Wikibooks:Abstellraum: Verbrennungslehre

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[Bearbeiten] Zusammenfassung des Projekts

  • Voraussetzungen:

Grundlegende Kenntnisse der Chemie und der wärmetechnischen Physik.

  • Zielgruppe:

Ingenieure und welche es werden wollen, vorerst im Bereich von Brennofen

  • Lernziele:

Vorerst sollen grundsätzliche Fragen zur Verbrennung geklärt werden, so dass ein sicherer Umgang mit der Verbrennung gewährleistet ist. Weiterhin soll das Ostwaldsche Verbrennungsdreieck erläutert werden, und dessen Anwendung im programmierten Bereich (z.B. Excel). Dieses Buch kann ebenfalls erweitert werden auf andere Bereiche, wie z.B. Verbrennungsmotoren, verschiedene Ofenkonstruktionen uvm.

  • Buchpatenschaft / Ansprechperson:
  • Richtlinien für Co-Autoren:

Der Inhalt des Buches sollte für Ingenieure geeignet sein.

  • Projektumfang und Abgrenzung zu anderen Wikibooks:

Der Umfang ist noch relativ offen, jedoch sollte beispielsweise in Hinsicht auf Verbrennungsmotoren nicht zuviel in Hinsicht auf Thermodynamik der Gase, Gasarbeiten und mehr erscheinen

  • Aufbau des Buches:
    • Allgemeine Einführung
    • genauere Definitionen
    • Die Verbrennungsgleichung eines abstrakten Brennstoffes mit Luft
    • Das Ostwaldsche Verbrennungsdreieck (Spezialfall das Bunte-Dreieck)


Inhaltsverzeichnis


[Bearbeiten] Was ist Verbrennung?

[Bearbeiten] Historie

Historisch gesehen ist Verbrennung die Reaktion eines kohlenstoffhaltigen Stoffes/Materials mit Luftsauerstoff (21 % in der Luft enthalten, siehe unten)

[Bearbeiten] Heute

Heutzutage ist die Verbrennung als die Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff definiert. Wobei es nicht zwingend erforderlich ist, dass der Sauerstoff aus der Luft stammt.

Es gibt viele Stoffe welche bei Erhitzung Sauerstoff abgeben. Dies ist vor allem in Medien wichtig, welche keinen Sauerstoff enthalten, wie z.B. unter Wasser (Magnesiumfackeln). Die Stoffe welche Sauerstoff enthalten, sind teilweise so genannte metastabile Stoffe, das heißt sie befinden sich in einem halbstabilen Zustand. Wenn sie nun erwärmt werden, wird ihnen die Aktivierungsenergie zugeführt, welche sie benötigen, um in den stabileren Zustand zu gelangen. Dabei wird sowohl der Sauerstoff als auch die Energie frei welche der Brennstoff zu Verbrennung benötigt.

[Bearbeiten] Beispiele für Verbrennungen

Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlendioxid

C + O_2 \rightarrow CO_2

Verbrennung von reinem Methan mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser

CH_4 + 2 O_2 \rightarrow CO_2 + 2 H_2O

Verbrennung von Magnesium zu Magnesiumoxid

2 Mg + O_2 \rightarrow 2 MgO

[Bearbeiten] Allgemeine Definitionen und Konventionen zur Verbrennung

  • ideale und reale Verbrennung: Wenn man einen Brennstoff stöchiometrisch mit Sauerstoff verbrennt, so wird er in der Regel nicht zu hundert Prozent verbrannt. Somit wird auch nicht das gesamte Potential in hinsicht auf Wärmeabgabe genutzt. Dies ist bei kohlenstoffhaltigen Brennstoffen vor allem daran zu erkennen das die Flamme orange leuchtet. Dies ist damit zu erklären, dass unverbrannter, elementarer Kohlenstoff im Abgas ist, welcher durch die hohe Temperatur zu glühen beginnt. Man kann in der Regel sagen, dass eine ideale Verbrennung, also eine hundert prozentige, stöchiometrische Verbrennung, nie wirklich vorliegt. Sie kann höchstens angenähert werden.
  • λ-Wert: Um das Wärmepotential eines Brennstoffes optimal ausnutzen zu können verbrennt man den Brennstoff mit überschüßigem Sauerstoff, so dass es möglich wird den kompletten Brennstoff zu Verbrennen. Anschließend ist jedoch noch Sauerstoff im Abgas (auch Rauchgas genannt), so dass man um optimale Wärmewirkung zu erreichen, einen Mittelweg zwischen zu wenig Sauerstoffüberschuß und zu viel Sauerstoffüberschuß finden muss. Man hat eine Größe eingeführt, um den zusätzlich verwendeten Sauerstoff eindeutig zu beschreiben. Man bezeichnet diese Größe λ-Wert. Wenn man nun also Informationen über den aktuellen λ-Wert haben möchte, so gelten folgende Formeln:

O_{2_{\ddot Uberschuss}}=\lambda \cdot O_{2_0} Sie läßt sich bequem umstellen um fehlende Größen zu berechnen.

  • idealer und realer Brennstoff: Von einem idealen Brennstoff spricht man wenn er zu hundert Prozent aus dem selben Brennstoffmolekül besteht. In der Praxis ist jedoch kein Brennstoff so homogen wie ein idealer Brennstoff. Man spricht von realem Brennstoff. Er besteht in der Regel aus einem Gemisch von Methan, Ethan, Propan, Butan, Stickstoff, Wasser, Wasserstoff und Spuren von höheren Kohlenwasserstoffen. Man stellt ein hypotetisches Brennstoffmolekül auf (siehe später)
  • Verbrennungswärme (Brennwert, Heizwert):
  • Umrechnung von Betriebsbedingungen auf Normbedingungen:
  • Gasangaben in Normkubikmetern:


[Bearbeiten] Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen

[Bearbeiten] Von der chemischen Analyse eines Brenngases zum hypothetischen Brennstoffmolekül

Grundsätzlich geht man von der Tatsache aus das ideal gesehen jedes Gas mit eine einer gewissen Anzahl Moleküle ein bestimmtes Volumen einnimmt (Chemie/allgemeine Zustandsgleichung der Gase), unabhähngig davon, welches Gewicht ein Molekül besitzt. Dafür reicht es aus die chemische Analyse in Volumenprozent zu benutzen. Hier folgt eine hypothetische Analyse eines Brenngases:

Gasmolekül Chemische Formel Vol-% Anteile/1 Raumanteil C H O N S
Methan CH4 24 0,24 1*0,24=0,24 4*0,24=0,96 0*0,24=0,00 0*0,24=0,00 0*0,24=0,00
Ethan C2H6 12 0,12 2*0,12=0,24 6*0,12=0,72 0*0,12=0,00 0*0,12=0,00 0*0,12=0,00
Propan C3H8 17 0,17 3*0,17=0,51 8*0,17=1,36 0*0,17=0,00 0*0,17=0,00 0*0,17=0,00
Butan C4H10 7 0,07 4*0,07=0,28 10*0,07=0,70 0*0,07=0,00 0*0,07=0,00 0*0,07=0,00
höhere KWST imDuchschnittC7H13 12 0,12 7*0,12=0,84 13*0,12=1,56 0*0,12=0,00 0*0,12=0,00 0*0,12=0,00
Wasser H2O 8 0,08 0*0,08=0,00 2*0,08=0,16 1*0,08=0,08 0*0,08=0,00 0*0,08=0,00
Stickstoff N2 13 0,13 0*0,13=0,00 0*0,13=0,00 0*0,13=0,00 2*0,13=0,26 0*0,13=0,00
Wasserstoff H2 3 0,03 0*0,03=0,00 2*0,03=0,06 0*0,03=0,00 0*0,03=0,00 0*0,03=0,00
Schwefeldioxid SO2 4 0,04 0*0,04=0,00 0*0,04=0,00 2*0,04=0,08 0*0,04=0,00 1*0,04=0,04
Σ 100 1 2,11 5,52 0,16 0,26 0,04

Der Raumanteil eines Gases wird mit den Indizies eines jeden Atoms in der entsprechenden Zeile multipliziert, um den Anteil eines Gases für das hypothetische Brennstoffmolekül zu erhalten. Addiert man nun die Spalten der einzelnen Atome, so erhält man die Indizies des hypothetischen Brennstoffmoleküls, welche mit Kleinbuchstaben bezeichnet werden.

Hinzuzufügen ist, dass dieses Brenngas ein relativ unreines Brenngas ist. Wenn normales Erdgas verbrannt wird, so hat es einen Methangehalt von über 90%.

Hier die allgemeine Formel des hypothetischen Brennstoffmoleküls: CmHnOpNqSw

Daraus ergibt sich für das obige Beispiel folgende spezielle Form für das Brennstoffmolekül:

C2,11H5,52O0,16N0,26S0,04

[Bearbeiten] Mit Hilfe des hypothetischen Brennstoffmoleküls zur allgemeinen Verbrennungsgleichung

Nun wurde mit Hilfe der chemischen Analyse des Brennstoffes eine allgemeine Formel für den Brennstoff ermittelt, welche für eine Verbrennung wesentlich besser geeignet ist als die bloßen Werte aus der Analyse. Wenn man nun versucht, den Brennstoff ideal zu verbrennen, so gilt folgende Gleichung:

C_mH_nO_pN_qS_w + (m+\frac{n}{4}-\frac{p}{2}+w)O_{2_0}\rightarrow m CO_2 + \frac{n}{2} H_2O + \frac{q}{2} N_2 + w SO_2

Man muss jedoch hinzufügen, dass diese Reaktiongleichung in dieser Form nur für die Verbrennung mit reinem Sauerstoff gilt. Da dies in der Regel utopisch ist (auf Grund zu hoher Kosten bei der Herstellung reinen Sauerstoffs), verbrennt man Brennstoffe meist mit Luft, welche folgende Zusammensetzung bestitzt:

Stoff Volumen-%
Stickstoff 78
Sauerstoff 21
Argon 1
Spuren von andern Gasen <0,1%

Im folgenden wird der Sickstoff- und der Argonanteil zusammengerechnet und nur noch als "Stickstoff" bezeichnet. Für genaue Rechnungen ist dies zwar fehlerhaft, in der Praxis ist jedoch sinnvoll, da Stickstoff in der Regel sehr reaktionträge ist, und Argon als Edelgas ebenso. Der "neue, fiktive" Stickstoffanteil in der Luft beträgt nun also 79 Volumenprozent.

Wenn man nun davon ausgeht, dass mit 21 Litern gasförmigem Sauerstoff zusätzlich 79 Liter gasförmiger Stickstoff an der Verbrennung passiv, das heißt er reagiert nicht, ist nur anwesend, teilnehmen, dann sieht die Verbrennungsgleichung eines realen Brennstoffes wie folgt aus:

C_mH_nO_pN_qS_w + (m+\frac{n}{4}-\frac{p}{2}+w)O_{2_0} + (\frac{79}{21}O_{2_0}) N_2 \rightarrow m CO_2 + \frac{n}{2} H_2O + (\frac{q}{2}+\frac{79}{21}O_{2_0}) N_2 + w SO_2

[Bearbeiten] Reine Verbrennung zu Kohlenmonoxid

Wenn man davon ausgeht das der komplette Brennstoff nicht zu Kohlendioxid sondern lediglich zu Kohlenmonoxid verbrannt wird, dann sieht die Verbrennungsgleichung logischer weise anders aus. Die Verbrennung zu reinem Kohlenmonoxid ist zwar utopisch, jedoch für weitere Betrachtungen, wie z.B. Ostwaldsches Verbrennungsdreck (siehe unten), sinnvoll zu betrachten.

Wenn man nun am Ende beginnt, und sich hypotetisch vorstellt, dass das gesamte Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid reduziert wird (siehe Boudouard-Gleichgewicht, man sieht es ist nicht annähernd möglich), so gilt folgende Reaktionsgleichung:

CO_2 \rightarrow CO + \frac{1}{2} O_2

Es entsteht also pro Kohlendioxidmolekül genau ein Kohlenmonoxidmolekül und ein halbes molekulares Sauerstoffatom. Setzt man nun die Produktseite in der allgemeinen Verbrennungsgleichung für Kohlendioxid ein so erhält man folgendes:

C_mH_nO_pN_qS_w + (m+\frac{n}{4}-\frac{p}{2}+w)O_{2_0} + (\frac{79}{21}O_{2_0}) N_2 \rightarrow m CO + \frac{m}{2}O_2 + \frac{n}{2} H_2O + (\frac{q}{2}+\frac{79}{21}O_{2_0}) N_2 + w SO_2

[Bearbeiten] Verbrennung mit Luftüberschuß/Luftmangel

Wir gehen mal von der Verbrennung von reinem Methan aus. Die Reaktion sieht so aus:

CH_4+2 O_2\rightarrow CO_2 + 2 H_2O

Wenn man nun aber das Abgas analysiert, so stellt man fest, dass die Reaktion zwar vom Prinzip her so abläuft, aber nicht diese Reinheit einhält. Im Abgas findet man neben den Hauptprodukten Wasser und Kohlendioxid, auch nicht wenig von Kohlenmonoxid und Spuren unverbranntem Methan. Es ist nicht von Intersse das unverbrannter Brennstoff bzw unverbranntes Kohlenmonoxid im Abgas ist, da durch die nicht durchgeführte Verbrennung weniger Energie abgegeben wird. Um eine vollständige Verbrennung zu erreichen erhöht man den Anteil des Sauerstoffs in der Reaktion, so dass zwar überflüssiger Sauerstoff während der Reaktion vorhanden ist, jedoch der komplette Brennstoff zu Kohlendioxid verbrannt wird. Dabei ist aber darauf zu achten, dass die Energie, welche durch die komplettere Verbrennung gewonnen wird größer ist als die Energie, die für die Erwärmung der zusätzlichen Luft im Abgas notwendig ist. Kurz wenn man die Energieausbeute maximieren möchte, gibt es einen Punkt an Luftüberschuss, ab welchem die Energieausbeute nicht mehr gesteigert werden kann. Um ein Maß für den Luftüberschuß zu bekommen hat man eine dimensionslose Zahl, den λ-Wert eingeführt. Er gibt das vielfache an, bei welchem der verwendete Sauerstoff gegenüber dem optimalen Sauerstoffbedarf liegt.

[Bearbeiten] Nasses,trockenes Abgasvolumen mit CO2 oder CO

[Bearbeiten] CO2

Wenn man das nasse Abgasvolumen bestimmen möchte, so addiert man alle Gasnormkubikmeter im Abgas (auch Wasser ist Gas). So erhält man folgende Gleichung:

V_{A_0nass}=m + \frac{n}{2} + \frac{q}{2} + \frac{79}{21}O_{2_0} + w

Für Rechnungen wird jedoch meistens das trockene Abgasvolumen benötigt. Dies erhält man indem man das gasförmige Wasser hypothetisch kondensieren lässt, alo im Klartext vom nassen Abgasvolumen das Volumen des gasförmigen Wassers subtrahiert.

V_{A_0trocken}=V_{A_0nass} - \frac{n}{2} = m + \frac{q}{2} + \frac{79}{21}O_{2_0} + w = m + \frac{q}{2} + \frac{79}{21}(m+\frac{n}{4}-\frac{p}{2}+w) + w

[Bearbeiten] CO

Nach den folgenden Formeln kann mann nasses und trockenes Abgasvolumen bei maximaler Kohlenmonoxidkonzentration bestimmen. Generell gelten die selben Formeln wie für die Berechnung des Abgasvolumens bei CO2, jdoch erhöht sich das Volumen um \frac{1}{2} CO-Gehalt.




Für die Berechnung der durchschnittlichen Molekülmasse ist die volumenprozentuale Verteilung der Gase heranzuziehen. Wenn man davon ausgeht, dass folgende mittlere Molekülmassen gelten:

Molekül Masse in kg/kmol
N2 14,007
O2 15,999
Ar 39,948

Dann läßt sich die mittlere Molekülmasse

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