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

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1 COMBUSTIONE CALCOLO PROPRIETA TERMODINAMICHE ED EQUILIBRI CON SOFTWARE CEA (NASA) 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 lentalpia (ma non solo!) del CH 4 a 500,600,700°C e 1atm. 3

4 PROPRIETA DEL PURO File PuroCH4.inp problem tp t,c=500,600,700, p,atm=1, react name=CH4 only CH4 output short end 4

5 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

6 PROPRIETA DEL PURO E possibile verificare gli stati di riferimento dellentalpia di formazione. Ad esempio, si voglia verificare che lentalpia del O 2 a K e 1atm è nulla e cresce allaumentare della T, mentre non dipende dalla p. 6

7 PROPRIETA DEL PURO File PuroO2A.inp/ PuroO2B.inp / PuroO2C.inp problem tp t,k=298.15, p,atm=1,/ t,k=300, p,atm=1,/ t,k=298.15, p,atm=10, react name=O2 only O2 output short end 7

8 PROPRIETA DEL PURO File PuroO2A.out/ PuroO2B.out / PuroO2C.out THERMODYNAMIC PROPERTIES P, BAR / / T, K / / H, KJ/KG / /

9 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). Lentalpia di formazione è nulla per gli elementi, nella forma in cui si trovano in natura alle condizioni di riferimento, i.e. a T=298.15K e p=1atm. Varia con la T ma non dipende dalla p. 9

10 PROPRIETA DI MISCELA E possibile anche calcolare le proprietà termodinamiche di una miscela. Ad esempio, si voglia conoscere lentalpia di una miscela stechiometrica di CO/O 2 nello stato di riferimento. Verificare la differenza tra lentalpia del CO puro e in miscela. 10

11 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 11

12 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):

13 PROPRIETA DI MISCELA OSSERVAZIONI Il programma calcola le proprietà applicando le regole di miscela. Le proprietà sono date su base massiva. 13

14 EQUILIBRIO TP Calcola la composizione allequilibrio, ad una certa temperatura e pressione, minimizzando lenergia 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 14

15 EQUILIBRIO TP - WGS Calcolo dellequilibrio 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. 15

16 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 16

17 EQUILIBRIO TP - WGS File WGS.out MOLE FRACTIONS CH *CO *CO *H H2O C(gr) Lequilibrio 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. 17

18 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 18

19 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

20 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. 20

21 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 21

22 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 22

23 EQUILIBRIO TP - CO 23 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. Lesempio eclatante è lN 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:

24 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 24

25 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. 25

26 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 26

27 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 LNO è minore per miscele ricche

28 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 ). 28

29 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 29

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

31 EQUILIBRIO TP OSSERVAZIONI E possibile conoscere i prodotti di equilibrio di un sistema reagente, data la composizione iniziale. Per calcolare lequilibrio 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 31

32 EQUILIBRIO HP Calcola la composizione allequilibrio, con combustione adiabatica e isobarica, minimizzando lenergia libera di Gibbs. 32

33 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 daria del 100% e nel caso in cui i reagenti vengano alimentati a 200°C e 375°C. 33

34 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) 34 Nota: non occorre specificare lHin, perché il programma se la calcola avendo specificato la Tin dei reagenti

35 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 35

36 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). 36

37 EQUILIBRIO HP – BioM Occorre calcolare lentalpia di miscela alle condizioni di partenza. Poiché è noto il LHV, basta calcolare lentalpia dei prodotti e sottrarla allentalpia di reazione Calcolo dellequilibrio TP a K e 1bar: *CO H2O *N *O H2O(L) Calcolo dellentalpia di miscela dei prodotti, con H2O tutta gassosa(avendo a disposizione lLHV): Hp, KJ/KG Si noti poi che lLHV è definita per kg di combustibile, quindi lentalpia 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)=

38 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

39 EQUILIBRIO HP OSSERVAZIONI Lequilibrio HP permette di calcolare la Tad Linerte abbassa la Tad Un preriscaldamento dei reagenti aumenta la Tad 39

40 EQUILIBRIO UV Calcola la composizione allequilibrio, con combustione adiabatica e isovolumica, minimizzando lenergia libera di Gibbs. 40

41 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). 41

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

43 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

44 EQUILIBRIO UV OSSERVAZIONI Lequilibrio UV permette di calcolare la Tad e la pressione alla fine della combustione 44


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