, J.C.; Gillespie, D. (1971). "Rate-controlled partial-equilibrium method for treating reacting gas mixtures". Yan. Alev. 17 (2): 237–241. doi:10.1016/S0010-2180(71)80166-9.
  43. ^ Chiavazzo, Eliodoro; Karlin, Ilya (2008). "Quasi-equilibrium grid algorithm: geometric construction for model reduction". J. Comput. Phys. 227 (11): 5535–5560. arXiv:0704.2317. Bibcode:2008JCoPh.227.5535C. doi:10.1016/j.jcp.2008.02.006. S2CID  973322.
  44. ^ Valorani, M.; Paolucci, S. (2009). "The G-Scheme: a framework for multi-scale adaptive model reduction". J. Comput. Phys. 228 (13): 4665–4701. Bibcode:2009JCoPh.228.4665V. doi:10.1016/j.jcp.2009.03.011.
  45. ^ Chiavazzo, Eliodoro; Karlin, Ilya; Gorban, Alexander (2010). "The role of thermodynamics in model reduction when using invariant grids" (PDF). Commun. Bilgisayar. Phys. 8 (4): 701–734. CiteSeerX  10.1.1.302.9316. doi:10.4208/cicp.030709.210110a.
  46. ^ Chiavazzo, Eliodoro; Karlin, Ilya; Frouzakis, Christos E.; Boulouchos, Konstantinos (2009). "Method of invariant grid for model reduction of hydrogen combustion". Yakma Enstitüsünün Bildirileri. 32: 519–526. arXiv:0712.2386. doi:10.1016/j.proci.2008.05.014. S2CID  118484479.
  47. ^ Chiavazzo, Eliodoro; Karlin, Ilya; Gorban, Alexander; Boulouchos, Konstantinos (2010). "Coupling of the model reduction technique with the lattice Boltzmann method for combustion simulations". Yan. Alev. 157 (10): 1833–1849. doi:10.1016/j.combustflame.2010.06.009.
  48. ^ Reyes, J.A.; Conesa, J.A.; Marcilla, A. (2001). "Pyrolysis and combustion of polycoated cartons recycling. kinetic model and ms analysis". Analitik ve Uygulamalı Piroliz Dergisi. 58-59: 747–763. doi:10.1016/S0165-2370(00)00123-6.
  49. ^ "Adiabatic flame temperature". Industrial Heating: 20. May 2013. Alındı 5 Temmuz 2013.
  50. ^ [9] AFTCalc
  51. ^ John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, Sc.D.,F.R.S.., Honorary Fellow of Trinity College, Cambridge; "The Theory of Sound", §322h, 1878:
  52. ^ A. A. Putnam and W. C. Dennis (1953) "Organ-pipe oscillations in a flame-filled tube," Fourth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, pp. 566–574.
  53. ^ E. C. Fernandes and M. V. Heitor, "Unsteady flames and the Rayleigh criterion" in F. Culick, M. V. Heitor, and J. H. Whitelaw, ed.s, Unsteady Combustion (Dordrecht, the Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1996), p. 4
  54. ^ Dowling, A. P. (2000a). "Vortices, sound and flame – a damaging combination". The Aeronautical Journal of the RaeS
  55. ^ Chrystie, Robin S. M.; Burns, Iain S.; Kaminski, Clemens F. (2013). "Temperature Response of an Acoustically Forced Turbulent Lean Premixed Flame: A Quantitative Experimental Determination". Yanma Bilimi ve Teknolojisi. 185: 180–199. doi:10.1080/00102202.2012.714020. S2CID  46039754.

daha fazla okuma

  • Poinsot, Thierry; Veynante, Denis (2012). Theoretical and Numerical Combustion (3. baskı). European Centre for Research and Advanced Training in Scientific Computation.
  • Lackner, Maximilian; Winter, Franz; Agarwal, Avinash K., eds. (2010). Handbook of Combustion, 5 volume set. Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-32449-1.
  • Baukal, Charles E., ed. (1998). Oxygen-Enhanced Combustion. CRC Basın.
  • Glassman, Irvin; Yetter, Richard. Yanma (Dördüncü baskı).
  • Turns, Stephen (2011). An Introduction to Combustion: Concepts and Applications.
  • Ragland, Kenneth W; Bryden, Kenneth M. (2011). Yanma Mühendisliği (İkinci baskı).
  • Baukal, Charles E. Jr, ed. (2013). "Industrial Combustion". The John Zink Hamworthy Combustion Handbook: Three-Volume Set (İkinci baskı).
  • Gardiner, W. C. Jr (2000). Gas-Phase Combustion Chemistry (Revize ed.).