احتراق در ترمودینامیک چیست؟

مراحل احتراق یک ماده سوختنی همیشه یکسان نیست سوخت‌های مختلف با مشخصات مکانیکی بر چگونگی احتراق اثر می‌گذارد اما احتراق یک ماده سوختی معمولاً به این گونه اثر می‌گذارد که از نقطه اشتعال آغاز می‌شود و بعد از آنکه مقدار سوخت کاهش پیدا می‌کند میزان دمای شعله کاهش پیدا می‌کند مراحل احتراق به این گونه است که در مرحله اول احتراق اولیه صورت می‌گیرد و یک آتشی شکل می‌گیرد در مرحله دوم آتش رشد می‌کند و ممکن است تا چند ساعت شعله بسوزد و تولید دود بنماید.

در مرحله سوم احتراق در ترمودینامیک پیشروی شعله می‌باشد که آتش به سایر قسمت‌های مواد سوختی انتقال می‌یابد و درجه حرارت شعله افزایش می‌یابد اوج احتراق در مرحله چهارم می‌باشد که به حداکثر مقدار خود می‌رسد و تمامی مواد سوختنی به راحتی در حال سوختن می‌باشند در مرحله پنجم عقب نشینی مواد سوختی باعث کاهش سوخت مواد سوختنی و کاهش حجم آتش می‌گردد و در مرحله ششم باعث نیمه سوختن و دود کردن ماده‌های سوختنی می‌شود که احتراق در حال از بین رفتن است و در مرحله آخر احتراق کاملاً خاموش می‌شود.

در این مقاله همچنین شما علاوه بر آموزش و یادگیری مطالب مرتبط با احتراق می توانید احتراق سوخت مایع در انسیس فلوئنت و احتراق سوخت گاز به روش chemkin در انسیس فلوئنترا مشاهده نمائید و همچنین می توانید جهت مطالعه بیشتر مقالات مرتبط به سایت Science direct مراجعه نمائید.

انواع احتراق و سوختن:

سوختن به سه قسمت تقسیم می‌گردد سوختن آرام در ظرف بسته‌ای سوخت و اکسیژن در حالت گازی آرام آرام گرم می‌شود و احتراق صورت می‌گیرد و در مورد دوم سوختن سرعت متوسط با گذشتن دما و آزاد شدن انرژی احتراق می‌گردد و در مورد سوم سوختن با سرعت تند می‌باشد زمانی که در کسری از ثانیه با رسیدن جرقه به قسمتی از مخلوط سوخت که به صورت گازی می‌باشد و سوخت واکسیژن به یکباره شعله ور شده و می‌سوزد

بررسی هوای اضافی احتراق:

در صورتی که بخواهیم احتراق در ترمودینامیک کامل انجام شود باید هوای موجود بیشتر از میزان هوای مورد لازم برای احتراق باشد برای سوخت‌های جامد مقدار هوای اضافی ۴۰ تا ۵۰ درصد و برای سوخت‌های مایع ۸ تا ۱۵ درصد و برای سوخت‌های گازی تا ۵ درصد باید باشد زمانی احتراق صورت می‌گیرد که سوخت به خوبی با اکسیژن مخلوط گردد گازها به خوبی با هوا مخلوط می‌شوند و به همین علت مواد مخلوط می‌تواند منفجر شود مایعات به آسانی گازها شعله‌ور نمی‌شوند زیرا هوا به راحتی بین ذرات آن نفوذ نمی‌پذیرد و احتراق در اجسام جامد سوختنی فقط در حالتی امکان می‌پذیرد که مواد سوختی جامد به قطعات ریز در میان جریان هوا در بیاید.

انواع احتراق از دیدگاه سوختن:

احتراق در ترمودینامیک یکی از دسته‌های اصلی واکنش‌های شیمیایی می‌باشد  بین هر ماده قابل احتراق و یک اکسید کننده می‌باشد که منجر به تولید محصول اکسید می‌گردد این واکنش‌ها معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که یک هیدروکربن با اکسیژن واکنش دهد و دی اکسید کربن و آب تولید کند احتراق کامل احتراقی است که ماده سوختنی زمانی که با اکسیژن واکنش می‌دهد و شعله و احتراق تولید می‌کند.

تنها محصول فرایندها دی اکسید کربن و آب باشد اما احتراق ناقص به احتراقی می‌گویند که ماده سوختنی هیدروکربنی زبانی که با اکسیژن واکنش و تولید احتراق می‌نماید در فرآورده‌ها علاوه بر دی اکسید کربن و آب مونوکسید کربن نیز و یا دوده تولید کند مثالی که از احتراق ناقص می‌توان زد احتراق مازوت می‌باشد که از دودکش‌های نیروگاه‌های حرارتی زمانی که در فصل زمستان می‌باشند دودهای غلیظی خارج می‌گردد که نشان دهنده احتراق ناقص و عدم هوا رسانی مناسب به سوخت مایع می‌باشد.

بیان قانون بقای انرژی:

بر اساس قانون بقای انرژی انرژی نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود بلکه از حالتی به حالت دیگر تبدیل می‌شود در احتراق سوخت به انرژی حرارتی تبدیل می‌گردد سوخت شیمیایی موادی هستند که در اثر واکنش با سایر مواد انرژی را آزاد می‌کنند و سوخت‌های شیمیایی بر سه نوع مایع گاز و جامد می‌باشد.

انواع سوخت:

سوخت طبیعی به سوخت‌های فسیلی گفته می‌شود که معمولاً جیره‌های هیدروکربنی دارند و تجدید ناپذیر هستند و سوخت‌های مصنوعی مثل سوخت‌های بیودیزل ایر سوخت‌هایی که تجدید پذیر می‌باشند استفاده می‌گردد

انواع سوخت جامد طبیعی می‌توان به چوب و زغال سنگ و کوک و زباله اشاره نمود  انواع سوخت‌های مصنوعی می‌توان به زغال چوب اشاره کرد وخت‌های جامد مزایایی که دارند این است که هزینه تولید پایین دارند ذخیره سازی و انتقال آسان دارند و دمای احتراق متوسط دارند و معایبی که دارند آن است که تولید آلایندگی بالایی دارند نیاز به فضای کوره زیادی دارند اتلاف حرارت بالایی دارند

سوخت مایع مانند نفت سفید و بنزین و دیزل و مازوت و الکل و غیره می‌باشد از مزایای سوخت مایع می‌توان به ارزش حرارتی بالا تولید آلایندگی کمتر احتراق آسان‌تر ذخیره و حمل و نقل آسان‌تر و ایمنی اشاره کرد و معایب سوخت مایع قیمت بالاتر ذخیره سازی بالا خطر آتش سوزی و نیاز به تجهیزات احتراقی مخصوص می‌باشد

سوخت گازی می‌توان به سوخت گاز طبیعی گاز زغال سنگ و بیوگاز اشاره نمود مزایای سوخت گاز احتراق بسیار بسیار آسان و دارای ارزش حرارتی بالا و احتراق و آلایندگی بسیار پایینی را دارد و معایب سوخت گازی نیاز به مخازن ذخیره سازی بزرگ و خطر آتش سوزی بسیار بالا و نیاز به اقدامات ایمنی بسیار سختگیرانه دارد

سوختی می‌توان به عنوان سوخت ایده‌آل در نظر گرفت که در صدر همه آنها در دسترس باشد و در مورد بعدی قیمت مناسب داشته باشد و ارزش اقتصادی مناسبی داشته باشد سوختن راحتی داشته باشد و به راحتی واکنش پذیر باشد و ارزش حرارتی بالا داشته باشد و در عین حال آلایندگی کمی تولید کند و برای محیط زیست ضرر کمتری داشته باشد.

انواع معادلات احتراق در ترمودینامیک :

در شبیه سازی احتراق زمانی که انتقال جرم داشته باشیم می‌توان با ماژول specials model و جهت شبیه سازی احتراق پیش آمیخته premixed و احتراق غیر پیش آمیخته non premixed و احتراق پیش آمیخته جزئی partially premixed استفاده می‌نماییم

احتراق پیش آمیخته مدلی از احتراقی است که سوخت و اکسید کننده قبل از اینکه به احتراق برسند با یکدیگر مخلوط می‌شوند

احتراق غیر پیش آمیخته به احتراقی می‌گویند که سوخت و اکسید کننده از مسیرهای جریان جداگانه وارد منطقه واکنش می‌شوند به این ترتیب که قبل از ورود به محفظه احتراق با یکدیگر مخلوط نمی‌شوند مانند موتورهای احتراق دیزل و کوره‌های زغال مایع

احتراق پیشامیخته جزئی به احترام گفته می‌شود که سوخت با مخلوط‌های اکسید کننده به صورت جزئی و غیر جزئی مخلوط می‌شود به این گونه می‌باشد که سوخت با هوای احتراق قسمتی مخلوط می‌شود و بقیه هوای احتراق جهت کنترل شکل هندسی احتراق در کنار شعله قرار می‌گیرند.

بررسی شکل هندسی شعله و احتراق درون کوره:

احتراق در کوره‌های بویلر باید به گونه‌ای باشد که طول شعله مشعل حدود سه چهارم طول کوره باشد هوای موجود برای احتراق تماماً برای احتراق استفاده نمی‌شود زیرا که ۲۱ درصد از هوا را اکسیژن تشکیل داده و مابقی نیتروژن می‌باشد نیتروژن گاز بی‌اثر می‌باشد که در احتراق اثری ندارد و در پایان باقی می‌ماند و از دودکش خارج می‌شود.

از آنجایی که با تولید گاز مونوکسید کربن مولکول‌های دود را دو برابر می‌کنیم باعث افت فشار بیشتر در بویلر می‌شود و باعث محدود شدن تخلیه دود می‌گردد چون سرعت دود خروجی از دودکش کاهش می‌یابد هوای کمتری وارد کوره می‌گردد که باعث افزایش مونوکسید کربن می‌گردد لذا تعادلی بین افت فشار ناشی از تولید مونوکسید کربن و دبی هوا و سوخت را باید داشته باشیم به همین علت است هنگامی که از سوخت مازود استفاده می‌نماییم فشار کوره افزایش می‌یابد و میزان دبی هوای احتراق نیز باید افزایش یابد.

بررسی انواع رفتارهای ترمودینامیکی:

در فرایند احتراق دو نوع رفتار ترمودینامیکی وجود دارد رفتار اول رفتار سینمایک می‌باشد که واکنش دهنده‌ها با یکدیگر واکنش داده و احتراق را تشکیل می‌دهند فتار دوم رفتار تعادلی می‌باشد که انتهای احتراق زمانی که فرآورده‌ها در حالت تعادل می‌باشند

اصول ترمودینامیک به این گونه می‌باشد که قانون صفرم بیان می‌کند زمانی که دو جسم در حالت تبادل حرارت می‌باشند زمانی که به حالت پایا برسد دمای آن دو برابر می‌باشد

قانون اول ترمودینامیک بیان می‌دهد تغییرات انرژی یک سیستم برابر است با انرژی حرارتی که دریافت می‌کند و کاری که روی آن انجام می‌گیرد

قانون دوم ترمودینامیکی بیان می‌کند همواره بی‌نظمی و یا آنتروپی یک سیستم در مسیری پیش می‌رود که آنتروپیان افزایش یابد

قانون سوم ترمودینامیک بیان می‌کند که اگر انرژی سیستمی به حداقل مقدار خود برسد نتروپی صفر می‌گردد.