CALCULUL ARDERII COMBUSTIBILILOR

1. Noţiuni generale

Transformarea energiei chimice potenţiale a unui combustibil în entalpie (conţinut de căldură) a produselor rezultate din reacţiile care însoţesc acest fenomen, se face prin ardere. Arderea este o reacţie exotermă cu viteză mare de dezvoltare a căldurii şi impune participarea a cel puţin doi componenţi : combustibilul şi oxidantul. Dacă cele două substanţe participante au aceeaşi stare de agregare, arderea este omogenă; dacă starea de agregare este diferită (arderea combustibilului solid sau lichid în aer) arderea este eterogenă. Arderea are loc propriu- zis numai în fază gazoasă, arderea substanţelor solide şi lichide fiind precedată de gazeificarea lor, fie prin vaporizare, fie prin descompunere termică. Spaţiul în care are loc arderea combustibilului formează focarul agregatului termic.

Calculul arderii combustibililor, bazat pe ecuaţiile chimice de combinare cu oxigenul ale elementelor combustibile din analiza elementară, urmăreşte determinarea cantităţii de aer necesar arderii, a volumului de gaze rezultat din procesul de ardere şi a temperaturii teoretice şi reale de ardere.

După cantitatea de oxigen pusă la dispoziţia elementelor combustibile procesul de ardere se poate prezenta ca :

-arderea completă, după a cărei desfăşurare produsele rezultate nu mai posedă energie chimică; Arderea completă este teoretică dacă dispune de o cantitate minimă de aer necesară desfăşurării reacţiilor chimice şi este reală, dacă are loc în prezenţa unei cantităţi de aer mai mare decât cantitatea stoechiometric (minim) necesară.

- arderea incompletă, caz în care substanţele combustibile, nedispunând de o cantitate suficientă de oxigen, se transformă parţial în produse ale arderii care mai conţin energie chimică.

Substanţele rezultate din ardere (produsele arderii) pot fi în stare gazoasă (la arderea combustibililor solizi, lichizi şi gazoşi) în stare solidă (funinginea, cocs amorf, la arderea tuturor combustibililor ; cenuşa la arderea combustibililor solizi şi lichizi) şi în stare lichidă (în anumite cazuri cenuşa la arderea combustibili solizi) ; produsele de ardere în stare gazoasă se numesc gaze de ardere. Acestea sunt formate din componente ale oxidării complete sau incomlpete a diferitelor elemente sau subsanţe din combustibil, din bilanţul gazos al oxidantului (azotul şi vaporii de apă din aer), din oxidantul introdus în surplus în spaţiul de ardere şi de produsele de volatilizare a unor componente ale combustibilului, cum ar fi vaporizarea apei, descompunerea termică a unor substanţe (carbonaţi) etc.

2. Reacţii chimice în procesul de ardere

Arderea este un proces termodinamic determinat de o reacţie chimica de oxidare care produce transformări structurale ale substanţelor participante (combustibil şi comburant) însoţit de transformarea energiei chimice a reactanţilor în căldura sau în alte forme de energie. Combinarea elementelor sau combinaţiilor chimice combustibile cu oxigenul se produc cu degajare de căldură, reacţiile chimice având un caracter exoterm. Reacţiile de ardere sunt ecuaţii chimice şi se exprimă calitativ prin reacţii de forma:

(1)

în care: ni reprezintă reactanţii sau substanţele care intră în reacţie;mj – produsele de ardere sau substanţele care rezultă din reacţie;xi, yi – coeficienţii stoechiometrici care indică numărul de moli pentru reactanţi,

respectiv pentru produsele de ardere;q – efectul termic al reacţiei de ardere în kJ/kg grd.

Viteza reacţiilor de ardere depinde în general de intimitatea amestecului gaz – aer şi de temperatura la care se produce amestecul.

În reacţiile de ardere, cantităţile de substanţa şi cele de energie rămân neschimbate, numărul de moli (deci şi volumul) pot rămâne constante sau se pot modifica.

Se deosebesc din acest punct de vedere reacţii de contracţie, cu dilatare sau cu constanţă de volum, după cum numărul de moli respectiv volumul gazelor de ardere, este mai mic, mai mare sau egal cu cel al reactanţilor.

Mecanismul arderii. Fiind un fenomen exoterm de oxidare, arderea este caracterizată prin faptul că se desfăşoară în condiţii naturale, fără aport energetic din exterior.

Pentru aceasta este necesar ca:a) Combustibilul şi carburantul să fie aduşi într- o stare de agitaţie moleculară care să

asigure contactul între moleculele lor şi, respectivb) Cantitatea de căldură degajată să fie suficientă pentru a aduce în stare de reacţie o

cantitate de cel puţin egală din amestecul de reactanţi din vecinătatea centrului de reacţie, astfel ca fenomenul să poată continua, fără aport termic din exterior.

Căldura de ardere reprezintă efectul termic total (bilanţul termic) al întregului lanţ de reacţii de oxidare, descompunere termică, etc., care au loc în cazul arderii.

Cantitatea de căldură necesară pentru desfăşurarea unei reacţii de ardere la care participă combustibilul şi carburantul este compusă din: căldura absorbită pentru transformări fizice (încălzire, vaporizare) şi cea absorbită pentru transformări chimice.

Rezultă că arderea nu poate continua dacă amestecul ars degajă mai puţină căldură decât este necesar pentru ca să se atingă temperatura de ardere a amestecului de reactanţi învecinaţi.

Această situaţie se întâlneşte în cazul când este prea puţin gaz în amestec şi care defineşte o limită inferioară de amestec a gazului în carburant, fie când se găseşte prea mult gaz în amestec, respectiv prea puţin oxigen pentru a asigura oxidarea moleculelor combustibilului ceea ce defineşte o limită superioară de amestec gaz- carburant.

Atingerea de valori superioare sau inferioare a limitelor de amestec fac ca arderea declanşată cu un aport exterior de căldură să nu poată continua.

Limitele de amestec pentru fiecare gaz în parte sunt în funcţie de nivelul termic al sistemului care sunt prezentate în tabelul.

Tabelul 1 Limite de amestec în % volum în stare normală

GazulÎn aer În oxigen

Limita inferioară

Limita superioară

Limita inferioară

Limita superioară

Hidrogen (H) 4,0 75,0 4,0 94,0Monoxid (CO) 12,5 74,0 12,5 94,0Metan (CH4) 5,2 15,0 5,0 60,0Etan (C2H6) 3,0 12,5 3,0 52,5Propan (C3H8) 2,2 9,5 2,2 45,0

Butan (C4H10) 1,7 8,5 1,7 40,0Pentan (C5H12) 2,8 81,0 2,5 33,0

Pentru amestecuri de gaze combustibile, limite de amestec pot fi calculate pe baza limitelor de amestec ale componenţilor conform legii lui Le Chatelier.

(2)

y1, y2 ….yn este fracţia molară sau volumetrică a fiecărui component L1, L2,…Ln – limita de amestec a fiecărui component, în %vol.

La calculul procesului de ardere al combustibililor, reacţiile chimice care au loc sunt considerate pentru cazul unei arderi complete atât pentru elemente cât şi pentru combinaţiile chimice ale acestora care participă la ardere.

Reacţiile de oxidare ale elementelor carburante sunt :

Arderea carbonului (efectul termic qC = 408714 kJ/kmol) Reacţia de ardere exprimă direct arderea completă, izobară a carbonului şi decurge fără modificarea volumului (volumul fazei gazoase este egal cu volumul fazei gazoase a produselor de reacţie).

C + O2 CO2 (3)

1 kmol C + 1 kmol O2 1 kmol CO2

12 kg C + 32 kg O2 44 kg CO2

12 kg C + 22,41 m3N O2 22,41 m3N CO2

Arderea hidrogenului (efectul termic qH = 241963 kJ/kmol) Reacţia de ardere a hidrogenului decurge cu dilatarea volumului, volumul produselor se dublează faţă de volumul fazei gazoase a reactanţilor.

H2 + 1/2 O2 H2O (4)

1 kmol H2 + 1/2 kmol O2 1 kmol H2O

2 kg H2 + 16 kg O2 18 kg H2O

1 m3N H2 + 1/2 m3N O2 1m3N H2O

Arderea sulfului (efectul termic qS = 292147 kJ/kmol) Reacţia de ardere a sulfului decurge fără modificarea volumului.

S + O2 SO2 (5)

1 kmol S + 1 kmol O2 1 kmol SO2

32 kg S + 32 kg O2 64 kg SO2

32 kg S + 22,41 m3N O2 22,41 m3N SO2

Arderea monoxidului de carbon (efectul termic qCO = 285451 kJ/kmol)

CO +1/2 O2 CO2 (6)

1 kmol CO + 1/2 kmol O2 1 kmol CO2

22,41l CO + 1/222,41l O2 22,41l CO2

1 m3N CO + 1/2 m3N O2 1m3N CO2

Arderea hidrogenului sulfurat (efectul termic qH2S = 518834 kJ/kmol)

H2S + 3/2 O2 SO2 + H2O (7)

1 kmol H2S + 3/2 kmol O2 1 kmol SO2 + 1 kmol H2O

22,41l H2S + 3/222,41l O2 22,41l SO2 + 22,41l H2O

1 m3N H2S + 3/2 m3N O2 1 m3N SO2 + 1 m3N H2O

Arderea hidrocarburilor (efectul termic qCH4 = 805290 kJ/kmol)

CmHn + (m + n/4) O2 m CO2 + n/2 H2O (8)

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

1 m3N CmHn + (m + n/4) m3N O2 m m3N CO2 + n/2 m3N H2O

2.3. Calculul cantităţii de aer teoretice necesară arderii combustibililor

Cantitatea de oxigen necesară procesului de ardere notată L0min se calculează stoechiometric pe baza reacţiilor de oxidare a elementelor combustibile şi se poare determina atât în unităţi de volum cât şi în unităţi de masă.Combustibilii se deosebesc prin puterea calorica =caldura degajata prin arderea unei unitati de masa [KJ/Kg] sau . Puterea calorica a combustibilului reprezinta caldura degajata in urma arderii complete a unitatii de masa: [J/Kg] sau [ ]. Puterea calorica este de doua feluri superioara si inferioara (se tine cont de caldura absorbita pentru evaporarea apei), in practica se lucreaza cu cea inferioara pentru ca in gazele arse sunt vapori de apa.

Pentru combustibilii solizi sau lichizi din reacţia de ardere a carbonului se constată că 12 kg C necesită pentru ardere 32 kg O2, un kilogram C va necesita 32/12 kg oxigen ; dar într- un kilogram de combustibil solid se găsesc C/100 carbon. Deci masa de oxigen necesară arderii carbonului dintr- un kilogram de combustibil solid sau lichid va fi egală cu :

= 32/12 C/100 [ kg oxigen / kg carbon ]

Calculul cantitatii de aer de combustie:

=100%

1.Reactii chimice

2. Volumul de oxigen necesar arderii complete a unităţii de combustibil solid sau lichid se determină plecând de la reacţiile de ardere. Din reacţia de ardere a carbonului se constată că la 12 kg C necesită 22,41 m3N O2 ; un kilogram C va necesita 22,41/12 m3N oxigen. Volumul de oxigen necesar arderii carbonului dintr- un kg de combustibil solid sau lichid va fi egal cu:

= 22,41/12 C/100, [ m3N oxigen / kg carbon ]

La fel se procedează şi pentru celelalte elemente şi însumând volumele de oxigen necesare arderii fiecărui element carburant se obţine volumul de oxigen necesar arderii. Dacă combustibilul solid conţine şi oxigen în structura lui, care participă la oxidarea elementelor carburante, atunci din cantitatea de oxigen necesar arderii părţii carburante dintr- un kilogram de combustibil solid se scade valoarea oxigenului propriu.Relaţia de calcul este :

LO min = 22,41/100 [ C/12 + H/4 + (SC – O)/32 ],[ m3N oxigen / kg cb. ] (9)

Între masa şi volumul de oxigen există legătura :

M0 min = 02 L0 min, [ kg oxigen ] (10)în care :

- 02 este densitatea oxigenului în kg/m3N (02 = 1,42892 kg/m3N).Cu toate că aerul este un oxidant slab, este cel mai folosit în procesele de ardere.

Aerul tehnic este un amestec de 21% oxigen şi 79% azot în procente de volum şi 23,2% oxigen şi 76,8% azot în procente de masă.

Cantitatea de aer teoretic necesară arderii complete rezultă din expresia :

Mt = 100/23,2 M0 min, [ kg aer / kg cb. ]. (11)

Volumul de aer teoretic necesar arderii complete a unităţii de combustibil se calculează cu expresia :

Lt = 100/21 V0 min, [ m3N aer / kg cb. ]. (12)

Între masa de aer teoretică şi volumul de aer teoretic strict necesar procesului de ardere a unităţii de combustibil există relaţia :

Mt = a Lt, [ kg aer / kg cb. ]. (13)

în care :- a este densitatea aerului, la temperatura de 200C în [ kg/m3 ] (a = 1,293 kg/m3N)

Pentru combustibilii gazoşi sau amestecuri de combustibili gazoşi din relaţia de ardere a monoxidului de carbon rezultă că pentru 1m3N sunt necesari 0,5 m3N de oxigen ; într- un m3 de combustibil gazos există CO/100 m3N monoxid de carbon, deci volumul de oxigen necesar va fi :

= 0,5 CO/100, [ m3N oxigen/m3N monoxid de carbon ].

La fel şi pentru celelalte componente carburante ale gazului, şi prin însumare se obţine volumul minim de oxigen necesar arderii unităţii de combustibil gazos din care se scade oxigenul iniţial din compoziţia combustibilului.

LO min = 1/100 [ 1/2 CO + 1/2 H2 + 3/2 H2S + (m + n/4)CmHn – O2 ], [ m3N oxigen/m3N cb. ]. (14)

Volumul teoretic de aer necesar arderii notat cu L t ( sau Lo reprezentand cantitatea minima de aer, teoretica) va fi :

Lt = 100/21 L0 min, [ m3N aer/m3N cb. ]. (15)

2.4. Cantitatea reală de aer necesară arderii combustibililor

Calculul cantitatii de aer

Compozitia 100% aer are:→100 -

-

→100 kg aer -

-

aer →

X → din aer

,

Pentru arderea care are loc în mod practic în focarele agregatelor termice este dificilă dozarea aerului astfel încât să se obţină o ardere cu raporturi riguros stoechiometrice, iar consumul de aer este mai mare decât cantitatea teoretică, acesta fiind necesarul real de aer :

Lr = Lt, [ m3N aer/m3N cb. ]; (16)

în care :Lr este cantitatea de aer reală necesară pentru ca arderea să aibă loc complet în focarul cuptorului ; Lt (L0) - cantitatea teoretică de aer necesar arderii, calculată stoechiometric ; - coeficient de exces de aer şi reprezintă raportul dintre cantitatea reală şi cea teoretică de aer asigurată arderii.

- cantitatea minima de aer (teoretica); - cantitatea reala de aer;

Se foloseste o cantitate de aer numita reala, mai mare decat cea minima pentru a avea certitudinea ca oxigenul necesar arderii patrunde peste tot in combustibil si arderea este

completa. Se numeste aer in exces

Indiferent de valoarea cantitatii de aer in exces, la ardere participa doar oxigenul din aerul minim, iar surplusul de oxigen iese cu gaze arse pe cos se numeste oxigen exces. Un exces de aer prea mare duce la urmatoarele inconveniente:

1. supraincarcarea inutila a ventilatorului de aer de combustie (consumul creste energia pentru antrenare)

2. chiar daca aerul este preincalzit ( ), o cantitate de aer prea mare, duce la scaderea temperaturii in spatiul de lucru al cuptorului, intervine reglajul automat al temperaturii in cuptor care actioneaza asupra admisiei combustibilului in sensul cresterii consumului de combustibil pentru a mentine temperatura constanta.

3. atmosfera prea oxidanta in spatial de lucru al cuptorului, care conduce la oxidareametalului supus incalzirii (apare ţunder OFe), care se desprind de pe suprafata metalului , zgura solida.Valoarea coeficientului de exces de aer depinde de natura combustibilului, turbulenţa lui, geometria focarului. Se recomandă pentru următoarele valori prezentate în tabelul 4.

Coeficientul de exces de aer,Tabel 4

Felul combustibilului Coeficient de exces, Combustibili solizi 1,25 – 2,0Combustibili lichizi 1,1 – 1,3Combustibili gazoşi 1,05 – 1,15

Se adopta calcularea cantitatii de aer.

Aplicatie:Calculaţi cantitatea de aer necesar arderii a unui 1 .

2.5. Volumul de gaze arse rezultat din procesul de ardere a combustibililor

Volumul de gaze rezultate din arderea teoretică a combustibililor care pe lângă elementele combustibile mai conţin azot, oxigen în exces şi apă se obţine prin însumarea volumelor de gaze componente care rezultă din reacţiile chimice de ardere :

Vga = VCO2 + VSO2 + VN2 + VH2O + VO2 exces, [ m3N gaze arse/m3N comb] (17)

Pentru combustibilii solizi şi lichizi Plecând de la reacţiile de ardere, masa bioxidului de carbon din gazele de ardere rezultă din arderea carbonului. Din 12 kg carbon rezultă 44 kg bioxid de carbon ; la un kg de carbon se formează 44/12 kg bioxid de carbon.

MCO2 = 44/12 C/100, [ kg bioxid de carbon / kg comb] ;

VCO2 = 22,41/12 C/100, [ m3N bioxid de carbon / kg comb] ;

Masa şi volumul bioxidului de sulf după acelaşi raţionament va fi :

MSO2 = 64/32 Sc/100, [ kg bioxid de sulf / kg comb] ;

VSO2 = 22,41/32 Sc/100, [ m3N bioxid de sulf / kg comb].

Azotul din gazele de ardere provine din azotul din aer şi azotul din combustibil :

MN2 = 76,8/100 Mt + N/100, [ kg azot / kg comb] ;

VN2 = 79/100 Lr + vN N/100, [ m3N azot / kg comb].

unde : vN este volumul specific al azotului (vN = 22.41/28 =0.8 m3N/kg)

Oxigenul în exces din gazele de ardere este :

MO2 = 23,2/100 ( - 1) Mr, [ kg oxigen / kg comb] ;

VO2 = 21/100 ( - 1) Lr, [ m3N oxigen / kg comb].

Gazele de ardere conţin şi vapori de apă care provin din umiditatea din combustibil (Wt), din oxidarea hidrogenului din combustibil (18/2 H/100) şi din umiditatea din aerul pentru combustie (x/1000 Mr), iar dacă una din mărimile enumerate mai sus lipseşte, dispare şi termenul corespunzător din relaţia de calcul.

MH2O = Wt/100 + 9 H/100 + x/1000 Mr, [ kg apă / kg comb] ; (18)

, [ m3N apă / kg comb].

unde : vH2O este volumul specific al vaporilor de apă,(vH2O = 22,41/18 = 1,242 m3N/kg) ;a - densitatea aerului (a = 1,293 kg/m3N)

Se obţine, efectuând calculele pentru volumul de apă :

VH2O = 22,41/200 (H + Wt/9) + 0,00161 xLr,[ m3N apă / kg comb] (19)

Volumul gazelor arse pentru combustibilii solizi şi lichizi se poate calcula prin însumarea volumelor calculate mai sus:

Vga = 22,41/12 C/100 + 22,41/32 Sc/100 + 79/100 Lr + vN N/100 +

+ 21/100 ( - 1) Lr + 22,41/200 (H + Wt/9) + 1,61 x Lr/1000 =

= (C/12 + Sc/32 + N/28 + H/2 +Wt/18) 22,41/100 +

+ (58 + 21 + 0,161 x) Lr/100, [ m3N gaze arse / kg comb]. (20)

Pentru combustibilii gazoşi – volumul de bioxid de carbon din gazele de ardere care provine din bioxidul de carbon propriu al combustibilului gazos, din monoxidul de carbon şi din hidrocarburi :

VCO2 = (CO2 + CO + m CmHn) / 100, [ m3N CO2 / m3N comb].

Volumul de bioxid de sulf :

VSO2 = (SO2 + H2S) /100, [ m3N SO2 / m3N comb].

Volumul de azot :

VN2 = 79/100 Lr N/100, [ m3N azot/m3N comb].

Volumul de oxigen în exces :

VO2 = 21/100 ( - 1) Lr, [ m3N oxigen/m3N comb].

Volumul de vapori de apă (umiditatea combustibilului, arderea hidrogenului, hidrocarburilor, hidrogenului sulfurat şi din umiditatea aerului de combustie).

VH2O = (H2O + H2 + H2S + n/2 CmHn) /100 + 0,00161 x Lr,[ m3N apă/m3N comb].

Rezultă volumul gazelor arse :

Vga = (CO2 + CO + (m + n/2) CmHn + SO2 + 2H2S + H2O + H2 + N2) / 100 + + [ 21 ( - 1) + 0,161 10- 4 x ] Lr/100, [ m3N gaze arse/m3N comb]. (21)

Exemplu: se foloseste o cantitate de aer reala -21% -

, unde [N2] reprezinta azotul din compozitia combustibilului.

Se calculeaza din reactie cat oxigen este necesar, apoi cantitatea de aer continut de .

- reprezinta cantitatea de oxigen care intra in reactia de ardere si care iese sub forma de şi .Concluzie:

Participatiile componentilor gaze arse (r):Relatia nr 17 se va impărţi cu Vga, atunci:Vga = VCO2 + VSO2 + VN2 + VH2O + VO2 ex/ si rezulta:

Unde, densitatea gazelor arse se va calcula cu :

= r +r +r +r [ ];

> atunci cand gazele ardese contin preponderant CO , se poate afirma că >

atunci in urma functionarii unui agregat cu combustie , inainte de a intra personal in

spatiu de lucru al unui cuptor, este necesar sa se faca exhaustarea (evacuarea fortata a gazelor arse cu ventilatoare pentru ca gazele arse nu ies de la sine in mediu ambiant) si exista pericolul axfisierii.

Caldura specifica a gazelor arse se calculeaza ca medie ponderata a caldurii specifice ale gazelor componente.

c =r c +r c +r c +r c [ ]

2.4. Temperatura teoretică şi reală de ardere

Reprezintă temperatura maximă care s-ar obţine în spaţiul de ardere, dacă toată căldura fizică şi chimică introdusă cu combustibilul şi oxidantul (sau cu alte substanţe) ar fi preluată din produsele de ardere gazoase sau în altă stare de agregare. Temperatura teoretică nu depinde de cantitatea de combustibil ars, fiind determinată pentru regimul stabilizat de funcţionare şi este o temperatură medie în întreg volumul focarului.

Cunoaşterea temperaturii teoretice este utilă în proiectarea instalaţiilor de ardere, deoarece de la acest nivel maxim de temperatură începe schimbul de căldură între agentul termic cald şi agentul termic rece. Relaţia de calcul se deduce dintr- o ecuaţie de bilanţ termic pentru un spaţiu delimitat de o suprafaţă de referinţă. Valorile cantităţilor de căldură introduse în sistem şi a cantităţilor de căldură ieşite din sistem va fi :

B Qi + B ic + B Lr ia = B Vga csmga (tt – t0) + Qdis (22)

Deoarece temperatura teoretică nu depinde de cantitatea de combustibil, se va considera un kg combustibil solid sau lichid sau un m3N combustibil gazos şi se obţine relaţia de calcul :

+ t0 , [ 0C ] (23)

unde : Qi este puterea calorică inferioară a combustibilului kJ/kg (kJ/m3N) ;Qdis – cantitatea de căldură pierdută la disocierea moleculelor de CO2 şi H2O (Qdis = 2 – 3 % Qi);Lr – cantitatea reală de aer necesară arderii combustibilului ;ia ; ic – entalpia aerului de combustie respectiv a combustibilului (dacă aceştia sunt preîncălziţi) ;Vga – volumul gazelor arse rezultat în procesul de ardere;csmga – căldura specifică medie a gazelor arse.

Temperatura reală de ardere se determină cu relaţia :

, [ 0C ] (24)unde :

este randamentul de ardere a combustibilului (coeficient pirometric) a căror valori sunt prezentate în tabelul 5.

Valorile randamentului pirometricTabel 5

Nr. crt. Tipul cuptorului Randament pirometric, 1 Cuptor pentru forjă 0,66 – 0,702 Cuptor cu propulsie 0,70 – 0,753 Cuptor cu cameră cu uşi închise 0,75 – 0,804 Cuptor de încălzire bine izolat 0,80 – 0,85

Determinarea temperaturilor de ardere, reală şi teoretică se face prin încercări succesive, datorate căldurii specifice a gazelor arse. Inconvenientul pe care îl prezintă calculele succesive se înlătură prin determinarea temperaturii de ardere cu ajutorul diagramei I – T.

În diagrama I – T se reprezintă variaţia entalpiei volumului de gaze, rezultate din arderea cantităţii unitare de combustibil, în funcţie de temperatura gazelor arse.

Cunoscând volumele parţiale ale componentelor din gazele de ardere (vCO2, vSO2, vH2O, vN2 şi vO2) cu valorile entalpiilor corespunzătoare, extrase din tabel la diferite temperaturi, se calculează entalpia gazelor arse :

iga = vi ic ; kJ/m3N, (25)unde :

vi este volumul parţial din gazele de ardere, al componentului i, (vi = vi/vga 100)

Pentru diverse valori ale excesului de aer se obţin în acest fel curbe care urmăresc variaţia entalpiei cu temperatura. Curba superioară din diagrama I – T corespunde gazelor arse lipsite de exces de aer, iar cea inferioară este pentru aer curat, între ele fiind trasate curbele corespunzătoare.

Temperaturi de ardere

In industrie se utilizeaza adesea amestecul de combustibili gazosi si anume (bi/tri)gaz : CH +gaz furnal , gaz de cocserie. Pentru un bigaz cantitatea celor doua gaze componente se determina astfel : se impune puterea calorica a bigazului (H ), se cunosc puterile calorice ale gazelor componente H , H . Ponderea celor doua gaze:(x , y) x+y=1 (1Nm bigaz)

x H +y H =Hrezulta x=… , y=….

Combustibil conventional (c.c.) este un combustibil preponderent solid a carui putere calorica

este 7000*4.18[ ], fiind o notiune teoretica. Pentru un consummator care

consuma diferite tipuri de combustibili se calculeaza echivalentul de combustibil conventional consumat astfel:m [Nm ] unde CH4 are masa 8000, atunci m *8000*4.18 =x *7000*4.18

x = , aceasta notiune de combustibil conventional se utilizeaza

pentru a compara diferite consumuri.

Arderea combustibililor lichizi/solizi

Calculul se efectueaza pentru 1kg de combustibil:H+C+N +O +W+A=100%[H]+[C]+[N]+[O]+[W]+[A] = 1 kg

%

1. Calculul O :C+O CO

H + O H O

O = O - [O] (26)

1kmol O 32 kg 22.4 Nm 32 kg…………….22.4 Nm [O]……………….x

O = [

Din relaţia 26 O =22.4{ } [

2. Se calculeaza cantitatea minima de aer, L0

L =

L =

3. Se cantitatea volumului de gaze arese (g.a.):

V =V +V +V +V [ ];

V =

V =

Unde: umiditatea, W

V =

V

4. Calculul temperaturi de ardere

H [ , reprezinta puterea calorica inferioara a combustibilului ;

c căldura specifică a combustibilului

a) Temperatura calorimetrica de ardere

V =V +V + +V

H =V [ ;

b) Temperatura teoretica: o parte din caldura gazele este sub forma de caldura disipata:

Q =

- arderea se considera cu exces de aer:

V =V +V + +V +V

H - 0.02 H =V c t

t =

c = ;

c = caldura specifica din fiecare component i, se ia la valoare medie, intre [ 0ºC …t ]c) Temperatura reala de ardere (cu exces de aer), se consuma Q dar in plus fata de t se ia in considerare faptul că, o mare parte din căldura rezultată se pierde prin pereţii incintei ȋn mediul inconjurator.

H -[Q +Q ]=

t = < t

t =

- randamentul pirometric ţine seama de pierderile de căldura ale gazelor arse in mediul inconjurator;

t =

Obs: temperatura de ardere nu depinde de cantitatea de combustibil care se arde.Exemplu: Daca arde o masa de combustibil m, atunci vom avea:

Caldura rezultata : m H [kg sau Nm * ]

t = . Caldura rezultata

este direct proportionala cu cantitatea de combustibil utilizat in procesul tehnologic.

d) Temperatura tehnologică: este temperatura pe care trebuie sa o aiba gazele arse pentru a se putea realiza un anumit proces tehnologic in agregat.

tunde: t - temperatura finală a materialelor:

- pentru uscare Δt ÷50ºC;- tratament termic ÷80ºC;- ȋncalzirea metalelor pentru deformari plastice Δt ºC;- topire si retopire metale / aliaje Δt 200ºC;

Cazuri:a) t (in cazul incalzirii pentru deformari plastice la o temperatura ºC);b) t (in cazul cuptoarelor de uscare la care temperatura tehnologica este ºC);c) t cazul cuptoarelor de elaborare;

Demonstratie cazul

- se utilizeaza combustibili cu H mai mică;- se foloseste o cantitate de aer mai mare care prezinta urmatoarele ne ajunsuri:

- atmosfera este puternic oxidanta (O creste in exces)

- creste pierderea de caldură cu g.a. care părăsesc spatiul de lucru al cuptorului si este ȋngreunat tirajul (evacuarea gazelor). De aceea aceasta metodă se foloseste numai in cazurile in care Δt=(20÷30)ºC.

- recircularea gazelor uzate aceatsa metoda se foloseste in industrie . In acest caz incinta spatiului de lucru trebuie sa fie separata de incinta in care se obtine gazele arse. Recircularea poate fi fortata sau naturala.

Schema privind recircularea fortata a g.a.

V

t ºC;

c ÷ );

c = (0÷t );c =(0÷ t )Se considera caldurile specifice aproximativ egale, atunci rezulta:

V /:V

t,

unde: g - se numeste gradul de recirculare, unde :g= ;

g(t ;

In cazul recircularii fortate :- gradul de recirculare g, are valoarea de: g (2.5÷10), daca g <2.5, atunci se face

recircularea naturala care se utilizeaza printr-o constructie a spatiului de lucru.

TEMPERATURA SI MASURAREA EI

Nu exista o definitie cerat a temperaturii , ca marime reperabila. Se admite ca temperatura este marimea care caracterizeaza starea de încalzire a unui corp , adica gradul de caldura. Temperatura unui corp creste când acesta primeste mai multa caldura decât cedeaza si ca aceasta temperatura scade , în caz contrar. Temperatura nu poate fi definita cantitativ decât prin intermediul unui fenomen auxiliar si care rezulta din variatiile de temperatura , care singure prezinta caractere direct masurabile. Reperarea de cald si de rece , poate fi astfel la un numarcare nu are sens daca nu se defineste si scara pe care o citeste. În termodnamica s- a permis totusi sase defineasca ca temperatura minima absoluta , minus 273°C (zero absolut) si care este temperatura la care se constata absenta completa a oricarei miscari a moleculelor sau a partilor constituitive ale corpurilor(micsorarea moleculara a materiei ajunge la zero , iar materia este în starea de repaus total). Temperaturile masurate în raport cu temperatura zero absolut sunt temperaturi absolute si se exprima în grade Kelvin , (°K)În tarile anglo- saxone ca temperaturi absolute se foloseste scara Rankine , în grade °R , având la origina temperatura zero absolut (- 273°C). O scara de temperaturi mult folosita pe plan mondial pâna în prezent este scara Celsius,în°C;în tarile anglo- saxone se foloseste scara Fahrenheit , în°F.Convertirea se face cu relatia:

Scara Celsius si scara Kelvin au diviziuni egale între ele si origini diferite , la fel scara Rankin cu scara Fahrenheit (1°C este egal cu un 1°K pe scara Kelvin si cu 1,8 grade pe scara Fahrenheit sau Rankin , iar 0°C=273,15°K si 0°C=32°F). Începând cu anul 1968 pe plan international s- a decis ca temperatura sa se exprime cu simbolul T , având ca unitate de masura gradul Kelvin , acesta fiind fractiunea 1/273,15 din temperatura termodinamica corespunzatoare punctului triplu al apei. Temperatura Celsius (t) se defineste prin relatia t=T- To , în care To=273,15K. Scara Celsius mai este mult practicata , atât în terminologia curenta cât si în diverse prospecte si materiale documentare din domeniul industriei de refractare , alaturi de scara Fahrrenheit , care se foloseste înca în tarile anglo- saxone. Masurarea temperaturilor se face dupa diverse metode. Alegerea acestora depinde de:- conditiile metrologice (domeniul de temperaturi limita , precizia masurarii si timpul

necesar pentru masurare);conditiile tehnologice [repartitia masurarii în timp , conditii geometrice (volumul cuptorului) , natura mediului (metale topite gaze etc.);renheit , care se foloseste înca în tarile anglo- saxone. Masurarea temperaturilor se face dupa diverse metode. Alegerea acestora depinde de:

- conditiile metrologice (domeniul de temperaturi limita , precizia masurarii si timpul necesar pentru masurare);

- conditiile tehnologice [repartitia masurarii în timp , conditii geometrice (volumul cuptorului) , natura mediului (metale topite gaze etc.);

- conditii de exploatare a masurarii [masurari simple , telemasuri cu înregistrare etc. combinatii de masuri (cumulate cu alte determinari) etc. ].

În functie de aceste diferite conditii exista si aparate de masura , care au la baza principii foarte diferite.

TEMPERATURILE NECESARE DIVERSELOR PROCESETERMICE INDUSTRIALE

Material si procesul termic Temperatura de lucru,°C

1. INDUSTRIA METALURGICA

- topirea fontei în furnal 1350- 1550 - topirea fontei în cubilouri 1350- 1450 - topirea fontei în cupt. electrice cu inducţie 1400 - topirea otelului (în cuptoare SM , electrice cu inducţie) 1600- 1700

LAMINARE LINGOURI - cuptoare adânci 1250- 1350 - cuptoare cu propulsie 1150- 1350 - cuptoare vatra - pasitoare (pentru platine) 1050- 1150

CUPTOARE DE FORJA - cu vatra rotativa 1150- 1300 - camera 1150- 1350

CUPTOARE DE TRATAMENTE TERMICE: - recoacere(camera, cu trecere continua,inducţie , otel turnat ) 720- 900 - normalizare(continua, clopot ,vertical,pentru banda otel,sârma) 600- 1050 - călire (continua,baie de călire , inducţie) 750- 1000 - maleabilizare(continua pentru fonta alba ,fonta maleabila) 950- 1020 - emailare(continua,întoarcere) 900- 950 - zincare(bai,cuptoare) 430- 460

NEFEROASE - alama, topire (încălzire) 1000(700) - aluminiu : - topire(cu vatra ,creuzet ,inducţie) 720- 780 - încălzire 400- 550 - zinc : - topire 600- 650 - distilare 1200 - cupru : - topire 1150- 1250 - laminare 850- 950 - recoacere 620- 650

2. INDUSTRIA CERAMICA , STICLA SI CIMENT - ardere refractare 1200- 1800 - ardere ceramica sanitara 1200- 1350 - ardere porţelan 1250- 1350 - ardere cărămizii roşii 900- 1050 - ardere pietre polizor 1250- 1300 - topit sticla 1400- 1500 - ardere clincher ciment Portland 1250- 1450

3. DIVERSE USCATORII - uscare de produse refractare 150- 250 - uscare de cărămizi refractare legate chimic 200- 600 - uscătorii pentru miezuri în turnatorii de otel 500- 600 - idem ,în turnatorii de fonta 150- 250

Deoarece aprecierile vizuale ale temperaturilor sunt de multe ori exagerate sau total necunoscute , în continuare se prezintă culorile de încălzire (grade de incandescenta) existente în incinta cuptoarelor industriale în funcţiune :- început de înroşire…………………………………………………………cca. 500- 520°C- roşu închis………………………………………………………………………..cca. 700°C- roşu deschis……………………………………………………………………...cca. 800°C- galben incandescent………………………………………………………….….cca. 900°C- incandescent deschis……………………………………………………………cca. 1100°C- alb incandescent (început de alb)…………………………… ……………...…cca. 1200°C- alb puternic (intens)………………………………………………………… …cca. 1300°C- alb orbitor………………………………………………………………cca. 1500- 1600°C-