1Sef lucr.univ.Ec.Dr.Ing. Ioan V. CLDAREUNIVERSITATEA 1 DECEMBRIE Facultatea de StiinteAnul II I.M. TERMODINAMICA SI PROCESE DE TRANSFERTERMODINAMICA PROCESELOR DE ARDERE2ARDEREA COMBUSTIBILIOR1. ASPECTUL CHIMIC AL ARDERII COMBUSTIBILILOR:Aspectul chimic al arderii ia in considerare :- bilanul de materiale care apare n timpul arderii- degajarea de cldur.2.ASPECTULFIZIC AL ARDERII COMBUSTIBILIOR:Aspectul fizic al arderii ia in considerare:- factorii aerodinamici care determin o anumit vitez de desfurare a reaciilor.- factorii termici care determin participarea anumitor fluxuri de cldur n diferitelor etape ale arderii.31. ASPECTUL CHIMIC AL ARDERII COMBUSTIBILIPOR1. Arderea combustibilior2. Aspectul chimic al arderii2.1.Ecuaiile de stare pentru 1 m3N combustibil gazos2.2. Ecuaiile de stare pentru 1 kg de combustibil solid2.3. Densitatea gazelor de ardere i presiunea parial2.4. Entalpia gazelor de ardere.Diagrama I-t2.5. Cldura specific a gazelor de ardere. Diagrama Cp-t2.6. Controlul arderii. Triunghiul OSTWALD41. ARDEREA COMBUSTIBILIORProcesul de ardere este un fenomen fizico-chimic complex prin care elementele combustibile (sau compui ai acestora) se combin n mod puternic exoterm cu oxigenul din aer.Arderea complet :Este atunci cnd produsele de ardere nu mai posed energie chimic.nseamn o conversie integral a energiei chimice n energie termic.Ardera chimic incompletEste atunci cnd produsele arderii mai posed energie chimic de reacie.n gazele de ardere apar componente doar parial oxidate (CO) sau chia neoxidate ( H2, CH4etc).- datorit lipsei de oxigen nu toate moleculele sunt supuse unei oxidri complete.5Ardera mecanicincomplet avem cnd n amestec cu produsele arderii se gsete combustibil nears.- crbune n amestec cu zgur (la arderea crbunelui )- metan amestecat cu CO2, H2O vapori (la arderea gazelor naturale)Arderea perfect teoretic :este arderea complet care ar avea loc numai cu cantitatea teoretic minim stoichiometric de oxigen.Presupune condiiile ideale de amestec de combustibil cu oxigen.- care nu se poate realiza n practic- n realitate se poate realiza doar un amestec imperfect.Sunt necesare cantiti de oxigen mai mari dect cele teoretice pentru ca fiecare molecul din elementul combustibil s-i gseasc oxigenul necesar arderii.Arderea real ( imperfect): se caracterizeaz printr-un amestec imperfect ntre combustibil i aer, necesitnd aer n exces.6Relaiile dintre diferitele tipuri de ardere:L- debitul de aer necesar arderii realeL min -debitul de aer necesar arderii teoretice7Condiii pentru o arderea complet :- Exces de aer suficient;- O bun amestecare a combustibilului cu aerul;- O bun aprindere;- O ardere stabil.82. ASPECTUL CHIMIC AL ARDERIIAspectul chimic al arderii ia in considerare :- bilanul de materiale care apare n timpul arderii- degajarea de cldur.din combustibil2 2 2N+vapori HO(+CO)422SOHO+COoxidare( C,H,S)Elemente combustibile9Compoziia combustibilului:102.1. Scriereaecuaiilor de ardere pentru 1 m3N combustibil gazosSe pleac de la ecuaia molar a reaciei:Obs. La 1,01325 bar i 273,15 K orice kmol de gaz perfect are volumul de 22,414 mprind 22,414 i nmulind cu procentul dedin combustibil ( ), rezult:42 2 2 42 2CHQ O H CO O CH + + = +42 2 2 42 1 2 1CHQ O kmolH kmolCO kmolO kmolCH + + = +423232343414 , 22 2 414 , 22 414 , 22 2 414 , 22CH N N N NQ O H m CO m O m CH m ++ =+1004CH) 1 (100 1002100 10021004423 423 423 443 4CH N N N NQCHO H mCHCO mCHO mCHCH mCH++ =+ 11Ecuaiile de ardere pentru celelalte componente combustibile din compoziia combustibilului gazos:Adunm relaiile1,2,3,4,5:) 2 (100 100 10021002323 3CO N N NqCOCO mCOO mCOCO mCO+ =+ ) 3 (100 100 100211003232323H N N N NqHO H mHO mHH mH ! ) 4 (100 100 1002310023 223 223 223 2S H N N N Nq mS HO H mS HO mS HS H mS H ! ) 5 (100 100 2 100 100 4 10042323 323 3CHn mNn mN Nn mNn mn m Nn mQH CO H mH C nCO m mH Cm O mH C nm H C mH C++ ='+

'

+ + . Ji SO O H CO O NH V V V V comb de m din ard care Elementele + + + = +' ' ' ' 32 2 2 2. 112- volumul deoxigen necesar reaciei- volumul de gaze produse ale arderii- puterea calorific a reaciei = efectul termic al reaciei.= Volumul teoretic de aer necesar arderii unuide combustibil gazos.= Volumul teoretic total degaze de ardere:- volumul componentelor triatomice din gazele de ardere'2OV' ' '2 2 2SO O H COV V ViH0V0 gV] / [3 302 2 2comb m m V V V VN N O H N RO g+ + =2 2 2SO CO ROV V V!3Nm13ECoeficientul de exces de aer:V- volumul real de aer utilizat la ardereV0-volumul teoretic de aer pentru arderea unitii de combustibil- volumul de aer n exces, care trece n gazele de arderevolumul de aer n exces, care trece n gazele de ardereunde: -volumul real al gazelor de ardere.10u !VVEtan) ( 10 , 1 05 , 1 me gaz z = o=0) 1 ( V E0 0) 1 ( V V Vg g ! EgV142.2. Ecuaiile de ardere pentru 1 kg de combustibil solid sau lichidPentru 1 kg de combustibil:A- cenusaW- umiditatealemente care nu produc reactii de arderelemente combustibileombustibil lichid sau solid% 100 = + + + + + + A W O N S H C15. J kmol kJ Q kmolCO kmolO kmolCC/ 1 1 12 2+ = +Scrierea ecuaiilor de ardere:- se pleac de la reacia molar a reaciei:Ecuaia de ardere pentru coninutul procentual de carbon:CQ CO O C + = +2 2kgC kmolC 12 1 =. J kg kJ Q kgCO kgO kgCC/ 44 32 122 2+ = +. J ) 1 /100 100 311100 381002 2kg kJCkgCOCkgOCkgCCC!16Analog se deduc relaiile de ardere pentru H2 i S:Adunm relaiile 1,2 i 3:. J ) 2 /100 100910081002 2 2kg kJ HHO kgHHkgOHkgHH !. J ) 3 /100 1002100 1002 2kg kJ QSkgSOSkgOSkgSSS+= +i OH HO SO CO M comb de kg din ard care lementele + + + = + ] [ . 1'2'2'2'217'2OM= masa de oxigen necesar reaciei= gazele produse ale arderii.- puterea calorific a reaciei = efectul termic al reaciei.-volumul teoretic de aer necesar arderii a unui kg de combustibil- volumul de oxigen necesar arderii'2'2'2HO SO COiH0V2OV221 , 010 OV V=18carbon redusVolumul teoretic al gazelor de ardere:Volumul real al gazelor de ardere:. J % 375 . 0 S C K+ =] / [302 2 2k m V V V VN O H N RO g!0 0) 1 ( V V Vg g ! Egratar pe ars carbunee insuspensi praf carbunebillichid combustiu80 , 1 40 , 140 , 1 20 , 115 , 1 05 , 1z =z =z =ooo192.3. Densitatea gazelor de ardere i a presiunile pariale:a) Densitatea gazelor de ardere:- la starea normal ( ):pentru combustibil gazospentru combustibil lichid sau solid:unde:-densitatea combustibilului la starea normal- densitatea aerului la stare normalpentru o temperatur medie tg:0V+=300 .0Naer combmkgVV o V VV

!3001NgaermkgVV E. combVaerV

!30273273NggmkgtV V20b) presiunile pariale ale gazelor triatonice RO-2 i H2O:unde:- presiunea absolut a gazelor de ardere (de obicei )] [22bar pVVPggRORO !] [22bar pVVPggO HO H =gpbar pg1 }212.4. Entalpia gazelor de ardere.Diagrama I-tEntalpia este o mrime de stare ce caracterizeaz, ca i energie intern, nivelul energetic al unui sistem termodinamic ( este un potenial termodinamic):unde :I= entalpiaU= energia internpV- lucru mecanic de deplasare.] [J V p U I+ =22Teoria cinetico-molecular:unde :- suma energiilor cinetice, moleculare corespunztoare micrilor de translaie, rotaie i vibraie.- suma energiilor poteniale datorit forelor de interaciune dintre molecule.- suma energiilor din interiorul moleculelor sau a atomilor.i- entalpia specific(masic) - pentru unitatea de mas:unde:u- energia intern specific] [0Jpot cin!] [kgJv p u i+ =cinpot0U23b) Diagrama I-t a gazelor de ardereSe utilizeaz n calculul termic al cazanelor, pentru stabilirea temperaturii gazelor de ardere n diferite puncte ale traseului acestora;Entalpia gazelor de ardere = suma entalpiilor gazelor componente:unde:- entalpia specific a gazelor componete, care sunt funcie de temperatura amestecului- volumele componetelor gazelor arse, rezultate prin arderea unui kg sau a unude combustibil. + ++=kgkJsaumkJi V V i V i V INO O O H N N RO RO g30;2 2 2 2 2 2 2iiiV24Pentru arderea cu exces de aer:Calculul diagramei I-t:Pentru = 1 se calculeaz pentru excese de aer reale:- se calculeaza I- se traseaz cubele I-t care sunt specifice fiecarui combustibil. ) ) o o ; 10 0t f I i V I Iaer g= + =o251-2 = procesul de rcire a gazelor de ardere de la starea 1 la starea 2.26Fluxul de cldur Q cedatde gazele de ardere, n procesul de rcire 1-2 este:Q = B (I1-I2)unde :B- debitul de combustibil sauskgsmN327Modul de utilizare a diagramei I-ta) Pentru o suprafa de schimb de cldur :- se dau ( tii te) i:ti- temperatura de intrare a gazelor de ardere n suprafaa de schimb de cldur;te- temperatura de ieire- se citesc din diagrama I-t:Se calculeaz:Q = B (I1-I2) ; [KW] )i i it f I o ; = )e e et f I o ; =o28b) Pentru o suprafa de schimb de cldur:- se dau Q, ti, - se citete din diagrama I-t: - determinm : - se citeste n diagram I-t :iE )i i it f I E ; !BQI Ii e = )e e eI f t o ; =29Cldura specific a gazelor de ardere. Diagrama Cp-tCapacitatea caloric = cantitatea de cldur necesar pentru ridicarea temperaturii unui corp cu 1 K .Cldura specific c = capacitatea caloric a unitii de cantitate de substan.c = energia termic necesar unitii de cantitate din acea substan pentru ai mri temperatura cu 1K.gaz perfectdin punct de vedere al naturii transformrii realizat de substan. )1 2 2 1T T c m Q!

)kgKJT T mQc1 22 1 =

kgKJR c cv p= 30Diagramacp-t a gazelor de ardereRelaia de legtur I- cpeste:si: ) . J t c V V t c V Ip g P g+ = =0 01 o )AERgNgNO HgO HROgROPcVVcVVcVVcVVc01222222

+ + + =o ) o ; t f cP=31Diagramacp-t a gazelor de ardere32Modul de utilizare a diagramei Modul de utilizare a diagramei cp -t- se da ( )- se citete n diagrama cp- t:- se calculeaz :unde:e iE E ; )i i Pit f c E ; ! )e e Pet f c o ; = )e pe ge i pi git c V t c V B Q = )0 01 V V Vg g+ = o33b) Pentru suprafaa de schimb de cldur:- se dau Q, ti, -cu ( ti, ) -METODA ITERATIV = dou iteraiSe presupuneo valoare , i Se determin:Daccu mai mult de un grad se reia calculul pentru o nou valoareSe determinte pentru:iEpic 'eteopec' '' 'pe gi pi giec VBQt c Vt

=' ' 'e et t {' ' 'e et t !pec""pe gi pi giec VBQt c Vt

!342.6.Controlul arderii. Triunghiul OSTWALDControlul procesului de ardere se face pentru a determina:- msura n care arderea este complet- valoarea excesului de aerIn gazele de ardere segasesc:- ardere completa: CO2; SO2;N2- ardere incomplet: CO; H2; CH4Analiza gaelor de ardere :- cu analizatoare : chimice- electricecondiia unei arderi completep !O H CO235Diagrama OSTWALD- se construiete pentru fiecare tip de combustibilAC= dreapta arderii complete: CO= 0AB= dreapta arderii fr exces de aer:a>1O2max=21%COmaxM a=infinit a=3 a=2 a=1 a0CO=constantCO=0CBA O22COO36Determinarea poziiei unui punct Mn diagrama OSTWALD:Msor concetraia de CO2i O2din gazele de ardere;Citesc n diagram,COPoziia punctului M:a) ardere incompletb)ardere complet CO=0c) ardere fr exces de aerd)ARDERE PERFECTe) neconcordan ntre datele analizei gazele de ardereE A) (int erior ABC AC AB M |A M A Z AOC M37II. ASPECTULFIZIC AL ARDERII COMBUSTIBILIORIan considerare:-Factorii aerodinamici determin o anumit vitez de desfurare a reaciilor;-Factorii termici determin participarea anumitor fuxuri de cldur n diferitele etape ale arderii.38Aspecte:1. Cinetica reaciilor de ardere2. Flacra laminar3. Flacra turbulent4. Aprinderea5. Stabilizarea arderii39Procesulde ardere cuprinde urmtoarele fenomene fizice de baza:- Aprinderea- Stabilizarea arderii- Desfurarea arderii n frontul de flacr, care determin:* mrimea frontului de flacr* forma frontului de flacr40Timpul total de ardere : timpul fazei de omogenizare combustibil-aer- timpul fazei de realizare a procesului de ardere.Exist trei tipuri de fenomene de ardere:- ardere cinetic- ardere difuziv- ardere cinetic-difuzivXc fX X X + =

fXcXc f cX X X X =""f c fX X X X =""c f c fX X X X X + =$41Cinetica reaciilor de ardereProcesul de ardere real: nu este cel descris de reaciile chimice de oxidare care marcheaz numai starea iniial i final a procesuluin reacia chimic de ardere: are loc un proces foarte complex de reacii n lan:- prin care de la o molecul combustibilprin reacii intermediare cu radicali activi (liberi) se obine produsul final de ardere.Radical activ (liber) este o molecul instabil, cu valene libere.42nceperea procesului de ardere:a) Prin nclzirea local a unui anumit volum din amestecul combustibil pn la o temperatur de reacie;b) dup care clduradegajat de reacia local folosete la amorsarea reaciei n volumele nconjurtoare;c) rezult creterea temperaturii care acelereaz reaciile de ardere = faza de aprindere.d) in continuare, procesul de ardere se desfoar cu vitez constant = viteza de ardere.Obs.Viteza de ardere ueste proporional (nu egal) cu viteza de reacie (w).43Schema de ardere a unei molecule de : a) Faza de iniiere:E- energie de activareOH*- radical activ (liber) de OHb)Faza de continuare:H*- radical liber H, cu energie foarte mare.* 22 2OH O HE ++* *2 2H O H H OH + +2H44c)Faza de ramificare a lanului de reacii:Cei trei radicali liberi (doi de OH*si unul de H*) continu fiecare reaciile specice* * ** * *22H OH H OO OH O H p p 45d) Faza de ntreruperea lanului prin pierderea energiei libere:d1) pe o molecul intern M de azot sau oxigen.d2) pe un perete rece S:Peretele transform energia primit n cldur.Viteza de reaciei w variaia n timp a concentraiei de combustibil c:2 2 2 2 2 2 2 243212121* O O H sau O O H M HO M O H + + + + +2 2 22 2 2 2243212121*21*O O Hsau O O H S HOsau S H S H+ + ++ +X ddcw =46RELAIA LUI ARHENIUSRELAIA LUI ARHENIUS evidenieaz importana:a) factorilor de dozaj corect aer-combustibil, prin presiuni pariale; b) rolul important al unei temperaturii ridicate n zona de reacie a focarului:unde:constant de reacie(de combustibil);concentraia de combustibil;concentraie de oxigenE- energia de activare specificT- temperatura la care se desfaoar procesul;e- 2,71R- constanta universal a gazelor; =

smole p c K wT REcC;00 0R R

0K

cc

0p47Exemplu:Dac:semificia relaei lui Arhenius; 1 ; 21 202 2 2! !q q! R RcO H O Hq qo oW cW ccc48n fazele de ardere exist:a) factori care tind sa mareasc .b) factori care tind sa micoreze .ntreruperea reaciei n lan se realizeaz:- la peretele rece a focarului- la ciocnirea cu molecule inerte49FRONTUL DE FLACR este:1. Suprafaa unde se desfoar reaciile de ardere;sau2. Suprafaa luminoas a zonei de ardere.Clasificarea:Din punct de vedere cinetic:Front de flacr laminar:- viteza laminar (normal) de ardere;Front de flacr turbulent :- viteza turbulent de ardere;50Frontul de flacr laminar din punct de vedere cinetic se poate propaga:n amestec de combustibil n repaus: 051n amestec de combustibil n curgere laminar: A Qcom 0Q =Debitul de amestec al combustibilului:A. supra aarontului delacreste perpendicular perontul delacr cu supra aa AQ522. FLACRA LAMINAR a) Front de flacar laminar53Din ecuaia de continuitate:Relatia cosinusului:Exprim faptul c frontul de flacr se inclin cu un unghifa de vitez: = constant.

A S wtub = 0QA A wA Stub ! !0coscosQ EEE Q cos0 =w0cos Q o=w54b) Procesul n frontul de flacr.Fig. 2voluia temperaturii inontul delacr55Notaii:= temperatura iniial a amestecului combustibil= temperatura de aprindere= temperatura final- zona de nclzire a combustibilului.- zona de reacie intens.0TTapfTf px x A >> Apx Afx A56VITEZA NORMAL DE ARDEREDepinde de cinci factori:1-Natura combustibilului2- Dozajul combustibilului n amestec:-volumul de combustibil-volumul amestecului3-Temperatura iniial a amestecului combustibil4-Presiunea iniiala5-Conditiile gazodinamice: viteza,traiectorie6-Condiii geometrice: form, mrime orificiu de ieire a amestecului combustibil.0QamcombVVe.!. combVamV573. FLACRA TURBULENT.58Fig. 4. Frontul de flacr:a) laminar b) turbulent59b) La arderea ntr-un curent turbulent:- au loc pulsaii ale vitezei, care reprezint caracteristica curgerii turbulente.; pulsaia turbulent a vitezei)0(Q Q fT=60c) Factorii care produc cretereaIntesitatea turbulenei ( ):- viteza medie ptratic fluctuant- viteza medie a curentului de amestec combustibil.2) Scala turbulenei (l) reprezint distana medie pe care particulele se mic n form de cvazisolid n curgerea turbulent.TQIww2! I2ww613) Coeficientul de difuzie turbulent :- deplasarea medie datorit difuziei turbulente- viteza medie ptratic fluctuantCoeficientul este o mrime care caracterizeaz procesul de amestecare datorit micrii fluctuante a particulelor.4) Acceleraia produselor de ardere n frontul de flacr.-creaz o turbulen de 2-3 ori mai mare dect turbulena iniial.Vitezala un anumit moment dat =viteza medie+viteza fluctuant TD2 2w x DT =2x2wTQ624. APRINDEREA.Procesul de ardere +calitatea focaruluisunt legate de Posibilitatea aprinderii(caracteristici de aprindere)2. Stabilizarea frontului de flacara1VVolumul de aprindere minimdminQpSeQR63- diametru de aprindere - cldura la care are loc aprinderea( Tap- temperatura de aprindere)- pierderile de cldur pe conturul zonei de aprindere.a)Proces stabilb)Stingere flacr.mm d 2min$RQ| o o o "R p RQ d T Q Q ; ; :PQ| + + + >R p RQ d T Q Q ; ; :64Condiiile de aprindere:- relativ simple la viteze mici ale amestecului combustibil;-greu de realizat la viteze mari ale amestecului combustibil .Tap-= Temperatura de aprindere= temperatura minim pe care trebuie s-o aib un amestec combustibil pentru ca reacia de ardere s aib loc cu vitez cresctoare:. 0 uX ddQR65Condiii fizice la limit pentru aprindere:1) s compenseze2) ; Cretereacreterea La creterea temperaturii, sistemul sa fie stabil.- cldura degajat de reacia de ardere.- pierderile de cldur pe conturul zonei de aprindere.R p RQ Q Q | " ;pQdTdQdTdQP RuuRQpQRQPQ66Pentru realizarea aprinderii:- este necesar ca V (volumul minim de aprindere) s fie nclzit de la o surs exterioar pn la Tap(temperatura de aprindere).Energia minim de aprindere:corespunde cldurii necesare nclzirii volumului sferei cu dmin de la T0la Tap.Variaia energiei minime de aprinderecu dozajul:'+

'

. min apapQQ'+

'

stoo'+

'

!st apapfQQoo. min67Fig. 7. Variaia energiei minime de aprindere cu dozajul.Energia minim de aprindere cu un minim absolut: n vecintatea punctului stoichiometric la:. 95 , 0 =stooQapQapmin.1,4 0,4 0,95 1funct. stoichiometricast.st.685. STABILIZAREA ARDERII (= stabilizarea frontului de flacr)a) Stabilizarea arderii nseamn producerea unei aprinderi continue a amestecului combustibil i implic urmtoarele:1) Aprinderea se produce n flux:- asupra uni curent de amestec de combustibil pe un punct sau o linie de contur.2) Energia de aprindere : este suficient pentru un domeniu de variaiea : w- vitez- dozajulT- temperaturii.3) Starea de stabilitate este o funcie bipoziional cu strile:aprinsntrerupt69b) Modele de stabilizare1) Crearea ntr-un punct pe contur a unei viteze : w= viteza de curgere a amestecului combustibil;u= viteza de ardere.n acest caz frontul de flacr se poate stabiliza, deoarece :i n continuare se va propaga n restul amestecului dup LEGEA COSINUSULUI:o cos0=w uu w !0701) crearea ntr-un punct pe contur a unei viteze: u w !0ulimita jetuluiFrontul de flacaraw0=u w0=uw0712. Furnizarea ntr-un punct sau pe contur a unei energii de aprindere dintr-o surs exterioarwa waFrontul delacaraa)cnteie permanentb) Flacr pilot de aprindere.72wa waTap Tapc) upra aa cald de aprindered)Gaze calde de aprindere732) Furnizarea energiei de aprindere prin recircularea gazelor de aprindere.Front delacaraw0Front delacarabstacol a) ecircularea de gaze de ardere b)xpandareaetului ntr-unpe obstacole neaerodinamicocar cu dimensiuni mari.74Recirculare cu gaze de ardere- n zona centrala a jetului cu turbionare.Recirculare centrala Curent turbionar75Va multumim pentru atentie !