Date post: | 05-Dec-2014 |
Category: |
Documents |
Upload: | ciresica-sanda-cocindau |
View: | 39 times |
Download: | 3 times |
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
CAP. 9 ARDEREA COMBUSTIBILILOR (SINTEZA)
Procedeele utilizate pentru obţinerea căldurii prin metode convenţionale se bazează, în
principal, pe transformarea energiei legate chimic de combustibili în energie termică. Dintre combustibili cel mai des se folosesc cărbunii, hidrocarburile lichide obţinute din petrol şi gaze combustibile care pot fi: gaze naturale, gaze de sonda sau gaze obţinute în urma unor procese tehnologice (exemplu gazul de furnal, gazul de apa, etc.). Biomasa solidă se tratează ca un combustibil solid. Biocombustibili obţinuţi din diverse plante care sunt de tip alcooli sau uleiuri se trateză ca şi ceilalţi combustbili lichizi.
Transformarea energiei chimice în căldura, denumită şi ardere sau proces de combustie, are loc în urma reacţiilor exoterme de oxidare rapidă a elementlor oxidabile conţinute în combustibil.
Arderea se studiaza din doua puncte de vedere: termodinamic şi cinetic. Din punct de vedere termodinamic, procesul de ardere este tratat global, în sensul
evaluării energiei reactanţilor şi a produselor finale, fără a se lua în considerare mecanismul cinetic şi produsele intermediare de ardere. Purtătorul de energie termică rezultată în urma procesului de ardere este constituit din gazele de ardere evacuate la o temperatură care depinde de natura combustibilului, perfecţiunea procesului şi modul de desfăşurare a arderii.
Din punct de vedere cinetic, procesul de ardere pune în evidenta mecanismul polistadial de realizare a procesului şi rolul radicalilor activi în propagarea frontului de flacara.
8.1. Compoziţia combustibililor
Compoziţia combustibililor pune în evidenţă elementele care iau parte la procesul de ardere şi care formeaza masa combustibila şi elementele care nu iau parte la acest proces care formeaza balastul. Compoziţia combustibililor este dată prin analiza chimica elementară definită fie prin elementele primare, fie prin compuşii stabili care-i alcatuiesc.
În cazul combustibililor solizi şi lichizi analiza chimică elementară se exprimă prin participaţia masica a elementelor primare, fie procentual fie raportată la 1 kg de combustibil.
În general, elementele chimice din care este format un combustibil solid sau lichid sunt: carbonul C, hidrogenul H, sulful S, azotul N, oxigenul O, umiditatea W; precum şi cenuşa A. În cazul în care participaţia elementelor este dată procentual, analiza chimica elementară a combustibilului este:
C + H + S + N + O + W + A = 100 [%] (9.1)
În cazul în care participaţia masică a componenţilor este raportată la 1 kg de combustibil,
simbolurile lor se scriu cu litere mici:
c + h + s + n + o + w + a = 1 kg comb. (9.2)
La combustibilii gazoşi analiza elementară indică participaţiile volumice procentuale raportate la 1 m3
N de combustibil gazos. Un combustibil gazos este format în principal din: hidrogen H2, oxid de carbon CO, metan CH4, hidrocarburi detipul CmHn, oxigen O2, azot N2, etc. Umiditatea combustibilului gazos este data separat şi se exprima în kg/m3
N combustibil gazos uscat. Aceasta umiditate se noteaza cu d [kg/m3
N cb.g.us] În consecinţă, compoziţia unui combustibil gazos la starea uscată exprimată în procente
volumice este:
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 1
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
H2 + CO + CH4 + ∑CmHn + H2S + O2 + CO2 + N2 = 100 [%] (9.3) respectiv în participaţii volumice raportate la 1 m3
N de combustibil gazos (în acest caz simbolurile elementelor se scriu cu litere mici), rezultă:
h 4 + ∑cmhn + h2s+ o2 + n2 = 1 m3N c. g. (9.4) 2 + co + ch
Atunci când se ţine seama şi de umiditatea combustribilului, umiditatea d se înmulţeşte
cu volumul specific al vaporilor de apă vn=1/ρn=22,414/18,016=1,244 m3N/kg vap, iar pentru
umiditatea d exprimata în g/m3N cb.g.us , participaţia volumică de vapori de apă, raportată la
stare uscată este:
W = H2O = d · 10-3 · vN · 100 = d · 10-3 ·1,244 · 100 = 0,1244 d [%] (9.5)
Prin adăugarea acestui procent volumic la compoziţia gazului combustibil dată de relaţia (9.3) se obţine:
H2 + CO + CH4 + ∑CmHn + H2S + O2 + CO2 + N2 +1,244·d= 100 + 0,1244·d
Compoziţia corespunzătoare a combustibilului gazos umed este:
H2
um+COum+CH4um+∑CmHn
um+H2S um+O2um+CO2
um+N2 um
+W um=100[%] (9.6)
Umiditatea raportată la starea umedă este:
d,
d ,W um
1244010010012440+
= [%] (9.7)
Determinarea componenţilor combustibilului gazos raportaţi la starea umedă se face prin
înmulţirea participaţiei procentuale volumice raportată la starea uscată, cu coeficientul K, dat de expresia:
d 0,1244100
100K+
= (9.8)
Deci, se obţine: H2
um = K·H2, CO2um=K·CO2, etc, sau H2
um = K·H2, CO2um=K·CO2 etc,
pentru cazul când raportarea participaţiei volumice se face la 1 m3N de combustibil gazos
umed. La combustibilii solizi sau lichizi componenţii care oxidează (ard) sunt carbonul C,
hidrogenul H şi sulful S, iar la combustibilii gazoşi elementele combustibile sunt: hidrogenul H2, oxidul de carbon CO, metanul CH4, hidrocarburile CmHn şi hidrogenul sulfurat H2S.
8.2. Efectul termic al reacţiilor chimice de ardere. Puterea calorifică
Aplicarea primului principiu al termodinamicii la reacţiile chimice permite aprecierea efectului termic al unei reacţii, iar pentru cazul desfasurarii lor la presiune constantă, funcţia caracteristică a sistemului este entalpia de reacţie ∆rH. Daca se considera o reacţie de forma:
ν1A1 + ν2A2 + ... → ν’1A’1 + ν’2A’2 + ... (9.9)
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 2
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
unde ν1, ν2 ... , ν’1, ν’2 ... reprezintă coeficienţii stoechiometrici ai componenţilor ce intra în reacţie (reactanţii A1, A2 ...), respectiv a produselor care rezultă din reacţie (A’1, A’2 ...).
Variaţia de entalpie, numită şi entalpie de reacţie, este dată de diferenţa între suma entalpiilor produselor de reacţie şi suma entaliilor reactanţilor, toate măsurate la aceeaşi presiune şi temperatură, şi are expresia:
(9.10) reactantiprodusi
−
= ∑∑ j
r
jj
'i
r
i
'i
r H∆νH∆νH∆
în care ∆rHi’ şi ∆rHj sunt entalpiile de reacţie ale produşilor de reacţie, respectiv a reactanţilor care intră în reacţie. Starea standard de referinţă pentru calculul entalpiei de reacţie este presiunea atmosferica (760 mmHg) şi temperatura de 25°C (293,15 K).
Reacţiile chimice se pot desfăşura fie cu absorbţie de căldură, aşa cum este cazul reacţiilor endoterme (∆rH>0), fie cu degajare de căldură, cazul reacţiilor exoterme (∆rH<0).
Puterea calorificăreprezinta căldura care o degajă la arderea completă a unităţii de cantitate de combustibil în condiţii normale (standard). În cazul combustibililor solizi şi lichizi puterea calorifica se exprimă în kJ/kg, iar pentru combustibilii gazosi în kJ/m3
N. În gazele rezultate în urma arderii se gasesc vapori de apa proveniţi din oxidarea
hidrogenului, a hidrogenului sulfurat şi a hidrocarburilor precum şi din umiditatea de compoziţie a combustibilului sau a aerului necesar arderii. Datorită temperaturii ridicate la care se evacueaza gazele, umiditatea se afla în stare gazoasă (vapori). Pentru vaporizare s-a consumat o parte din căldura de reacţie. În funcţie de starea de agregare la care se evcuează umiditatea se deosebesc doua tipuri de putere calorifică:
- putere calorifică superioara (Qs sau Hs), determinată pentru cazul în care apa din compoziţia iniţială a combustibilui, precum şi apa formată prin reacţie este evacuată în stare lichidă, în kJ/kg sau kJ/m3
N; - putere calorifica inferioară (Qi sau Hi), determinată pentru cazul în care apa din
compoziţia iniţială a combustibilui, precum şi apa formată prin reacţie este evacuată în stare lichida stare de vapori, în kJ/kg sau kJ/m3
N. Relaţia dintre cele două tipuri de puteri calorifice este:
+⋅⋅−=
kgkJ WHQQ si 100100
92510 (9.11)
+⋅⋅−=
kgkJ WHHH si 100100
92510 (9.11’)
În care 2510 kJ/kg vap reprezintă căldura de vaporizare a apei la presiunea punctului
triplu, iar 100100
9 WH+⋅ reprezintă cantitatea de apă provenită din oxidarea hidrogenului şi din
umiditatea combustibilului, în kJ/kg. Puterea calorifica a combustibilului este data de suma căldurii degajate în urma oxidării
componenţilor combustibili. La hidrogen se face ipoteza ca oxigenul de constituţie nu participa la ardere, ci rămâne legat cu o parte din hidrogenul din compoziţie. Astfel, dacă combustibilul conţine O/100 kg O2/kgcomb cantitatea de hidrogen corespunzătoare este
O/(8·100) kg H2/kgcomb, deci, cantitatea disponibilă de hidrogen este:1008100 ⋅
−OH
[kgH2/kgcomb].
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 3
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
Tînând seama de valorile căldurii de reacţie pentru elementele combustibile, puterea
calorifică inferioară a combustibililor solizi şi lichizi se determină cu relaţia:
−+
−+==
kgkJ
1002510
1009250
81001120120
10033900 WSOHCQH ii (9.12)
iar pentru combustibilii gazoşi se utilizează relaţia:
++++
++++==
3N
22262
4242
mkJ
10023400
10056920
10063730
10060020
10035910
10010800
10012720
SH...HCHC
HCCHHCOQH ii
(9.13)
Atunci cand puterea calorica se raporteaza la combustibilul gazos umed puterea calorifică
este:
( )
⋅−
⋅+=
us.g.c mkJ512
12440100100
3N
d,Qd,
Q iumi (9.14)
În cazul amestecurilor de combustibili, puterea calorifică se stabileşte în funcţie de
participaţia masică sau volumică astfel: - pentru combustibilii solizi sau lichizi:
Qi = ∑ gi · Qi,i [kJ/kg cb] (9.15)
- pentru combustibilii gazoşi:
Qi = ∑ ri · Qi,i [kJ/m3N c.g.us] (9.16)
- pentru un amestec de combustibili lichizi, solizi şi gazoşi
Qi = Qil,s + n · Qig [kJ/kg] (9.17)
în care : gi – participaţia masică a combustibilului i, în amestec, în %/100; ri - participatia volumica a combustibilului i, în amestec, în %/100; Qi l,s – puterea calorica a combustibilului solid sau lichid, în kJ/kg; Qi g – puterea calorica a combustibilului gazos, în kJ/m3
N; n – cantitatea de combustibil gazos introdusă pentru arderea unităţii de cantitate de
combustibil lichid sau solid, în m3N/kg cb.
8.3 Calculul arderii (oxidării) combustibililor
Calculul arderii are ca scop determinare cantitaţii de aer necesara desfăşurării reacţiilor
chimice de oxidare (ardere) precum şi a volumului şi compoziţiei gazelor rezultate în urma arderii. Ïn continuare se va considera cazul aerului uscat (fără umiditatea x [kgvap/kga us], de obicei se ia x = 10 gvap/kga us)
8.3.1. Arderea combustibililor solizi şi lichizi
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 4
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
În cazul combustibililor solizi sau lichizi, compoziţia lor este dată în procente masice.
Astfel 1 kg de combustibil se exprima sub forma:
kg combkg umidWkg cenusaAkg OO
kg NNkg SSkg HHkg CC
1100100100
100100100100
2
22
=+++
++++ (9.18)
Elementele care formeaza masa combustibilă sunt C, H, S, iar reacţiile chimice de
oxidare sunt: C - pentru carbon
C + O2 = CO2 1 kmol C + 1 kmol O2 = 1 kmol CO2 12 kg C + 22,414 m3
N O2 = 22,414 m3N CO2
23
23
1241422
1241422 CO m, O m, kg C NN =+1
iar pentru 100C kg C rezultă:
23
23
1241422
1001241422
100100 CO m,C O m, C kg C C
NN =+
- la arderea hidrogenului H:
H2 + 21 O2 = H2O
1 kmol H2 + 21 kmol O2 = 1 kmol H2Ovap
2 kg H2 + 2414,22 m3
N O2 = 22,414 m3N H2Ovap
vapNN O H m, O m, kg H 23
23
2 241422
441422
=+1
iar pentru 100H kg H2 rezultă:
vapNN O H m,H O m, H kg HH2
32
32 2
414221004
41422100100
=+ (9.20)
- la arderea sulfului S S + O2 = SO2 1 kmol S + 1 kmol O2 = 1 kmol SO2
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 5
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
32 kg S + 22,414 m3N O2 = 22,414 m3
N SO2
23
23
3241422
3241422 SO m, O m, kg S NN =+1
iar pentru 100
S kg S rezultă:
23
23
3241422
1003241422
100100 SO m,S O m, S kg S S
NN =+ (9.21)
a) Aerul necesar arderii
Din reacţiile de oxidare de mai sus, pentru arderea completa a unui kg de combustibil, este necesara cantitatea de oxigen, dată de expresia:
[ ]cb23Nmin2 /kgO m
323241210041422 OSHC,O ,
−++= (9.22)
sau
[ ]cb23Nmin2 /kgO m
3248
1210041422
2 S
OH-C,VO oO,
++== (9.22’)
Oxigenul necesar arderii este luat, în majoritatea cazurilor, din aerul atmosferic. În aerul
uscat oxigenul reprezintă 21% (participaţie volumică sau molară), iar azotul 79% volumice. În consecinţă, volumul de aer necesar arderii unui kg de combustibil este:
=
cb kgus a m
210
3Nmin20
,O
V ,a (9.23)
Arderea completă cu aerul minim necesar presupune realizarea unui amestec combustibil
omogen, lucru greu de realizat în instalaţiile sau spaţiile de combustie. Pentru asigurarea unui proces complet de ardere se introduce o cantitate de aer mai mare decât cantitatea teoretică. Deci, cantitatea de aer reală necesară arderii este:
⋅=⋅=
cb kgaer m3
N VV ;VV 0uma,uma,
0aa λλ (9.24)
unde λ este coeficientul de exces de aer şi are valori supraunitare. Funcţie de natura combustibilului, a tipului instalaţiei sau a spaţiului de ardere, pentru coeficientul de exces de aer sunt recomandate următoarele valori orientative :
- pentru combustibili lichizi λ = 1,05 ÷ 1,2 - pentru combustibili solizi λ = 1,05 ÷ 1,4 - pentru combustibilii gazoşi λ = 1,02 ÷ 1,15
b) Compoziţia şi volumul gazelor rezultate din ardere
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 6
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
În urma arderii combustibilului se obţin produsele de ardere sub forma de gaze de ardere şi cenuşă (stare solidă). Gazele de ardere se obţin din ecuaţiile de ardere (9.19 ÷ 8.21) şi ele sunt compuse din:
bioxid de carbon,
⋅=
cb kgCO m
10012414,22 2
3N
2 CVCO (9.25)
bioxid de sulf
⋅=
cb kgSO m
10032414,22 2
3N
2 S
SOV (9.26)
vapori de apă
W,H,V OH 1001841422
100241422
2⋅+⋅= (9.27)
azot
+⋅=
cb kgN m790
1002841422 2
3N00
2 V,N,V aN (9.28)
aer în exces
( )
⋅−=
cb kgaer m1
3N0 VλV a
exa (9.29)
Volumul teoretic de gaze de ardere uscate este:
++=
cb kgus g m3
N00222
VVVV NSOCOg,us (9.30)
Volumul teoretic de gaze arse umede:
+=+++=
cb kgum g m3
N00022222
VVVVVVV OHg,usOHNSOCOg (9.31)
Volumul real de gaze de ardere uscate:
( )
+=⋅−+=
cb kgsu g m1
3N000 VV VλVV ex
ag,usag,usg,us (9.32)
Volumul real de gaze de ardere la starea umedă:
−+=+=
cb kgum g m
13N000 )V(λVVVV ag
exagg (9.33)
Acest volum de gaze de ardere se mai poate exprima şi în funcţie de compoziţia
elementară a gazelor (obţinută prin analiză):
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 7
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
++++=
cb kgum g m3
N22222
VVVVVV OHONSOCOg (9.34)
în care VCO2 şi VSO2 au expresiile date anterior. Ceilalţi componenţi devin:
( )
⋅+⋅⋅=⋅−⋅+=
cb kgN m
2841422
1007901790 2
3N000
22 ,NVλ,Vλ,VV aaNN (9.35)
( )
⋅=⋅−⋅=
kg cb Om
V,Vλ,V NexaaO
23
0 21012102
(9.36)
=
cb kg vapOH m 2
3N0
22 VV OHOH (9.37)
În acest caz volumul de gaze de ardere uscate este:
+++=
cb kgsu g m3
N, 2222
VVVVV ONSOCOusg (9.40)
8.3.2. Arderea combustibililor gazoşi
În cazul combustibililor gazoşi compoziţia este dată în procente volumice. Astfel 1 m3
N de combustibil gazos la starea uscată se exprima sub forma:
cb m NmNCOmCOOmO
SHmSHHCmHC
CHmCHCOmCOHmH
NNNN
NnmNnm
NNN
32
322
322
32
2323
4343
232
1100100100
100100100100100
=+++
+++++ ∑ (9.41)
Elementele combustibile sunt H2, CO, CH4, ∑CmHn, H2S, iar reacţiile chimice de oxidare
sunt: - arderea hidrogenului
H2 + 21 O2 = H2O (a)
1 kmol H2 + 21 kmol O2 = 1 kmol H2O (b)
22,414 m3N H2 +
2414,22 m3
N O2 = 22,414 m3N H2O (c)
O H m, O m, H m NNN 23
23
23
241422
4414221 =+ (d)
iar pentru cantitatea volumică de 100
2H m3N H2 rezultă:
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 8
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
O H m,H O m,
H H m
HNNN 232
232
232
241422
100441422
100100=+ (9.42)
Se constată că valorile coeficienţilor stoichiometrici de la reacţia chimică de oxidare (a)
se regăsesesc la reacţia cantitativă (d). În consecinţă, pentru ceilalţi componenţi se vor utiliza ecuaţiile (a) şi (d).
În mod similar se obţin şi ecuaţiile de ardere pentru ceilalţi componenţi combustibili. Astfel:
CO rezulta: - pentru
CO + 21 O2 = CO2
1 m3N CO +
21
m3N O2 = 1 m3
N CO2
23
233
10010021
100 CO mCO O mCO CO mCO
NNN =+ (9.43)
- pentru metan CH4 rezultă:
- CH = CO2 + 2 H2O 4 + 2O2 1 m3
N CH4 + 2 m3N O2 = 1 m3
N CO2 + 2 m3N H2O
O H mCH
CO mCH
O mCH
CH mCH
NNNN 234
234
234
434
1002
1001002
100+=+ (9.44)
- pentru o hidrocarbura de tipul CmHn rezultă:
CmHn +
+
4nm O 2 +
2n H2O 2 = m CO
1 m3N CmHn +
+
4nm m = m m3
N CO2 + 2n m3
N H2O 3N O2
O H mHCn CO m
HCm
O mnm HC
H C mHC
Nnm
Nnm
Nnm
nmNnm
23
23
233
1002100
41002
100
+
=
++
(9.45)
- pentru hidrogen sulfurat H2S se obţine:
H2S + 23
O2 = SO2 + H2O
1 m3N H2S +
23 m3
N O2 = 1 m3N SO2 + 1 m3
N H2O
O H mSH
SOmSH
O mSH
S H mSH
NNNN 232
232
232
232
10010010023
100+=+ (9.46)
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 9
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
a) Aerul de ardere necesar Din reacţiile de mai sus, pentru arderea completa a unui m3
N de combustibil, rezultă cantitatea de oxigen necesară:
−+
++++== ∑ .g.c m
m23
42
221001
3N
3N
2242
min2 2 OSHHCnmCHCOHVO nm
oO, (9.47)
Aerul minim necesar arderii teoretice este:
=
.g.c mera m
210 3N
3Nmin20
,O
V ,a (9.48)
Iar pentru un coeficient de exces de aer λ, aerul necesar arderii este:
Va=λ Va0 ; V =λ V0
a,um
.g.c m
era m3N
3N (9.49) a,um
b) Compoziţia şi volumul de gaze de ardere
În urma oxidării complete a componentelor combustibile din gaz se obţin gaze de ardere compuse din:
- bioxid de carbon
+++= ∑ .g.cm
COm100100100100 3
N
23N24
2 COHCmCHCO nm
COV (9.50)
- bioxid de sulf
=
.g.cmSOm
100 3N
23N2
2 SHVSO (9.51)
- vapori de apa,
++= ∑ .g.cm
OHm1001002100
2 3N
23N240
2 SHHCNCHV nm
OH (9.52)
- azot
+=
.g.cmNm
10079,0 3
N
23N200
2 NVV aN (9.53)
- aer în exces
Vexa=(λ-1) Va
0 ;
.g.c m
aer m3N
3N (9.54)
Volumul teoretic de gaze de ardere uscate:
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 10
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
++=
us.g.c mus.g m
3N
3N00
222 VVVV NSOCOg,us (9.55)
Volumul teoretic de gaze de ardere umede:
+++=
us.g.c mum.g m
3N
3N000
2222 VVVVV OHNSOCOg (9.56)
Volumul real de gaze arse uscate:
Vg,us = Vg,us0 + ( λ – 1 ) Va
0
us.g.c m
um.g m3N
3N (9.57)
Volumul real de gaze de ardere umede:
Vg = VgO + Va
ex = Vgo + ( λ – 1 ) Va
o
us.g.c m
um.g m3N
3N (9.58)
Volumul de gaze de ardere se mai poate exprima şi în funcţie de compoziţia
elementară a gazelor (obţinuta prin analiză):
Vg = VCO SO2 + VN2 + VO H O 2
us.g.c m
um.g m3N
3N (9.59) 2 + V 2 + V
În care VCO2 şi VSO2 au expresiile prezentate anterior, iar ceilalţi componenţi sunt:
VN2 = VN20 + 0,79 ( λ – 1 ) Va
0 = 0,79 λ Va0 + N2/100
us.g.c m
N m3N
23N (9.60)
VO2 = 0,21 (λ – 1) Va0 = 0,21 Va
ex
us.g.c m
O m3N
23N (9.61)
VH2O = VH O20 +0,00161 x (λ – 1) Va
0
us.g.c mOH m
3N
vap23N (9.62)
Volumul de gaze arse uscate este în acest caz:
Vg,us = VCO SO2 + VN2 + VO2
us.g.c m
us.g m3N
3N (9.63) 2 + V
În care participaţiile volumice de CO2, SO2, O2, N2 se obţin cu ajutorul analizoarelor de
gaze.
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 11
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
9. 4 Diagrama H-T. Temperatura de ardere
a) Diagrama H-T reprezintă legătura grafică intre entalpia gazelor rezultată în urma arderii unităţii de cantitate de combustibil. Entalpia gazelor de ardere corespunzătoare unei temperaturi T este:
Hg = Hg0 + Ha
ex
.g.cbm
kJ;ls,cbkg
kJ3N
(9.64)
în care Hg
o reprezintă entalpia gazelor de ardere rezultată în urma arderii cu aerul minim necesar:
( )
=
+++=
=+++=
=+++=
∑ 3N
,
0
0
02
0
mkJ;
kgkJ
22222222
22222222
222
TCV
) T C V C V C V C (V
T C V T C V T C V T C V
H HN H H H
gaipmi
Opm,HOHpm,NNpm,SOSOpm,COCO
Opm,HOHpm,NNpm,SOSOpm,COCO
OHSO COg
(9.65)
iar Ha
ex reprezintă entalpia aerului în exces care se găseşte în gazele de ardere:
Haex = Va
ex Cpm,a T = (λ – 1) V a0 Cpm,a T
3Nm
kJ;kgkJ (9.66)
Cpm,i reprezintă căldura specifica medie la presiune constanta între temperatură de referinţă 0 şi o temperatură curentă T, a componenţilor din gazele de ardere, în kJ/m3
NK. Considerând o anumită valoare pentru excesul de aer λ pentru diferite temperaturi T se
obţin curbele de entalpie a gazelor de ardere (fig. 9.1). Diagrama H-T se obţine prin puncte fiind construită pe intervalul de temperatura, de exemplu 0 ÷ 2500 °C, cu pasul ∆T=100 K.
Utilitatea diagramei constă în posibilitatea de stabilire a temperaturii de ardere, a disponibilului de căldură conţinută în gazele de ardere funcţie de temperatura la o anumită secţiune a echipamentului termic.
Hg 2 1
1Hg
o
Hg
Tt Tg
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
λ=
λ=1,
λ=1, λT
Fig. 9.1 Diagrama H-T
9 - 12
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
b) Temperatura de ardere (temperatura gazelor de ardere)
Temperatura teoretică de ardere Tt reprezintă temperatura gazelor rezultate într-un proces complet de ardere cu aerul teoretic necesar arderii (λ=1), în condiţiile în care întreaga cantitate de căldură este preluată de gazele de ardere. Considerand temperatura combustibilului Tcb, puterea calorifică inferioară a combustibilului Hi, temperatura aerului care intră în procesul de ardere Ta, expresia bilanţului termic al procesului de ardere pentru unitatea de cantitate de combustibil este:
( )TCV T CVH H TC V h ipmo
it gpmggiapm,aacb ∑===++ ,,000
3Nm
kJ;kgkJ (9.67)
În care : hcb – entalpia unităţii de cantitate de combustibil sau entalpia sensibila a combustibilului, hcb = 1 ccb Tcb [kJ/kg cb] pentru combustibilul solid sau lichid, respectiv hcb=Cpm,cbTcb [kJ/m3
N cg] pentru combustibilul gazos; Va0 – volumul minim de aer necesar
arderii, în m3N/kg cb sau m3
N/ m3N cg; Cpm,a – căldura specifică medie la presiune constanta a
aerului la intrare în reacţia de oxidare la temperatura Ta, în kJ/m3NK; Hi – puterea calorifică
inferioară a combustibilului, în kJ/kg cb sau kJ/ m3N cg; Vg
0 – volumul de gaze de ardere rezultat în urma arderii teoretice, în m3
N/kg cb, m3N/ m3
N cg, Cpm,g – căldura specifică medie la presiune constantă a gazelor de ardere la temperatura Tt, kJ/m3
NK; Vi0 – volumul de
component i din gazele de ardere rezultat în urma arderii teoretice. Cu aceste elemente temperatura teoretică de ardere rezultă:
[ ]C,
0,
0
,0
,0
o CV
HTCVh
CVHTCVh
Tipmi
iaapmacb
gpmg
iaapmacbt ∑
++=
++= (9.68)
Temperatura teoretică de ardere se poate determina şi grafic din fig. 9.1, pe baza entalpiei
teoretice a gazelor de ardere Hg0 (rel. 9.67).
Pentru stabilirea temperaturii reale de ardere Tg în expresia bilanţului termic se vor lua în considerare atât pierderile de căldură din spaţiul de ardere, cât şi pierderile de căldură datorate arderii incomplete a combustibilului, precum şi acelea datorate evacuării unor reziduuri solide rezultate din ardere (cenuşa şi zgura). Aceste pierderi se pun în evidenţă prin randamentul spaţiului de ardere (al focarului) ηf, ele fiind raportate la puterea calorifica inferioară a combustibilului. De asemenea, o parte din căldură este transmisă prin radiaţie, în timpul procesului de ardere, de la flacăra la materialul din focar şi către pereţii acestuia. Această căldură radiată se exprimă procentual în funcţie de puterea calorifică inferioară a combustibilului Qr = σ Hi [kJ/kg cb; kJ/m3
N cb], în care σ este cota din puterea calorifică inferioară a combustibilului transmisă prin radiaţie (valorii orientative 0,3 – 0,5). Ecuaţia de bilanţ termic a focarului (fig. 9.2) pentru unitatea de cantitate de combustibil este:
hcb +Hi+ Ha =(1-ηf )Hi + Qr + Hg
3Nm
kJ;kgkJ (9.69)
în care: - hcb reprezintă căldura (entalpia) sensibilă a combustibilului la intrarea în focar:
hcb=cpm,cbTcb, în [kJ/kg cb]; hcb=Cpm,cbTcb [kJ/m3Ncb] (9.70)
- Ha – entalpia sensibilă a aerului necesar arderii care intră cu temperatura Ta
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 13
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
Ha = Va Cpm,aTa=λ Va0 Cpm,aTa
3Nm
kJ;kgkJ (9.71)
Qr
(1-ηf) Hi
hcb+Hi Hg
Ha
Fig. 9.2 Bilanţul termic al unui spaţiu de ardere
- Qr – căldura cedată prin radiaţie de către flacără materialelor şi suprafeţelor reci:
Qr = σ Hi (9.72)
- Hg – entalpia sensibilă a gazelor de ardere, care părăsesc focarul cu temperatura Tg:
Hg = Vg Cpm,g Tg
3Nm
kJ;kgkJ (9.73)
- ηf – randamentul focarului ( al spaţiului de ardere) se determină cu expresia:
( )100
qqqq100η exrezmin
chin
f+++−
= (9.74)
În această expresie mărimile au urmatoarele semnificatii: – căldura pierdută prin arderea chimica incompleta a combustibilului, căldură care este pusă în evidenţă de existenţa în gazele de ardere a unor gaze combustibile (CO, CH
chinq
4, alte hidrocarburi, H2, etc), gaze rezultate şi datorita disociaţiei gazelor de ardere, precum şi a funinginii, =(0÷3)%; – pierderea de căldură provenita din arderea incompleta din cauze mecanice, ea fiind caracteristica combustibililor solizi, =(1÷5)%; q
chinq m
inq
minq rez – pierderea de căldură datorată evacuarii reziduurilor
solide din focar la temperatură ridicată (de exemplu zgura se evacuează la 500÷900°C), qrez=(0,5÷3)%; qex – căldura pierdută prin pereţii focarului şi trasferată către mediul exterior, qex=(0,5÷3)%. În aceste condiţii randamentul focarului are valori de 0,85÷0,98.
Inlocuind relaţiile de mai sus în ecuaţia de bilanţ (9.69) se obţine:
c +Hi+ λ Va0 Cpm,a Ta =(1-ηf)Hi + σ Hi + Vg Cpm,g Tg (9.75) pm,cb Tcb
de unde rezultă temperatura reală a gazelor de ardere:
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 14
BTT II, cap 9, Arderea Combustibililor
Prof. Alex. Chisacof an univ. 2007/2008
9 - 15
( ) [ ]C
0o
CVHσηTCλVTc
Tpm,gg
ifapm,aacbpm,cbg
−++= (9.76)
Volumul gazelor de ardere este:
++++=
cb,msaukgm
3N
3N0 V V V V V V ex
aNOHSOCOg 2222 (9.77)
Căldura specifică medie a gazelor de ardere la presiune constantă între zero şi
temperatura de ardere Tg este dată de relaţia pentru amestecuri de gaze:
K][kJ/m3NapmaNpmNOHpmOH SOpmSO COpmCO gpm, Cr Cr Cr Cr Cr C
22222222++++= (9.78)
În care participaţiile volumice ale gazelor componente sunt:
g
exa,
ag
0N
Ng
OHOH
g
SOSO
g
COCO V
Vr ;
VV
r ;V
Vr ;
VV
r ;V
Vr 2
2
2
2
2
2
2
2===== (9.79)
Tinând seama de relaţiile (9.78) şi (9.79) expresia produsului :
( )
++++=
Kcb,msaukgkJ
3N
22222222 apmaNpmNOHpmOH SOpmSO COpmCOgpm,g C VC VC VC VC VVC
(9.87)
Observaţia 1. În calculele practice se alege o valoare a temperaturii gazelor de ardere, valoare cu care se calculează caldurile specifice medii ale gazelor componente. Cu aceste calduri specifice se determină o valoare a temperaturii gazelor de ardere Tg’. Dacă această valoare este diferită cu ±20 K de valoarea la care s-au calculat căldurile specifice, se impune noua valoare Tg’ pentru calculul a caldurilor specifice şi se recalculeaza temperatura Tg. Iteraţia se face până când temperatura obţinuta este în limita a ±20 K faţă de aceea la care s-au calculat căldurile specifice.
Observaţia 2. Temperatura reală de ardere se mai poate determina şi din diagrama H-T, atunci când se cunoaşte entalpia gazelor Hg şi coeficientul de exces de aer λ la care a avut loc arderea. Pe de altă parte, dacă se cunoaşte temperatura gazelor de ardere şi coeficientul de exces de aer se poate evalua entalpia gazelor de ardere Hg (fig. 9.1).