La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

COMBUSTIONE CALCOLO PROPRIETA’ TERMODINAMICHE ED EQUILIBRI CON SOFTWARE CEA (NASA) Rev. 1 Ing. D. Dalle Nogare – Ing. M. Sudiro - Prof. P. Canu 1.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "COMBUSTIONE CALCOLO PROPRIETA’ TERMODINAMICHE ED EQUILIBRI CON SOFTWARE CEA (NASA) Rev. 1 Ing. D. Dalle Nogare – Ing. M. Sudiro - Prof. P. Canu 1."— Transcript della presentazione:

1 COMBUSTIONE CALCOLO PROPRIETA’ TERMODINAMICHE ED EQUILIBRI CON SOFTWARE CEA (NASA) Rev. 1 Ing. D. Dalle Nogare – Ing. M. Sudiro - Prof. P. Canu 1

2 SOFTWARE CEA (NASA) Reperibile dal sito ufficiale NASA: Oppure sul sito del Prof. Canu: g/Equil/NASA/ g/Equil/NASA/ leggere prima di tutto il file “00leggimi” si lancia con il file batch CEAexec-win.bat 2

3 PROPRIETA’ DEL PURO E’ possibile calcolare le proprietà termodinamiche del puro. Ad esempio, si voglia conoscere l’entalpia (ma non solo!) di CO 2 a , 500, 1000 K e 1 e 10 atm. 3

4 PROPRIETA’ DEL PURO File “PuroCO2.inp” problem tp t,k =298.15,500,1000 p,atm=1,10 react name=CO2 only CO2 output short end 4

5 PROPRIETA’ DEL PURO File “PuroCO2.out” THERMODYNAMIC PROPERTIES P, BAR T, K RHO, KG/CU M H, KJ/KG U, KJ/KG G, KJ/KG S, KJ/(KG)(K) M, (1/n) (dLV/dLP)t (dLV/dLT)p Cp, KJ/(KG)(K) GAMMAs SON VEL,M/SEC

6 PROPRIETA’ DEL PURO Verifiche con Appendici Turns THERMODYNAMIC PROPERTIES T, K H, KJ/KG H, KJ/KMOL TURNS: H, KJ/KMOL = 8301= 8182=

7 PROPRIETA’ DEL PURO E’ possibile calcolare le proprietà termodinamiche del puro. Ad esempio, si voglia conoscere l’entalpia (ma non solo!) del CH 4 a 500,600,700°C e 1atm. 7

8 PROPRIETA’ DEL PURO E’ possibile verificare gli stati di riferimento dell’entalpia di formazione. Ad esempio, si voglia verificare che l’entalpia del O 2 a K e 1atm è nulla e cresce all’aumentare della T, mentre non dipende dalla p. 8

9 PROPRIETA’ DEL PURO File “PuroO2A.inp”/ “PuroO2B.inp” / “PuroO2C.inp” problem tp t,k=298.15, p,atm=1,/ t,k=500, p,atm=1,/ t,k=298.15, p,atm=10, react name=O2 only O2 output short end 9

10 PROPRIETA’ DEL PURO File “PuroO2A.out”/ “PuroO2B.out” / “PuroO2C.out” THERMODYNAMIC PROPERTIES P, BAR / / T, K / / H, KJ/KG / / TURNS: H, KJ/KG / / =(6097 KJ/KMOL)/(32 KG/KMOL) 10

11 PROPRIETA’ DEL PURO File “PuroCH4.inp” problem tp t,c=500,600,700, p,atm=1, react name=CH4 only CH4 output short end 11

12 PROPRIETA’ DEL PURO File “PuroCH4.out” THERMODYNAMIC PROPERTIES P, BAR T, K RHO, KG/CU M H, KJ/KG U, KJ/KG G, KJ/KG S, KJ/(KG)(K) M, (1/n) (dLV/dLP)t (dLV/dLT)p Cp, KJ/(KG)(K) GAMMAs SON VEL,M/SEC

13 PROPRIETA’ DEL PURO OSSERVAZIONI Se una specie è contenuta nella banca dati, è possibile calcolare alcune proprietà termodinamiche (H,U,S,G,cp,etc) e di trasporto (viscosità, conducibilità termica, etc). H f è nulla per gli elementi, nella forma stabile per T qualsiasi. H a T diverse dal riferimento (T=298.15K) varia con la T, ma non dipende dalla P. 13

14 PROPRIETA’ DI MISCELA E’ possibile anche calcolare le proprietà termodinamiche di una miscela. Ad esempio, si voglia conoscere l’entalpia di una miscela stechiometrica di CO/O 2 nello stato di riferimento. Verificare la differenza tra l’entalpia del CO puro e in miscela. 14

15 PROPRIETA’ DI MISCELA File “PuroCO.inp”/ “MiscelaCO.inp” problem tp t,k=298.15, p,atm=1, react name=CO only CO output short end problem tp t,k=298.15, p,atm=1, react name=O2 moles=0.5 name=CO moles=1 only O2 CO output short end 15

16 PROPRIETA’ DI MISCELA File “PuroCO.out”/ “MiscelaCO.out” THERMODYNAMIC PROPERTIES P, BAR T, K RHO, KG/CU M / H, KJ/KG / M, (1/n) / Per i gas ideali vale la regola di miscela (v. sez. 2.3 in RP-1311):

17 PROPRIETA’ DI MISCELA OSSERVAZIONI Il programma calcola le proprietà applicando le regole di miscela. Le proprietà sono date su base massiva. 17

18 EQUILIBRIO TP Calcola la composizione all’equilibrio, ad una certa temperatura e pressione, minimizzando l’energia libera di Gibbs. Il minimizzatore scompone le molecole di partenza e ricompone tutte le possibili combinazioni in modo da conservare il numero di atomi in ingresso (infatti esso conosce la matrice atomi/molecola per tutte le specie), e tra di esse sceglie quella a minor G 18

19 EQUILIBRIO TP - WGS Calcolo dell’equilibrio della reazione WGS. Ricalcolare il grado di avanzamento della reazione alle temperature 210, 400, 800 e 1000°C e 1 bar, considerando come reagenti 10 moli di CO e 10 moli di H2O. 19

20 EQUILIBRIO TP - WGS File “WGS.inp” problem tp t,c=210,400,800,1000, p,bar=1, react name=H2O moles=10 name=CO moles=10 output short end 20

21 EQUILIBRIO TP - WGS File “WGS.out” MOLE FRACTIONS CH *CO *CO *H H2O C(gr) L’equilibrio prevede la formazione di CH4 e C(gr) a basse T Se si vuole calcolare l'equilibrio di una reazione ben precisa che si ha in mente, nella quale sono specificati reagenti e prodotti, è necessario vincolare il calcolo del programma (che non fa alcuna assunzione sulle reazioni, ma per default considera tutte le specie della sua banca dati) ad utilizzare solo e soltanto le specie ( reagenti e prodotti) che si desiderano. 21

22 EQUILIBRIO TP - WGS File “WGSbis.inp” problem tp t,c=210,400,800,1000, p,bar=1, react name=CO moles=10 name=H2O moles=10 only CO CO2 H2 H2O output short end 22

23 EQUILIBRIO TP - WGS File “WGSbis.out” MOLE FRACTIONS *CO *CO *H H2O ε eq Per questa reazione il numero di moli è costante => n eq =n in =20 Si può applicare la definizione di grado di avanzamento della reazione al CO

24 EQUILIBRIO TP - CO Combustione stechiometrica di CO in O 2 puro o aria. Calcolare i prodotti di equilibrio a 500K e 1bar, fornendo le moli in uscita. 24

25 EQUILIBRIO TP - CO File “COeO2.inp” problem tp t,k=500, p,bar=1, react name=CO moles=1 name=O2 moles=0.5 output short end File “COeAria.inp” problem tp t,k=500, p,bar=1, react name=CO moles=1 name=O2 moles=0.5 name=N2 moles=2 output short end 25

26 EQUILIBRIO TP - CO File “COeO2.out” THERMODYNAMIC PROPERTIES M, (1/n) MOLE FRACTIONS *CO File “COeAria.out” THERMODYNAMIC PROPERTIES M, (1/n) MOLE FRACTIONS *CO *N n CO2,eq =1 26

27 EQUILIBRIO TP - CO 27 Il programma accetta in input le moli di reagenti e le trasforma in frazioni molari. Il risultato è dato in frazioni molari, ma non è sempre chiaro da queste se una specie è aumentata o diminuita. L’esempio eclatante è l’N 2, che essendo inerte non varia, ma la sua frazione molare cambia. E’ dunque necessario calcolare le moli in uscita. Poiché la massa si conserva, (M out =M in ), e dalla definizione di PM si ottiene la seguente:

28 EQUILIBRIO TP - CO MOLI CO 1 O2 0.5 N22 CO2 0 TOT3.5 REAGENTI (COeAria) EQUILIBRIO FRAZ. MOLARI CO O N CO2 0 TOT1 FRAZ. MOLARI CO 0 O2 0 N CO TOT1 MOLI CO 0 O2 0 N22 CO2 1 TOT3 28

29 EQUILIBRIO TP – CH 4 Combustione di CH 4 in aria. Calcolare i prodotti di equilibrio a 1000°C e 2bar, per φ 1. Verificare la presenza di NO nei prodotti. 29

30 EQUILIBRIO TP – CH 4 File “CH4eO2.inp” problem tp t,c=600, p,bar=2, react name=CH4 moles=1 name=O2 moles=2(φ=1) / 3(φ 1) name=N2 moles= 8 / 12 / 4 output short (trace= 1e-20) end 30

31 EQUILIBRIO TP – CH 4 File “CH4eO2.out” MOLE FRACTIONS, φ=1 *CO H2O *N *NO MOLE FRACTIONS, φ<1 *CO H2O *NO *N *O MOLE FRACTIONS, φ>1 *CO *CO *H H2O NH *N *NO OSSIDAZIONE TOTALEOSSIDAZIONE PARZIALE L’NO è minore per miscele ricche

32 EQUILIBRIO TP – BioM Combustione di BioM in aria. Calcolare i prodotti di equilibrio di una gassificazione a 700K e 5atm, assumendo che la composizione della biomassa sia quella data in Tabella 1 (formula bruta C 0.29 H 0.49 O 0.22 ). 32

33 EQUILIBRIO TP – BioM Deduzione formula bruta: Y = [ ]/ ( ) x = Y./MW / sum(Y./MW) MW F = x*MW T Risulta C H O 0.21 a = – / /2 = moli O2/moliB A/F = a*4.76*29/MW F = 6 kg air /kg F 33

34 EQUILIBRIO TP – BioM File “BioM.inp” problem tp t,k=700, p,atm=5, react name=C wt=45.2 name=H wt=5.4 name=O wt=39 name=H2O wt=9.4 name=O2 wt=125* name=N2 wt=500 output short end *M O2 =M C *32/12+M H *(32/1)/4-M O ~125 34

35 EQUILIBRIO TP – BioM File “BioM.out” MOLE FRACTIONS *CO H2O *N *O Si ottengono i soliti prodotti di ossidazione totale.

36 EQUILIBRIO TP OSSERVAZIONI E’ possibile conoscere i prodotti di equilibrio di un sistema reagente, data la composizione iniziale. Per calcolare l’equilibrio di una reazione chimica è necessario specificare le specie desiderate (reagenti e prodotti) Il programma fornisce i risultati come frazioni molari, ma spesso è necessario trasformarle in moli utilizzando il peso molecolare 36

37 EQUILIBRIO HP Calcola la composizione all’equilibrio, con combustione adiabatica e isobarica, minimizzando l’energia libera di Gibbs. 37

38 EQUILIBRIO HP – Butano Combustione di C 4 H 10 (n-butano) in O 2 o aria. C 4 H O 2 (+ 6.5*3.76N 2 )=4CO 2 + 5H 2 O ( N 2 ) A. Calcolare la temperatura adiabatica di fiamma nei due casi, partendo da condizioni ambiente (298.15K e 1atm). B. Calcolare la Tad con un eccesso d’aria del 100% e nel caso in cui i reagenti vengano alimentati a 200°C e 375°C. 38

39 EQUILIBRIO HP - Butano (A) File “ButanoA.inp” problem hp p,atm=1 react name=C4H10,n-butane moles=1 t,k= name=O2 moles=6.5 t,k= (name=N2 moles=24.45 t,k=298.15) output short end T O2 =3167KT aria =2268K (cfr. Tab. B1 Turns) 39 Nota: non occorre specificare l’Hin, perché il programma se la calcola avendo specificato la Tin dei reagenti

40 EQUILIBRIO HP - Butano (B) File “ButanoB.inp” problem hp p,atm=1 react name=C4H10,n-butane moles=1 t,k= (498.15/648.15) name=O2 moles=13 t,k= (498.15/648.15) name=N2 moles=52 t,k= (498.15/648.15) output short end T +100%,25°C =1462K=1189°C T +100%,200°C =1600K=1327°C T +100%,375°C =1742K=1469°C 40

41 EQUILIBRIO HP – BioM Combustione di BioM in aria. (vedi composizione e LHV in Tabella 1) Calcolare la temperatura adiabatica di fiamma partendo da condizioni ambiente (298.15K e 1atm). 41

42 EQUILIBRIO HP – BioM Occorre calcolare l’entalpia di miscela alle condizioni di partenza. Poiché è noto il LHV, basta calcolare l’entalpia dei prodotti e sottrarla all’entalpia di reazione Calcolo dell’equilibrio TP a K e 1bar: *CO H2O *N *O H2O(L) Calcolo dell’entalpia di miscela dei prodotti, con H2O tutta gassosa(avendo a disposizione l’LHV): Hp, KJ/KG Si noti poi che l’LHV è definita “per kg di combustibile”, quindi l’entalpia di reazione va riferita al totale dei reagenti (biom.+aria) ΔH R =-LHV*M biom /M reag  Hr,GJ/KG= Hp-ΔH R = (-16400)*99/724 =-1024 Hr/R, (mol*K/g)=

43 EQUILIBRIO HP – BioM File “BioMhp.inp” problem hp p,atm=1, h/r=-123 react name=C wt=45.2 t,k= name=H wt=5.4 t,k= name=O wt=39 t,k= name=H2O wt=9.4 t,k= name=O2 wt=125 t,k= name=N2 wt=500 t,k= output short end T, K

44 EQUILIBRIO HP OSSERVAZIONI L’equilibrio HP permette di calcolare la Tad L’inerte abbassa la Tad Un preriscaldamento dei reagenti aumenta la Tad 44

45 EQUILIBRIO UV Calcola la composizione all’equilibrio, con combustione adiabatica e isovolumica, minimizzando l’energia libera di Gibbs. 45

46 EQUILIBRIO UV – Ottano Combustione di C 8 H 18 (n-ottano) in aria. C 8 H O *3.76N 2 =8CO 2 + 9H 2 O + 47N 2 Calcolare la temperatura adiabatica e la pressione partendo da una miscela preriscaldata (300°C e 1bar). 46

47 EQUILIBRIO UV – Ottano Occorre calcolare la densità di miscela alle condizioni di partenza. THERMODYNAMIC PROPERTIES P, BAR T, K RHO, KG/CU M

48 EQUILIBRIO UV – Ottano File “Ottano.inp” problem uv rho,kg/m**3= react name=C8H18,n-octane moles=1 t,c=300 name=O2 moles=12.5 t,c=300 name=N2 moles=47 t,c=300 output short end P, BAR 5.1 T, K

49 EQUILIBRIO UV OSSERVAZIONI L’equilibrio UV permette di calcolare la Tad e la pressione alla fine della combustione 49


Scaricare ppt "COMBUSTIONE CALCOLO PROPRIETA’ TERMODINAMICHE ED EQUILIBRI CON SOFTWARE CEA (NASA) Rev. 1 Ing. D. Dalle Nogare – Ing. M. Sudiro - Prof. P. Canu 1."

Presentazioni simili


Annunci Google