دمای ادیاباتیک شعله

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami

محل اقامت: Tehran, Qeytariyeh

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 933

سپاس: 602

جنسیت:

تماس:

دمای ادیاباتیک شعله

پست توسط rohamjpl »

احتراق باید در داخل یک فوم سرامیکی اتفاق بیفتد ، و من فرض می کنم که این اتفاق در فشار اتمسفر ایزوباریک رخ می دهد و مخلوط گاز وارد شده قبل از احتراق در دمای اتاق باشد. من باید یک وضعیت ثابت را توصیف کنم ، که در آن گاز دودکش مقدار مشخصی از حرارت را با توجه به فرمول داده شده به کف (که به همان میزان از طریق تابش حرارتی ساطع می کند) از دست می دهد.
آیا دمای شعله آدیاباتیک برابر دمای گاز خروجی قبل از اتلاف حرارت به کف سرامیک است؟
${\Delta}T=\frac{Q}{c_p},$،
با ΔT افزایش دمای گاز خروجی (نسبت به دمای مخلوط اکسید کننده سوخت وارد شده) و Q ارزش گرمایی خالص گاز (با در نظر گرفتن این که مقدار مول در طول احتراق تغییر می کند). سوخت جت حداکثر دمای سوزاندن 980 درجه سانتی گراد را دارد؟سوخت جت دمای شعله آدیاباتیک را 2230 درجه سانتی گراد می دهد.حداکثر دمای شعله آدیاباتیک زمانی اتفاق می افتد که نسبت هوا به سوخت برای احتراق کامل سوخت کاملاً مناسب است - اکسیژن کافی برای سوختن کامل سوخت بدون باقی مانده. به این می گویند شرایط استوکیومتری یا صفر هوای اضافی. در یک آتش سوزی بزرگ و غیرقابل کنترل در یک فضای بسته ، انتظار می رود که مناطقی وجود داشته باشند که نسبت هوا به سوخت بیشتر است و برخی دیگر در شرایطی که از شرایط استوکیومتری کمتر است ، و در بین آنها مناطقی با استوکیومتری کامل وجود خواهد داشت. به بنابراین درجه حرارت یکنواخت نخواهد بود ، اما برخی مناطق ممکن است بسیار نزدیک به دمای شعله استوکیومتری باشند.
دمای شعله آدیاباتیک. هنگامی که واکنش احتراق رخ می دهد ، انرژی به محصولات احتراق آزاد می شود. اگر در این فرآیند گرما از بین نرود ، دمای محصولات احتراق به عنوان "دمای شعله آدیاباتیک" شناخته می شود. 2،328 K یا 2055 Cبالاترین دمای قابل دستیابی هنگام سوختن به عنوان "دمای شعله آدیاباتیک" شناخته می شود.فشار دائمی شعله آدیاباتیک دمایی است که از یک فرآیند احتراق کامل ناشی می شود که بدون هیچگونه انتقال حرارت یا تغییر در انرژی جنبشی یا انرژی بالقوه رخ می دهد.حداکثر دمای شعله آدیاباتیک زمانی اتفاق می افتد که نسبت هوا به سوخت برای احتراق کامل سوخت کاملاً مناسب است - اکسیژن کافی برای سوختن کامل سوخت بدون باقی مانده. به این می گویند شرایط استوکیومتری یا صفر هوای اضافی. در یک آتش سوزی بزرگ و غیرقابل کنترل در یک فضای بسته ، انتظار می رود که مناطقی وجود داشته باشند که نسبت هوا به سوخت بیشتر است و برخی دیگر در شرایطی که از شرایط استوکیومتری کمتر است ، و در بین آنها مناطقی با استوکیومتری کامل وجود خواهد داشت. به بنابراین درجه حرارت یکنواخت نخواهد بود ، اما برخی مناطق ممکن است بسیار نزدیک به دمای شعله استوکیومتری باشند.شما اینطور بگین محفظه احتراق شکل زیر را در نظر بگیرید. اگر هیچ‌گونه کاری انجام نشود و تغییری هم در انرژی‌های جنبشی و پتانسیل رخ ندهد، انرژی شیمیایی آزاد شده در فرآیند احتراق دو راه در پیش رو دارد. یا باید به عنوان گرما در محیط آزاد شود؛ یا از آن برای بالا بردن دمای محصولات احتراق استفاده شود.هرچه افت حرارتی کمتر باشد، افزایش دما بیشتر خواهد بود. در یک حالت حدی که هیچ مقداری از گرما در محیط آزاد نمی‌شود. سوخت جت حداکثر دمای سوزاندن 980 درجه سانتی گراد را دارد؟"حداکثر دمای سوزاندن" ، معیاری استاندارد برای تعیین سوخت جت نیست. مشخصات سوخت جت ExxonMobil بسیاری از الزامات و روش های آزمایش را ذکر می کند ، اما از "حداکثر دمای احتراق" یا هر ویژگی مشابهی نام نمی برد.بالاترین دمای قابل دستیابی هنگام سوختن به عنوان "دمای شعله آدیاباتیک" شناخته می شود. ویکی پدیا توضیحات بسیار خوبی ارائه می دهد ، از جمله:فشار دائمی شعله آدیاباتیک دمایی است که از یک فرآیند احتراق کامل ناشی می شود که بدون هیچگونه انتقال حرارت یا تغییر در انرژی جنبشی یا پتانسیل رخ می دهد. حداکثر دمای شعله گزارش شده 980 درجه سانتی گراد بسیار پایین است ، زیرا
در زندگی روزمره ، اکثریت قریب به اتفاق شعله های آتش از ترکیبات آلی شامل چوب ، موم ، چربی ، پلاستیک های معمولی ، پروپان و بنزین است. دمای شعله آدیاباتیک فشار ثابت چنین موادی در هوا در محدوده نسبتاً باریکی در حدود 1950 درجه سانتی گراد است. در مورد سوخت جت دمای شعله آدیاباتیک را 2230 درجه سانتی گراد می دهد.
مقدار 2300 K (2030 درجه سانتی گراد) می دهد.موتورهای جت ، مانند همه موتورهای توربین گازی سیکل باز ، چرخه Brayton را دنبال می کنند:
اگر به نمودارهای PV و TS نگاه کنید ، جایی که ناحیه داخل چرخه نشان دهنده کار تولید شده است ، خواهید دید که مرحله احتراق (3-> 4) همان چیزی است که به آن گرمایش ایزوباریک می گویند ، جایی که گرما q به سیال جریان می یابد ، P پایدار است و دمای T ، حجم ، V و آنتروپی ، S افزایش می یابد. این اثر با انبساط آدیاباتیک (4-> 7) تولید می شود ، جایی که جریان حرارت q = 0 ، S پایدار است و P ، T کاهش می یابد ، در حالی که V همچنان افزایش می یابد. بخشی از کار به کار مکانیکی روتور تبدیل می شود و به سمت کمپرسور می رود و بخشی نیز توسط نازل به رانش تبدیل شده و هواپیما را به حرکت در می آورد.
از آنجا که بدون تغییر P و T نمی توانید یک فرآیند آدیاباتیک داشته باشید ، باید مایع (هوا) را با فشار بالا گرم کنید ، در غیر این صورت ، هنگامی که از طریق توربین منبسط می شود ، به نقطه ای که قبل از فشرده سازی شروع شده بود ، باز می گردد. برو 3-> 2).
رانش به نازل به دلیل تفاوت فشار بین سطح داخلی نازل و سطح مقطع خروجی ایجاد می شود که تنها به دلیل گسترش سیال قابل حفظ است. و منبسط می شود زیرا در دما و فشار بیشتری نسبت به محیط قرار دارد.
نمودار T-S چرخه باز Brayton که در موتورهای توربوجت یافت می شودتصویرتصویر
حداکثر دمای شعله آدیاباتیک زمانی اتفاق می افتد که نسبت هوا به سوخت برای احتراق کامل سوخت کاملاً مناسب است - اکسیژن کافی برای سوختن کامل سوخت بدون باقی مانده. به این می گویند شرایط استوکیومتری یا صفر هوای اضافی. در یک آتش سوزی بزرگ و غیرقابل کنترل در یک فضای بسته ، انتظار می رود که مناطقی وجود داشته باشند که نسبت هوا به سوخت بیشتر است و برخی دیگر در شرایطی که از شرایط استوکیومتری کمتر است ، و در بین آنها مناطقی با استوکیومتری کامل وجود خواهد داشت. به بنابراین درجه حرارت یکنواخت نخواهد بود ، اما برخی مناطق ممکن است بسیار نزدیک به دمای شعله استوکیومتری باشند.در محفظه‌های احتراق، ملاحظات متالوژیکی، ماکسیمم دمایی را که هر ماده می‌تواند تحمل کند، با محدودیت مواجه می‌سازد. از این رو، دمای آدیاباتیک شعله یکی از مهمترین مواردی است که باید در حین طراحی محفظه‌های احتراق، توربین‌های گازی و نازل‌ها در نظر گرفته شود. ماکسیمم دمایی که در این تجهیزات اتفاق می‌افتد، به اندازه قابل توجهی نسبت به دمای آدیاباتیک شعله پایین‌تر است. زیرا معمولاً در بسیاری از فرآیندهای احتراق، احتراق به صورت کامل انجام نمی‌شود، اتلاف حرارت اتفاق می‌افتد و همچنین برخی از گازهای حاصل از احتراق، در دماهای بالا تجزیه می‌شوند. با تنظیم حجم هوای اضافی که در نقش خنک‌کننده ظاهر می‌شود، می‌توان ماکسیمم دما درون محفظه احتراق را کنترل کرد. اوکتان مایع با فرمول شیمیایی $$\large C_8H_{18}$$ به طور یکنواخت وارد محفظه احتراق یک توربین گاز می‌شود. دما و فشار اوکتان به ترتیب برابر $$\large 25 \:^\circ C$$ و $$\large 1 \:atm$$ است و به همراه هوا می‌سوزد. هوا هم با همین شرایط وارد محفظه احتراق می‌شود. با توجه به شکل زیر، دمای آدیاباتیک شعله را در موارد زیر به دست آورید.
الف) احتراق کامل با $$\large 100$$ درصد هوای نظری ب) احتراق کامل با $$\large 400$$ درصد هوای نظری پ) احتراق ناقص با $$\large 90$$ درصد هوای نظری و وجود $$\large \text {CO}$$ در محصولات دمای شعله آدیاباتیک حجم ثابت دمایی است که از یک فرآیند احتراق کامل ناشی می شود که بدون هیچ گونه کار ، انتقال حرارت یا تغییر در انرژی جنبشی یا انرژی بالقوه رخ می دهد. دمای آن بالاتر از فرآیند فشار ثابت است زیرا از انرژی برای تغییر حجم سیستم (یعنی ایجاد کار) استفاده نمی شود.از اولین قانون ترمودینامیک برای یک سیستم واکنش بسته که داریم ،${\displaystyle {}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R}}{}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R}where, {\displaystyle {}_{R}Q_{P}}{}_{R}Q_{P}$
معادله موازنه شده برای فرآیند احتراق با حجم هوای نظری به صورت زیر است.$$\large \text{C}_8 \text{H}_{18} \:+\: 12.5 (\text{O}_2 \:+\: 3.76 \: \text{N} _2) \:\rightarrow\: 8\: \text{CO}_2 \:+\: 9\: \text{H}_2 \text{O} \:+\: 47\: \text{N}_2$$برای نوشتن رابطه دمای آدیاباتیک شعله ($$\large H_{prod} \:=\: H_{react}$$) در این مورد به طریق زیر عمل می‌کنیم. زیرا تمام واکنش دهنده‌ها در حالت مرجع استاندارد قرار دارند و برای $$\large O_2$$ و $$\large N_2$$، رابطه $$\large \overline{h}^ \circ _f \:=\:0$$ برقرار است.$$\large \sum_{}^{} N_p (\overline{h}^ \circ _f \:+\: \overline{h} \:-\: \overline{h}^ \circ)_p \:=\: \sum_{}^{} N_r \overline{h}^ \circ _{f,r} \:=\: (N\overline{h}^ \circ _f)_{C_8H_{18}}$$
جدول زیر، مقادیر $$\large \overline{h}^ \circ _f$$ و $$\large h$$ مربوط به ماده‌های مختلف را در دمای $$\large 298 \:K$$ نشان می‌دهد.مقادیر جدول را در رابطه اخیر جایگذاری می‌کنیم.$$\large (8 \:kmol \text{C} \text{O}_2) [(-\: 393,520 \:+\: \overline{h}_{\text{C} \text{O}_2} \:-\: 9,364) \:kJ/ kmol\: \text{C} \text{O}_2] \\~\\\large \:+\: (9 \:kmol \text{H}_2 \text{O}) [(-\: 241,820 \:+\: \overline{h}_{\text{H}_2 \text{O}} \:-\: 9,904) \:kJ/ kmol\: \text{H}_2 \text{O}] \\~\\\large \:+\: (47 \:kmol \text{N}_2) [( 0 \:+\: \overline{h}_{\text{N}_2} \:-\: 8,669) \:kJ/ kmol\: \text{N}_2] \\~\\\large \:=\: (1\: kmol \text{C}_8 \text{H}_{18}) (-\: 249,950 \:kJ/kmol \:\text{C}_8 \text{H}_{18}) \\~\\\large \Rightarrow ~~~ 8\overline{h}_{\text{C} \text{O}_2} \:+\: 9\overline{h}_{\text{H}_2 \text{O}} \:+\: 47\overline{h}_{\text{N}_2} \:=\: 5,656,081 \:kJ$$شاید این‌گونه به نظر برسد که در حال حاضر یک معادله با سه مجهول در اختیار داریم. ولی در واقع، تنها مجهول ما دمای محصولات ($$\large T_{prod}$$)‌ است. زیرا در گازهای ایده‌آل، آنتالپی فقط به دما بستگی دارد. بنابراین برای حل این معادله و تعیین دمای آدیاباتیک شعله می‌توانیم از EES یا روشسعی و خطا استفاده کنیم. برای اولین حدس، سمت راست رابطه بالا را به تعداد کل مول‌ها تقسیم می‌کنیم.$$\large 5,646,081/ (8\:+ \:9\: +\:47) \:=\: 88,220 \:~ kJ/kmol$$این مقدار آنتالپی، با دمای $$\large 2650 \:K$$ برای $$\large \text{ N}_2$$، دمای $$\large 2100 \:K$$ برای $$\large \text{ H}_2 \text{O}$$ و دمای $$\large 1800 \:K$$ برای $$\large \text{C} \text{O}_2$$ متناظر است. با توجه به اینکه بیشتر مول‌ها، $$\large \text{N}_2$$ هستند، $$\large T_{prod}$$ باید به عدد دمای $$\large 2650 \:K$$ نزدیک و از آن، کمتر باشد. از این رو، دمای $$\large 2400 \:K$$ را برای حدس اولیه در مورد دمای آدیاباتیک شعله انتخاب می‌کنیم. آنتالپی این سه ماده در دمای $$\large 2400 \:K$$ را می‌توانیم با مراجعه به جداول ترمودینامیکی بیابیم.$$\large 8\overline{h}_{\text{C} \text{O}_2} \:+\: 9\overline{h}_{\text{H}_2 \text{O}} \:+\: 47\overline{h}_{\text{N}_2} \:=\: 8\: \times \:125,152 \\~\\\large \:+\: 9\: \times \:103,508 \:+\: 47\: \times \:79,320 \:=\: 5,660,828 \:kJ$$این مقدار، کمی از $$\large 5,646,081 \:kJ$$ بیشتر است. بنابراین، دما باید اندکی پایین‌تر از $$\large 2400 \:K$$ باشد. به همین دلیل، دمای $$\large 2350 \:K$$ را برای حدس دوم انتخاب می‌کنیم. در این دما، آنتالپی به صورت زیر محاسبه می‌شود.$$\large 8\:\times \:122,091 \:+\: 9\:\times \:100,846 \:+\: 47\: \times \:77,496 \:=\: 5,526,654 \:~ kJ$$همان‌طور که می‌بینید، این مقدار از $$\large 5,646,081 \:kJ$$ بیشتر است. در نتیجه، دما عددی بین $$\large 2350 \:K$$ و $$\large 2400 \:K$$ خواهد بود. با به کارگیری روش درون‌یابی، دمای مورد نظر برابر با $$\large T_{prod} \:=\: 2395 \:K$$ به دست می‌آید.ب) معادله موازنه شده برای احتراق کامل با $$\large 400$$ درصد هوای نظری به این صورت است:$$\large \text{C}_8 \text{H}_{18} \:+\: 50 (\text{O}_2 \:+\: 3.76 \: \text{N} _2) \:\rightarrow\: 8\: \text{CO}_2 \:+\: 9\: \text{H}_2 \text{O} \:+\: 37.5\: \text{O}_2 \:+\: 188\: \text{N}_2$$با روشی مشابه با آنچه در قسمت الف به جواب رسیدیم، دمای آدیاباتیک شعله در این حالت، برابر با $$\large T_{prod} \:=\: 962 \:K$$ به دست می‌آید. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، به دلیل زیاد بودن حجم هوای نظری، دمای محصولات به اندازه قابل توجهی کاهش یافته است.پ) معادله موازنه شده برای فرآیند احتراق ناقص با $$\large 90$$ درصد هوای نظری به شکل زیر نوشته می‌شود.$$\large \text{C}_8 \text{H}_{18} \:+\: 11.25 (\text{O}_2 \:+\: 3.76 \: \text{N} _2) \:\rightarrow\: 5.5\: \text{CO}_2 \:+\: 9\: \text{H}_2 \text{O} \:+\: 2.5\: \text{C} \text{O} \:+\: 42.3\: \text{N}_2$$با تکرار روشی که در قسمت‌های قبل از آن استفاده کردیم، به پاسخ $$\large 2236 \:K$$ می‌رسیم. همان‌طور که ملاحظه کردید، بیشترین دمای آدیاباتیک شعله هنگامی اتفاق می‌افتد که احتراق کامل با حجم هوای نظری $$\large 100$$ درصد داشته باشیم.I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست