7. COMBUSTIBILI. ARDEREA COMBUSTIBILILOR

7.1 Combustibili

Funcţionarea maşinilor şi a majorităţii instalaţiilor termice necesită prezenţa unor surse de căldură. Cele mai răspândite procedee de obţinere a surselor calde se bazează pe eliberarea sub formă de căldură a energiei pe care o conţin combustibilii, prin arderea lor în focare sau camere de ardere.

Procesul de ardere reprezintă o reacţie chimică exotermă (cu degajare de căldură), de oxidare rapidă a substanţelor combustibile, în care căldura dezvoltată este preluată de produsele de ardere.

Combustibilii sunt substanţe la care degajarea de căldură prin oxidarea lor în aer sau oxigen are loc rapid. Combustibilii pot fi solizi, lichizi sau gazoşi. De asemenea, ei pot fi naturali (cărbune, ţiţei, gaze naturale) sau derivaţi (cocs, benzină).

Un combustibil este format din masa combustibilă, compusă din substanţe care ard şi balastul alcătuit din substanţe care nu ard.

Compoziţia combustibilului poate fi precizată prin analiza elementară. Pentru combustibilii solizi şi lichizi analiza elementară exprimă participaţiile masice ale elementelor componente iar pentru combustibilii gazoşi participaţiile volumice.

Puterea calorifică este o caracteristică a fiecărui combustibil care se determină în laborator şi reprezintă energia degajată sub formă de căldură prin arderea completă a unui kg de combustibil solid sau lichid, respectiv a unui metru cub normal de combustibil gazos. Unitatea de măsură este J / kg pentru combustibil solid sau lichid şi kJ/m3N pentru combustibili gazos.Energia termică degajată în procesul de ardere este preluată de gazele arse care conţin vapori de apă proveniţi din vaporizarea atât a apei din combustibil cât şi a apei rezultată din arderea hidrogenului pe care îl conţine combustibilul.

Deci o parte din căldura dezvoltată prin ardere serveşte doar la vaporizarea apei neputând fi folosită util.

Din acest motiv se definesc două puteri calorifice:

- Puterea calorifică superioară (notată Hs) pentru cazul când apa este evacuată în stare lichidă.- Puterea calorifică inferioară (notată Hi) pentru cazul când apa este evacuată în stare de vapori.

7.2. Arderea combustibililor. Cantitatea de aer necesară arderii

Determinarea cantităţii de aer necesară arderii se face pornind de la consumul minim de oxigen al reacţiilor de oxidare.

Pe baza analizei elementare se constată că 1 kg combustibil solid sau lichid conţine de obicei:

- c kg carbon- h kg hidrogen- s kg sulf- o kg oxigen- n kg azot- a kg apă- r kg reziduuri

77

unde: c, h, s, o, n, a, r sunt participaţiile masice ale elementelor (c + h + s + o + n + a + r = 1)c, h, s - reprezintă elementele combustibileo - reprezintă elementul oxidantn, a, r – reprezintă elemente inerte (balastul)

Reacţiile de ardere, deci de oxidare rapidă, sunt următoarele:

(7.1)

(7.2)

(7.3)(1)

= oxigenul necesar oxidării carbonului

(2)

pentru

= oxigenul necesar oxidării hidrogenului

(3)pentru

= oxigenul necesar oxidării sulfului

Oxigenul conţinut în combustibil:

Rezultă

Rezultă că oxigenul minim necesar din exterior pentru arderea a 1 kg combustibil este

78

Dar oxigenul necesar este conţinut în aerul care se aduce din exterior.

Pentru aer: la 21 kmol O2 revin 79 kmol N2

1 kmol O2………..79 / 21 kmol N2 = 3,76 kmol N2

Deci cantitatea minimă de aer necesară arderii (min L)kg

Arderea este completă în cazul în care masa combustibilă se oxidează complet. Dacă în urma arderii produsele arderii conţin substanţe incomplet oxidate, arderea se numeşte incompletă. Deoarece în cazul arderii incomplete se pierde o parte din energia combustibilului, trebuie să se evite apariţia acestei situaţii.

Arderea completă cu aerul minim necesar presupune realizarea unui amestec combustibil omogen. Deoarece acest amestec omogen este greu de realizat, cantitatea de aer prezentă la ardere este de obicei mai mare decât cea minim necesară.

Se defineşte coeficientul excesului de aer , raportul dintre cantitatea reală de aer L prezentă la ardere şi cea minim necesară (min L)

pentru combustibili solizi (1,4 1,7)pentru combustibili lichizi (1,1 1,3)pentru combustibili gazoşi (1,05 1,15)

În mod similar se determină aerul necesar arderii pentru combustibilii gazoşi.

79