ARDEREA COMBUSTIBILILOR

Capitol realizat n colaborare cu Prof. em. dr. ing. Teodor Mdran

Generaliti. Clasificarea combustibililor

Arderea este procesul de oxidare rapid a unor substane, n urma cruia se degaj cldur. Din punct de vedere termodinamic, procesul de ardere este analizat global, n sensul c nu se studiaz mecanismul de desfurare a arderii, denumit cinetica arderii, care este un fenomen chimic extrem de complex i nu se studiaz nici produsele intermediare ale arderii.

Combustibilii sunt substane care prin ardere, respectiv oxidare, produc o nsemnat cantitate de cldur i deci pot s fie utilizate ca surse economice de cldur. De exemplu o pies de mobilier din lemn, chiar dac prin ardere produce cldur, nu poate fi considerat combustibil, pentru c nu este o surs economic de cldur, dar n anumite condiii lemnul n sine, poate s fie considerat combustibil.

Prin ardere, energia chimic a combustibililor se transform n cldur prin reacii exoterme de oxidare.

Cteva condiii pe care trebuie s le ndeplineasc o substan pentru a fi considerat combustibil sunt urmtoarele:

- s reacioneze exoterm cu oxigenul, cu vitez mare i la temperaturi ridicate; - produsele rezultate n urma arderii s nu fie toxice; - s fie suficient de rspndit n natur, deci s fie ieftin i s nu prezinte alte utilizri

posibile, mai economice;

- produsele arderii s nu fie corozive pentru suprafeele cu care intr n contact etc.

n continuare, prin termenul combustibili, sunt desemnai combustibilii clasici (crbuni, petrol i produsele sale, gaze naturale etc.).

Clasificarea combustibililor se poate realiza pe de-o parte dup starea de agregare n combustibili solizi, lichizi i gazoi, iar pe de alt parte dup provenien n combustibili naturali i artificiali. n continuare sunt prezentate cteva exemple:

- combustibili solizi naturali: rumegu, lemn, crbune (turb, huil, antracit etc.), isturi combustibile, paie, etc.;

- combustibili solizi artificiali: mangal, cocs, brichete de crbuni, pelei, etc.; - combustibili lichizi naturali: iei; - combustibili lichizi artificiali: benzin, petrol, pcur, gaze lichefiate etc.; - combustibili gazoi naturali: gaz metan, gaz de sond etc.; - combustibili gazoi artificiali: gaz de cocserie, gaz de furnal, gaz de generator etc.

Compoziia combustibililor

Compoziia combustibililor poate s fie stabilit global prin desemnarea prii care particip efectiv la procesul de ardere, denumit masa combustibil i a prii care nu particip la ardere, denumit balast, care se regsete ntre produii finali ai arderii, sub form de zgur. Aceast modalitate de definire a compoziiei combustibililor evideniaz i umiditatea, respectiv cantitatea de ap coninut de combustibili i este numit analiz tehnic.

Necesiti practice legate de calculul procesului de ardere, impun detalierea compoziiei celor dou componente ale combustibililor, prin analiza chimic elementar, sau mai scurt analiza elementar, n elemente chimice primare, sau compui stabili, care alctuiesc mpreun combustibilul. Compoziia chimic elementar, este exprimat pentru combustibilii solizi i lichizi n participaii masice [kg component / kg combustibil], iar pentru combustibilii gazoi n participaii volumice [m

3N component / m

3N combustibil].

Combustibilii solizi i lichizi, au n compoziie ca i elemente chimice combustibile: carbonul (c), hidrogenul (h) i sulful (s). n paranteze, cu litere mici, au fost notate participaiile masice ale elementelor chimice. Dintre aceste elemente, sulful este o prezen nedorit, deoarece reacioneaz cu umiditatea din combustibil, rezultnd acid sulfuric, iar acesta este extrem de coroziv pentru

elementele metalice ale instalaiilor de ardere. Alte elemente care particip la procesul de ardere sunt: oxigenul (o) legat, deci existent n combustibil i umiditatea combustibilului (w). Masa inert, mineral, sau balastul, are participaia masic notat prin (a). Suma participaiilor masice evideniate prin analiza elementar, trebuie s satisfac relaia:

1=a+w+o+s+h+c

Combustibilii gazoi au n compoziie ca elemente cobustibile: hidrogen (h2), oxid de carbon (co), diferite hidrocarburi de tipul (cmhn) de exemplu metanul (ch4), iar ca elemente necombustibile:

oxigen (o2), azot (n2), bioxid de carbon (co2) i umiditate (w). ntre paranteze au fost notate participaiile volumice, care trebuie s satisfac relaia:

1=w+co+n+o+hc+co+h 222nm2

Procesul de ardere. Puterea caloric (cldura de ardere)

Pentru a analiza procesul de ardere, sistemul termodinamic n care se produce aceasta, este definit

ca n schema din figura alturat i permite introducerea unor noiuni foarte importante pentru nelegerea ulterioar a fenomenelor legate de ardere.

Schema sistemului termodinamic n care se produce arderea

Spaiul n care se desfoar arderea este denumit focar. n acest spaiu sunt introduse cele dou elemente care se ntlnesc obligatoriu n orice proces de ardere i anume combustibilul, adic acea

component care urmeaz s ard, avnd debitul cbm i comburantul, adic acea component care

conine oxigenul necesar arderii. De regul, n procesele de ardere uzuale din tehnic, aerul este cel mai ntlnit comburant. Mai rar, de exemplu uneori n metalurgie, se utilizeaz ca i comburant, oxigen

tehnic, avnd o puritate foarte ridicat. Debitul volumic de oxigen coninut de aer, este notat cu 2O

V .

n urma arderii, rezult: - gaze de ardere, avnd o compoziie care difer n funcie de tipul combustibilului i al comburantului, - cenu sau zgur, datorit balastului coninut de combustibil; - cldur, care reprezint efectul util i care depinde de condiiile n care se desfoar arderea i de cantitatea

de aer (comburant) introdus n sistem.

Puterea termic rezultat n urma arderii este notat cu Q .

Pentru oxidarea complet a elementelor combustibile, deci pentru ca arderea s fie complet, este necesar o cantitate minim de oxigen (O2min), coninut ntr-o cantitat minim de aer (Lmin).

Arderea desfurat n prezena aerului minim necesar, poart denumirea de ardere stoichiometric, sau ardere teoretic. Stoichiometria este ramura chimiei care studiaz raporturile cantitative dintre elemente, n combinaii sau n reacii (conform DEX online).

Gazele de ardere, obinute n urma arderii, conin n principal bioxid de carbon (CO2), azot (N2), ap (H2O), oxid de carbon (CO), bioxid de sulf (SO2) etc.

n cazul utilizrii combustibililor solizi, n gazele de ardere se ntlnete i funingine, care de fapt reprezint particule nearse de carbon.

Arderea perfect, denumit i arderea teoretic este caracterizat prin faptul c gazele de ardere nu conin elemente chimice combustibile (de exemplu funingine sau CO).

Arderea incomplet mecanic, este caracterizat prin faptul c gazele de ardere conin particule mecanice combustibile (C).

Arderea incomplet chimic, este caracterizat prin faptul c gazele de ardere conin gaze combustibile (de exemplu CO).

Prin ardere, energia chimic a combustibililor este eliberat sub form de cldur, denumit i cldur de reacie (cldur de ardere). Pentru cldura de reacie (cldura de ardere) se utilizeaz i denumirea de putere caloric (H) a combustibililor. A nu se confunda cu noiunea de putere termic.

n funcie de valoarea cldurii de reacie (cldurii de ardere) degajate n procesul de ardere, poate s fie stabilit calitatea unui combustibil, iar aceasta reprezint un criteriu de comparaie a combustibililor.

Puterea caloric este cldura de reacie (cldura de ardere) produs n condiiile strii normale fizice (p0=1.013 bar; t=0C).

Puterea caloric (cldura de ardere) poate s fie definit mai simplu, ca fiind cldura dezvoltat prin arderea complet a unitii de cantitate de combustibil.

Unitatea de msur a puterii calorice (cldurii de ardere), pentru combustibilii solizi i lichizi, este [kJ/kg], iar pentru combustibilii gazoi este [kJ/m3N].

innd seam c n gazele de ardere exist ap (H2O), provenit din oxidarea hidrogenului sau a hidrocarburilor (CmHn), pot s fie definite dou tipuri de puteri calorice (clduri de ardere), n funcie de starea de agregare n care se regsete apa, ca produs final al arderii.

Dac apa rezultat n urma arderii, se regsete n gazele de ardere sub form de vapori, cldura latent de vaporizare a apei (Qvap) este coninut n gazele de ardere.

Dac apa rezultat n urma arderii, se regsete ca produs de ardere sub form lichid, cldura cldura de vaporizare a apei (Qvap) este coninut n cldura de reacie.

Puterea caloric (cldura de ardere) superioar (Hs), este cldura de reacie pentru cazul n care aceasta conine cldura de vaporizare a apei (apa reprezint un produs al arderii n stare lichid, iar toate produsele arderii sunt obtinute n condiiile de temperatur i presiune corespunztoare strii normale fizice starea

iniial a combustibilului i comburantului, nainte de arderea propriu-zis).

Puterea caloric (cldura de ardere) inferioar (Hi), este cldura de reacie pentru cazul n care aceasta nu conine cldura de vaporizare a apei, deoarece aceasta se regsete n gazele de ardere (apa reprezint un produs al arderii n stare de vapori, iar toate produsele arderii sunt obtinute n condiiile de

temperatur i presiune corespunztoare desfurrii arderii).

ntre cele dou tipuri de puteri calorice exist relaia evident:

vapsi QHH

Pentru combustibili solizi i lichizi se poate scrie:

kJ/kgcb w)+(h 2510=Qvap

unde h i w sunt participaiile masice ale apei rezultate din arderea hidrogenului, respectiv apei coninute iniial de combustibilul solid, sau lichid.

Pentru combustibilii gazoi se poate scrie:

cbmkJ/ w+h+hc2

n 2510=Q 3N2nmvap

unde (cmhn), (h2) i (w) sunt participaiile volumice ale hidrocarburilor, hidrogenului i umiditii combustibilului gazos.

Puterea caloric (cldura de ardere) se poate determina experimental ntr-o instalaie denumit bomb calorimetric. Determinarea experimental furnizeaz puterea caloric (cldura de ardere) real a combustibilului i const n nclzirea unei cantiti cunoscute de ap, ntre valori determinate experimental ale temperaturii iniiale i finale, cu ajutorul cldurii rezultate n urma arderii unei cantiti cunoscute de combustibil.

Puterea caloric (cldura de ardere) se poate determina prin calcul, cunoscnd elementele combustibile, puterile calorice (cldurile de ardere) ale acestora i participaiile masice, respectiv volumice ale acestora.

Puterea caloric (cldura de ardere) inferioar a combustibililor solizi i lichizi se calculeaz cu relaia:

kJ/kg gH=Hn

1k

kii k

unde Hik este puterea caloric (cldura de ardere) inferioar a elementului k, gk este participaia masic a elementului k, iar n este numrul de elemente combustibile;

Puterea caloric (cldura de ardere) inferioar a combustibililor gazoi se calculeaz cu relaia:

3Nkn

1k

ii kJ/m rH=H k

unde rk este participaia volumic a elementului k.

Relaiile de calcul ale puterii calorice (cldurii de ardere) sunt aproximative, deoarece c nu in seama de faptul c o parte din aceasta este utilizat la ruperea legturilor chimice.

Ca exemplu de calcul a puterii calorice (cldurii de ardere) inferioare pentru un combustibil solid sau lichid, poate fi prezentat relaia:

kg

kJ 2510w-9250s+

8

o-h 120120+33900c=Hi

Ca exemplu de calcul a puterii calorice (cldurii de ardere) inferioare pentru un combustibil gazos, poate fi prezentat relaia:

m

kJ ...ch 35910+h 10800+(co) 12720=H 3

N

42i

O noiune foarte des utilizat n analize tehnico-economice, este cea de combustibil convenional, desemnnd combustibilul fictiv avnd puterea caloric (cldura de ardere) inferioar:

Hicc = 29300 kJ/(kg cb) 7000 kcal/(kg cb)

Cantitatea de combustibil convenional (mcc), echivalent cu o cantitate dat de combustibil solid sau lichid (mcb) avnd puterea caloric (cldura de ardere) inferioar Hi, se poate determina din

condiia icbicc HmHm cc :

kgcc 29300

Hm=m

icbcc

Cantitatea de combustibil convenional (mcc), echivalent cu un volum oarecare de combustibil

gazos se poate calcula asemntor icbN,icc HVHm cc :

kgcc 29300

HV=m

icbN,cc

Astfel, de exemplu pentru 100 m3N de metan (CH4) cu puterea caloric (cldura de ardere)

inferioar Hi = 35583 kJ/m3N, cantitatea de echivalent combustibil convenional este:

kgcc 121,44=29300

35583100=mcc

Noiunea de combustibil convenional este utilizat mai ales n calcule economice, referitoare la combustibili sau la consumuri energetice echivalente.

Calculul procesului de ardere

Calculul procesului de ardere se efecteaz pe baza reaciilor chimice de ardere a elementelor combustibile i are ca scop, pe lng determinarea cldurii rezultate, pe de-o parte determinarea cantitii de aer necesar desfurrii acestor reacii i pe de alt parte determinarea volumului de gaze rezultate n urma arderii. Cele dou aspecte sunt foarte importante pentru c dac nu se asigur o cantitate suficient de oxigen, respectiv de aer, arderea va fi incomplet, iar dac se introduce prea mult oxigen, deci aer, se diminueaz temperatura de ardere, pentru c aerul n exces trebuie nclzit i n plus crete cantitatea de gaze de ardere rezultate. Cunoaterea cantitii de gaze de ardere obinute este esenial pentru dimensionarea tubulaturii pentru evacuarea acestora, pentru dimensionarea coului de fum i pentru dimensionarea sistemelor de recuperare a cldurii din gazele de ardere.

Ecuaiile arderii

Pentru fiecare element combustibil, trebuie scris ecuaia procesului de oxidare (ardere):

Arderea carbonului:

C22 QCOO+C

1 kmol C + 1 kmol O2 = 1 kmol CO2 + 405800 kJ

c kg C + c/12 kmol O2 = c/12 kmol CO2 + 405800 kJ

Dac arderea carbonului este incomplet se obine ca produs de ardere oxidul de carbon (CO): C + 1/2 O2 = CO + Q

Arderea hidrogenului n combustibilii solizi sau lichizi:

Q+OH=O2

1+H H222

1 kmol H2 + 0,5 kmol O2 = 1 kmol H2O + 240000 kJ

h kg H2 + h/4 kmol O2 = h/2 kmol H2O + 240000 kJ

Arderea sulfului:

Q+SO=O+S S22

1 kmol S + 1 kmol O2 = 1 kmol SO2 + 290200 kJ

s kg S2 + s/32 kmol O2 = s/32 kmol SO2 + 290200 kJ

Arderea oxidului de carbon:

Q+CO=O2

1+CO CO22

1 kmol CO + 0,5 kmol O2 = 1 kmol CO2 + 283700 kJ

(co) 3Nm CO + 0,5 (co) 3Nm O2 = (co)

3Nm CO2 + 283700 kJ

Arderea hidrogenului n combustibilii gazoi:

Q+OH=O2

1+H H222

1 kmol H2 + 0,5 kmol O2 = 1 kmol H2O + 240000 kJ

(h2)3Nm H2 + 0,5 (h2)

3Nm O2 = (h2)

3Nm H2O + 240000 kJ

Arderea unei hidrocarburi:

Q+OH2

n+COm=O

4

n+m+HC HC222nm nm

1 kmol CmHn + (m+n/4) kmol O2 = m kmol CO2 + n/2 kmol H2O + QCmHn

(cmhn) 3Nm CmHn + (m+n/4)(cmhn)

3Nm O2 = m(cmhn)

3Nm CO2 + n/2(cmhn)

3Nm H2O + QCmHn

Aceste relaii vor fi utilizate n continuare n calculul procesului de ardere.

Calculul procesului de ardere pentru combustibili solizi i lichizi

Volumul de oxigen necesar arderii complete a unitii de cantitate de combustibil, este denumit oxigenul minim necesar arderii (Omin). Aceast mrime se poate calcula prin nsumarea volumelor de oxigen ce intr n ecuaiile arderii fiecrui component combustibil i innd seama de volumul de oxigen coninut de combustibil:

kgcb

Okmol

32

o-

32

s+

4

h+

12

c=O

2min

Se observ c dac n compoziia combustibilului exist deja oxigen, avnd participaia masic o, acesta nu mai trebuie s fie introdus din exterior, n focar. Relaia anterioar poate s fie scris i sub forma:

cb kg

Om

32

o-

32

s+

4

h+

12

c 22,414=O

23N

min

Considernd c oxigenul minim necesar arderii este asigurat din aer i c aerul este uscat, deci nu conine umiditate, cum participaia volumic a oxigenului n aer este de 21%, se poate calcula volumul minim de aer necesar arderii, denumit i aerul minim necesar arderii (Lmin), cu relaia:

cb kg

uscataer m

0,21

O=L

3Nmin

min

Dac aerul este umed i are umiditatea x [kg um. / kg aer uscat], atunci, notnd densitatea aerului

uscat n starea normal cu Naer i densitatea umiditii n starea normal cu Num, aerul minim necesar arderii se calculeaz cu relaia:

cb kg

umaer m 1,61x+1

0,21

O=

x+1

0,21

O=L

3Nmin

Num

Naerminmin

Pentru ca arderea s fie complet, chiar n condiiile asigurrii oxigenului, respectiv aerului minim necesar, este obligatoriu ca amestecul dintre combustibil i aer, respectiv oxigen, s fie perfect, astfel nct fiecare molecul de element combustibil s ajung n contact cu numrul necesar de molecule de oxigen. n aceste condiii ar putea s fie realizat oxidarea fiecrei molecule de element combustibil. n realitate acest amestec perfect este imposibil de realizat. n consecin, pentru a nu rmne particule combustibile nearse, respectiv pentru ca numrul acestora s fie ct mai mic, se va asigura o cantitate de aer, deci i de oxigen, mai mare dect cea minim necesar arderii.

Volumul de aer introdus n mod real n procesul de ardere, denumit i aerul real de ardere (L), poate fi determinat utiliznd un parametru denumit coeficientul excesului de aer, sau mai simplu

excesul de aer (), definit prin relaia:

L

L=

min

Valoarea excesului de aer este recomandat n literatura de specialitate, pentru fiecare tip de combustibil n funcie i de particularitile procesului de ardere, astfel:

- Pentru combustibili solizi sub form de praf: = 1,1...1,4

- Pentru combustibili solizi n strat fluidizat: = 1,3...2

- Pentru combustibili lichizi: = 1,15...1,4

Pentru arderea n MAS, dac se dorete randament termic maxim, se recomand un amestec srac (cu mai mult aer i mai puin combustibil):

= 1,05 ... 1,01 Pentru arderea n MAS, dac se dorete putere maxim, se recomand un amestec bogat (cu mai puin aer i mai mult combustibil):

= 0,85 ... 0,9 Pentru arderea n MAC se recomand:

= 1,3 ... 1,7 Dac este cunoscut cantitatea de combustibil care trebuie ars, mcb [kg], atunci aerul necesar se calculeaz cu relaia:

aerm Lm=V 3Nmincbaer

Dac se cunoate debitul de combustibil cbm [kgs-1

], se determin i debitul necesar de aer,

mprind relaia anterioar cu timpul:

13Nmincbaer saerm LmV Dac arderea se desfoar n condiii stoichiometrice, adic utiliznd aerul minim necesar arderii

( = 1), atunci se va obine i volumul minim de gaze de ardere, cu relaia:

kgcb

m V+V+V+V=V

3N

NSOOHCOming 2222

Volumele pariale ale fiecrui element n parte, din compoziia gazelor de ardere, se calculeaz din ecuaiile arderii elementelor combustibile: pentru CO2:

kgcb

m 1,867c=c

12

22,414=COkmol

12

c=V

3N

2CO2

pentru H2O:

kgcb

m1,61x +1,245w+1,274h =1,61x+

18

w+

2

h22,414=V

3N

OH2

pentru SO2:

kgcb

m 0,7s=s

32

22,414=V

3N

SO2

Volumul de azot, VN2 coninut de aerul minim necesar arderii se calculeaz innd seama de participaia volumic a azotului n aerul uscat:

kgcb

m 0,79L=V

3

NminN2

Dac arderea se desfoar cu exces de aer, volumul total al gazelor de ardere este:

kgcb

m L1-+V=V+V=V

3N

minming

excesaer

ming

tg

Volumul de gaze uscate se obine scznd din volumul total, volumul vaporilor de ap:

kgcb

m V-V=V

3N

OHtg

usg 2

Volumul gazelor uscate este foarte important n controlul arderii, pentru c experimental se determin compoziia gazelor uscate. Echipamentele utilizate pentru controlul arderii, denumite analizoare de gaze, sunt prevzute cu sisteme de condensare a apei coninute de probele de gaze supuse analizei. Astfel, n procesul de analiz chimic a compoziiei gazelor de ardere intr doar gazele uscate.

Calculul procesului de ardere pentru combustibili gazoi

Oxigenul minim necesar arderii, se poate calcula din reaciile de ardere ale elementelor combustibile gazoase:

cbm

Om o-hc

4

n+m+co+h0,5=O 3

N

23N

2nm2min

Pentru a calculula aerul minim necesar arderii, aerul real i excesul de aer, pentru combustibilii gazoi, sunt valabile relaiile prezentate anterior n cazul combustibililor solizi i lichizi,.

Pentru combustibili gazoi se recomand: = 1,05 ... 1,3.

n cazul arderii stoichiometrice, cu aerul minim necesar ( = 1), volumul de gaze de ardere, care n aceast situaie este minim, se calculeaz cu relaia:

cbm

m V+V+V=V 3

N

3N

NOHCOming 222

Fiecare volum parial n parte se poate calcula dup cum urmeaz:

pentru CO2:

)(co+)hm(c+(co)=V 2nmCO2

(co2) reprezint participaia volumic a bioxidului de carbon din compoziia iniial a combustibilului gazos;

pentru H2O:

(w)+hc2

m+h=V nm2OH2

(w) reprezint umiditatea iniial a combustibilului;

pentru VN2:

kgcb

m 0,79L=V

3

NminN2

Dac arderea se realizeaz cu exces de aer ( > 1), atunci volumul de gaze de ardere se poate calcula cu relaiile:

kgcb

m L1-+V=V+V=V

3N

minming

excesaer

ming

tg

kgcb

m V-V=V

3N

OHtg

usg 2

Diagrama entalpie-temperatur (h-t)

Diagrama entalpie-temperatur reprezint graficul de variaie a entalpiei gazelor rezultate din arderea unitii de cantitate de combustibil, n funcie de temperatura acestora i de coeficientul excesului de aer.

Dac se cunoate entalpia fiecrui component din gazele de ardere, entalpia gazelor de ardere se poate calcula cu relaia:

kgcb

kJ hhhhh=h exaerNSOOHCO 2222

n care nlocuind entalpiile componenilor se obine pentru combustibili solizi i lichizi:

kgcb

kJt c1)L(tcVtcVtcrVtcV=h

aer2N22SO2O2H22CO2pminpNpSOpvOHpCO

unde cpi reprezint cldura specific volumic medie, la presiune constant a componentului i,

[kJ/( 3Nm K)] n intervalul de temperaturi (0...t)C i Vi reprezint volumul componentului i n gazele de

ardere [ 3Nm /kgcb].

Trasarea diagramei entalpie-temperatur (h-t) se realizeaz prin puncte, pentru mai multe valori ale

temperaturilor gazelor de ardere (t) i pentru diferite valori ale excesului de aer (). Pentru un ir de valori ale temperaturii (t), se citesc din tabele valorile cldurilor specifice medii (cpi) care apar n relaia pentru calculul entalpiei, prezentat anterior. Cunoscnd compoziia gazelor de ardere, se pot calcula valorile entalpiilor (h) corespunztoare, iar apoi prin puncte se traseaz curbele obinute.

Experimental s-a constatat c determinarea compoziiei gazelor de ardere are o importan mult mai redus dect determinarea temperaturii, astfel nct s-a putut realiza o singur diagram H-t pentru toi combustibilii, indiferent dac sunt solizi, lichizi sau gazoi, pentru determinarea entalpiei

gazelor de ardere (H) fiind important doar cunoaterea temperaturii (t) i a excesului de aer ().

Alura diagramei entalpie-temperatur (h-t) este prezentat n figura alturat.

Diagrama H [kJ/kg] - t [C]

a gazelor de ardere.

Fig. 18.3. Diagrama H [kJ/3Nm ] - t [C] a

gazelor de ardere.

Diagrama H-t a gazelor de ardere

n unele lucrri de specialitate, entalpia gazelor de ardere este raportat la volumul de gaze rezultat din arderea unui kilogram de combustibil. n acest caz alura diagramei h-t este cea prezentat alturat.

Diagrama H [kJ/kg] - t [C]

a gazelor de ardere.

Fig. 18.3. Diagrama H [kJ/3Nm ] - t [C] a

gazelor de ardere.

Diagrama H-t a gazelor de ardere

Temperatura de ardere

Temperatura de ardere reprezint temperatura gazelor de ardere. Pentru calculul acesteia se scrie ecuaia de bilan termic a procesului de ardere, conform schemei principiale din figura alturat.

Fig. 18.4. Bilan=ul termic al arderii.

Se poate defini randamentul arderii (ar), datorat imperfeciunilor interne ale acestui proces foarte complex, prin raportul dintre cldura real obinut n urma arderii unitii de cantitate de combustibil i puterea caloric (cldura de ardere) inferioar a combustibilului respectiv:

H

Q=

i

ca

ar

Ecuaia de bilan termic a arderii se poate scrie sub forma:

kW Q+Q=Q+Q+Q pgc

a

aer

f

cb

f

unde fiecare flux termic n parte poate s fie calculat dup cum urmeaz:

Puterea termic datorat cldurii fizice a combustibilului, considerat la temperatura tcb mai mare dect a mediului ambiant tma este:

[kW] t-tcm=Q macbpcbcb

f cb

Puterea termic datorat cldurii fizice a aerului, considerat la temperatura taer este:

[kW] t-tcLm=Q maaerpmincbaer

f aer

Puterea termic real obinut n urma arderii combustibilului este:

[kW] Hm=Q iarcbc

a

Puterea termic a gazelor de ardere, aflate la temperatura de ardere tg este:

[kW] )t(tcVm=Q amgpt

gcbg g

Puterea termic pierdut n mediul ambiant ( pQ ), reprezint pierderile prin imperfeciunea

izolaiei termice a incintei de ardere, datorit faptului c gazele de ardere au temperatura mai ridicat dect a mediului ambiant.

Dac se nlocuiesc relaiile anterioare n ecuaia de bilan, se poate calcula temperatura de ardere tg:

cVm

Q-t-tcLm+

cVm

Hm+t-tcm+t=t

ptgcb

pmaaerpmincb

ptgcb

iarcbmacbpcb

mag

g

aer

g

cb

Considernd cazul particular n care nu se pierde cldur n mediul ambiant ( pQ

= 0), temperaturile

combustibilului i aerului sunt egale ntre ele i cu temperatura mediului ambiant (tcb = taer = tam) i

n plus arderea este perfect (ar = 1) se obine temperatura teoretic de ardere:

C cV

Ht=t

gp

t

g

imagt

Temperatura teoretic de ardere este imposibil de atins practic, deoarece n momentul n care s-a produs arderea, instantaneu ncepe i procesul de transfer termic prin radiaie, de la gazele de ardere spre mediul ambiant, ceea ce face ca temperatura acestora s scad fa de temperatura teoretic de ardere, care rmne totui o mrime teoretic de referin n studiul procesului de ardere.

Controlul arderii

Arderea este un proces fizico-chimic extrem de complex, care depinde de condiiile n care se desfoar, de natura combustibilului, de caracteristicile consumatorului de cldur i de ali factori, fiind practic imposibil o ardere perfect. Msura n care arderea se apropie de perfeciune, este determinat prin controlul arderii. Aceast operaie se realizeaz prin determinarea experimental a compoziiei gazelor de ardere i prin determinarea analitic sau grafic a coeficientului excesului de aer. Unul din rezultatulele finale al controlului arderii este determinarea randamentul arderii.

Pe baza constatrilor efectuate se pot stabili msuri n vederea mbuntirii sau optimizrii procesului de ardere. De exemplu absena carbonului i a oxidului de carbon din gazele de ardere denot o ardere perfect, dar prezena acestor elemente indic imperfeciuni. Prezena unor elemente combustibile n gazele de ardere, chiar n proporii reduse, indic o ardere imperfect din punct de vedere chimic. Experimental s-a constatat c modificarea excesului de aer, de exemplu, poate s mbunteasc procesul de ardere.

Compoziia gazelor de ardere se verific experimental, prin prelevarea unor probe de gaze arse. Aparatul care efectueaz analiza chimic a compoziiei gazelor de ardere este denumit analizor de gaze. Pe conducta de legtur dintre priza de prelevare a probei de gaze i modulul de analiz chimic a analizoarelor de gaze, se produce condensarea vaporilor de ap coninui de aceste gaze. Din acest motiv se efectueaz de fapt analiza compoziiei gazelor de ardere uscate, de aceea n relaiile de calcul, se va asocia fiecrui element chimic, indicele u (de la uscat).

n figurile alturate este prezentat o imagine a unui analizor de gaze i un buletin de analiz a gazelor de ardere.

Analizor de gaze de tip MAXILYZER NG

Controlul grafic-experimental

Prin control grafic-experimental al arderii, se nelege stabilirea experimental a unor elemente din compoziia gazelor de ardere, urmat de determinarea grafic a coeficientului excesului de aer. Metoda este mai puin utilizat actualmente n practic i a fost definit n condiiile n care metoda experimental de analiz a compoziiei gazelor de ardere era mult mai limitat.

Pentru fiecare tip de combustibil a fost trasat cte o diagram care permite stabilirea pe cale grafic a unei legturi ntre compoziia chimic a gazelor de ardere i excesul de aer corespunztor acelei compoziii. Aceast diagram poart denumirea de triunghiul arderii, sau diagrama Ostwald, i are structura prezentat n figura alturat.

Fig. 18.5. Triunghiul arderii.

Triunghiul arderii

Orice proces de ardere este caracterizat printr-un punct n triunghiul arderii. Punctele marcate pe figura

au urmtoarea semnificaie:

A corespunde arderii complete, stoichiometrice ( = 1);

B corespunde arderii complete, cu exces de aer infinit ( = ); C reprezint concentraia oxigenului n gazele de ardere pentru o ardere incomplet n care (co2) = 0, iar (co) = maxim; D reprezint intersecia dintre dreapta AB i perpendiculara ridicat din C, pe AB.

Dreapta AB reprezint locul geometric al punctelor corespunztoare arderii complete, cu diferite valori ale excesului de aer (). n urma analizei compoziiei gazelor de ardere, se obine un punct care definete procesul respectiv de ardere, iar acel punct trebuie s se gseasc n interiorul triunghiului arderii, sau la limit pe dreapta AB. Dac punctul se gsete n afara triunghiului, atunci determinrile experimentale sunt eronate. Dreptele paralele la AB sunt drepte avnd concentraia de CO constant, iar aceast concentraie crete de la D (co) = 0 spre C (co) = (co)max. Dreptele paralele la AC sunt drepte cu exces de aer () constant, aceast mrime crete de la punctul A ( = 1) spre punctul B ( = ).

Coordonatele tuturor punctelor caracteristice ale triunghiului arderii pot s fie calculate, sau determinate grafic.

Punctul A are ordonata:

[%] 100V

V=co=y u

g

max

CO

2

max

uA2

unde

maxCO2

V este volumul de CO2 la ardere complet.

n cazul combustibililor solizi i lichizi, volumul de bioxid de carbon se poate calcula cu relaia:

kg

m 1,867c=V

3Nmax

CO2

iar volumul gazelor de ardere uscate, cu relaia:

kg

m V+V+V=V

3N

NSOCOug 222

n care:

L0,79=V ; 0,7s=V minNSO 22

n cazul combustibililor gazoi, volumul de bioxid de carbon se poate calcula cu relaia:

m

m co+hcm+(co)=V 3

N

3N

2nmmax

CO2

iar volumul gazelor de ardere uscate, cu relaia:

m

m V+n+V=V 3

N

3N

N2COug 22

Punctul B, deoarece corespunde excesului de aer = , are abscisa:

0,21%=o=x 2 uB Punctul C este determinat de = 1, la arderea incomplet pentru care rezult numai CO, prin abscisa:

[%] 100V

V=o=x CO

g

COO

2

CO

uC2

n cazul combustibililor solizi i lichizi:

kg

m c

122

22,414

0,21

1-L0,21=V

3N

minCOO2

iar

kg

m L0,79+0,7s+1,867c=V

3N

minCOg

n cazul combustibililor gazoi:

m

m hc

4

n+

2

m

0,21

1-L0,21=V 3

N

3N

nmminCOO2

iar

m

m L0,79+co+(co)+hcm=V 3

N

3N

min2nmCOg

Punctul D se obine prin construcia grafic descris anterior.

De regul analiza limitat a compoziiei gazelor de ardere, pentru care a fost determinat aceast metod de control a arderii const n determinarea numai a participaiei oxigenului i a bioxidului

de carbon, de exemplu 1u2 )O( i 1u2 )CO( . Apoi se fixeaz pe triunghiul arderii punctul M avnd ca

i coordonate aceste mrimi i se determin grafic participaia oxidului de carbon 1u)CO( , respectiv

excesul de aer (1). Cunoscnd poziia punctului caracteristic arderii, se poate stabili direcia n care

trebuie acionat pentru micorarea concentraiei de (CO), prin asigurarea unei valori , care s asigure i o temperatur dorit a gazelor de ardere.

Dac experimental se determin n plus fa de participaia oxigenului i a bioxidului de carbon, i participaia oxidului de carbon (CO), se poate verifica i ct de corecte sunt msurtorile efectuate, pentru c (CO)u1 determinat grafic trebuie s fie aproximativ egal cu (CO)u1 stabilit experimental.