Was verstehen Sie unter dem Begriff Dissoziation und wann tritt diese auf?
Bei hohen Temperaturen sind die Komponenten eines Verbrennungsgases nicht mehr stabil. —> Zerfallen
endothermer Prozess
Was bedeutet das Auftreten von Dissoziation für die adiabate Verbrennungstemperatur? Begründen Sie Ihre Antwort.
Dissoziation = endotherm
Die Energie, die aufgewendet wird, um die Moleküle zu dissoziieren, senkt die adiabate Verbrennungstemperatur
Bei erhöhtem Druck steigt die adiabate Verbrennungstemperatur, da weniger Dissoziationsprodukte
Dissoziation —> senkt den Druck —> Verringerung der adiabaten Verbrennungstemperatur
Von welchen Faktoren hängt die Tropfenverdampfungszeit ab?
Tropfendurchmesser
Zerstäubungsdurck
Düsendurchmesser
Tropfenabstand
Tropfendurchmesser sinkt mit hohem Zerstäubungsdruck und kleinem Düsendurchmesser
Eine Gasflamme leuchtet blau. Um welche Art von Flamme handelt es sich wahrscheinlich (Mischungsverhalten)?
→ Es handelt sich um eine Vormischflamme
Kennzeichnen Sie die beiden charakteristischen Betriebspunkte sowie die minimale Zündtemperatur im folgenden Diagramm und benennen Sie diese.
Gehen Sie davon aus, dass sowohl 𝑄𝑅 als auch 𝛼 und 𝐴 in 𝑄𝐾 konstant sind!
Welchen Einfluss hat Dissoziation auf die adiabate Verbrennungstemepratur? Begründen Sie Ihre Antwort.
Die adiabate Verbrennungstemperatur sinkt, da Energie aufgewendet wird, um die Moleküle zu dissoziieren.
Welchen Einfluss hat eine Erhöhung der Luftzahl über 𝜆 = 1 auf den verbrennungstechnischen Wirkungsgrad? Begründen Sie Ihre Antwort.
Mit steigender Luftzahl sinkt der verbrennungstechnische Wirkungsgrad.
In technischen Verbrennungseinrichtungen ist in der Regel 𝜆 > 1, um einen vollständigen Ausbrand der Produkte zu sichern.
𝜆 > 1:
nicht alle Sauerstoffmoleküle effektiv für die Verbrennung genutzt werden —> Teil der zugeführten Luft nicht aktiv zur Energieerzeugung beiträgt.
Verlusten durch Wärme und Abgase führen, da nicht verbrannte Bestandteile aus dem Gemisch entfernt werden müssen.
zugeführten Energie für die Erwärmung der überschüssigen Luft verwendet wird.
erhöhten Bildung von Stickoxiden (NOx)
Welchen Einfluss hat ein Katalysator auf die Aktivierungsenergie und auf die Lage des chemischen Gleichgewichts?
Katalysator führt zu
einem Absinken der Aktivierungsenergie —> steigende Reaktionsgeschwindigkeit
Die Lage des chemische Gleichgewichts wird durch einen Katalysator nicht beeinflusst
Wenn der Druck sinkt, verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der Bildung von mehr Gasen, also in Richtung der Edukte (Stickstoff und Wasserstoff). Dies geschieht, um den Druck zu erhöhen und somit das Gleichgewicht wiederherzustellen. Daher würde eine Verringerung des Drucks die Umkehrung der Reaktion begünstigen, wodurch weniger Ammoniak gebildet wird.
Auf welche Seite einer chemischen Gleichung verschiebt sich das Gleichgewicht für exotherme und endotherme Reaktionen bei steigender Temperatur? Begründen Sie Ihre Antwort.
Für endotherme Reaktionen verschiebt sich mit zunehmender Temperatur das Gleichgewicht nach rechts (exotherm umgekehrt)
Exotherm:
—> Wärmefreisetzung —> Reaktionstemperatur erhöht sich auf Produktseite
Endotherm:
—> Wärme aus der Umgebung wird aufgenommen —> Erhöhung der Reaktionstemperatur auf der Eduktseite
Warum ist die Rezirkulation von Abgasen ein Mittel zu Minderung der Bildung von thermischem 𝑁𝑂?
Absenken der Verbrennungstemperatur (kühlende Wirkung)
Erhöhung des Stickstoffanteils
—> weniger Sauerstoff vorhanden
Zusätzlicher Stickstoff kann die NOx-Bildung verlangsamen
- Tiefe Verbrennungstemperatur
- verminderter Sauerstoffpartialdruck
Wodurch wird die Bildung von Thermischen NO begünstigt?
Hohe Verbrennungstemperatur
Lange Verweilzeiten bei hohen Temperaturen
Sauerstoffüberschuss
hohe N2-Konzentrationen
Wodurch wird die CO-Oxidation begünstigt?
hohe Temperaturen
große Verweilzeiten
Hoher Kohlenstoffgehalt im Brennstoff
Gute Durchmischung von BS und Sauerstoff
Skizzieren Sie qualitativ die Emission von CO und NOx in Abhängigkeit von der Temperatur (CO linke Achse, NOx rechte Achse).
Markieren Sie den optimalen Betriebspunkt, um möglichst geringe Gesamtemissionen zu erhalten.
Nennen Sie die drei Schritte zur Verbrennung flüssiger Brennstoffe. Welcher Schritt ist in der Regel der schnellste?
Verdampfung des Brennstoffes
Mischung des Brennstoffes mit Luft
Verbrennung
Oft ist die Verdampfungszeit der langsamste Vorgang (bestimmt Ausbrandzeiten)
Warum werden in technischen Anwendungen flüssige Brennstoffe zerstäubt?
Nennen Sie 3 verschiedene Arten von Zerstäubern.
größere Oberfläche für Verdampfung
Bessere Mischung mit Luft
Homogene Verbrennung
Schnellere Reaktionsgeschwindigkeit
Zerstäuber:
Druckzerstäuber
Druckdrallzerstäuber
Dampf/-Luftunterstützte Zerstäuber
Rotationszerstäuber
Welcher Flammentyp (Vormisch- oder Diffusionsflamme) wird zur Erwärmung von Brenngütern (z.B. Glas, Klinker, etc.) eingesetzt? Begründen Sie Ihre Antwort.
Diffusionsflamme
gleichmäßige Erwärmung
Längere Kontaktzeit —> effiziente Wärmeübertragung, Stabile Flammen
Skizzieren Sie die Länge von Freistrahlflammen über den Brennstoffvolumenstrom.
Kennzeichnen Sie dabei den Übergangsbereich von laminaren zu turbulenten Flammengeschwindigkeiten.
Wodurch kann die Flammenlänge bei turbulenten Freistrahlflammen (einfache kreisförmige Düse) erhöht werden?
Eine erhöhte Menge an zugeführtem Brennstoff kann zu einer intensiveren Verbrennung führen, was wiederum die Flammenlänge erhöhen kann.
Optimierte Brennstoff-Luft-Verhältnisse
Erhöhter Sauerstoffgehalt in der Umgebungsluft
Düsengeometrie anpassen
Was verstehen Sie unter dem Begriff „Zündverzugszeit“ und wodurch wird sie ausgelöst?
Zündverzugszeit ist die Zeit zwischen Zündbedingungen sind erfüllt, d.h. Gemisch innerhalb der Zündgrenzen und Zündtemperatur erreicht und Einsetzen der Wärmefreisetzung
Erst muss Radikalpool aufgebaut werden (in der Zündverzugszeit) dann erfolgt Zündung
Definieren Sie den Begriff„Flammpunkt“.
Der Flammpunkt ist die niedrigste Temperatur bei 1013 mbar, bei der sich aus einer Flüssigkeit Dämpfe in solchen Mengen entwickeln, so dass sie mit der über der Flüssigkeit stehenden Luft ein durch Fremdzündung entflammbares Gemisch bilden.
Welche 𝑁𝑂 -Bildungsmechanismen sind Ihnen bekannt?
Thermisches NO
promptes NO
N2O Mechanismus
Brennstoff-NO
Erklären Sie die Wirkungsweise der gestuften Verbrennung.
Wodurch wird die CO-Oxidation begünstigt? Warum steigen die CO-Emissionen im Bereich der stöchiometrischen Verbrennung leicht an?
CO-Oxidation zu CO2 benötigt OH-Radikale
große Verweilzeiten begünstigen CO-Oxidation
CO entsteht zunächst schnell, Oxidation zu CO2 erst weiter stromab
Was wird unter einer „mageren Verbrennung“ verstanden?
magere (überstöchiometrische) Verbrennung
weniger Brennstoff im Verhältnis zur verfügbaren Luft oder Sauerstoff
Nennen Sie die drei zeitlich nacheinander ablaufenden Verbrennungsschritte für Kohle nach dem vereinfachten Kohleabbrandmodell. Welcher Verbrennungsschritt ist der langsamste?
Der Koksabbrand ist der langsamste Schritt
Warum sind laminare Flammen für viele technische Prozesse nicht geeignet?
laminaren Flammengeschwindigkeiten: 0,5 m/s
Die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in der Flammenfront ist schnell! (< 1ms)
Mit Flammengeschwindigkeiten von 0,5 m/s lassen sich keine technische Brenner z.B. Motoren betreiben -> Ausbrand könnten nicht erzielt werden, dazu Aufenthaltszeiten der Gase im Zylinder viel zu kurz
Die für technische Prozesse notwendigen hohen Flammengeschwindigkeiten (10 bis 30 m/s) werden durch Turbulenz erzielt
Erläutern Sie wieso es in begrenzten Feuerräumen automatisch zu einer Rückströmung kommt.
Ordnen Sie die Brenngase n-𝐶8𝐻18, 𝐶𝐻4, n-𝐶5𝐻12 und 𝐶3𝐻8 aufsteigend nach ihrer Zündtemperatur (1 bar, stöchiometrische Mischung) und begründen sie einen möglichen Zusammenhang.
Nennen Sie typische Heizwerte von
Steinkohle
Braunkohle
Heizöl
Erdgas
(Größenordnung +/- 10 %)
Erdgase: Hu > 40 MJ/kg (ca. 30 MJ/m3)
Steinkohle: 29 MJ/kg
Braunkohle: 15 MJ/kg
Heizöl: 42 MJ/kg
Erläutern Sie den Unterschied zwischen Brennwert und Heizwert. Welche Formelbeziehung ergibt sich zwischen den beiden Größen?
Der Heizwert Hu und der Brennwert Ho (oberer Heizwert) sind die Reaktionsenthalpien, die bei Verbrennung unter konstantem Druck von einem System in Form von Wärme pro m3 Brennstoff abgegeben werden.
Reaktionsenthalpien sind für exotherme Reaktionen negativ
Heizwertbestimmung Hu (unterer Heizwert)
das durch die Verbrennung entstehende Wasser liegt gasförmig vor.
Brennwertbestimmung Ho (oberer Heizwert)
das durch die Verbrennung entstehende Wasser liegt als flüssige Phase vor.
Wie ist die Luftzahl 𝜆 definiert und wie heißen die jeweiligen Verbrennungszustände in denen 𝜆 entweder größer, kleiner oder gleich 1 ist? Was bedeutet dies jeweils für die Brennstoffumsetzung?
Ab welchen Temperaturen tritt Dissoziation typischerweise auf?
Bei hohen Temperaturen (> 1500 °C) sind die üblichen Komponenten eines Verbrennungsgases nicht mehr stabil —> Dissoziation
Nennen Sie als Beispiel die Reaktionsgleichung des homogenen Wassergasgleichgewichts.
Boudardreaktion
heterogene Wassergasreaktion
Stellen Sie den Verlauf der Zündverzugszeit in Abhängigkeit der Temperatur qualitativ in einem Diagramm für unterschiedliche Drücke dar.
Zündgrenzen: Abhängigkeit von Druck und Temperatur (schematisch)
Warum findet in der Nähe großer Massen keine Zündung statt? Was bedeutet dies für die Lage der Flamme und wie bzw. wofür macht man sich dieses Phänomen zu Nutze?
Der Löschabstand von CxHy-Brennstoffen Kraftstoffen liegt im Bereich von mm. Er sinkt mit steigender Temperatur und steigendem Druck.
Von welchen Faktoren hängen die oberen und unteren Zündgrenzen von Brennstoff- Oxidator Gemischen ab?
Druck, Temperatur
Die Zündgrenzen werden „weiter“ mit steigendem Druck und steigender Temperatur.
Welcher Wärmeübertragungsmechanismus spielt bei der Tropfenverdampfung eine entscheidende Rolle?
Konvektion
Konvektion bezieht sich auf den Transport von Wärmeenergie durch den Austausch von Materie, in diesem Fall durch den Transport von Wärme durch den Gas- oder Flüssigkeitsfilm um den verdampfenden Tropfen herum.
Weshalb sind Schwefeloxide aus umwelttechnischer Sicht in den Rauchgasen zu vermeiden?
schwefelhaltige Brennstoffe: S oxidiert zu SO2
verbrennungstechnische Maßnahmen kaum wirksam
Kalksteinzugabe zur Bindung von SO2->Gips
Über die Messung welcher zweier Komponenten kann die messtechnische Ermittlung der Luftzahl aus der trockenen Abgasmenge erfolgen?
—> CO2 Menge im Abgas, Mindestsauerstoffbedarf
Meßtechnische Ermittlung der Luftzahl:
Basierend auf der CO2-Menge im Abgas:
Messprinzip IR-Absorption
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