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Die Berechnung der Stoffströme und der Flammentemperatur ist eine Standardaufgabe der Verbrennungstechnik. Für bekannte Stoffe lassen sich mit den Methoden der chemischen Thermodynamik sowohl das thermodynamische Gleichgewicht, also die Zusammensetzung der Produkte, als auch die adiabate Flammentemperatur mit hoher Genauigkeit berechnen. Diese Rechenmethode basiert auf der thermodynamischen Regel, dass das Gleichgewicht durch die maximale Entropie und die minimale Gibbs'sche freie Enthalpie der Produkte gekennzeichnet ist.
In der klassischen, technischen Thermodynamik wird häufig angenommen, dass sich der Brennstoff und der Oxidator bei Luftüberschuss vollständig in die Produkte umwandeln und am Ende des Verbrennungsvogangs keine Zwischenprodukte oder Radikale mehr vorliegen. Dies ist für nicht zu hohe Temperaturen (T<2000K) eine akzeptable Voraussetzung. Unter dieser Annahme lassen sich sowohl die Stoffströme als auch die adiabate Flammentemperatur mit wesentlich einfacheren Prozeduren berechnen und es können auch technische Brennstoffe erfasst werden, , die aus einer Vielzahl verschiedener Stoffe zusammengesetzt sind, deren Massenanteil im Brennstoff häufig nicht bekannt sind.
Das Ziel dieser Seiten ist, die zur Verbrennungsrechnung nötigen Rechenprozeduren in Form autarker HTML-Files zur Verfügung zu stellen. Nachfolgend werden 4 unterschiedliche Methoden präsentiert. Jede Option ruft ein HTML-File auf, das den jeweiligen Rechengang in JavaScript programmiert enthält. Jedes der 4 Files lässt sich lokal sichern und autark auf jedem Rechner mit HTML-Browser betreiben. Die Berechnung wird durch den JavaScript-fähigen Browser ausgeführt.
Diese Seiten sollen dazu dienen, den Lehrstoff der Thermodynamik II, Teil 1 zu ergänzen und die Hörer dazu in die Lage zu versetzen, einfache Verbrennungsrechnungen schnell, effizient und ohne die Erstellung eigener Tabellenkalkulationen durchzuführen.
Bitte beachten Sie, dass sich zwischen echter und berechneter Flammentemperatur über 2000K zunehmende Abweichungen ergeben, da bei hohen Temperaturen Spezies auftreten, die Energie aufnehmen und in der Rechnung nicht berücksichtigt werden. Diese Vorgänge sind druckabhängig. Im Bereich über 2000K werden von allen 4 unten beschriebenen Rechenverfahren korrigierte Werte ausgegeben. Die Korrekturfunktion wurde durch Vergleiche mit der (richtigen) Temperatur beim thermodynamischen Gleichgewicht bei 0.1 MPa abgeleitet. Während alle berechneten Flammentemperaturen unter 2000K unabhängig vom Druck gelten, gelten die ausgegebenen, korrigierten Temperaturen über 2000K also nur für den Bereich um 0.1MPa. Bei Drücken von einem Vielfachen von 0.1MPa sind die notwendigen Korrekturen geringer, die Temperaturen also höher. Näherungswerte lassen sich aus folgenden beiden Zahlenwertgleichungen ermitteln, wenn die Temperaturkorrektur bei 0.1 MPa bekannt ist:
Die Temperaturkorrektur für 0.1MPa wird nach der Rechnung bei allen 4 Varianten (s.u.) in gleicher Form ausgegeben. Man erhält die Temperatur für andere Drücke, wenn man die oben berechnete Korrektur von der Korrektur für 0.1 MPa subtrahiert, und den Betrag zur von den Rechenmethoden für 0.1MPa berechneten, korrigierten Temperatur addiert.
Die Wahl des effizientesten Berechnungsverfahrens hängt vor allem von der Art des Brennstoffs ab.
Ist die stoffliche Zusammensetzung des Brennstoffs bekannt, geht man zweckmäßigerweise von der Atombilanz aus.
Die Berechnung der Flammentemperatur ist möglich, wenn die Bildungsenthalpien und die spezifische Wärmekapazitäten des Brennstoffs sowie der Komponenten des Oxidators und der Produkte bekannt sind.
Die erste Methode gestattet die flexible Spezifikation des Brennstoffes in der Form:CxHySzObNd Die Berechnung erfolgt für einen reinen Stoff, Gemische können nicht berechnet werden.
Die zweite Methode geht von bekannten Komponenten aus und gestattet die freie Spezifikation von Gasmischungen aus diesen Komponenten. Es werden die meisten üblichen Brenngasarten als Option angeboten.
Die Zusammensetzung der in der Technik eingesetzten Brennstoffe ist häufig nur näherungsweise bekannt. Besonders flüssige und feste Brennstoffe sind häufig ein Gemisch aus vielen unterschiedlichen Stoffen, die durch eine Atombilanz nicht erfasst werden können. Ein Ausweg aus diesem Dilemma ist die Berechnung auf der Basis der Massenbilanz.
Für technische Brennstoffe komplizierter Zusammensetzung ist sowohl die Bildungsenthalpie als auch die spezifische Wärmekapazität nur näherungsweise bekannt. Um dieses Problem zu umgehen, wird in der Energiebilanz der untere Heizwert verwendet, wenn die Produkte gasförmig sind, d.h. das Wasser im Abgas nicht kondensiert wird. Da der Brennstoffstrom im überstöchiometrischen Bereich üblicherweise wesentlich kleiner als der Massenstrom des Oxidators ist und im allgemeinen mit einer niedrigen Temperatur zugeführt wird, bleibt der Fehler auch dann sehr klein, wenn grobe Näherungswerte für die spezifische Wärmekapazität verwendet werden.
Die dritte Methode gestattet die freie Spezifikation des Brennstoffs. Es müssen die Massenanteile Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Wasser und Asche angegeben werden.Die vierte Methode kann für technische Brennstoffe eingesetzt werden. Typische Massenanteile und Heizwerte sind bereits vordefiniert, um die Anwendung zu erleichtern.