Difuze v procesu hoření

Transkript

1 Difuze v procesu hoření

2 Fyziální podmíny hoření Záladní podmínou nepřetržitého průběhu spalovací reace je přívod reagentů (paliva a vzduchu) do ohniště a zároveň odvod produtů hoření (spalin). Pro dosažení optimálního průběhu hoření, je nutno zajistit, aby se reagenty dostaly na správné místo ve správný čas a v potřebné oncentraci. Tyto podmíny představují fyziální děj, nazývaný jao přenos hmoty.

3 Vzhledem jednodušší manipulaci se jedná vždy o transport spalovacího vzduchu (oysličovadla) částicím paliva. V ustáleném režimu spalování musí být rychlost reace rovna rychlosti přívodu yslíu hořícímu palivu.

4 Tato teorie je nejlépe představitelná pro případ spalování uhelného prášu v prášovém otli. Relativní rychlost moleul yslíu vůči částicím paliva je téměř nulová, yslí se ta dostává povrchu paliva především difuzí.

5 Difuze Difuze je proces rozptylování se částic v prostoru. Vešeré láty mají tendenci přecházet z prostředí se svou vyšší oncentrací do prostředí s nižší oncentrací a postupně ve všech jeho částech vyrovnají svou oncentraci. Říáme, že láty difundují.

6 Difuze je spjata s inetiou hoření, proto pro připomenutí: Rychlostí reace R se rozumí rychlost změny oncentrace A reagentů nebo produtů chemicé reace v čase τ. -střední rychlost reace - oamžitá rychlost reace V dalším výladu budeme používat oncentraci pomocí hmotnostní oncentrace. m i hmotnost složy [g] V objem směsi [m 3 ] R R i τ A0 0 d dτ m V i τ A 1 A1 3 g. m

7 Rychlost reace je úměrná oncentracím slože reagentů A, B. R 2 g.m. s Kde je součinitel rychlosti.. A B reace a má rozměr [m.s -1 ] Arrheniův záonpopisuje závislost onstanty rychlosti reace na teplotě. EA RT 0 e s m. Kde: O max. hodnota onstanty rychlosti reace [m.s -1 ] E A ativační energie [J.mol -1 ] R univerzální plynová onstanta [J.mol -1.K -1 ] T termodynamicá teplota [K] Pa je rychlost reace: R 0 e ΣE RT A A B 2 g.m. s

8 Přestup hmoty Jedná se přenosový jev, terý je popsán podobnou rovnicí, jaou je popsán přestup tepla. Rovnice přestupu tepla onvecí: q tepelný to [W.m -2 ] α součinitel přestupu tepla [W.m -2.K -1 ] t 1,t 2 teploty [ ] q α (t 2 W. 1 t2 ) m Rovnice přestupu hmoty difuzí: m D difuzní hmotový to [g.m -3.s -1 ] β součinitel difuze [m.s -1 ] 1, 2 oncentrace láty [g.m -3 ] m D β ( 1 ) 2 2 g m. s

9 Apliujeme poznaty na náš případ. V oolí paliva (ve spalinách) je oncentrace yslíu O [g.m -3 ]. Na povrchu paliva je oncentrace yslíu P [g.m -3 ]. Směr difuzního hmotového tou m D je tedy z místa s větší oncentrací do místa s nižší oncentrací a je roven: m D β ( O P ) 2 g m s Kde β je součinitel difuze [m.s -1 ]

10 Reace probíhá na povrchu paliva, de je oncentrace P, a rychlost je tedy dána vztahem: R P 2 g m s V ideálním případě se rychlost reace rovná rychlosti difuze. R m D R P β ( O P ) 2 g m s Odtud můžeme vyjádřit: P O β + β 3 g m A dosadíme do rovnice rychlosti reace (nahoře).

11 Dostaneme vztah pro rychlost hoření H, terý obsahuje ja fyziální, ta chemicé podmíny. H O β + β 2 g m s Zlome můžeme nahradit členem, což je celová onstanta rychlosti hoření. m s β + β Rychlost hoření lze vyjádřit: H O 2 g m s Pro rychlost hoření je podstatné, terý ze členů β nebo bude mít větší omezující vliv.

12 Mimo rovnovážný stav může hoření probíhat ve dvou režimech. Kineticý režim Rychlost difuze je podstatně větší než rychlost reace. Kinetia reace je tedy omezujícím dějem. Pa rychlost hoření: H O β & + β 0 e E A R T β >>> m s O 2 g.m. s Pro tento režim je charateristicé dobré promíšení dostatečný přívod reagentů ( O P ) a nízé spalovací teploty. Příladem může být spalování před hořáem vytvořené směsi ZP a vzduchu.

13 Druhým režimem je: Difuzní režim Rychlost reace je podstatně větší než rychlost difuze. Difuze láte je tedy omezujícím dějem. >>> β Pa rychlost hoření: β & β + β m s H β O 2 g.m. s Pro tento režim je charateristicá vysoá spalovací teplota (1400 ) a nízá (nulová) oncentrace yslíu na povrchu paliva P 0. Difuzní režim hoření je nejběžnější případ hoření za vysoých teplot.

14 Jeliož dochází nárůstu teploty po vznícení, aždý spalovací proces spěje difuznímu hoření.

15 Problematiu difuze yslíu povrchu částice tuhého paliva objasní následující postup výpočtu součinitele difuze pro případ hoření částice uhelného prášu. Podmíny: -před rovinou 1 vyhořela vešerá prchavá hořlavina, hoří tedy pouze uhlí - je známa střední rychlost proudu - je znám obsah hořlaviny v částici v rovinách 1 a 2 - je známa vzdálenost obou rovin - odběry jsou izoineticé

16 Vypočteme úbyte hořlaviny (uhlíu) Δh, terý vša musí být přepočten na onstantní množství popeloviny. Δh h 1 A A 1 2 h 2 [ g g prášu] h podíl hořlaviny [1] A podíl popeloviny [1] Množství spotřebovaného yslíu m O2 určíme ze stechiometricých rovnic. + O 2 O [ g mol ] [ g g ] m O 2 β S Δh [ go 2 g prášu ] β S stechiometricý součinitel 2,667 [go 2.g -1 ]

17 Doba trvání transportu: τ x 2 x stř x 1 [ s ] Jedná se o heterogenní reaci probíhající na povrchu. Vyjádříme-li měrný povrch částic s v m 2.g -1 prášu, pa je rychlost difuze: D m s τ β s Δh O2 S x stř 2 ( x x ) 2 1 [ g.m.s ] Tato rychlost difuze udává hmotový difuzní to m D : m β Δ β D O2 O2,O O2,P ( ) 2 [ g.m.s ] O2,P oncentrace yslíu na povrchu částice [g.m -3 ] O2,O oncentrace yslíu v oolí částice (v proudu) [g.m -3 ] β difuzní součinitel [m.s -1 ]

18 Jeliož je rychlost reace podstatně větší než rychlost difuze, je oncentrace yslíu na povrchu částic O2,P rovna nule. m β D O2,O [ g.m 2.s ] Porovnáním rovnic z minulého snímu můžeme vyjádřit vztah pro součinitel difuze: β s Δh D S x stř O 2,O β ( x x ) 2 1 O 2,O [ m.s ] V uvedeném vzorci jsou všechny veličiny zjistitelné, a je tedy možné zjistit hodnotu součinitele difuze.

19 Hodnota součinitele difuze je měřítem spalovacího procesu. -Čím jsou lepší podmíny pro vznícení a hoření uhelného prášu, -čím lépe je organizován transport prášu a spalovacího vzduchu do ohniště -a čím jsou lépe vyřešeny tepelné podmíny v oblasti hořáu, tím je hodnota součinitele difuze vyšší.

20 Děuji za pozornost.