Maschinen und Prozesse

Maschinen und Prozesse 1 Einführung Von großer Bedeutung in der Energietechnik (und auch in der Verfahrenstechnik): Die Wandlung verschiedener Energieformen chemische Energie thermische Energie mechanische Energie elektrische Energie Entscheidend: Prozess und Maschine müssen aufeinander ausgelegt sein (Was nützt ein Formel 1 Motor, wenn nur Wärme aus der Verbrennung von Holzpellets zur Verfügung steht?) und können nicht getrennt voneinander betrachtet werden! Mechanische Energie tritt in verschiedenen Formen auf, wie zum Beispiel als potentielle Energie oder als kinetische Energie. 2 Wärmekraftmaschinen, Kältemaschinen, Wärmepumpen Diese Maschinen wandeln thermische Energie in Arbeit oder benutzen Arbeit um Wärme von einem kalten auf ein heißes Medium zu übertragen. Ihr Prinzip lässt sich (für ideale reversible Prozesse) als Kreisprozesse im T,s- bzw. p,v-diagramm darstellen (siehe Skript Thermodynamik und Wärmeübertragung). Beispiele für Wärmekraftmaschinen Diese wurden bereits in der Vorlesung Thermodynamik und Wärmeübertragung I behandelt und sollen nur kurz wiederholt werden. 1

Seiliger-Prozess (Otto-, Dieselmotor) Gasturbinenprozess 2

3 Erhaltungssätze Die Beschreibung von thermodynamischen und strömungsmechanischen Prozessen basiert auf Erhaltungssätzen für Masse, Energie, Impuls und (im Falle chemischer Prozesse) Teilchenmassenerhaltung. In ihrer allgemeinen Form sind diese Sätze sehr elegant formulierbar, ihre Lösung oder Analyse gestaltet sich jedoch sehr schwierig. Deshalb sollen sie hier nur in vereinfachter Form dargestellt werden. Details werden dann in den späteren Kapiteln oder in den Vorlesungen Strömungslehre oder Wärme- und Stoffübertragung behandelt. Im folgenden soll ein einfacher Kontrollraum behandelt werden. Durchströmter Kontrollraum, offenes System 3.1 Massenerhaltung Sieht man von der Umwandlung von Masse in Energie (z.b. bei Kernspaltung oder Kernfusion) ab, so kann Masse weder erzeugt noch verbraucht werden. Die zeitliche Änderung der Summe aller Massen im System ist somit gegeben durch die Summe der Massenströme in den Kontrollraum hinein ( ist positiv) oder aus dem Kontrollraum heraus ( ist negativ) k: Anzahl der Ströme n: Anzahl der Teilsysteme im Kontrollraum : Zeit 3.2 Energieerhaltung Der Energieerhaltungssatz wurde bereits in der Vorlesung Thermodynamik und Wärmeübertragung behandelt. Erster Hauptsatz für einen Kontrollraum 3

c: Geschwindigkeit g: Erdbeschleunigung z: Lage im Schwerefeld h: spezifische Enthalpie : mittlere spezifische Energie des Teilsystems : mittlere kinetische Energie des Teilsystems : mittlere potentielle Energie des Teilsystems 3.3 Impulserhaltung Aus der Mechanik ist bekannt, dass auch für den Impuls ein Erhaltungssatz gilt. Im Falle von Strömungen gestaltet sich dieser Erhaltungssatz recht schwierig, da der Impuls eine vektorielle Größe ist Sehr grob lässt sich sagen, dass die zeitliche Änderung des Impulses in einem Kontrollraum die Summe der Impulsströme in den Kontrollraum oder aus dem Kontrollraum heraus ist plus die Summe der angreifenden Kräfte Die Kräfte sind z.b. Druckkräfte, die Schwerkraft etc. 3.4 Teilchenmassenerhaltung Die Erhaltung der Teilchenmasse gestaltet sich auch recht komplex, da hier ein Quellterm für die Teilchenmasse bedingt durch die chemische Reaktion auftritt. Bsp.: 2H 2 + O 2 2H 2 O Ein Formelumsatz führt dazu, dass 4g H 2 und 32g O 2 vernichtet werden und 36g H 2 O gebildet werden. dm i dτ = Ω + i k m ik Ω i : chemischer Quellterm der Spezies i 4

4 Verbrennungsprozesse zur Umwandlung chemischer Energie in thermische Energie Beispiele aus dem "täglichen Leben": Feuerzeug Kerzenflamme Lagerfeuer Gasfeuer weitere Beispiele: Motor Ölbrenner Gasturbine Kohlekraftwerk Verbrennung: Im engeren Sinne die Reaktion von Stoffen mit Sauerstoff unter Wärme- und Lichtentwicklung, die nach Erreichung einer bestimmten Entzündungstemperatur sehr rasch verläuft. Die Endprodukte bei der vollständigen Verbrennung organischer Stoffe sind Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O). Bei der Verbrennung anderer Stoffe entstehen die jeweiligen Oxide. Verbrennung dient zur Energiewandlung. Aus chemischer Energie wird thermische Energie (Wärme), die sich dann in mechanische Energie oder elektrische Energie umwandeln lässt. Vorteil von Verbrennungsprozessen: Nachteil von Verbrennungsprozessen: Notwendig für eine Verbrennung: Brennstoff sehr schnelle Wärmefreisetzung normalerweise (Ausnahme z. B. Brennstoffzellen) primär nur Umwandlung in Wärme Schadstoffbildung Beispiele: Kohle, Wasserstoff, Erdgas, Öl, Kerzenwachs, Holz, usw. Oxidationsmittel Sauerstoff, Luft, sauerstoffhaltige Verbindungen Von einigen Ausnahmen abgesehen sind die meisten Brennstoffe organische Verbindungen, d. h. sie enthalten in der Hauptsache Kohlenstoff und Wasserstoff, neben geringeren Mengen Sauerstoff, Stickstoff und anderen Elementen. Bei der Verbrennung entstehen deshalb als Hauptprodukte Kohlendioxid und Wasser. Beispiele: Verbrennung von Wasserstoff H 2 + 1/2 O 2 H 2 O Verbrennung von Kohlenstoff: C + O 2 CO 2 Verbrennung von Kohlenwasserstoffen: C x H y + (x+y/4) O 2 x CO 2 + y/2 H 2 O 5

Jedes Stoffsymbol in solch einer Reaktionsgleichung repräsentiert dabei die Stoffmenge 1 mol (6 10 23 Atome bzw. Moleküle). Die erste Gleichung bedeutet also: 1 mol H 2 reagieren mit 1/2 mol O 2 unter Bildung von 1 mol H 2 O. Diese Gleichungen sind nur eine grobe Näherung, da 1. auch andere Stoffe im Kraftstoff sind (Spuren von N, S, O) 2. im thermodynamischen Gleichgewicht auch andere Produkte vorliegen (z. B. OH, CO, O, NO,...) 3. Reaktion mit Luftstickstoff erfolgen kann. 4. Verbrennung kinetisch kontrolliert ist. z.β. Rußbildung, unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC),... 4.1 Charakterisierung von Verbrennungsprozessen: Aggregatzustand von Brennstoff und Oxidationsmittel Brennstoff Oxidationsmittel Beispiele gasförmig gasförmig Gasfeuerzeug, Gasboiler flüssig gasförmig Ölbrenner, Dieselmotor fest gasförmig Holzverbrennung, Kohleverbrennung, Kerze gasförmig flüssig Raketentriebwerke flüssig flüssig Raketentriebwerke fest flüssig Raketentriebwerke fest fest Raketentriebwerke, Feuerwerkskörper Es sei aber angemerkt, dass sich diese Einteilung nur auf den ursprünglichen Zustand des Brennstoffs bezieht. Bei einer Kerze schmilzt zunächst das Wachs, wandert durch den Docht, verdampft und verbrennt erst dann. Art der Vermischung von Brennstoff und Oxidationsmittel vorgemischte Verbrennung: Brennstoff und Oxidationsmittel werden zunächst gemischt und dann erst verbrannt Beispiel: Ottomotor: Brennstoff wird im Vergaser mit Luft gemischt und danach im Zylinder verbrannt nicht vorgemischte Verbrennung: Brennstoff und Oxidationsmittel werden erst im Brennraum gemischt. Beispiel: Dieselmotor 6

Art des Strömungsfeldes laminar turbulent Momentaufnahmen von laminaren (links, Long et al.) und turbulenten (rechts, Dinkelacker et al.) Flammen, gezeigt sind die Profile von OH (reaktives Zwischenprodukt der Verbrennung) Die meisten technischen Verbrennungsprozesse laufen unter turbulenten Bedingungen ab. sehr schnelle Verbrennung, oft erkennbar am Rauschen der Flamme, chaotisches Verhalten Größen zur Charakterisierung eines Verbrennungsprozesses m kg Gesamtmasse m i kg Masse des Stoffes i in einer Mischung w i = m i /m - Massenbruch des Stoffes i n mol Gesamtstoffmenge n i mol Stoffmenge des Stoffes i in einer Mischung x i = n i /n - Molenbruch des Stoffes i in einer Mischung M i kg/mol molare Masse des Stoffes i (Masse der Stoffmenge 1 mol) kg/mol Beispiele: M C =12 g/mol, M H =1 g/mol, M O =16 g/mol, M CH4 =16 g/mol mittlere molare Masse 4.2 Typischer Verlauf der Verbrennung Bildung reaktiver Spezies (Atome und Radikale), Bsp.: O, H, OH, CH 3 reaktive Spezies greifen den Kohlenwasserstoff an 7

Prinzipielle Fragen: 1. Wodurch werden die reaktiven Spezies gebildet 2. Wie erfolgt die Oxidation des Kohlenwasserstoffs Kettenverzweigungsschritte H + O 2 O + OH oberhalb 1200 K H + O 2 +M HO 2 zwischen 900 K und 1200 K HO 2 + RH H 2 O 2 + R H 2 O 2 + M OH + OH + M bei niedrigeren Temperaturen (z.b. bei Zündung) andere Mechanismen Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Verbrennungsprozess: mehrere hundert Spezies reagieren in u.u. mehreren tausend Reaktionen In Flammen: Radikale (H, O, oder OH) greifen den Kohlenwasserstoff R-H (z.b. Oktan, C 8 H 18 ) unter Bildung von R an. Danach erfolgt Zerfall unter Bildung von kleinen Bruchstücken. alkane +HO 2, H, O, OH -H 2 O 2, H 2, OH, H 2 O +O 2 alkyl!! alkene -HO 2 +M -alkene +O 2 smaller alkyl!! alkene -HO 2 etc. CH 3, C 2 H 5 8

Zwischenprodukte bei der Verbrennung: kleine Kohlenwasserstoffe (CH 4 ), H 2, partiell oxidierte Spezies (CH 2 O, CO) Radikale (OH, CHO, CH,...) Atome (O, H) üblicherweise treten nur äußerst wenig Ionen auf oft mehrere hundert verschiedener Spezies, manchmal bis zu mehreren tausend verschiedener chemischer Reaktionen 4.3 Struktur verschiedener Flammen Laminare Vormischflamme: Brennstoff und Oxidationsmittel sind vorgemischt. Die Strömung verhält sich laminar. Experimentelle Realisierungen: flache Flamme Bunsenbrenner Eine vorgemischte Flamme brennt stöchiometrisch, wenn Brennstoff (z. B. ein Kohlenwasserstoff) und Oxidationsmittel (z. B. Luft) sich gegenseitig vollständig verbrauchen unter Bildung lediglich von Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O). Bei Überschuß von Brennstoff heißt die Verbrennung fett, bei Überschuß von Oxidationsmittel mager. Es ergibt sich bei Verbrennung mit Sauerstoff für den Molenbruch des Brennstoffs in einer stöchiometrischen Mischung: x Brennst., stöch. = 1 / (1+ν). Dabei ist ν die Zahl der O 2 -Moleküle in der Reaktionsgleichung bei vollständiger Umsetzung zu CO 2 und H 2 O als Endprodukten. Bei Verbrennung mit Luft (x N2 = 3,762. x O2 ) erhält man: x Brennst., stöch. = 1 / (1+4,762 ν). Luftzahl λ = (x Luft /x Br )/(x Luft,stöch. /x Br,stöch. ) Äquivalenzverhältnis Φ = 1/λ fette Verbrennung: Φ > 1 bzw. λ < 1 stöchiometrische Verbrennung: Φ = 1 bzw. λ = 1 magere Verbrennung: Φ < 1 bzw. λ > 1. 9

Bsp.: Stöchiometrische Verbrennung 2 H 2 + O 2 2 H 2 O CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O Bsp.: fette Verbrennung 3 H 2 + O 2 2 H 2 O + H 2 Vorsicht: Dies ist eine Näherung. Bei fetter Verbrennung bleibt üblicherweise nur wenig Brennstoff übrig. Stattdessen verläuft die Verbrennung nicht vollständig (Bildung von CO). Bsp.: magere Verbrennung 1 H 2 + O 2 1 H 2 O + 1/2 O 2 Der Fortschritt solch einer flachen laminaren Vormischflamme lässt sich immer durch eine laminare Flammengeschwindigkeit v L [cm/s] charakterisieren, die nur vom Gemisch, dem Druck, und der Anfangstemperatur abhängt. Beim Bunsenbrenner kann man näherungsweise annehmen, dass die Flamme stückweise flach ist (Flammendicke << Krümmungsradius). Es ergibt sich dann v L = v u sin φ. Laminare Flammengeschwindigkeit für Kohlenwasserstoff-Luft-Gemische bei p = 1 bar, = 298 K. Punkte: Experimente, Linien: Simulationen mit einem detaillierten Mechanismus. 10

Wie funktioniert eine vorgemischte Verbrennung? Beispiel: stöchiometrische Verbrennung (typische Temperaturen nach der Verbrennung > 2000 K) Beispiel: fette Verbrennung Beispiel: magere Verbrennung Laminare nicht vorgemischte Flammen (Diffusionsflammen): Brennstoff und Oxidationsmittel werden erst während der Verbrennung gemischt. Die Strömung ist laminar. 11

Diffusions-Flammenzonen sind komplexer als Vormischflammenzonen, da das Äquivalenzverhältnis den ganzen Bereich 0 < Φ < überstreicht (fette Verbrennung auf der Brennstoff-Seite, magere auf der Luft-Seite). Verbrennung von flüssigen Kraftstofftropfen (nicht vorgemischte Verbrennung) Turbulente Vormischflamme: Hier brennen Vormisch-Flammenfronten in einem turbulenten Geschwindigkeitsfeld. Oft bilden sich gekrümmte und gestreckte laminare Vormisch-Flammenfronten aus, so daß die Beschreibung durch laminare Vormischflammen erfolgen kann. m / mges Produkte Oxidationsmittel Brennstoff Zwischenprodukte unverbrante Mischung Reaktionszone verb rannte Mischung x Die globale Verbrennungsgeschwindigkeit ist wegen der großen Flammenfläche sehr viel größer als die laminare Flammengeschwindigkeit. Turbulente nicht vorgemischte Flamme: Hier brennen nicht vorgemischte Flammen in einem turbulenten Geschwindigkeitsfeld. Auch hier können bei nicht allzu starker Turbulenz die schon erwähnten Flamelet-Konzepte zum Verständnis herangezogen werden. Aus Sicherheitsgründen werden in industriellen Feuerungen und Brennern überwiegend Diffusionsflammen eingesetzt. 12

Der Bunsenbrenner als Beispiel für vorgemischte und nicht vorgemischte Flammen 4.4 Verbrennungsschadstoffe Stickoxide (NO x ): NO, NO 2, Entstehung durch Oxidation des Luftstickstoffs oder durch Oxidation von Stickstoff im Brennstoff (z. B. bei Kohle oder Holz) Anfangsschritt: Reaktion von N 2 mit Radikalen (O, CH, CH 2 ) Schwefeldioxid: SO 2 Entstehung durch Oxidation des Schwefels im Brennstoff (z. B. bei Kohle) Kohlenmonoxid: CO Entstehung bei unvollständiger Verbrennung (z. B. bei fetten Flammen) unverbrannte Kohlenwasserstoffe: C n H m bei unvollständiger Verbrennung (z. B. durch Flammenlöschung) Ruß: CH x Entstehung bei sehr fetter Verbrennung 13

Kohlendioxid: CO 2 Sonderfall: prinzipiell kein Schadstoff, aber Treibhausgas Problem der Verbrennungsschadstoffe: Umweltbelastung Reduktion von Verbrennungsschadstoffen: primäre Maßnahmen: Auslegung des Verbrennungsprozesses, so dass möglichst wenige Schadstoffe entstehen (z. B. vollständige Verbrennung, niedrige Temperaturen, magere Gemische) sekundäre Maßnahmen: Entfernung der Schadstoffe aus den Abgasen (z. B. Dreiwegekatalysator, Reduktion mit Ammoniak oder Harnstoff mit oder ohne Katalysator) 14