Bauteil 134: Gibbs-Reaktor (Gleichgewichtsberechnung)

Vorgaben

Leitungsanschlüsse
1	Eintritt
2	Austritt
3	Eintritt Reaktant 1
4	Eintritt Reaktant 2
5	Eintritt Reaktant 3
6	Logikeingang (H verwendet als TREACT oder QREACT)
7	Logikausgang (Q verwendet als QALL)

Allgemeines Vorgaben Verwendete Physik Bauteilform Beispiel

Allgemeines

Von Benutzereingaben für den Reaktionsdruck und wahlweise Reaktionstemperatur oder Reaktionswärme erzeugt der Gibbs-Reaktor die Gleichgewichtszusammensetzung für alle chemischen Reaktionen zwischen den Komponenten der eintretenden Ströme durch Minimierung der Gibbs-Energie (freien Enthalpie) der Reaktionsprodukte. Die Komponente basiert auf der NASA-Software „Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications“(CEA2) von Gordon und McBride (1994) und berücksichtigt ungefähr 2300 chemische Verbindungen. Zu den Anwendungen dieses Moduls gehören die Modellierung der Hochtemperatur-Verbrennung oder Vergasungsreaktionen.

Zur Berechnung der Reaktionswärme werden die Heizwerte von den angeschlossenen Leitungen herangezogen, auch wenn diese Leitungen die Reaktionsbestandteile nicht kennen. Die Heizwerte müssen so vorgegeben werden, dass die richtige Reaktionswärme herauskommt. Dazu kann die manuelle Vorgabe der Heizwerte genutzt werden.

Vorgabewerte

CALCMODE	Berechnungsmethode Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Vorgabe von Druck und Temperatur =1: Vorgabe von Druck und Reaktionswärme
FTEMP	Vorgabe der Reaktionstemperatur Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Vorgabewert TREACT verwenden =1: Enthalpie der Logikleitung (6) verwenden
TREACT	Gewünschte Reaktionstemperatur
FQREACT	Vorgabe der Reaktionswärme Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Vorgabewert QREACT verwenden =1: Enthalpie der Logikleitung (6) verwenden
QREACT	Gewünschte Reaktionswärme
FTOUT	Vorgabe der Reaktionswärme Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: gleich Reaktionstemperatur =1: Offset DT2 zur Reaktionstemperatur = 2: von außen gegeben
DT2	Gewünschter Offset für Austrittstemperatur
FIONIZATION	Berücksichtigung der Ionisierung Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: keine Ionisierung =1: Ionisierung berechnen
TRACELIMIT	Alle Reaktionsprodukte unterhalb dieser vorgegebenen Konzentration werden in der Berechnung fallengelassen.
CEAIN	Zusätzliche Eingaben (Texteingabe für CEA-Berechnung um zusätzliche Komponenten zu berücksichtigen, die in EBSILON nicht existieren)

Generell sind alle sichtbaren Eingaben erforderlich. Häufig werden jedoch Standardwerte zur Verfügung gestellt.

Für weitere Informationen über die Farbe der Eingabefelder und ihre Beschreibungen siehe Komponenten bearbeiten\Vorgabewerte

Für weitere Informationen über Auslegung vs. Teillast und Nominalwerte siehe Allgemeines\Nominalwerte übernehmen

Ergebnisse

RQREACT	Reaktionswärme
QDT2	Wärme aufgrund der Temperaturänderung
QALL	Gesamtwärme
CEAOUT	CEA Gleichsgewichtsberechnung - Originalausgabe (Textdatei)

Verwendete Physik

Gleichgewichtsberechnung

Der Gibbs-Reaktor erzeugt die Gleichgewichtszusammensetzung für eine chemische Reaktion, in der gasförmigen Komponenten vorhanden sind. Im Programm CEA2 werden alle Verbindungen der eintretenden Ströme in ihre chemischen Elemente aufgeteilt und eine gesamte elementare Bilanz der eintretenden Ströme aufgestellt. Auf Basis einer Datenbank von ca. 2300 Verbindungen bestimmt das Programm CEA2 iterativ die Gleichgewichtszusammensetzung wie folgt:

1. Die Elementarbilanz zwischen den eintretenden Strömen und dem Austrittsstrom wird geschlossen,

2. die Energiebilanz zwischen den eintretenden Strömen und dem Austrittsstrom wird geschlossen, und

3. die resultierende Gibbs-Energie (freie Enthalpie) bei vorgegebenem Zustand (Druck und Temperatur bei CALCMODE = 0 oder Druck und Reaktionswärme bei CALCMODE = 1) wird minimiert.

Wichtige Anmerkung: Dieses Verfahren verwendet einen thermodynamischen Ansatz und berücksichtigt nicht die Reaktionskinetik. Deshalb stellt die Gleichgewichtszusammensetzung den Endzustand nach unendlicher Reaktionszeit dar. Bei hohen Temperaturen (wie bei einem Verbrennungsprozess) ist diese Annäherung durch die im Vergleich zu der Verweilzeit im Reaktor sehr hohen Reaktionsgeschwindigkeiten gerechtfertigt. In Fällen, wo die Verweilzeit im Reaktor zu klein ist um ein Gleichgewicht zu erreichen, ist dieses Verfahren nicht anwendbar und es muss ein kinetischer Ansatz gewählt werden.

In Abhängigkeit von der Benutzerspezifikation für den Berechnungsmodus CALCMODE bestimmt die Energiebilanz zwischen der ankommenden und austretenden Strömen die entstehende Reaktionswärme (wenn die Reaktionstemperatur mit CALCMODE = 0 vorgegeben wird) oder die Reaktionstemperatur (wenn die Reaktionswärme bei CALCMODE = 1 gesetzt ist). Der Wert der Reaktionswärme ist positiv, wenn Wärme an die Umgebung abgegeben wird, und negativ, wenn Wärme vom Reaktor aufgenommen werden muss, um die genannte Reaktionstemperatur zu erreichen. Um die adiabate Reaktionstemperatur zu bestimmen, ist bei CALCMODE = 1 ein Wert von null für die Reaktionswärme vorzugeben.

Da die Zahl der möglichen chemischen Verbindungen in der Gleichgewichtszusammensetzung die Anzahl der Substanzen in EBSILON übersteigt und somit nicht alle Produkte aus dem Programm CEA2 in EBSILON abgebildet werden können, ordnet ein zusätzlicher Nachbearbeitungsschritt die Massenanteile für alle Verbindungen, die dort existieren, den bestehenden EBSILON Verbindungen zu und berechnet die Elementarbilanz für den Rest der Verbindungen, die dann auf das jeweilige Element (C, H, O, N, S, Cl, Mg, Ca) aufsummiert werden. Der Heizwert des austretenden Stroms wird aus der Energiebilanz berechnet, um im Einklang mit der 'abgebildeten' Stromzusammensetzung zu sein.

Zusätzliches Offset für Austrittstemperatur

Um die dem Reaktor nach der Reaktion zugeführte bzw. abgegebene Wärme zu berücksichtigen (d.h. die Gleichgewichtszusammensetzung entspricht immer der Reaktionstemperatur), kann im Eingabewert "Gewünschter Offset für Austrittstemperatur (DT2)" eine nachträgliche Temperaturänderung gegenüber der Reaktionstemperatur angegeben werden. Nach der Berechnung wird die resultierende erforderliche Wärmezufuhr (wenn T2 > TREACT, wird QDT2 negativ) oder Wärmeabgabe (wenn T2 < TREACT, wird QDT2 positiv) und der Gesamtwärmeverbrauch (negativ) durch oder die Wärmeabgabe (positiv) aus dem Reaktor in der Ergebnisvariablen QALL angezeigt.

Effekte der Ionisierung

Der Schalter für die Ionisierung FINOIZATION aktiviert die Berücksichtigung der Ionisierung in den CEA2 Berechnungen, die für die Freisetzung von Elektronen aus den Gasatomen bei sehr hohen Temperaturen verantwortlich ist. Dieser Effekt ist von besonderem Interesse für die Modellierung von magnetohydrodynamischen (MHD) Energieumwandlungssystemen. Um einen hohen Grad an Ionisierung zu erreichen, werden die heißen Gase oftmals mit Alkali Metallen dotiert, z.B. mit Kalium, wodurch die Notwendigkeit für die Definition zusätzlicher Verbindungen in den eingehenden Strömen entsteht (siehe nächstes Kapitel).

Unteres Konzentrationslimit

Alle Reaktionsprodukte unterhalb eines vorgegebenen Limits (TRACELIMIT) werden in der Berechnung fallengelassen. Ab Version 16 kann diese Grenze vom Benutzer gesetzt werden. Bis zur Version 15.0 war der Wert intern auf eine Molanteil von 1.0e-7 gesetzt gewesen und danach auf 0.0

Berechnung zusätzlicher Verbindungen

Um die Definition von zusätzlichen Substanzen zu ermöglichen, die nicht in EBSILON Leitungen repräsentiert werden, enthält die Eingangsgröße CEAIN ein Textfeld mit der richtigen Struktur, um die Liste der Fluid-Substanzen durch benutzerdefinierte Substanzen zu erweitern. Die folgende Abbildung zeigt einen Screenshot des EbsScript Text-Editors mit einem Beispieltext und Anweisungen, wie zusätzliche Substanzen zu definieren sind.

Dieser Text kann auch Verweise auf Modellvariablen enthalten (wie mit dem Verweis auf die Profilvariable @ prof.KOH im obigen Screenshot gezeigt), sodass Vorgaben zu bestimmten Massenverhältnissen durch Modellvariable definiert werden können, und damit die Texteingabe nicht in der Benutzeroberfläche verändert werden muss.

Die Ergebnisse aus der Gleichgewichtsberechnung, einschließlich dieser zusätzlichen Substanzen werden als Textdatei in der Ergebnisvariablen CEAOUT angezeigt wie sie in einem Beispiel in unten stehender Abbildung dargestellt ist.

Literatur

Gordon und McBride (1994)

Sanford Gordon und Bonnie McBride, Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications, I. Analysis, NASA Reference Publication 1311, Oktober 1994

McBride und Gordon (1996)

Bonnie McBride und Sanford Gordon, Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications, II. Users Manual and Program Description, NASA Reference Publication 1311, Juni 1996

Bauteilform

Form 1

Beispiel

Hier klicken >> Component 134 Demo << um ein Beispielmodell zu laden.

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