Termodinamica_Arderii

7/29/2019 Termodinamica_Arderii

1/28

Termotehnic i maini termice

5. Termodinamica arderii

O mare parte din energia folosit n societate este produs prin transformareacldurii n energie mecanic, care este utilizat ca atare la traciune sau transformat nenergie electric pentru a putea fi uor transportat i folosit acolo unde este nevoie.Energia termic, n tehnic, este produs prin arderea unor substane speciale numitecombustibili, n prezena aerului.

Arderea este o reacie chimic de oxidare. Deoarece scopul final este obinereade cldur, n cantitate ct mai mare, se utilizeaz drept combustibili substane a crorreacie cu oxigenul este exoterm. Pe lng aceast calitate, combustibilii trebuie s segseasc relativ uor i din abunden n natur, costul de exploatare s fie sczut, iar

prin ardere s nu produc substane poluante.Cei mai utilizai combustibili sunt crbunii, gazele naturale i derivatele ieiului,

benzine, motorine, kerosen, pcur.

5.1 Procesul de ardere

Procesele de ardere constau n reacii de oxidare a elementelor constituente alecombustibilului capabile s reacioneze cu oxigenul; ele sunt reprezentate prin reaciichimice. S considerm procesul de ardere al carbonului. Acesta poate fi prezentat prinurmtoarea reacie chimic:

22 COOC + (5.1)

2O,C - se numesc reactani

2CO - se numete produs de ardere

Din punct de vedere al conservrii masei, relaia (5.1) se verific, adic sumamaselor reactanilor este egal cu suma maselor produselor de ardere, dac exprimmcantitile de substan n kilomoli. Astfel, considernd n relaia (5.1) c un kilomol decarbon reacioneaz cu un kilomol de oxigen, rezultnd un kilomol de bioxid de carbon,acest lucru nseamn c 12 kilograme de carbon reacioneaz cu 32 kilograme deoxigen, formnd 44 kilograme de bioxid de carbon. Dac adunm masele reactanilor,observm c sunt egale cu masa produsului de ardere.

S analizm, n continuarea, reacia de arderea a metanului:

OH2COO2CH 2224 ++ (5.2)

Remarcm c cele dou elemente ce compun metanul reacioneaz cu oxigenul,formnd bioxid de carbon i ap.

Pentru arderi, n tehnic se utilizeaz aer. Dac considerm compoziia tehnic aaerului ca fiind 21% O2 i 79% N2, atunci pentru fiecare kilomol de oxigen va intra nreacie i 79/21 = 3,76 kilomoli de azot. Acesta nu particip la reacie, aa c l vomregsi integral n produsele de ardere. Reacia de ardere a metanului, pentru cazul cndse consider c aceasta are lor n prezena aerului, este:

147


2/28

Termodinamica arderii

( ) ( ) 222224 N76,32OH2CON76,32O2CH ++++ (5.3)

Din relaia (5.3) se poate deduce cantitatea de aer necesar arderii. Astfel, pentru

un kilomol de metan sunt necesari 2(1O2+3,76N2) = 9,52 kilomoli de aer. Dac avem nvedere c un kilomol de metan conine 16 kilograme, rezult c pentru un kilogram demetan avem nevoie de 9,52 / 16 = 0,595 kilomol de aer.

Observm c att carbonul, ct i hidrogenul, s-au oxidat complet, iar produiide ardere nu mai conin oxigen. Acest proces de ardere se numete stoichiometricdeoarece constituenii combustibilului (metanului, n acest caz) se oxideaz complet,utiliznd cantitatea minim de aer necesar. Cantitatea minim de aer necesar arderiicomplete se noteaz cu

MminL i se exprim n kilomoli de aer pentru un kilogram de

combustibil.Din relaia (5.3) putem deduce compoziia gazelor de ardere. Astfel, numrul

total de kilomoli al produselor de ardere este:

( ) ( ) ( ) 52,10N52,7OH2CO1n 222 =++= kilomol

095057,052,10

1ry

22 COCO===

190114,052,10

2ry OHOH 22 ===

7148288,052,10

52,7ry

22 NN===

verificare: 19999998,0yyy 222 NOHCO =++

5.1.1 Arderea unei hidrocarburi de tipul yxHC

Considerm cazul general n care o hidrocarbur de tipul yxHC arde complet cuaerul minim necesar. Reacia chimic de oxidare este:

( ) 2NOH2CO22Oyx NCON76,3OHC 2222 ++++ (5.4)

Coeficienii2O

,2CO

, OH2 , 2N poart numele de coeficieni stoichiometrici.Ei se determin fcnd bilanul atomilor n relaia (5.4):

x:C2CO= (5.5)

2

yy2:H OHOH 22 == (5.6)

4

yx

2:O

OH

COO2

22+=+=

(5.7)

+== 4y

x76,376,3:N 222 NON (5.8)

148


3/28


Introducnd valorile coeficienilor stoichiometrici n relaia (5.4) i innd seamac ( ) 76,4N76,3O 22 =+ kilomoli de aer, aceasta devine:

( ) 222yx N76,34

yx0H

2

yxCOaer76,4

4

yxHC

+++

++ (5.9)

Arderea care se desfoar cu aerul minim necesar arderii complete aelementelor ce alctuiesc combustibilul (5.9) este un caz ideal, ce permite definirea unormrimi utile n analiza procesului real de ardere.

Se noteaz cu MminL i se definete cantitatea minim de aer, molar, necesar

arderii complete a unui kilogram din hidrocarbura de tipul yxHC , sau cantitateastoichiometric de aer:

+

=.combkg1

aerkmol

M

4

yx76,4

L

yxHC

Mmin(5.10)

Cantitatea minim, masic de aer necesar arderii complete se determin cuformula (5.11), n care coeficientul 29 reprezint masa molecular a aerului:

=.combkg1

aerkgL29l Mminmin (5.11)

n arderile reale din instalaii i motoare, datorit imposibilitii realizrii unuiamestec omogen de combustibil i aer, acestea se desfoar cu o cantitate mai mare deaer dect aerul minim necesar ardeii complete. Notm cu L cantitatea molar real deaer utilizat pentru arderea unui kilogram de combustibil (lcantitatea masic real deaer utilizat pentru arderea uni kilogram de combustibil). Se definete excesul de aercafiind raportul ntre aerul real al arderii i aerul minim necesar arderii complete:

minMmin l

l

L

L== (5.12)

Pentru arderea diferitelor tipuri de combustibili, valorile excesului de aer sunt1,05..1,2 pentru combustibili gazoi, 1,2..1,4 pentru combustibili lichizi, 1,25..1,4

pentru combustibili solizi, n jurul valorii 1 pentru arderea benzinei n motoarele cuaprindere prin scnteie, etc.

O alt mrime important referitoare la raia combustibil - aer este dozajul.Acesta se definete ca fiind raportul ntre masa de aer real a arderii i masacombustibilului implicat n procesul de ardere.

==

.combkg1

aerkgl

m

md

lcombustibi

aer (5.13)

149


4/28


Dac hidrocarbura yxHC arde cu excesul de aer > 1, atunci n gazele de ardereva pare oxigen n exces, iar relaia stoichiometric de ardere (5.9) se transform astfel:

( ) ( ) 2222yx N76,34

yxO

4

yx10H

2

yxCOaer76,4

4

yxHC

++

+++

++

(5.14)

Din relaia general de ardere (5.14) se pot deduce mrimile utile n calcululprocesului de ardere. Am sintetizat n tabelul T 5.1 rezultatele analizei procesului deardere complet a unui kilogram din hidrocarbura yxHC cu excesul de aer. n acesttabel sunt prezentate formulele de calcul pentru aerul necesar arderii i pentru produselede ardere, rezultatele fiind obinute n kilomoli. Alegerea acestei uniti de msur

favorizeaz calcularea cu uurin a compoziiei gazelor de ardere n fracii volumice.Tabelul T 5.1

Componentul Numrul de kilomoli Fraciamolar / volumic

Aerul arderii

+

=.combkg1

aerkmol

M

4

yx76,4

L

yxHC

-

Produse de ardere -

Bioxid de carbon

= .combkg1COkmol

M

x

n

2

HCCO

yx

2 n

n

ry

2

22

CO

COCO ==

Ap

=.combkg1

OHkmol

M2

yn 2

HC

OH

yx

2 n

nry

OH

OHOH2

22==

Oxigen ( )

+

=.combkg1

Okmol

M

4

yx1

n 2

HC

O

yx

2

n

nry 2

22

O

OO ==

Azot

+

= .combkg1Nkmol

M

4

yx76,3

n

2

HCN

yx

2

n

nry 2

22

N

NN ==

Total2222 NOOHCO

nnnnn +++= -

n tabelul T 5.2 sunt prezentate relaiile de calcul pentru aerul necesar arderii iprodusele de ardere astfel nct rezultatele sunt obinute n kilograme de substan pekilogramul de combustibil. Acest tip de analiz este util deoarece permite determinareadebitului masic de aer al arderii, valoare ce se msoar efectiv, n timp real, pe motoaresau instalaii de ardere, cu ajutorul traductoarelor de debit masic. Valorile msurate

permit determinarea n timp real a raportului aer - combustibil (dozajul), astfel nct

coreciile s fie eficiente.

150


5/28


O alt posibilitate oferit de formulele din tabelul T 5.2o constituie verificareaconservrii masei pentru arderea unui kilogram de combustibil. Aceasta poate fi fcutcu relaia:

2222i

i N,O,OH,COi;nl1 ==+ (5.15)

Tabelul T 5.2Componentul Numrul de kilograme Fracia masic

Aerul arderii

+

=.combkg1

aerkg

M

4

yx76,4

Ml

yxHC

aer

-

Produse de ardere -

Bioxid de carbon

=

.combkg1

COkgM

M

xm 2CO

HC

CO 2

yx

2

m

mg 2

2

CO

CO =

Ap

=.combkg1

OHkgM

M2

ym 2OH

HC

OH 2

yx

2 m

mg

OH

OH2

2=

Oxigen ( )

+

=.combkg1

OkgM

M

4

yx1

m 2OHC

O 2

yx

2

m

mg 2

2

O

O =

Azot

+

=

.combkg1

NkgM

M

4

yx76,3

m 2NHC

N 2

yx

2

m

mg 2

2

N

N =

Total2222 NOOHCO

mmmmm +++= -

Exemplul numeric E 5.1

Un debit de 0,5 kg/s octan, 188HC , arde cu excesul de aer=1,25 la presiunea de 0,15MPa.S se determine: a) compoziia gazelor arse; b) temperatura punctului de rou a vaporilor deap rezultai din arderea hidrogenului; c) bilanul masic; d) debitul de aer necesar;

Soluie:

a) Folosind formulele din tabelul T 5.1 obinem prin calcul:

==.combkg1

COkmol0701754,0

114

8n 2CO2

=

=.combkg1

OHkmol0789473,0

1142

18n 2OH2

( )

+

= .combkg1Okmol

02741228,0114

4

188125,1

n

2

O2

151


6/28


=

+

=.combkg1

Nkmol515350877,0

114

4

18825,176,3

n 2N2

Numrul total de kilomoli de gaze de ardere este:

+++= 515350877,0027412280,00789473,00701754,0ni

=.combkg1

gazekmol691885857,0

Participaiile molare (sau volumice) sunt:

1014262,0

691885857,0

0701754,0y

2

CO ==

1141045,0691885857,0

0789473,0y OH2 ==

0396196565,0691885857,0

02741228,0y

2O==

7448495612,0691885857,0

515350877,0y

2N==

Pentru verificare, vom face suma fraciilor molare: = 9999999317,0yib) Temperatura punctului de rou a vaporilor de ap provenii din ardere reprezint

temperatura la care acetia condenseaz. Avnd n vedere c gazele de ardere reprezint unamestec de gaze reale, presiunea vaporilor de ap, conform legii lui Dalton, este presiuneaparial a acestora:

017115677,015,0114104514,0pyp OHOH 22 === [MPa]

Din programul APAB, pentru aceast presiune rezult temperatura de condensare:

13,288Tr = [K] 98,14t= [C]

c) Fcnd o comparaie ntre formulele prezentate n tabelele T 5.1 i T 5.2, observmc masele produselor de ardere se pot determina din cantitile molare nmulite cu masamolecular a produsului respectiv:

===.combkg1

COkg0877176,3440701754,0Mnm 2COCOCO 222

=== .combkg1OHkg

4210514,1180789473,0Mnm

2

OHOHOH 222

152


7/28


===.combkg1

Okg87719296,03202741228,0Mnm 2OOO 222

=== .combkg1Okg

42982455,1428515350877,0Mnm 2NNN 222

Suma maselor produselor de ardere este:

=.combkg1

gazekg8157,19mi

Aerul necesar arderii se determin cu relaia din tabelul T 5.2:

=

+=

.combkg1aerkg919956,18

1144

18825,176,4

29l

Bilanul masic n acest caz este:

gazekg8157,19919956,19aerkg919956,18lcombustibikg1 =+

d) Debitul masic de aer pentru arderea a 0,5 kg/s octan este:

==

s

aerkg459,9919956,185,0m

5.1.2 Analiza arderii unui combustibil definit prin compoziia elementar

n instalaiile de ardere industriale sunt utilizai combustibili care au ocompoziie complex. Prin analiza chimic se stabilete compoziia elementar a unuikilogram de combustibil sub forma unor fracii masice.

1zwnoshc =++++++ (5.16)

n relaia (5.16) semnificaia simbolurilor utilizate este urmtoarea:c fracia masic de carbon coninut ntr-un kilogram de combustibil;h fracia masic de hidrogen coninut ntr-un kilogram de combustibil;

s fracia masic de sulf coninut ntr-un kilogram de combustibil;o fracia masic de oxigen coninut ntr-un kilogram de combustibil;n fracia masic de azot coninut ntr-un kilogram de combustibil;w fracia masic de ap coninut ntr-un kilogram de combustibil;

z fracia masic de substane minerale, care formeaz cenua, coninut ntr-unkilogram de combustibil.

Cei mai importani componeni din structura combustibilului - din punct devedere al arderii - sunt carbonul i hidrogenul, deoarece reaciile lor de oxidare

determin cldura degajat n procesul de ardere. Sulful este un element nedorit, el

153


8/28


apare n cantiti mici n anumii combustibili, funcie de locul de extracie al ieiuluidin care s-a fabricat combustibilul. Cantitile de azot, umiditate i substane mineralesunt mici pentru combustibili provenii din petrol. Crbunii au un coninut ridicat desubstane minerale, iar anumii combustibili speciali pe baz de alcooli au un coninut

ridicat de oxigen n molecul.Pentru a determina aerul necesar arderii i structura gazelor arse la uncombustibil cu compoziia (5.16), se utilizeaz reaciile de oxidare a componenilor. Seconsider oxidarea complet a carbonului, hidrogenului i sulfului cu oxigen:

22 CO12

cO

12

cCc + (5.17)

OH2

hO

4

hHh 222 + (5.18)

22 SO32

sO

32

sSs + (5.19)

Coeficienii stoichiometrici au fost alei astfel nct cantitile oxidate dinsubstanele respective s fie c, h i s kilograme. Astfel, n reacia (5.17) s-a avut nvedere c un kilomol de carbon are 12 kg, deci un kilogram de carbon are nevoie de1/12 kilomoli de oxigen. Acest lucru nsemn c c kilograme de carbon vor avea nevoiede c/12 kilomoli de oxigen, iar n final vor rezulta c/12 kilomoli de bioxid de carbon.Un raionament asemntor s-a efectuat i n cazul celorlalte relaii.

Oxigenul minim necesar arderii complete a combustibilului l obinem prinnsumarea oxigenului necesar oxidrii fiecrui component:

++=combkg1

Okmol

32

o

32

s

4

h

12

cO 2immin (5.20)

Dac arderea are loc cu aer, oxigenul reprezint numai 21% din aer, astfel aerulminim necesar arderii complete este:

++== .combkg1aerkmol

32

o

32

s

4

h

12

c

21,0

1

21,0

O

Limmin

Mmin (5.21)

Aerul real al arderii se exprim n funcie de coeficientul de exces de aer:

=.combkg1

aerkmolLL Mmin (5.22)

==.combkg1

aerkgMLMLl aerMminaer (5.23)

154


9/28


Masa produselor de ardere se determin prin nsumarea maselor produselor deardere rezultate la oxidarea fiecrui component al combustibilului. Azotul din gazele deardere i oxigenul n exces se determin funcie de cantitatea total de aer utilizat

pentru ardere. n tabelul T 5.3 sunt prezentate relaiile de calcul pentru cazul arderii unui

combustibil definit prin analiza elementar. Aerul necesar i produsele de ardere suntprezentate n kilomoli de produs pe kilogram de combustibil i n kilograme de produspe kilogram de combustibil.

Tabelul T 5.3

comb.kg1

.substkmol

.combkg1

substkg Fraciamolar

Fraciamasic

Aerul arderiiMminL aerMmin ML - -

Produse de

ardereBioxid decarbon 12

cn

2CO= 222 COCOCO Mnm =

n

ny 2

2

CO

CO = mm

g 22

CO

CO =

Ap

2

hn OH2 =

OHOHOH 222Mnm =

n

ny

OH

OH2

2=

m

mg

OH

OH2

2=

Bioxid desulf 32

sn

2SO= 222 SOSOSO Mnm =

n

ny 2

2

SO

SO =m

mg 2

2

SO

SO =

Oxigen ( ) MminO L121,0n 2 = 222 OOO Mnm =n

ny 2

2

O

O =m

mg 2

2

O

O =

AzotMminN L79,0n 2 = 222 NNN Mnm =

n

ny 2

2

N

N = m

mg 2

2

N

N =Total

22

222

NO

SOOHCO

nn

nnnn

++

++=

22

22

NO

SOHCO

mm

mmmm

++

++=- -

Pentru determinarea cantitilor de carbon i hidrogen, pentru combustibilipetrolieri lichizi de la benzine la pcur, se poate utiliza o relaie empiric pentrudeterminarea compoziiei elementare:

;c1h;74,0d15,0c 1515 =+= (5.24)

n aceast relaie 1515d reprezint densitatea relativ a combustibilului petrolier lichid nraport cu apa, ambele mrimi considerate la 15C.

Exemplu numeric E 5.2

Pentru o motorin cu15

15d =0,84 s se determine: a) aerul masic necesar arderii

complete cu excesul de aer 1,3; b) fracia volumic de bioxid de carbon din gazele de ardere.Soluie:

a) Din formulele (5.20), (5.21) i (5.22) determinm cantitatea de aer. Pentru nceput, cuformula (5.24) stabilim compoziia elementar a motorinei:

155


10/28


134,0866,01h;866,074,084,015,0c ===+=

=

+=.combkg1

aerkmol6541,0

4

134,0

12

866,03,1

21,0

1L

==.combkg1

aerkg969,18296541,0l

b) Gazele de ardere sunt formate din CO2, H2O, O2 i N2. Folosind formulele din tabelulT 5.3, calculm numrul de kilomoli pentru fiecare substan, apoi fracia volumic (care esteidentic cu cea molar) de bioxid ce carbon:

==

.comb.kg1

COkmol072166,0

12

866,0n 2CO2

==.combkg1

OHkmol067,0

2

134,0n 2OH2

( )

==.combkg1

Okmol0412083,06541,013,121,0n 2O2

==.combkg1

Nkmol67176,06541,03,179,0n 2N2

=+++==.combkg1

gazekmol852134,067176,00412083,0067,0072166,0nn i

%468,8r08468,0852134,0

072166,0yr

222 COCOCO====

5.1.3 Determinarea excesului de aer prin analiza gazelor de ardere

Prin proiectarea unui proces de ardere se calculeaz cantitatea de aer real aarderii corespunztoare excesului de aer adoptat i se estimeaz gazele arse ce rezult nurma procesului. Desfurarea real a procesului de ardere este, n general, diferit deaceste valori teoretice calculate. Din aceast cauz, procesele industriale de ardere suntcontrolate i conduse n permanen de instalaii care - din analiza gazelor de ardererezultate - determin aerul real al arderii, l compar cu valorile stabilite n procesul de

proiectare, dup care determin valorile de corecie majore, la care se adaug coreciileminore determinate pentru ncadrarea noxelor n standardele n vigoare.

Procesul real de ardere este un proces dinamic n care parametrii de intrare,cantitatea de aer i de combustibil variaz continuu, deci i gazele arse variaz -

156


11/28


cantitativ i calitativ - astfel nct instalaiile moderne de ardere nu se concep franaliza permanent a gazelor de ardere.

Dup cum am observat, principalii constitueni ai unui combustibil, care prezintinteres n procesul de ardere, sunt carbonul i hidrogenul. Aceste dou elemente au o

comportare diferit fa de oxigen. Astfel, hidrogenul are o afinitate mai mare fa deoxigen, lucru care face ca totdeauna acesta s se oxideze complet. Carbonul are oafinitate mai mic fa de oxigen, lucru care poate conduce - n procesele reale de ardere- la oxidarea incomplet a carbonului, fapt ce determin apariia n gazele de ardere amonoxidului de carbon, CO .

Chiar dac arderea se produce cu exces de aer, imperfeciunile ce apar nrealizarea unui amestec omogen aer - combustibil, datorate intensitii mari a turbuleneidin focar, conduc la apariia n gazele de ardere a monoxidului de carbon.

COO2

1C 2 + (5.25)

Din reacia de oxidare a carbonului la monoxid de carbon (5.25) observm c unkilomol de carbon are nevoie de 0,5 kilomoli de oxigen i rezult un kilomol demonoxid de carbon.

Considerm relaia general de ardere a unei hidrocarburi de tipul yxHC cu

excesul de ardere , n care n gazele de ardere apare i monoxidul de carbon. Notm curfracia de carbon care se oxideaz la monoxidul de carbon i o definim astfel:

COCO

CO

nn

nr

2

+= (5.26)

Cu aceast notaie, reacia general de ardere este:

( ) ( ) ++++

+

+ OH

2

yCOxrCOxr1N76,3O

4

yx

2

r1HC 2222yx

( ) 22 N4

yx

2

r176,3O

4

yx

2

r11`

+

+

+

(5.27)

Prin msurarea gazelor de ardere se poate determina excesul de aer. Se considercunoscut combustibilul (valorile x i y) i se noteaz cu a cantitatea de monoxid decarbon din gazele de ardere, iar cu b cantitatea de oxigen din gazele de ardere. Utilizndcoeficienii stoichiometrici din relaia (5.27), putem scrie:

axr = (5.28)

( ) b4

yx

2

r11 =

+

(5.29)

157


12/28


Din rezolvarea sistemului format din (5.28) i (5.29), avnd n vedere c valorilea, b sunt cunoscute din msurarea gazelor arse, iar valorile x, y sunt cunoscute dinanaliza combustibilului, rezult:

1

4

yx

x2

a1

b ++

= (5.30)

n cazul general, din analiza gazelor de ardere uscate - adic fr vaporii de approvenii din arderea hidrogenului - se determin, prin msurtori, valorile urmtoarelorfraciilor molare / volumice:

2COy , COy i 2Oy .

Cantitatea de azot din gazele de ardere rezult prin diferen:

222 OCOCON

yyy1y ++= (5.31)

Cantitatea de oxigen intrat n ardere este2N

y79

21. Deoarece coeficientul de

exces de aer are drept referin arderea stoichiometric - adic arderea complet cuoxigenul minim necesar acestei reacii - n cazul cnd apare CO , monoxidul de carbon,n gazele de ardere, acesta indic o ardere incomplet. Oxigenul n exces din gazele deardere, fa de oxigenul teoretic al arderii stoichiometrice este COO y5,0y 2 . Pentruarderea complet, trebuie s scdem din oxigenul rmas n gazele de ardere oxigenulnecesar oxidrii complete a monoxidului de carbon.

Excesul de aer, cu notaiile de mai sus, are expresia:

( )

222

2

COON

N

y5,0yy79

21

y79

21

= (5.32)

5.2 Analiza energetic a procesului de ardere

Cantitile de substane implicate n procesul de ardere aduc cu ele o anumitcantitate de energie. Chiar n timpul reaciei de ardere se degaj o important cantitate

de cldur pe care o poart produsele de ardere.

Fig. 5.1

158


13/28


De cele mai multe ori, procesele de ardere se desfoar n spaii denumitecamere de ardere. Aici este introdus aerul de ardere i combustibilul, iar n urmareaciei de ardere rezult produsele de ardere. Pe lng energiile purtate de aer,

combustibil i produsele de ardere, mai putem evidenia cldura degajat n reacia deardere i eventual lucrul mecanic produs datorit variaiei volumului gazelor de ardere.Relaia primului principiu al termodinamicii, n acest caz, este:

PtR HLHQ +=+ (5.33)n relaia de mai sus, cu RH s-a notat entalpia reactanilor (substanele care intr

n reacie), iar cu PH s-a notat entalpia produselor de ardere. Detaliind entalpiile de maisus:

jPjt

Rii hnLhnQ +=+ (5.34)

5.2.1 Entalpia de formare

Vom considera o reacie simpl, prin care carbonul se oxideaz la bioxid decarbon: 22 COOC + (5.35)

Pentru a putea evalua energiile implicate n aceast reacie, se consider o stare

de referin definit de parametrii p0 = 0,1MPa i t0 = 25 C, pentru care entalpiilereactanilor i a produselor de ardere sunt considerate nule.

Relaia (5.34) particularizat pentru acest caz este:

22 CO T,p0CO

0,f

O

T,p0

C

T,p0 hhhhQ +=++ (5.36)

n relaia de mai sus s-a notat cu 2CO

0,fh entalpia de formare a bioxidului de

carbon, considerndu-se starea de referin starea 0 definit anterior. Valorileentalpiilor de formare se gsesc n tabelul din Anexa 3. Variaiile de entalpie alereactanilor i ale produselor de ardere se pot calcula utiliznd relaiile din Anexa 4.

Considernd c reactanii au parametrii strii de referin i c produsele deardere sunt rcite pn la aceast stare, relaia (5.36) devine:

522.393hQ 2CO

0,f == [kJ] (5.37)

Entalpia bioxidului de carbon n alt stare, caracterizat de parametrii p i T, sedetermin astfel:

222CO

T,p0

CO

0,f

CO

T,p hhh += (5.38)

Relaia (5.38) reprezint modul de calcul al entalpiei unei substane ntr-o starede parametriip, T n raport cu starea de referin 0.

159


14/28


5.2.2 Determinarea temperaturii de ardere

O mrime important a proceselor de ardere o reprezint temperatura produselor

de ardere, denumit i temperatura flcrii. Pentru a determina pe cale teoretic aceastmrime, se fac urmtoarele ipoteze:- se consider c arderea are loc ntr-un volum de control, fr pierderi de

cldur ctre exterior. Aceast ardere teoretic se mai numete ardereadiabat, iar temperatura de ardere - n aceste condiii - se numetetemperatura adiabat a flcrii;

- reactanii se consider n starea de referin 0, deci entalpiile purtate deacetia sunt nule;

- reacia de ardere este izobar, ea are loc la presiuneap0 = 0,1MPa;Avnd n vedere ipotezele de mai sus, rezult c produsele de ardere vor avea o

temperatur mai mare dect temperatura reactanilor (T0). Aceasta reprezint

temperatura adiabat a flcrii.Bilanul energetic, n ipotezele de mai sus, este reprezentat de egalitatea

entalpiilor reactanilor i a produselor de ardere:

( ) ( ) +=+P

T,p00,f

R

T,p00,f hhhh (5.39)

Considernd pentru reactani starea de referin 0, relaia de mai sus sesimplific:

( ) ( )

+= PT,p00,f

R0,f

hhh

(5.40)

Relaia (5.40) reprezint o ecuaie n care necunoscuta este temperatura. Prinrezolvarea ei se determin temperatura adiabatic a flcrii.


Octanul ( 188HC ), n faz lichid, este ars n aer cu un exces = 4. Octanul i aerul se

consider la temperatura de 25C. S se determine temperatura adiabatic a flcrii.

Soluie:Reacia de ardere a octanului cu excesul de aer din problem este:

( ) +

+++

++ 222188 O

4

18814OH

2

18CO8aer76,4

4

1884HC

2N76,32

1884

+

Considernd entalpiile aerului i a octanului nule n starea de referin, ecuaia de bilan

energetic este:

160


15/28


( ( 222222188 O T0O

T0

OH

T0

OH

f

CO

T0

CO

f

HC

f h188h5,37hh9hh8h +++++=

Din Anexa 4 se observ c entalpiile de formare pentru oxigen i azot sunt nule.Variaia entalpiilor produselor de ardere se exprim funcie de temperatur, utiliznd relaiile din

Anexa 4. Vom prezenta modul de calcul al variaiei entalpiei bioxidului de carbon, celelaltecalcule fiind asemntoare.Expresia cldurii izobare molare a bioxidului de carbon, conform Anexei 4, este:

( ) 25,0COp

024198,01034,4529,307357,3C2

++=

( )100

T

100

298

325,1T

298

p

CO

T2983

024198,0

2

1034,4

5,1

529,307357,3dC100h 2

+

+==

Prelucrnd asemntor celelalte variaii de entalpie ale produselor de ardere, introducndu-le n

ecuaia de bilan termic, rezult o ecuaie n T:

( ) ( ( ++ OH

T298

CO

T29822 h2418269h3935228250150

0h5,37h5,37 22N

T298

O

T298 =

Ecuaia de mai sus se rezolv numeric. Se caut valorile lui T pentru care expresia schimbsemnul.

T Val. Ecuaie

950 91175

960 9140

970 -73039. .

961 928.75

962 -7284.2Din datele de mai sus putem aprecia ca valoare a temperaturii adiabate a flcrii T=961,5[K]

O mrime important o constituie entalpia de reacie sau cldura de reacie.Aceasta se obine fcnd diferena dintre entalpiile produselor de ardere i entalpiareactanilor:

( ) ( )j

T0

j

f

P

j

i

T0

i

f

R

iRP hhnhhnh ++= (5.41)

Dac se consider c reactanii si produsele de ardere sunt la starea de referin(0,1MPa, 25C), relaia (5.49) sufer o simplificare important:

j

f

P

j

i

f

R

iRP hnhnh = (5.42)

n tehnic, aceast mrime se numete putere caloric, se noteaz cuHi este dedou feluri: superioar i inferioar. Dac apa din produsele de ardere este sub form de

vapori, valoarea puterii calorice este mai mic, ea se noteaz cu indicele i, adicHi. n

161


16/28


cazul cnd vaporii de ap provenii din arderea hidrogenului sunt n stare lichid,mrimea se numete putere caloric superioar i se noteaz cu indicele s, adicHs.


S se determine entalpia de reacie pentru gazul metan n dou cazuri: a) apa rezult n starede vapori (Hi puterea caloric inferioar); b) apa rezult n stare lichid (Hs puterea caloricsuperioar).

Soluie:Reacia de oxidare a metanului este:

OH2COO2CH 2224 ++Aplicm relaia (5.42):

422CH

f

OH

f

CO

fRP hh2hh +=

Din Anexa 3 alegem entalpiile de formare.

a) pentru cazul cnd apa rezult sub form de vapori:

( ) ( ) ( )

=+=kmol

kJ802301748732418262393522hRP

==

kg

kJ8,50143

16

802301Hi

b) pentru cazul cnd apa rmne n stare lichid:

( ) ( ) ( )

=+=kmol

kJ890309748732858302393522hRP

==

kg

kJ31,55644

16

890309Hs

5.3 Analiza arderii n cazul procesului de combustie subteran

Combustia subteran este un procedeu termic de recuperare secundar a ieiului.Conform acestui procedeu, stratul productiv este aprins, apoi se injecteaz aer pentruntreinerea arderii. Sondele n jurul crora se aprinde stratul, apoi se injecteaz aer, senumesc sonde de injecie. Sondele prin care se extrag produsele din strat se numesc

sonde de reacie.n urma aprinderii stratului i a injeciei continue de aer se formeaz frontul de

combustie; acesta mpinge fraciile nearse ale petrolului ctre sondele de reacie.Fraciile mai grele de hidrocarburi se transform - ca urmare a temperaturii ridicate din

faa frontului de ardere - ntr-un precipitat crbunos, cu un coninut redus de hidrogen

162


17/28


(ca urmare a unor reacii de piroliz de tipul dehidrogenrii). Acest precipitat este numitde obicei, n mod impropriu, cocs. Cocsul este ars, n prezena oxigenului din gazulinjectat, constituind carburantul procesului de combustie direct. Zona splat de frontulde combustie (zona ars) nu va mai conine compui organici.

De-a lungul unui profil vertical, trasat de la sonda de injecie ctre cea de reacie,se separ - n mod convenional - patru zone principale, numerotate n ordinecresctoare din amonte spre aval (fig. 5.2).

Zona 1 este zona ars, n care aerul injectat se prenclzete la contactul cumatricea rocii, recupernd o mic parte din cldura rezidual a combustiei; aceast zonconstituie, deci, un fel de schimbtor de cldur, a crui temperatur scade spre amonte.

Fig. 5.2

Zona 2 este zona de combustie, unde cocsul arde n prezena oxigenului coninutde aerul injectat; temperatura atins aici este dependent, n mod esenial, de natura ide ponderea diferitelor substane solide, lichide i gazoase prezente n mediul poros.

Zona 3 este zona de formare a cocsului, n care fraciile mai grele dehidrocarburi, care nu au fost nici dezlocuite i nici vaporizate, sufer un proces de

piroliz sau un proces combinat de piroliz i oxidare, dac n zona de combustie 2 nu afost consumat integral oxigenul coninut n gazul injectat.

Zona 4 este zona n care temperatura este suficient de sczut nct s nu maiaib loc reacii chimice. Aceast zon este splat de ctre gazele arse i de ctre

163


18/28


fluidele dezlocuite. n funcie de fenomenele care se produc, se pot separa dousubzone:

4.1. subzona din vecintatea zonei 3, n care are loc un fenomen combinat devaporizare-recondensare a fraciilor uoare ale petrolului, precum i a apei din

formaiune. Tot n aceast subzon condenseaz i apa rezultat din reaciile decombustie. Fenomenul de vaporizare-condensare accelereaz transferul de cldur ctreaval, n faa frontului de combustie.

4.2. subzona din aval, n care temperatura este mai sczut dect cea decondensare a apei. n aceast subzon se constat existena unui banc de ap, a cruisaturaie este mai mare dect cea iniial a zcmntului. n faa acestei subzone apareun banc de petrol, cu saturaia sp > spi. Domeniul ocupat de bancul de ap i de cel de

petrol constituie o zon cu gradieni mari de presiune, mai ales dac petrolul este foartevscos. La o distan mai mare fa de sonda de injecie, caracteristicile mediului porosrevin treptat la valorile iniiale.

n cazul procesului de combustie subteran, datorit imposibilitii realizrii

unui amestec omogen ntre aer i combustibil, vom avea ntotdeauna de-a face cu oardere incomplet, lucru ce va determina apariia n gazele de ardere a monoxidului decarbon (CO ). Avnd n vedere c ieiul reprezint un amestec de hidrocarburi, reaciageneral de ardere este reprezentat de ecuaia (5.27), la care se introduce notaia:

y

xXCH = (5.43)

Cu r s-a notat fracia monoxidului de carbon din gazele de ardere definit derelaia (5.26):

COCO

CO

nn

nr

2+

= (5.44)

CHX reprezint raportul ntre numrul de atomi de hidrogen i numrul de atomide carbon ai combustibilului. Cu aceast notaie, ecuaia (5.27) devine:

( ) ( ) ++++

+

+ OH

2

XCOrCOr1N76,3O

4

X

2

r1CH 2

CH222

CHXCH

( ) 2CH

2CH N

4

X

2

r176,3O

4

X

2

r11`

+

+

+

(5.45)

Parametrii acestei reacii de ardere se definesc experimental, prin realizareacombustiei unei probe de zcmnt, n laborator. Din analiza gazelor de ardere rezultatese determin parametrul CHX ce caracterizeaz combustibilul. Pe baza acestei valori ia reaciei (5.44) se determin aerul necesar combustiei, un parametru important pentru

proiectarea exploatrii.Cantitatea molar de aer necesar arderii unui kilogram de combustibil este:

164


19/28


+=

.combkg1

aerkmol

4

Xr176,4L CH (5.46)

Cantitatea masic de aer necesar arderii unui kilogram de combustibil este:

+

=.1

4176,4

combkg

aerkgM

M

Xr

l aerCH

CH

CHX

(5.47)

5.4 Controlul arderii i poluarea

n urma reaciilor de ardere, pe lng efectul favorabil - obinerea cldurii

necesare producerii de lucru mecanic sau utilizrii n alte procese - sunt eliminate natmosfer gazele arse. Dintre acestea, o parte sunt nocive, de aceea eliminarea lor natmosfer este reglementat de norme care, de la an la an, devin mai restrictive.Controlul noxelor (componentelor nocive din gazele de ardere) i meninerea lor nlimitele prescrise se realizeaz printr-o monitorizare permanent a gazelor arse, nfuncie de care se realizeaz, automat, reglarea parametrilor arderii.

Numrul mare de autovehicule propulsate de motoare otto sau diesel, carecircul la ora actual, constituie unul din principalii factori poluani. Structura noxelor

pentru motoarele cu aprindere prin scnteie este prezent n figura 5.3:

Fig. 5.3

Observm c noxele motoarelor otto sunt alctuite din hidrocarburi nearse, oxidde azot i monoxid de carbon. Datorit temperaturilor mari din timpul arderii, o mic

parte din azotul din aer se oxideaz i apare n gazele de ardere sub form de oxizi deazot.

La motoarele diesel, structura noxelor (fig. 5.4) ne arat c acestea sunt alctuitedin dioxid de sulf (datorat oxidrii sulfului coninut de combustibil), hidrocarburinearse, monoxid de carbon i oxizi de azot. Se mai remarc i cantitatea de zece ori maimare de particule solide n cazul motoarelor diesel, comparativ cu motoarele otto.

Componenta principal a particulelor se situeaz n clasa de mrime 0,10,3 m.

165


20/28


Deoarece particulele pot intra n plmni, exist suspiciunea existenei pericolului dembolnvire cu cancer. Testele pe animale, cu diferite concentraii ale noxelor existenten gazele de ardere, au relevat influene cancerigene.

La motoarele diesel, particulele formeaz fumul; acesta deranjeaz prin miros i

ngreunarea vizibilitii. Fumul vizibil trebuie evitat, de regul, n toate regimurile defuncionare.

Fig. 5.4

5.4.1 Formarea i caracteristicile componentelor gazelor de ardere

n figura 5.5 este prezentat evoluia componentelor gazelor de ardere funcie deexcesul de aer. Se remarc o puternic influen a excesului de aer asupra gazelor de

ardere. Acest lucru duce la concluzia c un control riguros al aerului de ardere permitencadrarea noxelor n anumite valori.n continuare, se vor prezenta pentru fiecare component din gazele de ardere

caracteristicile, modul de formare i factorii care l influeneaz.

5.4.1.1 Monoxid de carbon (CO)

Monoxidul de carbon este un gaz fr culoare i fr miros. Acesta se depune pehemoglobina din snge mai bine dect o face oxigenul, ducnd la intoxicaii.

Monoxidul de carbon ia natere n principal la lipsa de aer ( < 1), adic la un

amestec bogat, atunci cnd sistemul de alimentare modific raportul aer - combustibilastfel nct cantitatea de aer real a arderii scade sub cea stoichiometric. n cazul uneicantiti de combustibil mai mici, adic la un excedent de aer ( > 1), deci un amestecsrac, concentraia de CO din gazele de eapament depinde de distribuia neomogen acombustibilului n camera de ardere i de oscilaiile din compoziia amestecului de la unciclu la altul.

n zona amestecurilor bogate (aer mai puin dect cel stoichiometric), formareadeCO scade aproape liniar cu creterea lui (figura 5.4). n zona amestecurilor srace(la un excedent de aer), formarea de CO este foarte mic i aproape independent de .La o valoare = 1, emisiunea de CO depinde de distribuia uniform a combustibiluluila fiecare cilindru n parte.

166


21/28


Adaptarea exact, n permanen, a raportului aer-combustibil i a reglajuluiinstalaiei de aprindere la motoarele otto a dus la scderea drastic a emisiunii demonoxid de carbon. Astzi, pentru motoarele moderne, procentul de CO din gazele deardere este mai mic de 1,5%.

Fig. 5.5

5.4.1.2 Hidrocarburi (HC)

Acest paragraf se refer la hidrocarburile nearse ce apar n gazele de ardere;

pentru uurina expunerii, ele au fost denumite prescurtat hidrocarburi.Lipsa de aer ( < 1) duce, la fel ca la monoxidul de carbon, la o ardereincomplet i deci la hidrocarburi nearse i arse parial. n zona > 1,1 concentraia dehidrocarburi crete datorit unei arderi proaste.

Producerea de hidrocarburiprezint, la o valoare = 1, un minim. n zonaamestecurilor bogate, emisiunea de hidrocarburi crete deoarece nu pot fi arse toatehidrocarburile, pentru c lipsete oxigenul necesar; iar n zona amestecurilor srace,neomogenitile locale si turbulena din camera de ardere favorizeaz producerea dehidrocarburi.

O cantitate mare de hidrocarburi nearse n gazele de eapament pot fi cauzat de:reglarea greit a aprinderii, bujii ancrasate, fiele de bujii prezint ntreruperi, rateuri

ale instalaiei de aprindere, sistem de aspiraie neetan, neetaneitatea cilindrului sau

167


22/28


injectoare mbcsite. O alt cauz poate fi i un consum mare de ulei.O aerisire neetan a carterului motorului (legtur spre conducta de aspiraie

sau filtru de aer) duce la emisii de hidrocarburi n atmosfer.

5.4.1.3 Oxizi de azot (Nox)

Temperatura i presiunea ridicat n timpul arderii duc la oxidarea unei pri aazotului existent n amestec. Pe lng oxidul de azot NO se mai gsesc, n cantiti maimici, bioxid de azot NO2 i azotat N2O. NO este un gaz incolor, care n aer se oxideazformnd NO2. NO2 este un gaz de culoarea ruginii, cu un miros neptor. Irit plmnii

prin atacarea esuturilor i este cunoscut drept nox puternic pentru snge.Producerea deNOx atinge un maximul pentru = 1,051,1 i scade att n

zona amestecurilor bogate, ct i n zona amestecurilor srace. Acest proces depinde detemperatura din camera de ardere, care este maxim pentru valoarea = 1 i scade nambele sensuri.

5.4.1.4 Bioxidul de carbon (CO2)

Bioxidul de carbon se obine la arderea carbonului. Att oamenii, ct ianimalele, expir CO2. Nu este vorba de un gaz duntor sntii.

Creterea concentraiei bioxidului de carbon din atmosfer se numr printrecele mai importante cauze pentru efectul de ser. Aceast cretere este cauzat dearderea combustibililor de ctre industrie, gospodriile particulare, traficul rutier, dar ide tierea copacilor. Procentul de bioxid de carbon datorat traficului rutier este estimat

la 10-15%. Pe lng reducerea noxelor propriu-zise, mai exist i sarcina de a menineconsumul de combustibil ct mai mic cu putin, deoarece emisiile de CO2 laautovehicule sunt proporionale cu consumul de combustibil.

5.4.1.5Oxigenul

Oxigenul (O2) apare n gazele de eapament n cazul cnd excesul de aer estesupraunitar (>1), deci la un amestec srac. La depirea valorii = 1 se remarc ocretere clar a procentajului de O2. Concentraia de oxigen, mpreun cu maximul

bioxidului de carbon, este un indicator pentru trecerea de la zona amestecurilor bogate

la zona amestecurilor srace. Mai poate fi, ns, i un indiciu pentru zone neetane nsistemul de aspiraie i de evacuare sau rateuri (ntreruperi n procesul de ardere).

5.4.1.6Bioxid de sulf (SO2)

Sulful arde mpreun cu oxigenul din aer i formeaz bioxidul de sulf (SO2). ncontact cu apa se formeaz acid sulfuros, proces cunoscut sub denumirea de ploaieacid, care este nociv pentru mediu. Sulful exist n cantitate mic n combustibil, mai

puin n benzin dect n motorin.

168


23/28


5.4.1.7Fum / particule / negru de fum

Particule de negru de fum iau natere n mod special la arderile care au loc nmotoarele diesel; aceste particule sunt formate n principal din atomi de carbon. Prin

experiene pe animale s-a determinat faptul c aceste particule sunt cancerigene.Alte componente solide sunt: sulful, funinginea i particulele rezultate n urmafrecrii. Toate bucelele solide din gazele de ardere formeaz fumul, respectiv

particule.

5.4.2. Utilizarea catalizatorului pentru combaterea noxelor

n prezent, cel mai utilizat catalizator este catalizatorul cu trei ci saucatalizatorul selectiv. El s-a dovedit a avea cele mai bune performane n tratareagazelor de ardere la motoarele Otto. Condiia pentru realizarea acestui lucru este o

reglare lambda cu o valoare nominal 1. Acest concept este folosit pentruncadrarea valorilor noxelor n limitele impuse, reuind s satisfac cele mai severenorme.

Fig. 5.6

1 Pregtire amestec; 2 Catalizator trei ci NOx, HC, CO; 3 Sond lambda;

4 Aparat de comand electronic;

Procesele de oxidare i reducere a componentelor gazelor de ardere, n acestcatalizator, sunt:

OH2

yCOxO

4

yxHC 222yx +

++

22 CO2OCO2 + OH2OH2 222 + 22 CO2NCO2NO2 ++

OH2NH2NO2 222 ++

169


24/28


Din punct de vedere constructiv, catalizatorii actuali sunt monoliii ceramici imetalici. Acetia au un strat din oxid de aluminiu care mrete suprafaa eficient acatalizatorului cu un factor de cca. 7000. Stratul catalitic este format, la catalizatorii de

oxidare, din metalele preioase (platin i paladiu), la catalizatorii cu trei ci - dinplatin i rodiu. Platina accelereaz oxidarea hidrocarburilor i a monoxidului decarbon, rodiu duce la reducerea oxizilor de azot. Coninutul de metale preioase dintr-uncatalizator este de cca. 2-3 grame.

Dou condiii au o nsemntate special pentru folosirea catalizatorilor: Motorul trebuie alimentat cu benzin fr plumb. Combustibilul cuplumb otrvete stratul de metal preios al catalizatorului i duce n scurt timpla incapacitatea de lucru irevocabil a sistemului.

Pentru obinerea raportului optim de aer necesar procesului detransformare din catalizator, amestecul aer-combustibil va trebui msurat exactcu o sond lambda i va trebui reglat n jurul valorii lambda = 1.

Temperatura de funcionare joac la catalizator un rol important. Condiiile defuncionare ideale pentru o durat lung de via sunt asigurate n zona de temperaturcuprins ntre cca. 400C - 700C, unde mbtrnirea termic este sczut. Dac sedepesc 1000C, mbtrnirea termic se accentueaz foarte mult, pn la distrugereacatalizatorului.

Datorit rateurilor n funcionare ale motorului, cum ar fi de exemplu rateuri naprindere, temperatura catalizatorului crete la peste 1400C. Astfel de temperaturi ducla distrugerea n ntregime a catalizatorului prin topirea materialului suport. Pentru aevita acest lucru, trebuie ca n special sistemul de aprindere al autovehiculelor cucatalizator s funcioneze cu foarte mare siguran i fr ntreinere, lucru asigurat dectre sistemele electronice.

Supravegherea funcionrii catalizatorului se realizeaz cu sonde lambda.

Fig. 5.7

1 Electrod (+) 4 Racord electric

2 Ceramic special 5 eav de protecie (partea expus la gazele de ardere)

3 Carcas 6 Electrod (-)

170


25/28


n figura 5.7 este prezentat schematic o sond lambda. La o astfel de sond,ntre cei doi electrozi ia natere o tensiune electric ce poate fi folosit drept unitate demsur pentru coninutul de oxigen din gazele de ardere.

Sonda lambda se caracterizeaz prin faptul c indic modificrile din compoziia

amestecului n zona = 1,0 0,02, adic n zona de limit ntre amestecuri bogate iamestecuri srace. Aceast indicare se face printr-o modificare rapid a tensiunii (fig5.8).

Modificarea considerabil a tensiunii poate fi folosit pentru dirijarea sistemuluide formare a amestecului. Sonda ncepe s lucreze abia de la o temperatur de cca.300C, dar temperatura optim de lucru se situeaz la cca. 600C. Pentru atingerearapid a unui timp de reacie la o temperatur constant, se folosesc des sonde nclziteelectric.

Fig. 5.8

n cazul n care compoziia amestecului deviaz de la valoarea stabilit, acestlucru va fi recunoscut de ctre sonda lambda n baza restului de oxigen din gazele deardere. Valoarea respectiv a tensiunii este transmis aparatului electronic de comand

pentru prepararea amestecului. Aparatul de comand va corecta doza de combustibil.Dac n gazele arse nu exist oxigen, nseamn c amestecul injectat este prea bogat,drept urmare aparatul de comand va micora cantitatea injectat. Dac sonda determin- dup un anumit timp - oxigen n gazele de ardere, se va mri cantitatea injectat. nacest fel, amestecul va oscila n jurul valorii stoichiometrice (=1). Frecvena de reglareeste condiionat de timpul pe care gazul l parcurge de la camera de ardere i pn lasonda lambda i este, la ralanti, de cca. 0,5 Hz. Frecvena de reglare este mai mare odatcu creterea turaiei.

Modul de lucru al sondei lambda reprezint un exemplul clasic al unei reglri nbucl a amestecului funcie de oxigenul din gazele de ardere.

Pe lng funcia de reglare a amestecului aer-combustibil, sondele lambda se

mai utilizeaz pentru supravegherea catalizatorului. n figura 5.9 este prezentat schema

171


26/28


de montare a sondelor lambda .Prima sond lambda, plasat n faa catalizatorului, este utilizat pentru reglarea

amestecului aer-combustibil, iar cea de-a doua - plasat dup catalizator -supravegheaz funcionarea acestuia.

Calitatea unui catalizator depinde mult de capacitatea de utilizare a oxigenuluidin gazele arse pentru oxidarea noxelor. Acest lucru este folosit pentru determinarearandamentului catalizatorului. Pentru msurarea randamentului, se monteaz o a douasond lambda, dup catalizator.

Fig. 5.9

1 Aparat de comand; 2 Sond lambda naintea catalizatorului;3 Sond lambda dup catalizator; 4 Catalizator;

Tensiunea sondei lambda plasat n faa catalizatorului este prezentat cu liniecontinu n figura 5.10, iar tensiunea sondei lambda plasat dup catalizator este

prezentat cu linie ntrerupt (fig. 5.10).Se observ c amplitudinea oscilaiilor tensiunii sondei lambda plasat dup

catalizator este redus datorit scderii cantitii de oxigen, determinat de utilizareaacestuia n catalizator.

Fig. 5.10

172


27/28


Randamentul catalizatorului se calculeaz din diferena amplitudinii oscilaiilorsondelor lambda. n timp, datorit mbtrnirii catalizatorului, acesta i pierdecapacitatea de a utiliza oxigenul din gazele arse, astfel nct amplitudinea semnaluluisondei lambda plasat dup catalizator (reprezentat cu linie punctat n fig. 5.10)

devine comparabil cu amplitudinea semnalului sondei lambda plasat n faacatalizatorului (reprezentat cu linie continu, fig. 5.10). n acest caz, diferena dintreamplitudinile celor dou semnale se anuleaz, deci randamentul catalizatorului tinde lazero.

Catalizatorul cu trei ci ofer posibilitatea, n conlucrare cu reglarea lambda, adiminurii emisiilor de noxe, la valori prin care se pot respecta cele mai severeregulamente referitoare la gazele de eapament. n interiorul zonei de reglare lambdasunt sczute toate cele trei componente de noxe CO, HC i NOx.

5.4.3 Reducerea noxelor prin recircularea gazelor arse

Recircularea gazelor de ardere const n amestecarea unei cantiti din gazelearse cu aerul aspirat de motor la anumite regimuri de funcionare, pentru a scdeatemperatura maxim de ardere, deci pentru diminuarea emisiunii NOx.

Fig. 5. 11

173


28/28


1 Traductor electro - pneumatic; 2 Gaze arse; 3 Ventil recirculare;

4 Aparat de comand; 5 Turaie; 6 Presiune aspiraie; 7 Temperatur;

8 Dispozitiv de msurare a masei de aer;

Comanda sistemului se face n funcie de cantitatea de aer, poziia clapetei deacceleraie (sarcina), depresiunea conductei de aspiraie sau cea a contra-presiunii eviide eapament i turaie.

Recircularea se realizeaz la regimurile de ralanti si sarcini pariale pn la ~5%.

Debitul de gaze arse recirculate este: la autovehiculele pe benzin: pn la 10%, la autovehiculele pe motorin: pn la 20%.

Aceast metod de reducere a oxizilor de azot s-a generalizat pe toate tipurile demotoare. Ea este eficient n special la circulaia n aglomerrile urbane.

Se observ c acest procedeu permite eliminarea oxizilor de azot numai la

anumite regimuri ale motorului (ralanti i sarcini pariale); sistemul de recirculare nufuncioneaz la repriz i la sarcini ridicate ale motorului. Din anul 1996, normelerestrictive adoptate de SUA, Comunitatea European, Japonia, etc. au impus utilizareacatalizatorului i la motoarele diesel, pentru a permite eliminarea noxelor la toateregimurile.

174

Date post:	04-Apr-2018
Category:	Documents
Upload:	sultanu89
View:	217 times
Download:	0 times

Termodinamica_Arderii

Documents