Combustia_BilantulCazanului

7/31/2019 Combustia_BilantulCazanului

1/15

2. PROCESE TERMICE SPECIFICE PRODUCERII SI TRANSFERULUI DE ENERGIE TERMICA

2. PROCESE TERMICE SPECIFICE PRODUCERII SI TRANSFERULUI DE

ENERGIE TERMICA

Acest capitol prezinta intr-o ordine fireasca, caracteristicile de

baza ale desfasurarii proceselor termice industriale: producerea

energiei si bilantul termic al instalatiilor specifice de producere a

energiei termice (cazanul); categoriile distincte ale transferului

energiei termice; bilantul schimbatoarelor de caldura -din multitudinea

de consumatori posibili; si consideratii referitoare la antrenarea

agentilor termici.

2.1. Producerea energiei termice prin combustie

Combustia se defineste prin aspectul ei cineto-chimic si prin

aspectul termogazodinamic de formare a jeturilor mixte

combustibil/oxidant. Regimul gazodinamic al formarii amesteculuiomogen capabil sa arda -sa intre in reactie exoterma , poate fi mai

1


2/15

UTILIZAREA ENERGIEI TERMICE PRODUSE PRIN COMBUSTIEmult sau mai putin eficient (complet si stoechiometric). Aceasta

depinzind de performanta gazodinamicii arzatorului/focarului, care

trebuie sa fie capabil sa realizeze structura/compozitia(proportia)optima de combustibil/oxidant. In caz contrar rezultind atit fractii de

combustibil complet sau incomplet arse, cit si un mai mic sau mai

mare exces de aer -toate acestea afectind gradul de eficienta a arderii.

Ecuatiile chimiei combustiei complete

Reactiile chimice exoterme care definesc combustia pot fi

reprezentate prin ecuatiile de echilibru chimic la nivel molar. Aceasta

reprezentare presupune ca formarea amestecului Combustibil-Oxidant

se face in conditii ideale. Combustia se analizeaza (in acest caz) fara

evidentierea efectelor evolutiei termogazodinamicii zonelor invecinate

respectiv amonte si aval.

Acest tip de analiza -a combustiei in conditii ideale, isi

dovedeste utilitatea din prisma concluziilor care se pot desprinde

privitor la necesarul minim de aer pentru o combustie in conditiile

unui arzator/focar ideal. Utilitatea acestui tip de analiza -pur termodinamic/chimica, consta si in aceea ca poate evidentia diferenta

cantitativ/calitativa dintre compozitia gazelor rezultate printr-o ardere

in conditii ideale, si compozitia gazelor rezultate printr-o ardere

incompleta(datorata unei configuratii lacunare-in fapt, a gazodinamicii

arzatorului/focarului).

Nu trebuie uitat ca o reprezentare/analiza completa a

combustiei, implica si alte referinte specifice cineticii arderii (viteza

sau

2


3/15


rata producerii compusilor, durata reactiilor, etc.), si referinte specifice

la regimul gazodinamic (laminar-difuziv sau turbulent), etc.

Prin combustie completa se intelege spre exemplu -in cazularderii carbonului C, combustia care are ca rezultat numai CO 2, spre

deosebire de cazul combustiei incomplete in care ar rezulta pe linga

CO 2 si o anumita fractie de CO .

Compozitia combustibililor poate fi exprimata si in functie de

participatiile masice ale elementelor componente:

c + c mhn + co + h + o + n + s + a + w = 1 [kg] (2.1-1)

unde: c -reprezinta participatia masica a carbonului liber in masa decombustibil [kg C / kg comb]; cmhn - reprezinta participatia masica a unei

hidrocarburi, si similar co -participatia masica a oxidului de carbon, h

-a hidrogenului liber, o -a oxigenului, n -azotului, s -sulfului, a

-cenusii, si w -participatia masica a apei aflate eventual in continutul

intim al combustibilului.

Participatiile volumice se vor nota cu r CmHn [m 3CmHn / m 3comb ],

r CO [m 3CO / m 3comb ], s.a.m.d., sau mai simplu prin marcarea intre

paranteze a simbolurilor chimice ale elementelor componente: (cmhn ),(co), (h),.... etc .

Puterea calorica superioara H s a unui combustibil reprezinta

energia care se degaja din arderea completa a 1kg (sau 1m3) de

combustibil, energie care include si caldura inmagazinata in vaporii de

apa continuti in gazele rezultate (din arderea oricarei hidrocarburi),

vapori care cedind aceasta caldura (entalpia de 2510 kJ/kg), se

transforma in apa.

3


4/15


5/15


si a volumului de gaze rezultate din arderea fara disociatie

Oxigenul minim necesar arderiise calculeaza prin insumarea tuturor cantitatilor de oxigen care reiese

ca ar fi necesare in conformitate cu ecuatiile de oxidare

stoechiometrica a fiecarui component chimic (aflat in compozitia

intima a combustibilului):

C + O 2 = CO 2 ......................... 12 kgC +32 kgO 2 = 44 kgCO 2

12 kgC + 22,4 m3 NO2 = 22,4 m3 NCO 2

S + O 2 = SO 2 ................. 32 kgS + 32 kgO 2 = 64 kgSO 2

32 kgC + 22,4 m3 NO2 = 22,4 m 3 NCO 2

H2 + 0.5 O2 = H 20 ............. 2 kgH 2 +16 kgO 2 = 18 kgH 2O

2 kgH 2 + 11,2 m3 NO2 = 22,4 m3 NH2O

0,5CH 4+O 2=0,5CO 2 +H 2O ... 8 kgCH 4 + 32kgO 2 = 22kgCO 2+18kgH 2O

8kgCH 4 + 22,4 m3 NO2 = 11,2 m3 NCO 2+22,4 m3 NH2O

11,2 m3 NCH 4 + 22,4 m3 NO2 = 11,2 m3 NCO 2+22,4 m 3 NH2O

s.a.m.d............... (2.1-4)

Obs : se poate scrie reactia de ardere a gazului metan sub forma: 1m3 NCH 4 + 2m3 NO2 = 1m3 NCO 2+2m3 NH2O

ceea ce inseamna ca: din arderea a 1m3 NCH 4 vor rezulta 2m 3 NO2 ,

1m3 NCO 2 si 2m3 NH2O sub forma de vapori(echivalentul a 1,6 kg de apa)

Aerul minim necesar arderii, se va obtine stiind ca aerul este compus

in procente volumice din: 20,8% oxigen, 79% azot, iar restul -alte

gaze.

Avind in vedere acestea, se poate afirma ca aerul minimnecesar arderii in conditii ideale (stoechiometrice -de laborator), ar fi:

5


6/15

UTILIZAREA ENERGIEI TERMICE PRODUSE PRIN COMBUSTIE

V oaer uscat = V oO2 / 0,21 (2.1-5) Nota : Se poate afirma ca pentru arderea a 1m3 NCH 4 va fi necesar un

volum de aer egal cu suma: 2 m 3 NO2 plus 7,52 m3 N de azot (N o2) , ceea

ce inseamna -cu alte cuvinte ca, la un metru cub de gaz metan sint

necesari minimum 9,52 metri cubi de aer.

Obs: in conditiile reale de ardere -in care arderea se formeaza

prin mixarea unor jeturi de gaz metan cu jeturi de aer, amestecarea

compusilor nu poate fi perfecta, si de aceea este necesar un exces de

aer caracterizat printr-un coeficient al excesului de aer, notat cu (cu

valori mai mari decit 1 ) Obs: aceste valori ale coeficientului de excesde aer vor fi cu atit mai mari decit 1, cu cit performanta gazodinamica

a arzatorului va fi mai proasta. Arzatoarele de combustibili gazosi nu

trebuie sa necesite un exces de aer mai mare de ~1,8, in caz contrar

fiind nejustificat de mult diminuat bilantul energetic per ansamblul

instalatiei de cazan.

Astfel se poate spune ca aerul necesar arderii unui combustibil gazos,

va fi de fapt mai mare decit aerul minim necesar arderii

stoechiometrice

V aer uscat = (V oO2 / 0,21) [m 3 N aer / m 3 N comb ] (2.1-6)

Obs : in cazul unor analize mai amanuntite va trebui sa se tina seama si

de umiditatea relativa a aerului de combustie, si astfel:

V oaer = (1+ 0,00161 u) V oaer uscat

(unde cu u s-a notat umiditatea relativa a aerului)

Volumul gazelor rezultate din ardere,se va exprima prin insumarea tuturor volumelor de gaze care rezulta

din arderea presupusa -competa, a combustibilului:6


7/15


V gaze = V o gaze+ ( -1 ) V oaer [m 3 N gaze / m 3 N comb ] (2.1-7)

unde V o gaze = V CO2+V SO2 + V H2O + V N2 +....

unde conform produsilor de reactie din prima ecuatie (a oxidarii C ),va rezulta ca V CO2 =44/12 c [m 3 N CO2 / m 3 N comb ] -unde c[-] reprezinta

participatia carbonului in masa globala a combustibilului.

Similar se vor exprima si celelalte volume ale gazelor rezultate din

arderea unitati de cantitate de combustibil.

Obs: daca combustibilul nu contine sulf , atunci termenul V SO2 va lipsi.

In cazul in care arderii insotite de disociatie,

la temperaturi ridicate ale gazelor de ardere (peste 1500 oC ), apare

fenomenul de descompunere a moleculelor unor componenti cu o

energie de activare mai scazuta (fenomen denmit disociatie ). In astfel

de cazuri in gazele de ardere apar o serie de componenti, cum ar fi:

CO, OH, H2, H, NO, O, etc., care rezulta din reactii endoterme .

Mecanismul de formare a acestor compusi este prezentat in detaliu in

lucrarea Dinamica Gazelor (de acelasi autor). Principalele reactii de

disociere care apar in procesele de ardere, pot fi cuantificate cu

ajutorul constantelor K de echilibru a reactiilor, care se gasesc in

tabele de specialitate in functie de temperatura.

Ex: K pm

nn n pCO

r COr

COr

Or =

/

/

22

22 (2.1-8)

unde p -este presiunea la care se desfasoara reactia (in bar); m -este

numarul total de kmoli ai substantelor participante la reactie; iar r estenumarul de kmoli de CO 2 disociati in CO si O2.

Diagrama I-t a gazelor de ardere

7


8/15

UTILIZAREA ENERGIEI TERMICE PRODUSE PRIN COMBUSTIEeste deosebit de utila in momentul in care se vrea a se evalua entalpia

gazelor rezultate din ardere. Entalpia acestor gaze, se va calcula cu

formula: I g = I o g + ( -1) I

oa [kJ/ m

3 N comb ] (2.1-9)

unde ( -1) I oa reprezinta entalpia aerului in exces, (2.1-10)

iar I o g =V CO2 iCO2+ V CO iCO+V SO2iSO2+V o N2 i N2+V o H2Oi H2O [kJ/ m 3 N comb ]Obs : valorile acestor entalpii se gasesc in tabelele de specialitate in

functie de temperaturi.

Randamentul arderii r exprima gradul de perfectiune a arderii, si poate fi evidentiat prin diferenta dintre energia care ar trebui sa rezulte

din arderea completa a unitatii de cantitate de combustibil (putereacalorica superioara), si valoarea entalpiei gazelor rezultate din ardere

-in compozitia care rezulta din analiza gazelor (analiza care se face la

evacuare cu ajutorul unui Analizor de gaze), plus energia preluata de

apa din cazan.

Controlul arderii

se face cu ajutorul analizei gazelor de ardere -si apoi prin interpretarea

pe care o faciliteaza reprezentarea grafica reunita in triunghiul de

ardere a lui Oswald. Acest triunghi reprezinta grafic corelartia

(conform chimiei reactiilor) dintre O 2 , CO 2, CO si coeficientul de

exces de aer .In scopul interoperabilitatii acestei reprezentari cu rezultatele care sint

date de analiza efectuata cu un Analizor de gaze -specializat, s-a

intocmit un program TRIUNG_ARD, a carui utilitate este exploatata

din belsug -asa dupa cum reiese din capitolul 5.4.

8


9/15


2.2. Bilantul termic al unui cazan

Fluxurile de caldura care intra ( Qintr [W]) in conturul de

bilant al cazanului, sint reprezentate de:

( Nota : din motive de simplicitate fiecare flux de caldura in parte, se va

exprima in functie de marimile specifice introduse in unitati de masura

adecvate (diferite de la caz la caz), dar corelate intre ele in asa fel incit

rezultatul sa fie in [W]).

Qard -reprezinta fluxul de caldura rezultat din arderea

debitului de combustibil V comb [m 3 N/s] cu puterea calorica H i [J/m 3 N]:

Qard = V comb H i [W] (2.2-1)

Q f_apa -reprezinta fluxul de caldura adus in conturul cazanului

de catre debitul de apa mapa [kg/s], apa care intra -de obicei

preincalzita (in scopul evident de sporire a eficientei transferului de

caldura la diferitele nivele/zone de schimb termic):

Q f_apa = mapa iapa [W] (2.2-2)

unde, cu i se noteaza entalpia [J/kg], la temperatura si presiunea de

intrare.

Q f_comb -reprezinta fluxul de caldura adus in conturul cazanului

de catre debitul de combustibil V comb [m 3 N/s], combustibil care se

preincalzeste de obicei -pentru a se spori cit mai mult eficienta arderii:

Q f_comb =

V comb

icomb [W] (2.2-3)

Q f_aer -reprezinta fluxul de caldura adus in conturul cazanului

9


10/15

UTILIZAREA ENERGIEI TERMICE PRODUSE PRIN COMBUSTIE

de catre debitul de aer V aer [m 3 N/s] necesar combustiei, aer care se

preincalzeste de obicei -pentru ca astfel sa se poata miza pe o ardere

citmai completa/eficienta:

Q f_aer = V aer iaer [W] (2.2-4)

Nota : Debitul de aer V aer introdus/necesar pentru combustie se poate

evalua in functie de rezultatul oferit de analiza gazelor de ardere

(analiza care asa cum se va vedea in continuare -trebuie efectuata).

Atentie -aproape intotdeauna debitul de aer introdus pentru combustie

este mai mare decit ar fi necesar din considerente pur chimice. Aceastadeoarece, din motive de structurare dinamica a jetului mixt

aer/combustibil, geometria gazodinamica a arzatorului trebuie sa

poata

asigura -la fiecare parte de combustibil proportia necesara de aer

(proportie care este dinainte conoscuta doar pentru conditii

stoechiometrice =1 -adica in conditii de eprubeta).

Astfel, daca in urma analizei gazelor de ardere se constata ca

aerul introdus este mai mare ( >1) decit cantitatea dictatastoechiometric prin =1 , aceasta inseamna ca debitul de aer

participant, este:

V aer = V comb V o [ m3 N/s] (2.2-5)unde cu V o -s-a notat aerul minim necesar pentru arderea in

conditii stoechiometrice ( =1 ) a unitatii de debit de combustibil.

( Exemplificare : Din analiza chimica se constata ca pentru arderea a1m3 N de gaz metan (CH 4) , sint stoechiometric ( =1 ) necesari 9,52

10


11/15


m3 N de aer, sau altfel spus -pentru arderea unei parti de gaz metan in

conditii stoechiometrice, sint necesare 9,52 parti de aer : V o= 9,52

m3

N aer / m3

N CH4 ).Qaer = V comb V o iaer [W] (2.2-6)

Fluxurile de caldura care ies ( Qrez [W]) din conturul de

bilant al cazanului, sint fluxuri rezultate -dintre care doar unul singur

este util, restul reprezentind pierderi:

Qabur -reprezinta fluxul de caldura util, adica fluxul de energie

din aburul produs in cazan:

Qabur = m abur ( iabur - iapa ) [W] (2.2-7)

unde -entalpia aburului iabur [J/kg] corespunde temperaturii t si

presiunii p a aburului la iesirea din cazan;

-debitul de abur produs mabur [kg/s] se determina de obicei prin

metoda clasica de determinare a debitului cu ajutorul diafragmei:

m D

pabur abur =

2

4

2 [kg/s] (2.2-8)

-este coeficientul de debit , a carui valoare coreleaza: dimensiunile

diafragmei ( d/D), caderea de presiune ( p [N/m 2]) pe diafragma,

valoarea presiunii si temperaturii in amonte, si valoarea criteriului de

similitudine Re.

Nota : Se mai obisnuieste ca debitul de abur produs (la o anumita

presiune prestabilita) sa se evalueze pe o cale indirecta -si anume prin

cronometrarea pe intervale de timp relativ mari a functionarii

pompelor de alimentare a cazanului cu apa. Pompele de alimentare

pornesc ori de

11


12/15

UTILIZAREA ENERGIEI TERMICE PRODUSE PRIN COMBUSTIEcite ori aburul evacuat va determina coborirea nivelului apei din cazan

sub nivelul pre-setat. Deci debitul masic de apa mapa [kg/s] -astfel

mediat, nu reprezinta altceva decit insasi debitul masic de abur produsmabur [kg/s].

Nota : Un calcul de dimensionare constructiva a cazanului ,

porneste de la observatia ca fluxul de caldura Qabur reprezinta defapt -

fluxul de caldura transmis prin radiatie de la gazele rezultate din

ardere cu temperatura medie mai ridicata >600 oC (la peretii scaldati

de

apa), plus fluxul de caldura transmis prin convectie de la gazele

ajunse cu temperatura la sub 600 oC (la restul de pereti ai caii de

evacuare).

Regiunea de schimb termic care delimiteaza suprafata scaldata de

gaze cu temperatua mai mica de ~550 oC se mai numeste zona termica

convectiva a cazanului, si va fi conceputa din material si forma total

diferita de zona radiativa . Configuratia zonei convective va fi

conceputa in sensul sporirii/provocarii turbulentelor, pentru a mai

mari valoarea coeficientului de schimb convectiv si a reduce astfel pe

cit posibil marimea cazanului.

Daca vrem sa evaluam suprafata de schimb convectiv a unui proiect de

cazan, va trebui sa apreciem fluxul de caldura cedat numai prin

convectie, flux care este egal cu Qabur minus fluxul de caldura care

poate fi cedat prin radiatie (vezi radiatia gazelor cap. 2.3.) printr-o

suprafata a carei marime se constitue defapt in a doua necunoscuta.Ecuatia astfel formata, va fi constrinsa prin limitarea temperaturii

finale a gazelor care parasind zona radiativa isi pierd puterea de12


13/15


14/15

UTILIZAREA ENERGIEI TERMICE PRODUSE PRIN COMBUSTIE participatie volumica ( r i [m 3i /m 3gaze]) corespunde unitatii de cantitate

de combustibil ars, si se determina cu Analizorul de Gaze

i gaze = r CO2 iCO2 + r H2O i H2O + r CO iCO + r N2 i N2 [J/m 3 N] (2.2-10)Qard_chim -reprezinta fluxul de caldura care este irosit datorita

faptului ca de cele mai multe ori arzatorul este relativ imperfect si nu

reuseste sa asigure o ardere completa. Astfel in gazele rezultate din

ardere vom intilni pe linga produsii firesti CO 2, vapori de H 2O si aer,

procente de compusi cum ar fi CO, H 2 si chiar hidrocarburi CnHm

nearse. Fluxul de caldura astfel irosit, va fi egal cu produsul dintreaceste cantitati de gaze combustibile si puterile lor calorice ( H i) :

Qard_chim = V comb ( r i H i ) [W] (2.2-11)

unde, r i H i = r CO H iCO + r H2 H i H2 + r CnHm H iCnHm [J/m 3 N]

( r i -este participatia volumica [m 3i / m 3gaze ] )

Qext -reprezinta fluxul de caldura pierdut catre exterior prin

suprafatele exterioare (invelitoare) ale cazanului:

Qext = S i (T Si - T amb ) [W] (2.2-12)unde, i [W/m 2K] reprezinta coeficientii de convectie(radiatie) de lasurafetele S i [m 2] avind temperatura T Si , catre mediul ambiant care are

temperatura T amb .

In final se poate calcula randamentul termic al cazanului,

facind raportul dintre fluxul inmagazinat in aburul produs si

fluxurilor intrate

caz = Q abur / Qintr

(2.2-13)

14


15/15


Nota : Pentru ca exploatarea unui cazan sa poata fi luata in

consideratie, este de bun simt ca acest randament termic nu are voie sa

fie mai mic de 80%.

15

Combustia_BilantulCazanului

Documents

Transcript of Combustia_BilantulCazanului