proiect termotehnica i

Student,Tiberiu Munteanu

Grupa MA 26

PROIECT TERMOTEHNICA I

Constanta 2012

UNIVERSITATEA MARITIMA DIN CONSTANTA= FACULTATEA DE ELECTROMECANICA NAVALA =

Coordonatori,Prof. Tudor DarieProf. Dana Mitu

Cuprins

Cuprins.........................................................................................................................................1Cap. I – Combustibili Navali....................................................................................................21. Generalitati..........................................................................................................................2

1.1. Definitie Combustibili:............................................................................................21.2. Caracteristicile Combustibililor:..............................................................................21.3. Clasificarea Combustibililor:...................................................................................31.4. Combustibili pentru motoare cu ardere interna........................................................3

2. Combustibilii Lichizi..........................................................................................................42.1. Originea titeiului......................................................................................................42.2. Proprietati.................................................................................................................5

3. Aditivi pentru combustibili................................................................................................53.1. Aditivi pentru benzine:.............................................................................................53.2. Aditivi pentru motorine:...........................................................................................5

Cap. II – Arderea combustibililor............................................................................................61. Ecuatia generala a Arderii.................................................................................................62. Notiuni Generale.................................................................................................................63. Proprietati...........................................................................................................................7

3.1. Puterea calorica........................................................................................................73.2. Cifra octanica...........................................................................................................73.2.1. Definitie...................................................................................................................73.2.2. Recomandari............................................................................................................83.3. Cifra cetanica...........................................................................................................8

4. Bilantul material al arderii. Aerul necesar arderii si gazele de ardere.........................85. Caldura de reactie..............................................................................................................96. Arderea combustibililor.....................................................................................................9

6.1. Aprinderea si arderea combustibililor gazosi:.........................................................96.1.1. Compozitia combustibililor gazosi..........................................................................96.1.2. Arderea combustibililor gazosi..............................................................................106.2. Combustibili lichizi si solizi..................................................................................14

Cap. III – Aplicatie..................................................................................................................18Bibliografie................................................................................................................................20

Tiberiu Munteanu – MA26 Page 1

Cap. I – Combustibili Navali

1. Generalitati

1.1. Definitie Combustibili:

Prin combustibil se intelege orice substanta, sau amestecuri de substante, care in urma unei reactii chimice de ardere, produce o mare cantitate de caldura.

1.2. Caracteristicile Combustibililor:

Pentru caracterizarea unui combustibil, in afara de starea fizica si de provenienta trebuie sa i se mai cunoasca compozitia chimica, puterea calorica, cantitatea de aer necesara arderii, temperatura gazelor de ardere etc.

Compozitia combustibililor : Combutibilii solizi contin diferite combinati organice ale elementelor C,H,S (elemente combustibile), O si N, alaturi de umiditate, (Wt) si substante minerale (Al) care dau cenusa.

Elementele componente:

Carbonul este elementul principal al combustibililor solizi. Acesta se gaseste in proportie de 50-95%, in functie de natura si varsta combustibililui. Prin arderea completa a unui kilogram de carbon se obtine o energie de 33.44o kJ.

Hidrogenul se gaseste in combustibilii solizi intre 2-6 %. Acesta este, de asemenea un element care ridica valoarea termica a combustibililui, intrucat prin ardere se degaja o mare cantitate de caldura.

Sulful participa cu o pondere de 0,1 – 7 %, in compozitia diferitilor combustibili solizi. In combustibil, sulful se gaseste sub trei forme: in combinatii organice (sulf organic), sub forma de sulfuri metalice, in combinatii anorganice oxigenate (de exemplu, sulfati). In procesul de ardere intervin numai sulful organic si cel piritic. Cu toate ca la arderea sulfului se degaja o mare cantitate de caldura, acest element este daunator in procesul de ardere a combustibilior, deoarece SO2 format corodeaza partile metalice ale focarului si are actiune poluanta (fiind un component al ploilor acide). Pe langa acesta, sulful necesita pentru aprindere o temperatura mare (500 – 600 C).

Azotul se gaseste in general in cantitate mica, nedepasind 2%. El este un element nedorit in masa combustibilului. Acesta nu participa la ardere, dar ia caldura pentru a se incalzi pana la temperatura cu care gazele arse parasesc instalatia de ardere si prin urmare consuma o parte din caldura degajata la arderea combustibilului.

Oxigenul se gaseste in combustibili in proportie de 2 % (antracid) pana la 44 % (lemn). Prezenta sa in combustibil conduce la micsorarea valorii termice a acestuia, deoarece fiind combinat mai ales cu carbonul si hidrogenul, o cantitate din aceste elemente combustibile sunt deja oxidate.

Umiditatea combustibililor constituie de asemenea, un balast, prin faptul ca aceasta consuma o mare cantitate de caldura pentru a trece din starea lichida in starea de vapori. De asemenea mareste volumul si corozivitatea gazelor de ardere.

Cenusa consituie un balast al combustibilului, intrucat ii micsoreaza puterea calorica si uneori poate duce la dezorganizarea completa a procesului de ardere, fie prin faptul ca se acumuleaza in focar si impiedica admisia aerului, fie ca se topeste la o temperatura joasa (1150 – 1700 C), si formeaza un conglomerat plastic, cu inglobarea unor cantitati de combustibil. De aceea, in practica industriala, intotdeauna, la alegerea sistemului de ardere a combustibililor solizi se ia in consideratie cantitatea de cenusa si proprietatile ei.


Observatii:

Compozitia combustibilului poate fi determinata prin analiza chimica elementara, si prin analiza tehnica. Prin analiza elementara se determina continutul procentual de C, H, N, O, S din masa organica a combustibilului, iar prin analiza tehnica se determina umiditatea, materiile volaitle, cenusa si carbunele fix.

1.3. Clasificarea Combustibililor:

Dupa starea de agregare si dupa provenienta lor, combustibilii chimici se pot grupa in:

o Lichizi;o Gazosi;o Solizi.

1.4. Combustibili pentru motoare cu ardere interna

Motoarele termice utilizeaza drept sursa de energie un combustibil care arzand in anumite conditii in prezenta aerului furnizeaza o cantitate de caldura ce se transforma in energie mecanica.

Combustibili cei mai des folositi pentru motoarele cu ardere interna provin din titei, care este supus unui ansamblu de tratamente chimice si fizice. Acesti combustibili, datorita caracteristicilor functionale ale motoarelor in care se folosesc, sunt diferentiati in:

o benzine – pentru motoarele cu aprindere prin scanteieo motorine – pentru motoarele cu aprindere prin compresieo petroluri in amestecuri pentru turbomotoare

1.4.1. Benzinele: din punct de vedere chimic sunt un amestec de hidrocarburi C5 – C10 din clasa alcanilor (parafinice), cicloalcanilor (naftenice) aromatice si nesaturate liniare (olefinice). In benzina procentul de carbon este de 80 – 82% iar cel ce hidrogen de 14 – 15%.

1.4.2. Motorinele (combustibili Diesel): sunt fractiuni petroliere cu densitate cuprinsa intre 850 – 890 kg/cm3 si cu temperatura de fierbere cuprinsa intre 200 – 370 C. Ele provin, in general, de la distilarea atmosferica a titeiului si constau din amestecuri de hidrocarburi ce au in moleculele lor de la 12 pana la 18 atomi de carbon. Combustibilii pentru motoarele Diesel se caracterizeaza prin proprietati opuse benzinei, respectiv, hidrocarburile componente trebuie sa se oxideze cu usurinta cu formare de peroxizi si alte produse de oxidare incompleta, pentru ca autoaprinderea sa se produca usor.

Motorinele trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii: rezistenta mica la autoaprindere; vaporizare usoara; punct de congelare scazut.

1.4.3. Petrolurile turbo (combustibilii pentru turbomotoare): intrebuintate in industrie, transporturi terestre, aeriene, navale, cuprind o mare varietate de produse: produse petroliere, suspensii de pulberi metalice in fractiuni de titei, combustibili gazosi etc. In cazul turbomotoarelor de aviatie se utilizeaza fractiuni de titei cu intervalul de distilare cuprins intre 163 si 302 C, kerosen si petrol lampant, precum si fractiunea larga in intervalul temperaturilor de distilare cuprins intre 52 si 302 C.


2. Combustibilii Lichizi

Singurul combustibil lichid natural este considerat ţiţeiul.

Sunt consideraţi combustibili artificiali: benzina, petrolul lampant, combustibilul pentru aviaţie, motorina, combustibilul lichid uşor, gazul petrolier lichefiat, păcura, metanolul, combustibilii lichizi pentru rachete.

Combustibilii lichizi sunt obtinuti, in mare parte, prin prelucrarea titeiului (petrol brut).Prin distilarea atmosferica (distilare primara) se obtin din titei: benzine, petrol lampant,

motorina, pacura. Benzinele sunt folosite drept combustibili (carburanti) pentru motoarele Diesel, iar pacura este folosita in special in instalatiile casnice, da incalzire; in ultimul timp, pacura este prelucrata (distilare in vid) si transformata in produsi valorosi (lubrifianti).

Petrolul s-a format prin transformarea lenta a plantelor, si intr-o mai mica masura a animalelor, depuse pe fundul marilor interioare, in lipsa oxigenului (transformare anaeroba).

Produsul rezultat in urma acestor transformari este titeiul care a migrat, datorita miscarilor tectonice, formand zacaminte secundare din care se extrage in prezent.

In zacaminte, petrolul este imbibat in straturi de nisip sau pietris, si este inconjurat de straturi impermeabile de marna si argila.

Uneori petrolul se infiltreaza la suprafata solului prin roci, unde o parte din el se evapora, lasand in urma depuneri uleioase, semisolide, precum asfaltul.

Titeiul a fost putin utilizat pana la mijlocul anilor 1800. La inceput din titei se obtineau uleiurile necesare iluminarii si incalzirii gospodariilor. In anii 1890, titeiul a devenit important ca sursa de combustibil pentru motoare cu ardere interna ale masinilor.

Mai multe substante, inclusiv pacura si titeiul parafinos (petrolul lampant), sunt separate din titei prin pocesul numit distilare fractionala. Aceasta metode, implica incalzirea titeiului si separarea si racirea vaporilor astfel formati, pentru a-i determina sa se condenseze in lichide. Produsele rezultate, numite distilati, sunt prelucrate in continuare, pentru a produce substante chimice, mase plastice, detergenti, cauciuc sintstetic, anestezica, insecticide, explozivi, guma de mestecat, ceruri, coloranti, produse cosmetice, conservanti alimentari, matase artificiala, adezivi, medicamente, vopsele.

Deoarece titeiul ofera o asemenea gama larga de produse, este extrem de valoros. Nu este de mirare ca petrolul brut impur este uneori numit “aur negru” si se spune despre el ca este “prea bun pentru a fi ars”.

2.1. Originea titeiului

Asupra modului de formare a titeiului in scoarta pamantului s-au emis mai multe teorii. Unele din acestea considera titeiul ca fiind de origine anorganica, altele ii atribuie origine organica.

Teoria anorganica asupra originei titeiului a fost formulata de M. Berthelot si a fost completata si sustinuta de D. I. Mendeleer. Acesta teorie afirma ca titeiul s-a format in straturi adanci ale scoartei prin actiunea apei asupra carburilor metalice: CaCl2, Al4C3 etc. care in contact cu apa se descompun rezultand acetilena, metan si alte hidrocarburi; sub actiunea temperaturii si


http://ro.wikipedia.org/wiki/Metanol

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=P%C4%83cur%C4%83&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Gaz_petrolier_lichefiat&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Combustibil_lichid_u%C5%9For&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Motorin%C4%83&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/wiki/Avia%C5%A3ie

http://ro.wikipedia.org/wiki/Petrol_lampant

http://ro.wikipedia.org/wiki/Benzin%C4%83

http://ro.wikipedia.org/wiki/%C5%A2i%C5%A3ei

presiunii inalte din interiorul pamantului si in prezenta catalizatorilor naturali, hidrocarburile nesaturate sau polimerizat formand titeiul de astazi.

Teoria organica se fundamenteaza pe mai mute ipostaze, si anume:-titeiul este de origune vegetala (Figuier), formandu-se din plante, prin putrezirea

acestora si transformarea lor in metan, bioxid de carbon si acizi grasi etc.;-titeiul este de origine animala (Engler), rezultand din transformarea grasimilor

animalelor marine, in special a pestilor, la temperaturi si presiuni mari in scoarta pamantului; -titeiul este de origine mixta, vegetala-animala (Potonié): prin transformarea unor plante

si animale marine microscopice, acoperite de namol, si sub actiunea unor bacterii anaerobe a rezultat o materie organica, numita “sapropel”, care a imbibat namolul. Sub influenta temperaturii si a presiunii inalte, “saprolpelul” din namol a suferit transformari chimice, rezultand titeiul.

2.2. Proprietati

Titeiul brut, este un lichid vascos ,de culoare bruna-neagra ,cu reflexe albastrui,rareori galbui. Are miros caracteristic ,este insolubil in apa si mai usor decat apa ,densitatea lui variind intre 0,700 si 0,930 g/cm3 . Nu are temperatura de fierbere fixa ,fiind un amestec complex de hidrocarburi.

3. Aditivi pentru combustibili

Aditivii sunt substante introduse in carburanti in vederea imbunatatiri acestora.3.1. Aditivi pentru benzine:

aditivi antidetonanti (impiedica autoaprinderea, maresc cifra octanica) aditivi anticorozivi (reduc coroziunea pieselor metalice ce intra in contact cu

benzinele) aditivi degivranti (au rolul de a impiedica formarea ghetii pe carburator, produsa

de evaporarea benzinei).3.2. Aditivi pentru motorine:

aditivi acceleratori (maresc cifra cetanica,micsoreaza temperatura de autoaprindere si favorizeaza procesul de ardere).

aditivi anticongelanti (impiedica formarea si dezvoltarea procesului de cristalizare a hidrocarburilor parafinice).

aditivi contra fumului (fac ca emisia de fum sa fie mult mai redusa iar consumul de combustibil sa se reduca si el)


Cap. II – Arderea combustibililor

1. Ecuatia generala a Arderii

Pentru a raspunde obiectivelor lucrarii se admite si termenul al patrulea (dioxizii de azot), ecuatia arderii devenind si ecuatia noxelor; evident, reprezentarea grafica devine mai dificila.

(1+β )∗CO2+(0,605+β )∗CO+O2+0,895∗(NO2ec +NO2 e

a )=21 %

2. Notiuni Generale

Arderea reprezinta o oxidare violenta a substantelor combustibile. Acest proces este insotit de degajare de caldura si emisie de lumina. Numim reactanti, corpurile care intra in procesul arderii si produsi cele care rezulta. In produsii arderii, constituientii principali sunt gazele de ardere. Exista trei tipuri clasice de procese de ardere, functie de viteza de propagare a frontului de ardere, si anume:

deflagratia: w < 30 m/s; detonatia: 30 < w < 200 m/s; explozia: w > 200 m/s.

In procesele industriale curente de ardere se utilizeaza deflagratia. Oxigenul necesar arderii provine din aer. In anumite cazuri acesta se afla in legaturile chimice ale combustibilului.

Elementele chimice clasice care prin ardere dezvolta caldura si emit lumina sunt carbonul, hidrogenul si sulful, care, pe langa alti componenti alcatuiesc combustibilul. Fiecare din aceste componente participa cu o anumita proportie.

Combustibilii clasici se impart in trei grupe: solizi, lichizi si gazosi. Compozitia chimica a combustibililor solizi si lichizi se da prin participatia masica a elementelor componente g i

(carbonului, hidrogenului, sulfului, apei, oxigenului, azotului si sterilului), sub forma:

gC+gH+gS+gW+gO+gN +gP=1

Compoziţia chimica a combustibililor gazosi se da prin participatia volumica, γi:

γ i=V i

∑ V i

=V i

V am

Ei pot sa apara sub forma unei hidrocarburi sau a unui amestec de gaze combustibile ca: oxidul de carbon, hidrogenul, metanul, propanul etc. Amestecul poate sa contina si oxigen, azot, bioxid de carbon, hidrogen sulfurat. Un combustibil gazos se da sub forma:

γ CO+γ H +γ Cn H n+γO+γ N+γ CO2

+γ H 2 S=1

In vederea arderii unui combustibil, trebuie sa se asigure mai intai, prezenta simultana si a oxigenului si apoi sa se produca aprinderea.

Arderea oricarui combustibil este precedata de aprindere. Pentru aprinderea unui combustibil trebuie se existe o anumita proportie locala intre combustibil si oxigen si sa existe o sursa de energie pentru incalzirea combustibilului pana la temperatura de aprindere. Temperatura de aprindere de natura combustibilului si reprezinta cea mai joasa temperatura la care incepe arderea interna. Aprinderea combustibilului este precedata intotdeauna de o perioada de timp,


numita perioada de inductie, pe durata careia, sub influenta temperaturii inalte si a altor factori, combustibilul sufera procese de descompunere si oxidare, cu formare de combinatii mai simple, produse intermediare active ca radicali, atomi sau molecule semi-stabile, cu o energie de activare mica, care participa la propagarea reactiilor de ardere.

3. Proprietati

3.1. Puterea calorica

Puterea calorica exprima cantitatea de caldura care rezulta prin arderea completa a unei unitati de combustibil.

Puterea calorica a combustibililor solizi si lichizi se exprima in kj/kg sau kcal/kg,iar a celor gazosi in kj/m3N.

Majoritatea combustibililor contin in compozitia lor hidrogen, component care prin ardere se transforma in apa. In afara de acestea, inainte de ardere, combustibilii contin o cantitate mai mare sau mai mica de apa, care exprimata procentual reprezinta umiditatea initiala a acestora. Apa rezulta prin arderea hidrogenului si apa sub forma de umiditate poate sa se gaseasca in produsele de ardere sub forma de vapori sau sub forma lichida.

Intrucat calitatea de caldura determinata de arderea combustibililor depinde de starea de agregare a apei din produsele de ardere, in practica se deosebeste puterea calorica superioara si puterea calorica inferioara.

Puterea calorica superioara (Qs): reprezinta caldura de reactie izoterm-izobara, cand apa se afla in faza lichida in produsii de ardere.

Puterea calorica inferioara (Qi): reprezinta cantitatea de caldura obtinuta prin arderea unei cantitati de combustibil, in cazul cand produsele de ardere au temperatura de 20 C; in acest caz, apa din produsele de ardere fiind lichida, in puterea calorica determinata se include si caldura lanenta de condensare a vaporilor de apa .

In practica se ia in considerare numai puterea calorica inferioara, intrucat din instalatiile industriale se elimina produsele de ardere continand apa sub forma de vapori.

Puterea calorifică a câtorva combustibili

Combustibil Qs (MJ/kg)Hidrogen 141,80Benzină 47,30Kerosen 46,20Motorină 44,80Butan 49,50

3.2. Cifra octanica

3.2.1. Definitie

Cifra octanica se defineste prin compararea comportarii benzinei cu cea a unui amestec etalon, format din hidrocarburi cu proprietati antidetonante opuse. Drept hidrocarbura care detoneaza ușor, adica are rezistenta la autoaprindere mica, se folosește normal heptanul (C7H16), caruia i se atribuie, in mod conventional cifra octanică CO = 0. Drept hidrocarbura care detoneaza greu, adica are rezistenta la autoaprindere mare, se foloseste izooctanul (2,2,4-trimetilpentan) (C8H18 ), caruia i se atribuie, in mod conventional cifra octanica CO = 100. Cifra octanica este definita de procentul de izooctan in volumul amestecului etalon.

Definirea cifrei octanice a fost facuta în jurul anului 1926 de chimistul Russell Marker de la Ethyl Corporation. Alegerea n-heptanului s-a datorat posibilitatii de a se obtine substanta foarte pura, fara urme de alti izomeri ai heptanului sau octanului, prin distilarea rasinii de pin


Jeffrey. Obtinerea heptanului din alte surse, de exemplu din titei nu se poate face la puritatea necesara unei substanțe etalon.

3.2.2. Recomandari

O benzina cu CO mai mare permite realizarea unor rapoarte de comprimare mai mari, deci motoare cu randament indicat mai mare si, la aceeași cilindree, cu puteri mai mari.

La un motor cu raport de comprimare dat, folosirea unei benzine cu CO mai mica decat cea prevazuta prin proiect deformeaza diagrama indicata, micșorand randamentul indicat, si determina aparitia detonatiei, distrugand motorul. Folosirea unei benzine cu CO mai mare decat cea prevazuta prin proiect deformeaza si ea diagrama indicata, micsorand de asemenea randamentul indicat, ducand la o risipa inutila.

Cifra octanica nu este legata de cantitatea de caldura degajata prin ardere, adica de puterea calorifica a combustibilului, deci o benzină cu o CO mai mare nu e „mai buna” in acest sens.

3.3. Cifra cetanica

Cifra cetanică (CC) caracterizează ușurința la autoaprindere a combustibilului pentru motoare cu aprindere prin comprimare. Este unul dintre principalii indicatori care caracterizează calitatea unui combustibil pentru motoarele diesel.

Definitie : Cifra cetanica a unui combustibil se defineste prin compararea comportarii combustibilului cu cea a unui amestec etalon, format din hidrocarburi cu calitati de autoaprindere opuse. Drept hidrocarbura care se aprinde ușor, adica are rezistenta la autoaprindere mica, se foloseste cetanul (C16H34 ), caruia i se atribuie, in mod conventional cifra cetanica CC = 100. Drept hidrocarbura care se aprinde greu, adica are rezistenta la autoaprindere mare, se foloseste α-metil-naftalina (C10H7CH3 ), caruia i se atribuie, in mod conventional cifra cetanica CC = 0. Cifra cetanica este definita de procentul de cetan in volumul amestecului etalon.

4. Bilantul material al arderii. Aerul necesar arderii si gazele de ardere

Bilantul material al arderii permite determinarea volumului aerului necesar arderii si volumul gazelor de ardere, inclusiv natura acestora, corespunzatoare unei unitati de cantitate de combustibil.

Prin volumul gazelor de ardere (Vg) se întelege volumul, în condiţii normale, al gazelor de ardere rezultat la arderea unei unităţi de combustibil. Gazele de ardere reprezintă un amestec de gaze considerat într-o primă aproximaţie acceptabilă în tehnică, gaz perfect.

Natura gazelor de ardere şi volumul lor depind de natura combustibilului, remarcându-se deosebiri între produse arderii complete şi cele ale arderii incomplete.

Realizarea unui proces complet de ardere presupune realizarea unui amestec perfect între aer şi combustibil, lucru greu de realizat în practică. În plus, datorită faptului că arderea se desfăşoară în faza gazoasă, în focar se introduce o cantitate de aer mai mare decât cea minimă necesară, pe care o denumim aer real:

V aer= λV aermin [mN

3 aer /kg . comb ]

în care λ reprezintă coeficientul de exces de aer.


Din punctul de vedere al cantităţii de aer care participă la un proces de ardere deosebim:

a) ardere cu exces de aer: V aer>V aermin; λ>1

b) ardere teoretică: V aer=V aermin ; λ=1

c) ardere cu deficit de aer: V aer<V aermin; λ<1

Dacă analizăm procesul de ardere din punctul de vedere al transformării energiei chimice a combustibilului în căldură, vom deosebi două procese de ardere: completă şi incompletă.

În cadrul procesului de ardere completă, întreaga energie chimică conţinută în combustibil se transformă în căldură, iar produsele de ardere nu mai conţin energie chimică, deci oxidarea a fost completă.

Atunci când ne referim la ardere incompletă, vom deosebi două situaţii: ardere incompletă din punct de vedere chimic;ardere incompletă din punct de vedere mecanicArderea incompletă din punct de vedere chimic are loc datorită faptului că nu s-a

asigurat o cantitate suficientă de oxigen necesar arderii, pe când în cazul unei arderi incomplete din punct de vedere mecanic nu a fost asigurată o omogenizare suficientă a amestecului de combustibili, lucru ce duce la prezenţa unor particule nearse în produsele de ardere.

În ambele tipuri de ardere incompletă, o parte din energia chimică a combustibilului se regăseşte în produsele de ardere, deci căldura degajată în procesul de ardere incompletă va fi mai mică decât căldura degajată în timpul procesului de ardere completă. Un proces de ardere incomplet este caracterizat de prezenţa în gazele de ardere a monoxidului de carbon.

5. Caldura de reactie

O reactie de ardere completa va tine cont atat de energiile reactiilor cat si de cele ale produsilor arderii, dar si de transferurile de energie dintre acestia si mediul ambiant.

Cat priveste conventia de semne, reactiile chimice exoterme au loc cu degajare de caldura, iar efectul lor termic se considera pozitiv; reactiile chimice endoterme au un efect termic negativ, deoarece compusii lor preiau caldura din exterior.

In timpul arderii se degaja o cantitate de caldura numita caldura de reactie. Aceaasta depinde de modul in care s-a desfasurat reactia de oxidare: izocor, izobar, izoterm, etc. Astfel:

C+O2=CO2+Qr

Definim caldura de reactie ca fiind o cantitate de caldura degajata prin arderea completa si izoterma a 1 kg dintr-un combustibil.

6. Arderea combustibililor

6.1. Aprinderea si arderea combustibililor gazosi:

- are loc prin reactii inlantuite, initiate termic.

6.1.1. Compozitia combustibililor gazosi

Se exprima obisnuit in procente volumetrice. Principalele componente combustibile ale acestora sunt:CO, H2, CH4, alte hidrocarburi si H2S, iar componentele necombustibile insotitoare sunt: CO2, O2 si N2.


6.1.2. Arderea combustibililor gazosi

Combustibili gazosi, oferind cea mai mare suprafata de contact intre ei si oxigen, se aprind foarte usor; arderea are loc in intreg volumul amestecului de combustibil – aer. Acestia au o compozitie foarte variata, ce depinde de originea acestora. Astfel, gazele naturale din tara noastra contin peste 99 % CH4, iar gazele combustibile artificiale constau dintr-un amestec de gaze combustibile si necombustibile.

În cazul combustibililor gazoşi compoziţia este dată în procente volumice (x i=V gaz

i

V amestec) . În

compoziţia combustibilului gazos intră de obicei hidrogen (H2), monoxid de carbon (CO), metan (CH4), hidrocarburi de forma CmHn, hidrogen sulfurat (H2S), oxigen (O2), dioxid de carbon (CO2), azot (N2), cu procentele volumice h, co, ch4, cmhn, h2s, o, co2, n.

Astfel 1 m3N de combustibil gazos (c.g.) în starea uscată se exprimă sub forma: h+co+ch4+cm hn+h2 s+o2+co2+n=1.

Reacţiile de oxidare a compuşilor combustibilului gazos, volumul de oxigen şi volumul gazelor de ardere sunt prezentate în continuare:

Oxidarea hidrogenului:

H2+12

O2=H2 O+Q̄pH

1 kmol H2+12

kmol O2=1kmol H2 O

22 , 414 mN3 H2+

22, 4142

mN3 O2=22 , 414 mN

3 H2 O

1mN3 H2+

12

mN3 O2=1mN

3 H2 O

iar pentru volumul h∙ m3N de H2 rezultă:

h⋅mN3 H 2+

h2

mN3 O2=h⋅mN

3 H2 O(7.29)

deci este necesar un volum hmN3

oxigen pentru arderea hidrogenului şi rezultă un volum h⋅mN3

de vapori de apă.

Se observă că valorile coeficienţilor stoichiometrici de la reacţia chimică se regăsesc şi în relaţia cantitativă între volumele de gaze.

Oxidarea monoxidului de carbon:

CO+ 12

O2=CO2+Q̄pCO

co⋅mN3 CO+1

2co⋅mN

3 O2=co⋅mN3 CO2 (7.30)

deci este necesar un volum

12

co⋅mN3

oxigen pentru ardere şi rezultă un volum co⋅mN3

dioxid de carbon.


Oxidarea metanului:

CH 4+2⋅O2=CO2+2⋅H2O+Q̄pCH 4

ch4⋅mN3 CH 4+2⋅ch4⋅mN

3 O2=ch4⋅mN3 CO 2+2⋅ch4⋅mN

3 H2 O (7.31)

Este necesar un volum 2⋅ch4⋅mN3

de oxigen şi rezultă un volum ch4⋅mN3

dioxid de

carbon şi un volum 2⋅ch4⋅mN3

de vapori de apă.

Oxidarea hidrocarburilor:

Cm Hn+(m+ n4 )⋅O2=m⋅CO2+

n2⋅H2O+Q̄pCmHn

cm hn⋅mN3 Cm Hn+cm hn⋅(m+n

4 )⋅mN3 O2=

¿m⋅cm hn⋅mN3 CO2+

n2⋅cmhn⋅mN

3 H2O (7.32)

Este necesar un volum cm hn⋅(m+ n

4 )⋅mN3

de oxigen şi rezultă un volum m⋅cm hn⋅mN3

dioxid de carbon şi un volum

n2⋅cm hn⋅mN

3

de vapori de apă.

Oxidarea hidrogenului sulfurat:

H2 S+ 32

O2=SO2+H2O+Q̄pH 2 S

h2 s⋅mN3 H2 S+ 3

2⋅h2 s⋅mN

3 O2=h2 s⋅mN3 SO2+h2s⋅mN

3 H2O(7.33)

Este necesar un volum

32⋅h2 s⋅mN

3

de oxigen şi rezultă un volum h2 s⋅mN3

dioxid de sulf

şi un volum h2 s⋅mN3

de vapori de apă.

Aerul de ardere necesar

Din reacţiile de mai sus, pentru arderea completa a unui m3N de combustibil, rezultă

volumul de oxigen necesar:

V o2

min =[12

h+ 12

co+2⋅ch4+∑ (m+ n4 )⋅cm hn +

32

h2 s−o] [ mN3

mN3 c . g . ]

(7.34)Volumul minim de aer necesar arderii teoretice este:

V aermin=

V O2

min

0 ,21 [ mN3

mN3 c . g . ]


În cazul aerului umed şi al arderii în exces sunt valabile relaţii analoge cu cele prezentate la combustibilii solizi şi lichizi.

Compoziţia şi volumul de gaze de ardere

În urma oxidării complete a componentelor combustibile dintr-un metru cub normal de combustibil gazos se obţin gaze de ardere compuse din:

- dioxid de carbon:

V CO2=co+ch4+∑ m⋅cmhn+co2 [ mN

3 CO2

mN3 c .g . ] (7.35)

- bioxid de sulf:

V SO2=h2 s [ mN

3 SO2

mN3 c .g . ] (7.36)

- vapori de apă:

V H 2O0 =h+2⋅ch4 +∑ n

2⋅cm hn+h2 s [ mN

3 H2O

mN3 c .g . ] (7.37)

- azot

V N2

0 =0 ,79⋅V a0 +n [ mN

3 N2

mN3 c . g . ] (7.38)

- aer în exces

V aex=( λ−1)⋅V a

0 [ mN3 aer

mN3 c . g . ] (7.39)

- Volumul teoretic de gaze de ardere uscate:

V g us0 =V CO

2+V SO

2+V N

2

0 (7.40)

- Volumul teoretic de gaze de ardere umede:

V g0=V CO2

+V SO2+V N

2

0 +V H2

O0 (7.41)

- Volumul real de gaze arse uscate :

V g us =V g us0 +( λ−1 )⋅V a

0 (7.42)

- Volumul real de gaze de ardere umede :

V g=V g0+V a

ex=V g0+( λ−1)⋅V a

0 (7.43)

Ca şi în cazul combustibililor solizi şi lichizi, debitul de combustibil multiplică debitele de evacuare ale aerului şi gazelor de ardere.

Masa molara a gazelor de ardere

Masele molare ale componentelor gazelor de ardere:

μO2=32

kgkmol

μN2=28

kgkmol

μCO2=44

kgkmol

μSO 2=64,06

kgkmol


μH 2O=18,015

kgkmol

μga=μO2∗rO2

+μN 2∗r N2

+μCO2∗rCO2

+μSO2∗rSO2

+μH 2 O∗r H 2 O=28,684kg

kmol

Participatiile masice procentuale ale componentelor gazelor de ardere (cu excesul de aer):

gxga=

rx∗μx

μga

gCO2−ga=7,03 % gH 2O−ga=3,701% gSO 2−ga=4,491∗10−3 %gN2−ga=74,23 % gO2− ga=15,034 %

Verificare: gCO2−ga+gH 2 O−ga+gSO2−ga+gN2−ga+gO2−ga=1

Densitatea gazelor de ardere in conditii normale:

ρ0−ga=μga

V μ0

ρ0−ga=1,28kg

m3 ( kg

Nm3 )Densitatea gazelor la iesirea din camera de ardere:

Constanta universala a gazelor: R=8314J

kgK

Rga=R

μga

Rga=289,848J

kgK

Caldura specifica a gazelor de ardere

Caldurile specifice medii ale componentelor gazelor de ardere la temperatura de iesire din camera de ardere sunt:

c p−O2=1,098

kJkgK

c p−N2=1,184

kJkgK

c p−C O2=1,247

kJkgK

c p−SO2=11,185

kJkgK

c p−H 2O=2,349

kJkgK

o Caldura specifica molara a gazelor de ardere:

c M−p−ga=r x∗μx∗c p− xkJ

kmolKc M−p−ga=34,968

kJkmolK

o Caldura specifica a gazelor de ardere la presiune constanta:

c p− ga=rx∗c p−xkJ

kgKc p− ga=1,244

kJkgK


o Caldura specifica a gazelor de ardere la volum constant:

cV−ga=c p−ga−Rga cV−ga=0,954kJ

kgK

Exponentul adiabatic al gazelor de ardere:

k ga=c p−ga

c p−ga

k ga=1,30

6.2. Combustibili lichizi si solizi

Arderea combustibililor lichizi se realizeaza marindu-se suprafata de contact cu oxigenul sau aerul, in care scop, acestia se pulverizeaza, prin intermediul pompei de injectie si a injectoarelor.

Arderea combustibilor solizi este un proces eterogen si se compune din urmatoarele etape:

incalzirea si uscarea combustibililor; descompunerea pirogenica a combustibilului cu formare de materii volatile si a

cocsului; arderea materiilor volatile; arderea cocsului

În cazul arderii complete, aerul necesar arderii şi volumul gazelor de ardere rezultă din ecuaţiile reacţiilor de ardere. Calea după care acesta se determină diferă după natura combustibilului. Componentele combustibile sunt carbonul, hidrogenul şi sulful, procesul de ardere referindu-se la oxidarea acestora.

Pentru determinarea aerului teoretic (minim) necesar arderii complete se consideră mC, mH2 şi mS conţinutul de carbon, hidrogen şi sulf al unui kg de deşeu. Folosind aceste notaţii se calculează mai întâi cantitatea de oxigen necesară oxidării C, H şi S reacţiile stoechiometrice de ardere fiind următoarele:

- În cazul carbonului:

C+O2=CO 2+Q pC (7.3)

1 kmol C+1kmol O2=1kmol CO2+Q pC(7.4)

12 kg C+22 ,414 mN3 O2=22 ,414 mN

3 CO2+QpC (7.5)

(volumul molar în condiţii normale este 22,414 m3).

Folosind ecuaţia (7.5) rezultă volumul de oxigen minim necesar oxidării a c kg de carbon/kg de combustibil şi volumul de CO2 rezultat prin arderea carbonului:

V O2

C =22 , 41412

⋅c=1 , 867⋅c [mN3 O2¿kg .comb ]

(7.6)

V CO 2

C =22 ,41412

⋅c=1 ,867⋅c [mN3 CO2 ¿kg .comb ]

(7.7)


- Pentru hidrogenul conţinut în combustibil:

H2+12

O2=H2 O+QpH 2 (7.8)

1kmol H2+12

kmol O2=1kmol H2O+QpH2 (7.9)

2 kg H2+22 , 414

2mN

3 O2=22. 414 mN3 H2 O+QpH 2 (7.10)

Folosind ecuaţia (7.10) rezultă volumul de oxigen minim necesar oxidării a h kg de hidrogen/kg de combustibil şi volumul de vapori de apă rezultat prin arderea hidrogenului:

V O2

H2=22, 4144

⋅h=5,6⋅h [ mN3 O2¿ kg .comb ] (7.11)

V H 2O

H2 =22 , 4142

⋅h=11 , 207⋅h [ mN3 H2O /kg .comb ] (7.12)

Pentru sulful conţinut în combustibil:

S+O2=SO2+QpS(7.13)

1 kmol S+1 kmol O2=1 kmol SO2+QS (7.14)

32 kg S+22 , 414 mN3 O2=22 . 414 mN

3 SO2+QS(7.15)

Folosind ecuaţia (7.15) rezultă volumul de oxigen minim necesar oxidării a s kg de sulf/kg de combustibil şi volumul de dioxid de sulf rezultat prin arderea sulfului:

V O2

S =22 ,41432

⋅s=0,7⋅s [mN3 O2 ¿kg . comb ] (7.16)

V SO2

S =22,41432

⋅s=0,7⋅s [mN3 SO2¿ kg .comb ] (7.17)

Volumul de oxigen conţinut de masa o de oxigen dintr-un kilogram de combustibil este:

V O2

comb =22 , 41432

⋅o=0,7⋅o [mN3 O2 ¿kg .comb ] (7.18)

Însumând relaţiile (7.6), (7.11) şi (7.16) vom obţine volumul de oxigen necesar oxidării a 1 kg de combustibil:

V O2

min =V O2

C +V O2

H2 +V O2

S −V O2

comb [mN3 O2 ¿kg . comb ] =

=22 ,414⋅( c12

+ h4+ s

32− o

32 ) [mN3 O2 /kg . comb ] (7.19)


Considerând participaţia volumică a oxigenului în aerul uscat 21%, volumul de aer uscat minim necesar arderii a 1kg de combustibil va deveni:

Vaer uscatmin =

V O2

min

0 , 21 = 106,733¿( c

12+ h

4+ s

32− o

32 ) [mN3 aer /kg . comb ] (7.20)

Pentru un conţinut de umiditate x [kg vapori/kg aer uscat] al aerului, cantitatea minimă de aer umed necesară arderii este:

V aermin=V

aer uscatmin (1+ x

ρN ,a

ρN ,usc) [mN

3 aer /kg . comb ] (7.21)

în care: ρN,a – densitatea la stare normală a aerului uscat: 1,293 [kg/m3N]

ρN,um – densitatea la stare normală a vaporilor de apă: 0,803 [kg/m3N]

Folosind aceste valori, relaţia (7.21) va deveni:

V aermin=V

aer uscatmin ¿ (1+1 ,61 x ) [mN

3 aer /kg .comb ] (7.22)

relaţie în care 1,61x reprezintă volumul de vapori de apă ataşaţi la fiecare m3N de aer uscat

ce prezintă conţinutul de umiditate x. În cazul în care nu se poate stabili cu exactitate valoarea conţinutului de umiditate x, se poate considera x=x0=0,01[kg umiditate/kg aer uscat].

Realizarea unui proces complet de ardere presupune realizarea unui amestec perfect între aer şi deşeu, lucru greu de realizat în practică. În plus, datorită faptului că arderea se desfăşoară în faza gazoasă, în focar se introduce o cantitate de aer mai mare decât cea minimă necesară, pe care o denumim aer real:

V aer= λ⋅V aermin [ mN

3 aer /kg . comb ]în care λ reprezintă coeficientul de exces de aer.

În funcţie de natura combustibilului, a tipului instalaţiei sau a spaţiului de ardere, pentru coeficientul de exces de aer sunt recomandate următoarele valori orientative :

- pentru combustibili lichizi λ = 1,05 ÷ 1,2 - pentru combustibili solizi λ = 1,05 ÷ 1,4 - pentru combustibilii gazoşi λ = 1,02 ÷ 1,15

Vom considera un proces de ardere completă cu λ=1; în focar introducem 1kg de deşeu şi

V aermin

[m3N / kg.comb], rezultând o cantitate minimă de gaze de ardere notată

V g [m3N / kg.comb]

şi r[kg] de substanţe minerale(cenuşă). Volumul gazelor de ardere se obţine prin însumarea volumelor parţiale de CO2, SO2 şi H2O rezultate din procesul de ardere şi azotului din aerul minim necesar arderii:

V g=V CO2

C +V SO2

S +V H2

O +V N2[mN

3 ¿ kg . comb ]Vaporii de apă din gazele de ardere provin din arderea hidrogenului, din umiditatea

conţinută în combustibil şi din aerul de ardere:

V H 2O =V H 2O

H 2 +V H2Ocomb +V H 2O

aer . min [mN3 H2 O /kg .comb ] , unde

V H 2O

H2 =22 , 4142

⋅h=11 ,207⋅h [ mN3 H2O /kg . comb ]


V H 2Odes =22 , 414

18⋅w=1 ,24⋅w [mN

3 H 2O /kg . comb ]Cantitatea de umiditate (vapori de apă), exprimată în [m3

N / kg.comb], corespunzătoare

aerului minim necesar arderii va fi V H 2O

aer .min =1 , 61⋅V aer .uscmin

. Din relaţiile de mai sus va rezulta volumul total al vaporilor de apă:

V H 2O =11 ,2⋅h+1 ,24⋅w+1 ,61⋅V aer . uscmin (7.23)

Azotul din gazele de ardere va proveni din gazele de ardere şi din combustibil:

V N2=V N

2

aer . min +V N2

comb [mN3 N2 ¿kg . comb ]

Datorită faptului că azotul are o participaţie de 79% în aerul uscat şi volumul de azot din combustibil este dat de relaţia:

V N2

comb =22 ,41428

⋅n=0,8⋅n [mN3 N 2¿kg .comb ]

vom obţine:

V N2=0 , 79⋅V aer .usc

2

min +0,8⋅n [mN3 N2 ¿kg . comb ] (7.24)

Ţinând cont şi de relaţiile (7.7), (7.12) şi (7.17), cantitatea minimă de gaze de ardere va deveni:

V gO=1,876⋅c+0,7⋅s+11 ,207⋅h+1 , 24⋅w+1 ,61⋅V aer .usc

min +

+0 , 79⋅V aer .uscmin +0,8⋅n [ mN

3 /kg .comb ] (7.25)

În procesul real de ardere, λ>1, volumul gazelor de ardere va fi:

V greal=V g

0+V aerex [ mN

3 / kg .comb ] (7.26)

în care volumul de aer în exces este:

V aerex =V aer−V aer

min=λV aermin−V aer

min= ( λ−1 ) V aermin [mN

3 /kg . comb ] (7.27)

Dacă în focar se introduce un debit de combustibil Dcomb=

mcomb

t[ kg /s ]

, atunci debitul

ventilatoarelor de aer (Daer=

maer

t ) şi al ventilatoarelor de gaze

(Dg=mgaze

t ) vor fi:

Daer=D comb⋅V aer [ mN3 aer / s] , respectiv Dg=Dcomb⋅V g [ mN

3 / s] (7.28)

Arderea combustibilului are loc pe ciclul notat cu „C”:


P Presiune.V Volum.PMS Punct Mort Superior.PMI Punct Mort Inferior.A Admisie.B Compresie.C Ardere.D Destindere.E Evacuare.


Cap. III – Aplicatie:

Arderea Combustibililor

Problema:

Motorul principal al unui Bulk Carrier dezvolta o putere P=10.350 cp, la o turatie de 100 rot/min. Motorul are un consum specific cspe=175 g/CPh. Combustibilul utilizat este unul rezidual cu urmatoarele compozitie elementara: C=85%; H=13%; N=0%; S=1%; O=1%. Suflanca de supralimentare comprima aerul de la P1=755 torr si t1=40oC, la P2=1,6 bar.

Sa se determine puterea consumata de suflanta la o compresie adiabata cunoscandu-se coeficientul de exces de aer al motorului ɑ=1,3, randamentul compresorului ɳ=0,8 si coeficientul adiabatic k=1,4.

Rezolvare:

I. Cantitatea minima de O2 necesara arderii:

Omin=1,867∗[C %+3∗(H %−O %−S %8 )]=2,32[nm3/kgcomb]

II. Cantitatea reala de aer necesara arderii:

Lreall=α∗Lmin

Lmin=cantitatea minima teoretica de aer necesara arderii:

Lmin=Omin

0,21=11,05[nm3/kgcomb]

Lreal=1,3∗2,32

0,21=14,33[nm3/kgcomb]

III. Cantitatea de motorina consumata pe ora:

C=P∗C spe=10.350∗175=1.811.250 [g /h ]

C=1.811,25 [kg/h]

IV. Cantitatea de aer necesara motorului intr-o ora:

Daer0 =C∗Lreal=1.811,25∗11,05=20.014,31[nm3 /h]

T 0=273 K

P0=101.325¿

P1=755 [ torr ]=755∗133,32=100.656,6¿

T 1=40OC=40+273=313 K


Daer=

Daer0 ∗P0

P1

∗T 1

T 0

=20.014,31∗1,01∗1,15=23.246,62[nm3/h]

V. Puterea teoretica consumata de compresor:

Pc=

kk−1

∗P1∗Daer

3600∗[1−( P1

P2)

k−1k ]=282.146,2[W ]=282,15 [kW ]

VI. Puterea ceruta de compresor, avand in vedere ɳ acestuia:

Pcomp=Pc

ɳ=282.146.2

0,8=352.682,8 [W ]=352,68[kW ]


BibliografieURL: www.wikipedia.roURL: www.referat.roMANUAL CHIMIE: AUTOR: CONF.DR.ING. OVIDIU HOREA OPREA

IOANA IONEL Ș.A. ENERGOECOLOGIA COMBUSTIBILILOR FOSILI, TIMIȘOARA, ED. „POLITEHNICA”, 2004


http://www.referat.ro/

http://www.wikipedia.ro/

proiect termotehnica i

Documents