cap2 arzatoare

24
1 Cap. 2 AUDITUL ENERGETIC AL INSTALAŢIEI DE ARDERE A COMBUSTIBILULUI Instalaţia de ardere a combustibilului este specifică atât tipului de combustibil cât şi sortului de combustibil utilizat Auditul energetic al instalaţiei de ardere este operaţiuunea cea mai importantă din cadrul auditului unei centrale termice, deoarece funcţionarea energetic şi ecologic corectă a instalaţiei de ardere nu depinde numai de calitatea sa constructivă ci, în aceiaşi măsură, de corectitudinea reglajelor în exploatare. Cunoaşterea combustibilului este o primă etapă pentru cunoaşterea particularităţii procesului de ardere şi de comportare a ansamblului instalaţiei de ardere. COMBUSTIBILI In definirea combustibilului intră următoarele caracteristici: - categoria de combustibil, conform standardelor europene şi române (SR-EN), având un cod de recunoaştere care defineşte complet o clasă de combustibili cu aceleaşi proprietăţi de ardere; - compoziţia chimică a combustibilului, din care se deduc principalii parametri în procesul de ardere: - volumul stoichiometric de aer necesar arderii V 0 (m 3 N /kg sau m 3 N de combustibil); - volumul stoichiometric de gaze de ardere rezultate din procesul de arderei V g0 ; - volumul de CO 2 rezultat din arderea unităţii de combustibil V CO2 ; - volumul de H 2 O rezultat din arderea unităţii de combustibil V H2O ; - puterea calorică inferioară a combustibilului Hi (kJ/ kg sau m 3 N de combustibil); - valoarea CO 2max = V CO2 / (V g0 – V H2O ) = V CO2 / (V g0usc ) – cifră caracteristică necesară determinării excesului de aer din procesul de ardere prin măsurarea concentraţiei de CO 2 sau de O 2 în gazele de ardere: α = CO 2max / CO 2 . α = 21 / (21 – O 2 ) Combustibilii utilizaţi la centrale termice definiţi conform SR-EN sunt următorii: Combustibil gazos NE - tip 20 - GN 30 - GPL 31 - Propan Butan gaz natural gaz lichefiat propan butan compoziţie % CH4 = 98 C2H6 = 1,5 N2 = 0,5 C3H8 = 50 C4H10 = 50 C3H8 = 100 C4H10 = 100 Vo [Nmc/Nmc] 9,58 27,37 23,8 30,94 Vgo [Nmc/Nmc] 10,74 30,06 26,18 33,94 VCO2 [Nmc/Nmc] 1,01 3,5 3 4 VH2O [Nmc/Nmc] 2,16 4,94 4,38 5,49 Hi [kJ/Nmc] 36090 104820 92140 118400 CO2max[VCO2/Vgusc] 11,77 13,93 13,76 14,06

Upload: sophie14

Post on 19-Dec-2015

71 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

Arzatoare

TRANSCRIPT

Page 1: cap2 Arzatoare

1

Cap. 2 AUDITUL ENERGETIC AL INSTALAŢIEI DE ARDERE A COMBUSTIBILULUI

Instalaţia de ardere a combustibilului este specifică atât tipului de combustibil cât şi sortului de combustibil utilizat

Auditul energetic al instalaţiei de ardere este operaţiuunea cea mai importantă din cadrul auditului unei centrale termice, deoarece funcţionarea energetic şi ecologic corectă a instalaţiei de ardere nu depinde numai de calitatea sa constructivă ci, în aceiaşi măsură, de corectitudinea reglajelor în exploatare. Cunoaşterea combustibilului este o primă etapă pentru cunoaşterea particularităţii procesului de ardere şi de comportare a ansamblului instalaţiei de ardere. COMBUSTIBILI In definirea combustibilului intră următoarele caracteristici:

- categoria de combustibil, conform standardelor europene şi române (SR-EN), având un cod de recunoaştere care defineşte complet o clasă de combustibili cu aceleaşi proprietăţi de ardere;

- compoziţia chimică a combustibilului, din care se deduc principalii parametri în procesul de ardere:

- volumul stoichiometric de aer necesar arderii V0 (m3N /kg sau m3

N de combustibil); - volumul stoichiometric de gaze de ardere rezultate din procesul de arderei Vg0 ; - volumul de CO2 rezultat din arderea unităţii de combustibil VCO2 ; - volumul de H2O rezultat din arderea unităţii de combustibil VH2O ; - puterea calorică inferioară a combustibilului Hi (kJ/ kg sau m3

N de combustibil); - valoarea CO2max = VCO2 / (Vg0 – VH2O) = VCO2 / (Vg0usc) – cifră caracteristică necesară

determinării excesului de aer din procesul de ardere prin măsurarea concentraţiei de CO2 sau de O2 în gazele de ardere: α = CO2max / CO2 . α = 21 / (21 – O2)

Combustibilii utilizaţi la centrale termice definiţi conform SR-EN sunt următorii: Combustibil gazos NE - tip 20 - GN 30 - GPL 31 - Propan Butan gaz natural gaz lichefiat propan butan compoziţie % CH4 = 98

C2H6 = 1,5 N2 = 0,5

C3H8 = 50 C4H10 = 50

C3H8 = 100 C4H10 = 100

Vo [Nmc/Nmc] 9,58 27,37 23,8 30,94 Vgo [Nmc/Nmc] 10,74 30,06 26,18 33,94 VCO2 [Nmc/Nmc] 1,01 3,5 3 4 VH2O [Nmc/Nmc] 2,16 4,94 4,38 5,49 Hi [kJ/Nmc] 36090 104820 92140 118400 CO2max[VCO2/Vgusc] 11,77 13,93 13,76 14,06

Page 2: cap2 Arzatoare

2

Combustibil lichid tip M tip CLU motorină de arzător combustibil lichid uşor Compoziţie C=85,6 ; H=12,7 ; O=0,1

N=0,1 ; S=0,3 ; A=1,2 ; W=0 C=84,5 ; H=11,2 ; O=0,2 N=0,45 ; S=1 ; A=2,1 ; W=1

Vo [Nmc/kg] 11,12 10,47 Vgo [Nmc/kg] 12,03 11,28 VCO2 [Nmc/kg] 1,62 1,57 VH2O [Nmc/kg] 1,62 1,43 Hi [kJ/kg] 44850 41950 CO2max[VCO2/Vgusc] 15,54 15,94 Combustibil solid : lemn , rumeguş masa uscată umiditate W=5% umiditate W=10% Compoziţie C=49,6 ; H=6 ;

O=43 ; N=0,2 ; A=1,2 ; W=0

C=47,12 ; H=5,7 ; O=40,85 ; N=0,19 ; A=1,14 ; W=5

C=44,64 ; H=5,4 ; O=38,7 ; N=0,18 ; A=1,08 ; W=10

Vo [Nmc/kg] 4,57 4,34 4,11 Vgo [Nmc/kg] 5,28 5,08 4,88 VCO2 [Nmc/kg] 0,925 0,88 0,83 VH2O [Nmc/kg] 0,745 0,77 0,79 Hi [kJ/kg] 18770 17710 16650 CO2max[VCO2/Vgusc] 20,39 20,41 20,39

Sunt trei parametri care definesc calitatea energetică şi ecologică a procesului de ardere şi care sunt principalele obiective de măsurare în acţiunea de audit:

- excesul de aer α ; - pierderi energetice prin gradul de imperfecţiune a arderii CO, COV, Cfix ; - concentraţia emisiiilor poluante CO, COV, Cfix , NO2 , NOx .

EXCESUL DE AER ÎN PROCESUL DE ARDERE.

Excesul de aer este definit ca raportul dintre debitul real de aer dat în procesul de ardere şi debitul stoichiometric necesar arderii α = Vaer/Vo .

Excesul de aer influenţează rezultatele auditului prin efectul complex pe care-l are

asupra funcţionării instalaţiei:

- valori mari ale excesului de aer α duc la creşterea pierderilor de căldură ale instalaţiei deoarece la evacuarea gazelor de ardere pierderile specifice de căldură sunt mai mari: qev =1/Hi * (Vg0+(α-1)*V0)*tge

- creşterea excesului de aer duce la o scădere a temperaturii pe tot traseul instalaţiei şi astfel diferenţa de temperatură care determină transferul de căldură este mai mică, efectul util este mai mic, randamentul termic este mai scăzut

Page 3: cap2 Arzatoare

3

- o scădere a excesului de aer sub valoarea prescrisă pentru arzătorul respectiv duce la apariţia unei arderi incomplete, cu apariţia în gazele de ardere de evacuare a produselor de ardere incompletă: CO , COV, Cfix . Aceste produse, prin evacuarea energiei chimice pe care o conţin, constituie o pierdere energetică. Astfel, evacuarea de 1% CO duce la scăderea randamentului cu cca. 3%.

- efectul apariţiei arderii incomplete este dezavantajos şi ecologic, deoarece produsele de ardere incomletă sunt emisii toxoce.

Valorile medii corecte pentru excesul de aer sunt date în continuare, funcţie de combustibil şi de tipul de instalaţie de ardere. combustibil gazos – arzătoare cu aer insuflat α = 1,1 … 1,2 - arzătoare cu aer autoaspirat α = 1,3 … 1,6 combustibil lochid – tip M α = 1,1 … 1,2 - tip CLU α = 1,2 … 1,6 combustibil solid în strat - lemne, deşeuri α = 1,6 … 2 combustibil solid în strat fluidizat - peleţi, rumeguş α = 1,2 … 1,6 Controlul excesului de aer se face pe baza analizei gazelor de ardere, fie utilizând valoarea concentraţiei de CO2 corelată cu caracteristica CO2max a combustibilului, fie utilizând valoarea concentraţiei de O2 : α = CO2max/CO2 sau α = 21/(21-O2)

Corelarea analizei concentraţiei O2 din gazele de ardere cu excesul de aer este dată în tabelul următor şi este general valabilă pentru orice combustibil: O2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 α 1 1,02 1,05 1,08 1,1 1,14 1,17 1,2 1,24 1,27 1,31 O2 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 α 1,35 1,4 1,45 1,5 1,55 1,61 1,68 1,75 1,83 1,91 Atunci când analizorul de gaze are celulă de detecţie a dioxidului de carbon CO2 excesul de aer se determină din relaţia α = CO2max/CO2 în care valorile de CO2max , funcţie de combustibil, sunt următoarele:

NE – tip 20 - GN 30 - GPL 31 - Propan Butan CO2max[VCO2/Vgousc] 11,77 13,93 13,76 14,06 combustibil lichid tip M tip CLU CO2max[VCO2/Vgousc] 15,54 15,94 combustibil solid: lemn masa uscată umiditate W=5% umiditate W=10% CO2max[VCO2/Vgousc] 20,39 20,41 20,39

Introducerea aerului şi omogeneizarea combustibil/aer sunt esenţiale pentru realizarea unei arderi corecte cu un exces minim de aer. Modurile clasice de introducere şi omogeneizare sunt prezentate sintetic mai jos, funcţie de tipul de combustibil şi clasa arzătorului.

Page 4: cap2 Arzatoare

4

OMOGENEIZAREA AMESTECULUI COMBUSTIBIL-AER Combustibil gazos – arzător cu aer insuflat

• in curent liniar – flacără lungă

– admisie centrală

aer gaz aer – admisie periferică

gaz aer gaz – admisie mediană

gaz aer gaz aer gaz

• în curent turbionar – flacără scurtă şi evazată

aer gaz

Pentru toate cazurile de omogeneizare prin intersectare de jeturi combustibil-aer se efectuează calculul adâncimii de pătrundere a jetului de combustibil în jetul de aer: calcul de jeturi paralele sau încrucişate pentru curent liniar şi calcul de jeturi încrucişate la curgerea turbionată a aerului.

La toate arzătoarele de combustibil gazos debitul de aer Va este mult mai mare decât

debitul de gaz Vg , (Va /Vg > 10), deci impulsul jetului de aer va fi mult mai mare decât impulsul jetului de gaz. Ca urmare, jetul de aer va fi relativ puţin pereturbat iar jetul de gaz va fi deflectat în jetul de aer, aşa cum se arată în figura următoare.

Page 5: cap2 Arzatoare

5

D b/2 D – bătaia jetului (adâncimea de pătrundere) L – lungimea de amestec b/2 – semigrosimea jetului deflectat L wg

α wa

Definind jeturile cu următoarele mărimi caracteristice: jetul aer gaz

viteza wa wg densitatea ρa ρg

diametrul hidraulic deca >> decg decg

se poate determina adâncimea de pătrundere a jetului de gaz în jetul de aer cu relaţia: D = k * decg * (ρg * wg) / (ρa * wa) Constanta experimentală k are valorile date în tabelul de mai jos.

unghiul dintre jeturi forma ajutajului jetului de gaz k α = 900 rotund sau patrulater cu raportul laturilor

l1/l2 < 1/12 (l2 în direcţia curgerii jetului de aer)

1,5

α = 900 patrulater cu raportul laturilor l1/l2 < 1/12 (l2 în direcţia curgerii jetului de aer)

1,8

α = 1200 …1500 orice formă 1,85 Valori caracteristice de variaţie D/decg = f(wg/wa) şi D/decg = f(α) sunt prezentate în continuare.

(wg/wa) 5 10 15 20 25 30 D/decg 7 15 23 31 38 45

α 300 600 900 1200 1500

(wg/wa) =5 5 7 9 10 8 (wg/wa) =10 10 13 17 21 18

D/decg

(wg/wa) =20 15 22 30 38 36

Page 6: cap2 Arzatoare

6

Lungimea de amestec are valorile orientative date în figura următoare, pentru un unghi de incidenţă de α = 900. L/decg (wg/wa) =5

60 (wg/wa) =10 50 (wg/wa) =20 40 30 20 10 0

10 20 30 40 D/decg

Combustibil gazos – arzător cu aer aspirat Problema dificilă a arzătoarelor la care aerul de ardere este aspirat, într-o primă treaptă de ejecţia produsă de jetul de combustibil iar în a doua treaptă de depresiunea din camera de ardere, este aceia că se obţine foarte greu o omogeneizare de bună calitate. Volumul relativ de aer stoichiometric necesar arderii are valorile:

- pentru metan Va \ Vg = 9,5 - pentru GPL Va \ Vg = 27,4

Impulsul jetului de combustibil gazos nu poate absorbi din cantitatea totală de aer necesară arderii decât următoarele fracţiuni.

– ejecţie într-o treaptă - maxim Va/Vg = 4 - ejecţie în două trepte – maxim Va/Vg = 6

In figura următoare se arată schema ejectorului într-o treaptă şi în două trepte. Va Va Va Vg Vg ejecţie într-o treaptă - maxim Va/Vg = 4 ejecţie în două trepte – maxim Va/Vg = 6 O condiţie esenţială care trebuie verificată în cadrul auditului este ca amestecul primar să aibă concentraţia necesară combustibil/aer pentru a produce o flacără de ardere cinetică, în tot domeniul de reglaj al arzătorului. In caz contrar stabilitatea de ardere nu este asigurată.

Page 7: cap2 Arzatoare

7

O cantitate de aer mai mare decât cantitatea de aer primar se absoarbe din atmosferă, prin depresiunea camerei de ardere. Vitezele de curgere fiind mici şi dirijarea precisă a aerului secundar greu de făcut, omogeneizarea aer secundar – flacără primară este de slabă calitate şi de aceia, pentru a nu avea în final ardere incompletă neadmisibil de mare, se funcţionează cu excese mari de aer, de ordinul α = 1,4 … 1,6 la arzătoarele bune şi chiar mai mult la construcţiile mai puţin perfecţionate. O observaţie importantă, de care trebuie să se ţină seama în evaluarea arzătoarelor cu aer aspirat, este aceia că la scăderea de sarcină temperatura în camera de ardere variază relativ puţin, în timp ce necesarul de aer scade proporţional cu sarcina. Rezultă că excedentul de tiraj la sarcini mici va putea duce la o instabilitate de ardere şi în orice caz la funcţionare neeconomică datorită creşterii foarte mari a excesului de aer (se ajunge la sarcini parţiale la excese de aer chiar de ordinul α = 3 … 4. In concluzie, cu toate că la arzătoarele mici se adoptă deseori soluţie de aer aspirat, pentru obţinerea de costuri mai scăzute, nefiiind necesar ventilatorul de insuflare de aer, aceste arzătoare sunt mult mai puţin economice iar din punctul de vedere al auditorului ridică probleme mai dificile de stabilitate şi reglaj COMBUSTIBIL LICHID

Omogeneizarea combustibilului lichid cu aerul de ardere se face prin pulverizarea combustibilului în jetul de aer. La practic totalitatea arzătoarelor pulverizarea combustibilului se face prin presiune. In ultimii ani nu au mai apărut soluţii de arzătoare de combustibil lichid cu cupă rotativă sau cu prevaporizare.

Pulverizarea combustibilului lichid se face ridicând presiunea la 12-15 bar pentru

combustibil tip M şi la 15-25 bar pentru combustibil tip CLU, şi făcând apoi o destindere a jetului, printr-o duză, până la presiunea atmosferică. Energia eliberată de destinderea fluidului face ca vena de combustibil care iese din duză să se transforme în picături foarte fine. Mărimea medie uzuală a picăturilor este de 30-50 µm. Pentru combustibili lichizi grei şi focare lungi se poate reduce fineţea de pulverizare până la intervalul de 50-100 µm.

Prin construcţia particulară a duzelor de pulverizare (unghiul de evazare, corpul de

turbionare, prezenţa jetului de recirculare) se pot realiza diferite distribuţii spaţiale ale picăturilor. O anumită distribuţie spaţială este caracteristică unei anumite variante de introducere a aerului de ardere şi unei anumite forme geometrice a camerei de ardere.

Totdeauna trebuie verificat la un arzător dacă duza de pulverizare corespunde

prescripţiei producătorului de arzător. Principalele tipuri de injectoare sunt următoarele:

• pulverizare cu picături concentrate central - injectoare tip R • pulverizare cu picături concentrate periferic – injectoare tip PLP • pulverizare cu picături uniform distribuite în jet – injectoare tip NS • pulverizare fără picături în zona centrală a jetului – injectoare tip PL

În general pulverizarea cu picături concentrate central duce la flăcări lungi şi puţin

evazate iar cele cu picături concentrate periferic duce la flăcări scurte şi evazate.

Page 8: cap2 Arzatoare

8

Clasele de sisteme de pulverizare sunt următoarele:

Flacără lungă şi concentrată

Flacără scurtă şi evazată

Flacără scurtă şi evazată Clasele de sisteme de pulverizare au următoarele particularităţi funcţionale:

tip de pulverizare liniară turbionară turbionară cu retur de combustibil

caracteristicile flăcării lungă puţin evazată

scurtă evazată

scurtă evazată

domeniul de reglaj Qmin/Qmax 0,8 0,7 0,5 Domeniul de reglaj este un indice calitativ foarte important în auditul arzătorului deoarece impune domeniul de reglaj al întregii instalaţii. Pentru alegerea corectă a duzei de pulverizare trebuie avută în vedere configuraţia necesară a pulverizării şi debitul de combustibil. Principalele configuraţii de jeturi pulverizate sunt următoarele:

• concentrat în centru; uniform margine • gol în centru; uniform margine • concentrat în centru; uniform margine • gol centru;concentrat • median; uniform margine • gol centru;puternic concentrat pe margine • foarte concentrat în centru

PULVERIZARE TURBIONARǍ CU RETUR DE COMBUSTIBIL GRAD DE EGLAJ Qmin / Qmax = 0,5

PULVERIZARE TURBIONARǍ GRAD DE REGLAJ Qmin / Qmax = 0,7

PULVERIZARE LINIARǍ GRAD DE REGLAJ Qmin / Qmax = 0,8

Page 9: cap2 Arzatoare

9

Tipul duzei - Unghiul de pulverizare - Debitul de combustibil lichid SERIA FEBRICANT pulverizare 300 450 600 700 800 900

R MONARCH concentrat în centru; uniform margine

0.5-1.5

0.4-3.5

0.4-3.5

- 0.5-3.5

-

NS MONARCH gol în centru; uniform margine

0.5-1.5

0.5-2 0.5-2 - 0.5-2 -

AR MONARCH concentrat în centru; uniform margine

- 0.6-3.5

0.6-3.5

0.6-3.5

0.6-3.5

0.6-3.5

PLP MONARCH gol centru;concentrat median; uniform

margine

- 2.25-9.5

2.25-30

35-60 2.25-90

-

PL MONARCH gol centru;puternic concentrat pe margine

- 2.25-9.5

2.25-30

2.25-30

2.25-30

2.25-6

HV MONARCH foarte concentrat în centru

1.65-24

10.5-60

- - - -

S STEINEN concentrat în centru; uniform margine

0.5-4 0.5-4 0.4-4 - 0.4-4 -

SS STEINEN gol mic în centru; uniform margine

4.5-50 4.5-50 4.5-50 - 4.5-50 -

Q STEINEN plin uniform - 0.5-3 0.5-3 - 0.5-3 - H STEINEN gol mediu în centru;

uniform margine 0.4-2.25

0.4-2.25

0.4-2.25

- 0.4-2.25

-

PH STEINEN gol mare în centru; uniform margine

2.5-50 2.5-50 2.5-50 - 2.5-50 -

A DELAVEN gol mare în centru; uniform margine

0.5-8 0.5-35 0.5-50 0.5-35 0.5-50 0.5-35

B DELAVEN concentrat în centru; uniform margine

0.5-8 0.5-35 0.5-50 0.5-35 0.5-50 0.5-35

W DELAVEN plin uniform 0.4-3.5

0.4-3.5

0.4-3.5

0.4-3.5

0.4-3.5

0.4-3.5

STABILIREA EXPERIMENTALǍ A CARACTERISTICILOR ENERGETICE ALE ARZǍTOARELOR DE COMBUSTIBIL GAZOS ŞI LICHID Încercarea arătoarelor se face în focare experimentale construite conform standardelor. Arzătorul se defineşte ca tip constructiv şi ca domeniu de utilizare (cazane de încălzire, cazane industriale, cuptoare, generatoare de aer cald etc.). Se defineşte tipul constructiv al arzătorului (monobloc, automatizat, proejat etc.) Se defineşte modul de instalare ( sistem de legături cu flanşe şi racorduri aferente)

Incercările arzătorului se execută asupra arzătorului montat într-un stand special amenajat şi echipat conform Prescripţiilor Tehnice C11-1981 Colecţia ISCIR (fig. 2). Sunt prevăzute mai multe standuri de masurare, pentru diferite game de puteri de arzătoare. Ca exemplificare se dau standurile folosite pentru arzătoare mici şi medii:

- stand pentru arzătoare 20 – 150 kW, cu diametrul 400 mm - stand pentru arzătoare 120 – 300 kW, cu diametrul 500 mm

In continuare se va exemplifica focarul experimental de 500 mm diametru, celălalt fiind analog.

Page 10: cap2 Arzatoare

10

Standul are ca element principal un focar experimental răcit. Camera de ardere a focarului experimental este de secţiune circulară cu diametrul 500 mm şi lungimea 1800 mm. Pereţii sunt din două ţevi concentrice prin care circulă apă de răcire din circuitul de utilizare a căldurii produsă de arzător. Temperatura apei de răcire este sensibil egală cu temperatura peretelui focarului şi se menţine la peste 50 0C pentru a nu apărea fenomenul de condensare pe pereţi. Pe pereţii laterali ai camerei de ardere sunt prevăzute orificii de observare şi de introducere a sondelor de măsurare. Distanţele acestor orificii faţă de placa arzătorului sunt următoarele: orificiul nr. distanţa nr.1 220 mm nr.2 580 mm nr.3 940 mm nr.4 1300 mm nr.5 1660 mm Fundul focarului este deplasabil şi este realizat sub formă de piston răcit. Pistonul este străbătut de ţevi prin care gazele de ardere îşi continuă traseul după ieşirea din camera de ardere. Tevile care străbat pistonul fiind răcite, procesul de ardere este intrerupt la nivelul poziţiei acestui fund răcit.

Pistonul se poate deplasa în focar în timpul experimentărilor deoarece este legat de instalaţia de răcire prin racorduri flexibile iar ştuţurile de legătură trec prin presetupe care permit culisarea înainte şi înapoi prin acţiune manuală. Fundul deplasabil este răcit în paralel cu pereţii focarului astfel că există posibilitatea de a dirija debitul necesar de apă din apa de răcire şi astfel temperatura la intrare şi ieşire din fund să poată fi controlată separat de restul instalaţiei. Actionarea fundului în timpul experimentărilor se face astfel: - se aşează fundul în poziţia extremă retrasă ceeace corespunde unui focar foarte lung şi deci cu încărcare termică volumetrică redusă. In această poziţie se fac măsurătorile pentru determinarea calităţii arderii; - se împinge fundul progresiv, prin etape succesive, cu măsurători la fiecare etapă, scurtând astfel focarul şi mărind încărcarea termică. Se scurtează focarul până când conţinutul de CO în gazele de ardere creşte la valoarea de max. 500 ppm. Poziţia fundului în această situaţie reprezintă lungimea minimă a focarului. In continuarea camerei de ardere este camera de întoarcere a gazelor spre traseul vertical, pereţii acesteia fiind răciţi cu apă. Apa de răcire a pereţilor camerei de întoarcere provine din circuitul pompei de răcire şi este înseriat camerei de ardere şi camerei de întoarcere. In continuarea camerei de ardere, pistonului-fund de focar şi camerei de întoarcere, gazele de ardere scaldă un drum convectiv, realizat din ţevi scăldate exterior de apă, prin interiorul cărora se deplasează gazele de ardere.

Page 11: cap2 Arzatoare

11

Acest drum convectiv este destinat răcirii gazelor de ardere pentru a fi evacuate cu temperatură acceptabilă la coş, 150° - 250° C. Apa de răcire a acestui drum convectiv provine din instalaţia de răcire şi constituie prima treaptă după pompa de circulaţie. Celelate elemmente componente ale focarului experimental, camerei de întoarcere şi camerei de ardere, sunt înseriate pe traseul apei de răcire. Schema standului de incercare este prezentată în fig. 2.

1 2

4

3

5 6

7

8

Fig.2 Focar experimental pentru încercări arzătoare. 1. corp focar răcit, 2. fund mobil răcit, 3. racorduri apă de răcire fund mobil, 4. răcitor de capăt,

5. răcitor final şi racord la coş, 6. capul de ardere al arzătorului, 7. flacără, 8. vizoare.

După cum se poate urmări pe schemă, standul este prevăzut cu instalaţia de alimentare cu combustibil lichid, având un sistem de două vase gradate cu ajutorul cărora se poate determina volumetric consumul, cronometrând consumul la intervale de timp stabilite. Există şi posibilitatea de a alimenta arzătorul dintr-un rezervor montat pe un cântar, determinându-se astfel consumul gravimetric în intervale de timp stabilite. Pentru experimentările cu combustibil gazos este prevazut un racord de gaz cu un contor volumetric. Circuitul apei de răcire se compune dintr-o pompă care vehiculează apă prin interiorul focarului experimental şi printr-un schimbător de căldură de răcire a apei. Acest schimbător utilizează ca agent de răcire apă de reţea a cărui debit se reglează astfel ca să se obţină temperatura dorită în circuitul apei de răcire a focarului. Pentru a menţine volumul necesar de apă în instalaţia de răcire este prevăzut un vas de expansiune amplasat la o înălţime de 5 m deasupra focarului. Gazele de ardere la ieşire din focarul experimental sunt dirijate la coş.

Page 12: cap2 Arzatoare

12

Coşul metalic are un diametru de 200 mm şi o înălţime de 10 m. Tirajul poate fi activat printr-un exhaustor. De asemenea tirajul poate fi micşorat cu ajutorul unei clapete de reglaj care modifică obturarea secţiunii coşului.

Un tablou de forţă permite alimentarea cu energie electrică a arzătorului, pompei de circulaţie şi a exhaustorului. Tehnica specifică de măsurare a performanţelor arzătorului este aceea de determinare a parametrilor de ardere şi a conturului frontului de flacără. Pentru aceasta se prelevă cu o sondă răcită cu apă, prin orificiile de măsurare, gazele de ardere din vecinătatea frontului de flacără. Controlul general al calităţii arderii se face prin analiza gazelor de ardere la coş cu un analizor automat de gaze de ardere. Sonda trebuie răcită cu apă pentru a bloca compoziţia gazelor de ardere la valoarea existentă în locul respectiv, într-o sondă neracită putând cotinua reacţii de ardere pe tubul de aspiraţie.

4

1

Sondă răcită de prelevare a gazelor de ardere. 1. corp sondă răcită, 2. tub aspiraţie gaze de ardere, 3. tub apă de răcire,

4. intrare/ieşire apă de răcire, 5. gaze de ardere către analizor

2 3 5

Initial, lungimea frontului de flacără se determină vizual prin vizoarele de pe generatoarea camerei de ardere. In final se determină aşa cum s-a arătat, prin măsurarea poziţiei fundului care asigură o ardere cu un conţinut de CO mai mic de 500 ppm. Se consideră că într-o secţiune oarecare conturul flăcării este acela pentru care analiza gazelor de ardere dă o concentraţie de CO de 300 -500 ppm (0,03 - 0,05 %).

Introducând sonda mai spre axa camerei de ardere valoarea lui CO creşte iar la extragerea sondei în afară CO se micsorează. In felul acesta se stabileşte punct cu punct conturul flăcării. Lungimea maximă a flăcării este aceia a vârfului flăcării, adică acolo unde pe axa camerei de ardere se obţin condiţiile de terminare a procesului de ardere.

In continuare, pentru fiecare regim de lucru pentru care se fac încercările termotehnice, se măsoară parametrii de alimentare cu combustibil, parametrii alimentării cu apă şi parametrii alimentării cu energie electrică. Aparatura utilizată la măsurători şi metodele de măsurare sunt în conformitate cu PT. C 10-82 colecţia ISCIR:

analizor de gaze computerizat ce poate măsura participaţiile de CO2, O2, CO, NO, NOx, excesul de aer din gazele de ardere, temperatura aerului şi a gazelor de ardere;

cântar 5-100 kg ;

Page 13: cap2 Arzatoare

13

sistem de două vase gradate (cu nivel vizualizat cu ţeavă de sticlă care permite citirea volumului consumat de combustibil cu o precizie de ± 1mm (echivalent +/- 30 cm3 );

debitmetru contorizator pentru combustibil gazos de 6 şi 25 m3 /h termometre 0-1000 şi 0-3000 aparat BACHARACH pentru măsurarea indicelui de fum ; calorimetru Junkers pentru determinarea puterii calorice a combustibilului gazos; bombă calorimetrică pentru determinarea puterii calorice a combustibilului lichid; termocuplu de contact tip Termophil pentru măsurarea temperaturii suprafeţelor; manometru cu coloană de apă (tub U); micromanometru cu tub inclinat 0-200 mm C.A ; cronometru electronic quartz .

Procedura de încercare a unui arzător are câteva etape. Verificarea constructivă. Se examinează arzătorul din punct de vedere constructiv în raport cu desenul de ansamblu existând la dosarul de omologare, conform condiţiilor tehnice generale prevăzute in PRESCRIPTIILE TEHNICE C 11-81 colecţia ISCIR: - verificarea sistemelor de alimentare cu combustibil - verificarea etanşeităţii, - verificarea aprinderii şi stingerii arzatorului. Verificarea sistemelor de filtrare pentru combustibil lichid se face prin constatarea existenţei filtrului principal de combustibil al pompei de combustibil care trebuie să aibă ochiurile cu o suprafaţă mai mică de 0,2 mm2 Filtrul trebuie să fie uşor demontabil în vederea curăţirii. Al doilea filtru trebuie să se găsească la duza de injecţie cu o suprafaţă de minim 300 mm2 şi cu suprafaţa ochiurilor mai mică de 0,1 din secţiunea orificiului duzei. Verificarea etanşeităţii circuitului de combustibil gazos se face prin presurizarea cu aer la presiunea de 100 mbar (1000 mm CA.) şi verificarea îmbinărilor cu soluţie de săpun. Nu sunt admise apariţii de bule. Se va urmări menţinerea presiunii timp de 5 minute cu o cădere mai mică de 1 mbar. Verificarea etanşeităţii circuitului de combustibil lichid se face prin obturarea duzei arzătorului şi punerea în funcţiune a pompei de combustibil, realizându-se astfel presiunea de încercare. După 5 minute de la atingerea presiunii de încercare nu trebuie să apară neetanşeităţi sau urme de petrol pe suprafeţele exterioare ale pieselor supuse presiunii. Etanşeitatea circuitului de aer se verifică prin punerea în funcţionare a ventilatorului de aer şi obturarea în limitele posibile ale ieşirii arzătorului. După această presurizare cu aer la presiunea maximă a ventilatorului se verifică îmbinările cu soluţie de săpun. Nu sunt admise apariţii de bule. Verificarea aprinderii şi stingerii arzătorului se face cu arzătorul montat pe focarul experimental. Se vor efectua 10 aprinderi şi 10 stingeri consecutive de câte 2 minute de funcţionare şi 2 minute de oprire pentru fiecare din combustibilii gazos şi lichid. Aprinderea trebuie să se producă sigur, fără răbufniri, pulsaţii sau tendinţă de rupere şi flacăra să se propage pe întreaga secţiune de ardere. Stingerea flăcării trebuie să se producă prompt şi fără răbufniri sau întoarceri. După manevrele de aprindere-stingere să nu apară încălziri ale echipamentului electric, neetanşeitaţi pe traseul combustibililor sau ancrasări ale componentelor arzatorului (electrozi, duză, turbionator etc.).

Page 14: cap2 Arzatoare

14

In cadrul verificării se urmăresc următoarele aspecte: a. modul de amorsare a flăcării şi stabilitatea acesteia după aprindere, b. modul de stingere a flăcării, c. realizarea timpului de siguranţă la aprindere şi a timpului de siguranţă la stingere, d. derularea secvenţelor de pornire şi oprire, e. comportarea elementelor arzătorului în timpul aprinderii şi stingerii. Incercările termotehnice ale arzătorului se vor efectua separat pentru fiecare combustibil (lichid şi gazos). Se testează obligatoriu următoarele regimuri: - regim de sarcină maximă - regim de sarcină minimă Regimuri de debite intermediare se testează dacă se doreşte cunoaşterea performanţelor la aceste regimuri. Incercarea arzătorului se face în continuarea probelor de verificare de aprindere şi stingere a arzatorului. Incercările vor începe după ce apa de la intrare în focarul experimental a atins 500C pentru a nu avea temperaturi de punct de rouă pe pereţi. Presiunea în focar se va măsura la ştuţul din frontul focarului şi va fi reglată la valoarea indicată de proiect prin reglajul clapetei de la coş sau a exhaustorului. Terminalele termostatelor circuitului de comandă se vor scurtcircuita pentru deblocarea automatizării. Funcţiile de pornire şi de protecţie sunt menţinute în activitate. Inaintea încercărilor arzatorul va funcţiona un timp suficient, necesar asigurării unui echilibru termic proceselor care au loc în focarul experimental. Echilibrul este realizat când parametrii de temperatură şi analize a gazelor de ardere nu mai prezintă variaţii în orice punct al focarului, respectiv la capătul flăcării. La probele pe combustibil lichid, înaintea încercării, debitul de combustibil se va justa prin montarea duzei corespunzătoare şi prin reglarea presiunii de injecţie a pompei pentru a obţine sarcina termică dorită. La probele pe combustibil gazos, înaintea încercării, debitul de combustibil se va justa prin reglarea reductorului de presiune al arzătorului la poziţia pentru care se obţine sarcina termică dorită. Debitul de aer se va regla pentru a obţine excesul de aer prescris la regimul respectiv. In acelaş timp se va face şi reglajul poziţiei capului de ardere pentru a obţine o flacără stabilă şi cu un conţinut de CO în gazele de ardere la capătul flăcării şi pe tot conturul ei de maxim 0,005% (50 ppm). In timpul încercărilor nu se admit reglaje asupra arzătorului. Durata unei încercări termotehnice este de 2 ore pentru regimul de sarcină nominală şi 1 oră pentru regimul de sarcină minimă. cu urmărirea parametrilor funcţionali după cum urmează:

Page 15: cap2 Arzatoare

15

a.- dimensiunile flăcării Se apropie fundul racit al focarului spre vârful flăcării, urmărind analiza gazelor de ardere la evacuare. Lungimea flăcării este aceea pentru care analiza gazelor de ardere dă o concentraţie de CO de 300 -500 ppm (0,03 - 0,05 %). Introducând fundul focarului mai aproape de vârful flăcării valoarea lui CO creşte iar la depărtarea fundului în afară CO se micşorează. In felul acesta se stabileşte lungimea flăcării şi în continuare se poate determina încărcarea termică admisibilă maximă a camerei de ardere. Dimensiunea flăcării trebuie să se încadreze în dimensiunile camerei de ardere a focarului experimental. b.- comportarea corectă a elementelor arzătorului - fiabilitatea tuturor componentelor. c.- consumul de energie electrică prin măsurarea puterii electrice consumate. Acest consum nu trebuie să depăşească 0,1% din puterea termică a arzătorului. d.- realizarea performanţei de ardere privind excesul de aer şi valoarea nearselor (CO% conform datelor garantate de fabricant şi cu respectarea valorilor extreme prevăzute de PRESCRIPTIILE TEHNICE ISCIR C 39-71. e.- verificarea realizării performanţelor instalaţiei de automatizare şi protecţie se face conform P.T. C 11 - 81 sé C 39 - 71 colectia ISCIR. Etapele sunt prezentate în tabel. Verificarea funcţiilor de reglare şi protecţie cum se verifică cum trebuie să răspundă Verificarea secvenţelor de aprindere Se pune comutatorul pe poziţia combustibilului Se comută circuitele interne de comandă Se alimentează instalaţia Se aprinde lampa „prezenţă de tensiune” Se porneşte instalaţia Porneşte ventilatorul. Timpul de preventilare cel puţin

15 sec la combustibil lichid şi 30 sec la combustibil gazos, sau 3 volume de schimb

Se alimentează transformatorul de aprindere după 20 sec. sau max. timpul de preventilare

Se comandă deschiderea electro-ventilului după timpul de preventilare

Se aprinde flacăra şi în limita de 1 sec. de la admiterea combustibilului flacăra este stabilă şi supravegheată

In limita de 2 sec. de la admiterea combustibilului se întrerupe alimentarea transformatorului de aprindere

Arzătorul rămâne în funcţiune Verificarea secvenţelor de stingere Se întrerupe legătura care simulează termostatul Se închide accesul combustibilului Se stinge flacăra Se opreşte motorul ventilatorului Verificarea protecţiei automate la dispariţia flăcării sau la rateu de aprindere

Cu flacăra aprinsă se scoate detectorul de flacără şi se acoperă cu mâna

Se stinge flacăra în limita de +/- 2 sec.

Se opreşte arzătorul Se aprinde lampa de avarie a automatului Se apasă butonul de anulare a avriei Se derulează secvenţele programului de aprindere Verificarea protecţiei automate la prezenţa flăcării în focar înainte de admisia programată a combustibilului

Se scoate detectorul de flacără şi se alimentează în serie cu o sursă de curent de 10 mA (simularea flăcării). Se comandă pornirea

Arzătorul nu porneşte

Page 16: cap2 Arzatoare

16

Verificarea protecţiei automate la dispariţa tensiunii de alimentare

Se decuplează tensiunea de almentare Se stinge lampa de prezenţă a tensiunii Se opreşte admisia combustibilului Se stinge flacăra Se opreşte arzătorul Se recuplează tensiunea Se aprinde lampa de prezenţă de tensiune Se derulează secvenţa normală de aprindere Verificarea protecţiei la lipsa de combustibil Cu arzătorul în funcţiune se opreşte alimentarea cu combustibil

Se stinge flacăra

Se aprinde lampa de avarie arzător Se deschide alimentarea cu combustibil Se derulează programul de aprindere f.- măsurarea nivelului de zgomot produs de arzător Se va face o măsurare cu un decibel-metru într-o perioadă de scurtă funcţionare, de maxim 3 minute, cu pompa de circulaţie şi exhaustorul oprite. Măsurarea se face la o distanţă de 1 m de frontul arzătorului. Nivelul de zgomot trebuie să fie sub 50 decibeli. Combustibil solid SISTEMUL: COMBUSTIBIL SOLID CU ARDERE ÎN STRAT – AER 1. SISTEME CU ARDERE DIRECTǍ = CIRCULAŢIA AERULUI DE JOS ÎN SUS 2. SISTEME CU ARDERE INVERSǍ = CIRCULAŢIA AERULUI DE SUS ÎN JOS 1. SISTEME CU ARDERE DIRECTǍ Într-o instalaţie de ardere a combustibilului solid în strat cu ardere directă lemnele se aşează pe un grătar, având totdeauna la bază un strat de jar (cocs în stare de ardere). Aerul primar se introduce sub grătar şi urmează să realizeze arderea cocsului din strat iar aerul secundar se introduce deasupra stratului şi are rolul de a asigura arderea volatilelor de deasupra stratului, din camera de ardere a focarului. Schema sistemului de ardere directă este prezentată mai jos.

Page 17: cap2 Arzatoare

17

Caracteristicile de ardere a stratului de combustibil în ardere directă trebuie analizate prin prisma particularităţii arderii stratului de cocs: reactivitatea mare a carbonului la temperaturi > 500 C. Aerul primar insuflat sub grătar intră în contact cu patul de jar de la baza stratului de ardere şi se produce o reacţie între oxigenul din aer şi carbonul din cocs. Reacţia poate fi de ardere până la dioxid de carbon: C + O2 = CO2 sau ardere până la monoxid de carbon: C + O2 = 2 CO Chiar dacă arderea într-un prim contact cu stratul de cocs se face până la dioxid de carbon, imediat ce acesta intră în contact cu un alt masiv de cocs se produce o reacţie de reducere a carbonului: C + CO2 2 CO Concluzia importantă în arderea directă a stratului de lemne este că oxigenul dacă intră în contact cu cocsul este imediat consumat şi rezultă oxid de carbon. Deasupra unui strat de

3 8

1

2

5

4 9

6

fig. 1 Focar cu grătar cu ardere directă a stratului de lemne 1. corp cazan cu pereţi răciţi cu apă 2. grătar 3. strat de lemne 4. insuflare de aer de ardere 5. zonă de ardere a cocsului 6. cameră de ardere a produselor de gazeificare 7. insuflare de aer secundar8. ţevi în drumul convectiv 9. evacuarea gazelor de ardere

7

Page 18: cap2 Arzatoare

18

jar nu poate exista oxigen decât dacă aerul de ardere străbate o cale în care nu întâlneşte jar, ca urmare a unei neuniformităţi de aşezare a stratului. Pentru a avea o imagine mai clară asupra procesului de reducere a carbonului la temperatură ridicată şi asupra imposibilităţii ca aerul de ardere să străbată stratul şi să rezulte CO2 se dă în tabelul următor valoarea constantei de echilibru termochimic CO <--> CO2 funcţie de temperatura carbonului în strat.

constanta de echilibru kCO=(VCO)2/(VCO2) t [C] kCO VCO2=1 VCO = VCO2 = 500 0,0032 0,0565 = 5,34 % 94,66 % 600 0,00801 0,283 = 22 % 78 % 700 0,998 0,998 = 49,9 % 40,1% 800 7,587 2,75 = 73,3 % 26,7 % 900 40,197 6,34 = 86,4 % 13,6 % 1000 161,89 12,72 = 92,7 % 7,3 % … 1200 1451 38,09 = 97,4 % 2,6 %

Deoarece temperatura în stratul de cocs care arde este de ordinul 1000 ... 1200 C , rezultă că din stratul de jar iese numai 2 ... 7 % CO2, restul de 93 ... 98 % fiind CO. Apare astfel evidentă necesitatea introducerii în proporţie mare (30 – 50%) de aer secundar deasupra stratului, pe de o parte pentru arderea CO până la CO2, pe de altă parte pentru arderea volatilelor din degazarea lemnului de deasupra stratului de jar, volatile care se degajă în camera de ardere şi necesită un debit mare de aer pentru ardere completă. 2. SISTEME CU ARDERE INVERSǍ . În sistemul de ardere inversată, arderea stratului de lemn se produce de sus în jos, focul fiind la baza stratului şi insuflarea de aer de ardere pe la partea de sus a stratului. Sistemul de ardere inversă are o serie de avantaje importante:

- reducerea substanţială a COV nearse eliminate cu gazele de ardere; - continuitatea procesului de ardere, de tip proces staţionar, în timp ce la arderea în strat

obişnuit arderea este nestaţionară, în sistem ciclic de şarjă; - oprirea procesului de ardere este aproape competă prin oprire insuflării de aer, în timp

ce la arderea în strat direct oprirea insuflării de aer nu duce şi la oprirea degajărilor de volatile din strat;

- deschiderea uşii de alimentare nu duce la contactul cu statul de ardere - sistemele de reglaj şi protecţie sunt mai simple.

În figură se prezintă o schemă funcţională a unui cazan cu arderea inversată a stratului

de lemne. Combustibilul, lemne de foc, este încărcat în buncăr, cantitatea încărcată neavând nici-o influenţă asupra procesului de ardere inversă. De aici rezultă un prim avantaj, acela că rezerva de combustibil de ardere nu este limitată, ca la arderea directă, la o grosime anumită de strat, ci poate fi oricât de mare. În contact cu o zonă stabilă de ardere, lemnele de deasupra grătarului se aprind şi suferă un proces de gazeificare. În prezenţa unei cantităţi suficiente de aer pentru ardere completă, care antrenează sub grătar produsele de gazeificare, acestea ard într-o cameră de ardere.

Page 19: cap2 Arzatoare

19

*

Aici este de menţionat diferenţa de proces faţă de arderea directă a stratului. La arderea directă, stratul de combustibil în ardere se desvoltă pe verticală oricât de mult, în limita aerului disponibil, şi întotdeauna produsele de gazeificare, datorită reactivităţii mari a carbonului la temperaturi ridicate, nu pot fi complet arse. De aceia este totdeauna necesar ca la arderea directă să se insufle deasupra stratului aer secundar, aproximativ cu acelaşi debit ca şi aerul primar, pentru a da oxigenul necesar arderii volatilelor şi gazelor de gazeificare a cocsului. La arderea inversă, stratul de cocs este numai pe periferia bucăţilor de lemn, la porţiunea inferioară a stratului, şi nu se desvoltă în susul stratului deoarece curentul de aer de ardere vine de sus în jos. Acest fenomen de aprindere, numai prin conducţie şi radiaţie locală, s-a pus în evidenţă în cadrul experimentărilor şi diferenţiază fundamental arderea inversă de arderea directă unde aprinderea se face mai ales convectiv, prin gazele fierbinţi produse de straturile inferioare. În camera de ardere inferioară, aerul fiind suficient, se produce arderea completă. Gazele de ardere urmează apoi traseul prin ţevile drumului convectiv şi sunt apoi evacuate la coş, circulaţia lor fiind făcută de un exhaustor. Este avantajoasă funcţionarea cazanului în depresiune deoarece se evită scăpările de gaze de ardere prin neetanşeităţi. La pornirea cazanului circulaţia prin focar se inverseaază cu ajutorul unor clapete, aerul fiind absorbit de sub grătar şi traversând stratul de combustibil de jos în sus. Cu această circulaţie directă se aprind lemnele, ca la un grătar clasic, şi după realizarea stratului de jar se

3 8

1

2

5

6 7

4

fig. 1 Focar cu grătar cu ardere inversă a stratului de lemne 1. corp cazan cu pereţi răciţi cu apă 2. grătar 3. buncăr de lemne 4. insuflare de aer de ardere 5. zonă de aprindere a lemnelor 6. cameră de ardere a produselor de gazeificare 7. întoarcerea gazelor 8. ţevi în drumul convectiv

Page 20: cap2 Arzatoare

20

inversează circulaţia aerului şi se încarcă buncărul de combustibil. În continuare lemnele vor arde în regim de ardere inversată. VERIFICAREA CONDIŢIILOR DE APRINDERE: ARZǍTOARE DE COMBUSTIBIL GAZOS Condiţia de aprindere este una din condiţiile importante pentru arzătoarele de combustibil gazos. Din teoria arderii rezultă trei condiţii importante de aprindere:

- dimensiunea sursei de aprindere --> mai mare decât raza minimă de aprindere pentru combustibilul utilizat; condiţia este echivalentă cu condiţia de volum minim de aprindere (gaz natural r > 2 mm)

- temperatura sursei de aprindere --> mai mare decât temperatura minimă de autoaprindere a amestecului combustibil în locul de aprindere. Pentru combustibil gazos natural, la aprindere cu scânteie sau aprindere cu flacără pilot, condiţia de temperatură de aprindere tap > 800 C.

- condiţia de concentraţie de aprindere (CH4/amestec : minim 5% , maxim 15% ).

ARZǍTOARE DE COMBUSTIBIL LICHID

- aprinderea volatilelor la periferia jetului pulverizat - viteza de deplasare a jetului din regiunea de aprindere mai mică sau cel mult

egală cu viteza de ardere a volatilelor VERIFICAREA CONDIŢIIILOR DE STABILITATE A FLĂCĂRII : Verificarea condiţiilor de stabilitate a arderii se face prin verificarea următoarelor condiţii:

- acroşarea frontului de flacără pe obstacolul (sau tubul) de ieşire - menţinerea acroşării în tot domeniul de debite

Stabilizare pe obstacole neaerodinamice Stabilizarea arderii cu gaze recirculate se bazează pe asigurarea unui flux continuu de energie de aprindere amestecului combustibil-aer prin recircularea produselor de ardere din zona frontului de flacără spre porţiunea de intrare a jetului de amestec combustibil. Cel mai eficient şi cel mai utilizat mijloc de stabilizare a arderii prin această metodă este recircularea gazelor de ardere în avalul unor obstacole nearodinamice, printr-un proces de circulaţie inversă, caracteristic zonelor de stagnare din avalul obstacolelor. In această zonă se recirculă gaze de ardere cu temperatură foarte ridicată până la contactul cu jetul de amestec combustibil rece, prin acasta realizându-se o aprindere continuă şi deci stabilizarea arderii. Formele de obstacole pe care se face stabilizarea sunt grile de platbande sau de prisme, partea plată a grilei fiind în avalul curgerii. Deoarece fenomenul este dat numai de suprafaţa plană din avalul obstacolului, fenomenul este acelaşi atât la grile din platbande cât şi la cele din prisme.

Page 21: cap2 Arzatoare

21

Energia de aprindere, furnizată de gazele calde recirculate din zona produselor de ardere până la baza stabilizatorului, este preluată de amestecul combustibil în zona de contact, pe lungimea de acroşare xi , a traseului în care jetul principal şi gazele recirculate fierbinţi circulă paralel. Schema procesului de stabilizare este dată în figură.

Schema procesului de stabilizare pe grile Gazele de ardere care transmit căldura pe porţiunea xi trebuie să aibă o temperatură suficient de ridicată pentru ca, pe de o parte să acopere pierderile de căldură prin conductibilitate şi prin procesul difuziv şi, pe de altă parte, să realizeze în amestecul combustibil un gradient termic perpendicular pe liniile de curent mai mare decât cel necesar stabilizării unui front de flacără laminar. In cazul când această din urmă condiţie nu este îndeplinită, cazul zonei cuprinse între baza stabilizatorului şi distanţa xi , fenomenul arderii se reduce la o zona de reacţie locală, analog cu fenomenul flăcărilor suflate. Rezultă că cea mai importantă caracteristică a flăcărilor stabilizate cu gaze recirculate este distanţa de acroşare. Această mărime odată cunoscută permite calculul schimburilor energetice din zona de aprindere. Stabilizare prin recirculaţie în incinta de ardere – flăcări liniare Incintele de ardere largi sunt soluţii constructive uzuale de focare pentru cazane, cuptoare şi alte instalaţii termice. În cazul focarului larg există o diferenţă pronunţată între secţiunea mică de intrare a amestecului combustibil şi secţiunea mare a focarului. La focarul larg expandarea jetului nu este practic limitată de pereţi, în consecinţă flacăra se desvoltă ca o flacără liberă. Datorită formării unor zone de recirculaţie la periferia intrării jetului de amestec combustibil în focar, recirculaţie care aduce gaze fierbinţi din zona de ardere în contact cu amestecul combustibil, aprinderea şi stabilizarea arderii se face cu un proces similar cu cel întâlnit la grilele de stabilizare. Curgerea în interiorul focarului este determinată de două caracteristici importante: existenţa unui curent de întoarcere simetric aşezat la periferia focarului, mărginit de linia de separaţie cu viteza nulă, şi existenţa unui curent cu acelaşi sens de curgere ca şi curentul principal, alăturat acestuia, provenit din curentul de întoarcere. Pentru crearea recirculaţiei, impulsul necesar este furnizat de jetul activ. Intre acest jet activ şi jetul de acelaşi sens din zona de recirculaţie, are loc un schimb de masă difuziv,

front de flacără

zonă de recirculaţie

grilă

admisie amestec combustibil

xi

Page 22: cap2 Arzatoare

22

proces care stă la baza fenomenului de stabilizare asigurând fluxul de energie de aprindere amestecului combustibil. In completarea modelului ales trebuie evidenţiată existenţa unei circulaţii perpendiculare pe linia de separaţie, între curentul recirculat de sens direct şi cel invers, şi anume, în amonte curentul direct este alimentat de curentul invers, iar în aval, spre sfârşitul zonei de recirculare, curentul direct alimentează curentul invers. Din punctul de vedere al temperaturii pereţilor există două cazuri distincte la focarele largi: focare cu pereţi nerăciţi şi focare cu pereţi răciţi. Cele două cazuri diferă destul de mult prin temperatura gazelor în vecinătatea peretelui. In această zonă se găseşte zona de recirculaţie care are un rol decisiv în aprinderea jetului de amestec combustibil. Spre baza stabilizatorului, unde gazele sunt mai reci, procesul de aprindere este incetinit sau chiar suprimat, în timp ce spre zona superioară, în apropierea frontului de flacără, aprinderea este foarte activă datorită temperaturilor înalte. Evoluţiile temperaturilor sunt şi mai accentuate în cazul focarelor cu pereţi răciţi unde efectul de răcire al peretului duce la o pronunţată zonă de temperaturi joase lângă perete. Ca exemplificare se prezintă în figura următoare stabilizarea cu gaze de recirculaţie în zona de lărgire a secţiunii camerei de ardere la intrarea arzătorului.

Stabilizarea cu gaze de recirculaţie în camere de ardere largi Creşterea vitezei amestecului combustibil face ca temperatura într-un anumit punct să crească până la un anumit maxim, după care în punctul respectiv temperatura scade din ce în ce mai mult până când se ajunge la nivelul la care gazele recirculate nu mai permit aprinderea; aceasta înseamnă că zona principală de aprindere nu se mai află la acel nivel, ci se deplasează la un nivel mai depărtat. In continuare, distanţa de acroşare creşte din ce în ce mai mult, nivelul de aprindere se deplasează din ce în ce mai departe, spre capătul deschis al foacarului şi, la momentul epuizării lungimii flăcării, s-a atins viteza maximă de stabilitate. In cazul focarelor cu pereţi răciţi, temperaturile sunt mult mai mici în zona de recirculţie, datorită convecţiei jetului întors în contact cu peretele, şi numai în zonele depărtate de intrare a focarului, la distanţe mari de acroşare, se pot atinge temperaturi de aprindere. Consecinţa practică imediată este scăderea cifrei specifice de încărcare termică a focarului. Dacă un focar cu pereţi răciţi are deficienţe de stabilitate, o soluţie imediată este şamotarea focarului în zona de stabilizare

cap de ardere al arzătorului

zona de recirculaţie

front de flacără

distanţa de acroşare

Page 23: cap2 Arzatoare

23

Stabilizare prin recirculaţie în incinta de ardere – flăcări turbionate Focarele turbionare au o mare răspândire tehnică datorită faptului că se obţine o bună intensificare a arderii şi mai ales o foarte mare stabilitate. Stabilitatea arderii are un caracter particular prin coexistenţa a două tipuri de stabilizare: o stabilizare periferică şi una centrală. In centrul curgerilor suficient de puternic turbionate, cu atât mai mult cu cât unghiul de turbionare este mai mare, apare o zona de recirculaţie puternică, simetric pe axul jetului, care aduce gaze de ardere fierbinţi din zona produselor de ardere spre zona jetului de amestec combustibil. Această zonă poate să se întindă până la gura de ieşire a arzătorului sau până la o distanţă initială caracterizată prin egalitatea presiunii statice în jet cu presiunea mediului din focar. La periferia jetului incident, ca urmare a existenţei unui spaţiu care nu poate fi scăldat de jetul incident expandat, apare o zonă de recirculaţie periferică. Circulaţia în acestă zonă este asigurată, ca şi în cazul jeturilor liniare, prin schimbul de impuls între jetul activ şi jetul de recirculaţie directă. Gazele care alimentează curentul recirculat invers sunt gaze provenite din frontul de flacără stabilizat periferic, după zona de acroşare, astfel că prin curentul de recirculaţie directă se poate furniza la periferia jetului proaspăt de amestec combustibil fluxul de energie necesar aprinderii. Datorita existentei celor două zone de stabilizare, care furnizează fluxuri de energie de aprindere, apare un front de flacara compus din două suprafeţe: o suprafaţă centrală (front de flacara de tip V ) şi o suprafaţă periferică (front de flacara de tip Λ ) . Terminarea suprafeţei de ardere se face în locul de joncţiune a celor două suprafeţe de ardere. In figură este prezentat modelul stabilizării flăcării turbionare.

fig.1 Modelul stabilizării flăcarii turbionare Asupra acestui model trebuie făcute câteva considaţii importante care permit în continuare urmărirea fenomenelor. În primul rând, stabilizare periferică şi cea centrală sunt independente una de alta, fiecare din ele având caracteristici proprii. Viteza jetului incident în planul secţiunii longitudinale este diferită la periferie şi în centru; temperatura gazelor recirculate este de asemenea diferită la periferie de cea centrală; condiţiile de transmitere a fluxului de energie de aprindere sunt diferite şi, ca rezultat,

cap de ardere al arzătorului

zonă de recirculaţie periferică

distanţa de acroşare

front de flacără central

front de flacără periferic

zonă de recirculaţie centrală

Page 24: cap2 Arzatoare

24

distanţele de acroşare xi vor fi diferite pe ramura frontului de flacără periferic faţă de ramura frontului de flacără central. A doua observaţie este că linia de joncţiune a celor două fronturi de flacără este întotdeauna linia extremă ca distanţă axială (vârful frontului de flacără), ca urmare a faptului ca vitezele în câmp sunt totdeauna mult mai mari decât vitezele de ardere. In consecinţă flacăra nu se poate întoarce în sens contrar curgerii. Ca urmare a celor două observaţii apar două concluzii importante şi anume:

• In raport cu suprafaţa de acroşare a fiecărei ramuri frontul de flacără respectiv poate avea diferite înclinări, după dimensiunea relativă a celor două distanţe de acroşare, periferică şi centrală; • Condiţiile de rupere a flăcării pot apare independent pe una sau pe cealaltă din ramurile frontului de flacără sau, într-un caz particular, simultan pe ambele fronturi, fiecare din suprafeţele de acroşare fiind independente în ceeace priveşte alimentarea cu flaxul de energie necesar aprinderii. Rezultă că dacă flacăra se va rupe central, frontul de flacără periferic poate exista în continuare, închizând el singur zona de ardere pe toată secţiunea focarului cu o suprafaţă de tip Λ. De asemenea ruperea frontului de flacără periferic, în alte cazuri, poate duce la închiderea zonei de ardere numai pe frontul central, apărând astfel o suprafata de ardere de tip V , pe toată secţiunea focarului. Pentru urmărirea fenomenului de rupere a flăcării este necesar să fie făcute câteva

precizări privind parametrii de ardere: Dimensiunile flăcării:se calculează din suprafaţa de ardere A=c*w*So*ut cu următorii parametrii:

viteza normală de ardere u0 = 0,37 m/s pentru CH4 viteza turbulentă de ardere ut = ct *u0 ct = 2 …4 turbulenţă naturală ct = 3 …8 cu corpuri de turbulenţă ct = 5 …15 autoturbulizare a flăcării în tuburi