6

6. ARDEREA COMBUSTIBILILOR

GENERALITI

Arderea este procesul de combinare chimic exoterm (cu degajare de cldur) a elementelor combustibile cu oxigenul, proces care se desfoar cu o vitez de reacie suficient de mare pentru ca produsele arderii s se obin la temperaturi ridicate, i astfel s poat fi utilizate la formarea surselor de energie termic din maini i instalaii termice.

Arderea se consider complet dac produsele arderii nu mai conin elemente combustibile neoxidate i incomplet, dac n produsele de ardere mai exist elemente combustibile neoxidate.

Termodinamica arderii nu studiaz mecanismul de desfurare a arderii, care este un proces chimic foarte complex i nici produsele intermediare ale arderii, ci energia reactanilor i a produselor de reacie, compoziia combustibililor i a produselor de ardere i cldura degajat n urma arderii combustibililor.

Combustibilii sunt substane care degaj cldur i emit lumin prin arderea lor n prezena oxigenului din aer, substane rspndite n natur i accesibile pentru formarea surselor de energie termic.

Combustibilii de natur organic se clasific n funcie de starea lor de agregare n:

combustibili solizi

combustibili lichizi

combustibili gazoi

i dup provenien n:

combustibili naturali: crbune de extracie, isturi bituminoase, petrol, gaze naturale

combustibili artificiali, care se obin prin prelucrarea combustibililor naturali: mangal, cocs, brichete de crbuni, benzin, pcur, gaz de furnal

Compoziia combustibililor este dat de elementele care iau parte n procesul arderii i care formeaz masa combustibil, precum i de elementele care nu particip la acest proces i care reprezint reziduul sau balastul combustibilului. Procedeul de stabilire a compoziiei combustibililor se numete analiz tehnic. Pentru a efectua calculul procesului de ardere este necesar o analiz chimic elementar, pe baza creia combustibilul s fie structurat n elemente chimice primare.

Compoziia chimic elementar a combustibililor solizi i lichizi se exprim sub forma participaiilor masice: c - carbonul, h - hidrogenul, s - sulful, n - azotul, o - oxigenul, u - umiditatea, a - cenua.

Deci:

kgCompoziia chimic elementar a unui combustibil gazos este dat sub forma participaiilor volumice ale gazelor care formeaz amestecul de combustibil: co - oxidul de carbon, h - hidrogenul, cmhn - hidrocarburi, h2s - hidrogenul sulfurat, o - oxigenul, co2 - bioxidul de carbon, n - azotul, u - umiditatea.

co + h + (cmhn) + h2s + o + co2 + n + u = 1 m3NElementele chimice, care prin ardere dezvolt cldur i emit lumin sunt carbonul, hidrogenul i sulful. Acestea se pot gsi n stare liber sau n combinaie cu ali componeni necombustibili.

Un combustibil poate participa la procesul arderii dac se afl la o temperatur minim, numit temperatur de aprindere. Energia minim de aprindere este furnizat iniial din exterior, dup care procesul de ardere se autontreine. Temperatura reactanilor (aer i combustibil) este de obicei mai mic dect temperatura de aprindere, ceea ce impune prenclzirea lor. Principala surs de prenclzire a amestecului de aer i combustibil din focarele instalaiilor de cazane o reprezint produsele de ardere. n cazul motoarelor cu ardere intern, nclzirea aerului sau a amestecului carburant pn la temperatura de aprindere se realizeaz prin comprimare n cilindrii motorului.

n cazul unei arderi uniforme n ntregul volum ocupat de amestecul combustibil-aer, cantitatea de aer necesar nu trebuie s fie inferioar cantitii teoretice de aer, adic cea minim necesar arderii complete. n cazul n care nu se asigur un amestec omogen ntre combustibil i aer, arderea complet se poate realiza cu o cantitate de aer mai mare dect cantitatea teoretic, caz n care arderea se desfoar n exces de aer. Cantitatea de aer n exces se exprim prin coeficientul de exces de aer , definit ca raport ntre cantitatea real de aer i cantitatea teoretic.

Arderea combustibililor se desfoar n camere de ardere, focare sau cilindrii motoarelor cu ardere intern. n aceste spaii se introduc reactanii care particip n procesul de ardere, i anume combustibilul, ca substan care arde i aerul de combustie, care conine oxigenul necesar arderii. n urma arderii rezult gaze de ardere, care au o compoziie ce difer n funcie de tipul combustibilului, cenu sau zgur i cldur.

Arderea care se desfoar n prezena aerului minim necesar arderii se numete ardere stoechiometric sau teoretic. ntr-un proces de ardere stoechiometric masa reactanilor este egal cu masa produselor de ardere, n timp ce volumele acestora se pot modifica.PUTEREA CALORIC

Reaciile de ardere sunt procese nsoite de cedare de cldur. Schimbul de cldur efectuat cu mediul exterior ntr-un proces de ardere izoterm reprezint efectul termic al reaciei sau cldura de reacie.

Efectul termic al unei reacii care decurge la T=const. i V=const., denumit efect termic izocor QV, este egal, conform primului principiu la termodinamicii cu variaia energiei interne a sistemului:

n cazul n care reacia decurge la T=const. i p=const., efectul termic al reaciei, denumit efect termic izobar Qp, este egal cu variaia de entalpie:

Deoarece energia intern i entalpia sunt funcii de stare, rezult c mrimile QV i Qp nu depind de etapele intermediare ale reaciilor sau de succesiunea lor, ci numai de strile iniial i final ale sistemului. n aceast afirmaie const legea lui Hess.

n funcie de mrimea cldurii de reacie degajate n procesul de ardere se poate stabili calitatea unui combustibil, drept criteriu de comparare a combustibililor. n acest sens a fost introdus noiunea de putere caloric.

Se numete putere caloric, efectul termic izobar, la p=760 mmHg, al reaciei de ardere complet a unitii de cantitate de combustibil, care decurge la temperatura de referin T=273,15 K. Ca unitate de cantitate se consider 1 kg n cazul combustibililor solizi i lichizi, respectiv 1m3N n cazul celor gazoi. La combustibilii solizi i lichizi unitatea de msur a puterii calorice este kJ/kg, iar la combustibilii gazoi este kJ/m3N.

n funcie de starea de agregare a apei care se gsete n produsele de ardere, se definesc:

puterea caloric superioar Qs, n cazul n care apa din produsele de ardere se afl n faz lichid. Aceast cldur de reacie conine i cldura de vaporizare a apei.

puterea caloric inferioar Qi, n cazul n care apa se gsete n produsele de ardere n stare de vapori. Aceast cldur de reacie nu mai conine cldura de vaporizare a apei.

Relaia dintre cele dou puteri calorice este:

Qi = Qs - mv r,

n care: mv reprezint masa vaporilor de ap din gazele de ardere rezultate din arderea unitii de cantitate de combustibil, r - cldura de vaporizare a apei.

Puterea caloric se poate determina experimental sau se poate calcula, dac se cunosc compoziia elementar a combustibilului i efectele termice izobare ale reaciilor de ardere ale elementelor combustibile.

Puterea caloric inferioar se determin pe baza urmtoarelor relaii:

pentru combustibili solizi i lichizi:

,

n care: (h-o/8) reprezint diferena dintre hidrogenul determinat din analiza elementar a combustibilului i hidrogenul legat de oxigenul din combustibil.

innd seama de faptul c r=2500 kJ/kg, se poate determina puterea caloric superioar a combustibililor solizi i lichizi.

pentru combustibili gazoi:

Pentru amestecurile de combustibili, puterea caloric se stabilete n funcie de participaia masic sau volumic a fiecrui component combustibil participant n amestec. Astfel:

pentru combustibili solizi i lichizi:

pentru combustibili gazoi:

CALCULUL PROCESULUI DE ARDERE

Calculul procesului de ardere se bazeaz pe reaciile chimice stoechiometrice de ardere a substanelor combustibile elementare i are drept scop determinarea cantitii de oxigen i de aer necesar desfurrii acestor reacii, a cantitii de gaze rezultate n urma arderii i a temperaturii de ardere.Arderea complet a combustibililor solizi i lichizi

Se consider 1 kg de combustibil solid sau lichid.Ecuaiile arderii

Arderea complet a carbonului:

Ecuaia chimic poate fi extins la o cantitate de substan proporional cu masa molar a substanei participante le reacie, adic la 1 kmol de substan.

Deoarece masa molar a carbonului este =12 kg/kmol, iar 1 kmol C=12 kg C, rezult:

Pentru a raporta aceast ecuaie la 1 kg de combustibil solid sau lichid, trebuie introdus n ecuaia de ardere cantitatea de carbon coninut de 1 kg de combustibil, care corespunde participaiei masice a carbonului.

Aceast ecuaie permite determinarea oxigenului necesar arderii, respectiv a bioxidului de carbon rezultat n urma arderii a c kg de carbon existent ntr-un kg de combustibil.

Arderea hidrogenului:

Utiliznd reacia de ardere a hidrogenului avnd masa molar 2 kg/kmol, se obin urmtoarele ecuaii:

Arderea sulfului:

Pentru sulf, avnd masa molar S32 kg/kmol, ecuaiile de ardere sunt:

Volumul de oxigen i de aer necesar arderii

Cantitatea teoretic de oxigen necesar arderii complete a unui kilogram de combustibil solid sau lichid se obine din ecuaiile de ardere, dac se nsumeaz oxigenul necesar arderii a c kg C, h kg H2 i a s kg S, din care se va scdea oxigenul o coninut de 1 kg de combustil:

sau

sau

ntruct participaia volumic a oxigenului n aerul atmosferic este 21%, iar a azotului 79%, atunci volumul teoretic de aer necesar arderii complete a unitii de cantitate de combustibil devine:

Volumul real de aer este mai mare dect volumul teoretic n scopul de a se realiza o ardere complet a unitii de cantitate de combustibil:

Valorile optime ale coeficientului de exces de aer corespund cantitii reale de aer care poate asigura o ardere complet a combustibilului. Ele depind de natura combustibilului i de particularitile constructive ale instalaiilor de ardere. Astfel:

pentru combustibili solizi: =1,12

pentru combustibili lichizi: =1,151,4

pentru arderea n motoare cu aprindere prin scnteie, dac se dorete obinerea unui randament termic maxim, atunci se recomand un amestec srac: =1,051,1

pentru arderea n motoare cu aprindere prin scnteie, dac se dorete obinerea unei puteri maxime, atunci se recomand un amestec bogat: =0,850,9

pentru arderea n motoare cu aprindere prin compresie: =1,31,7.Produsele arderii

Ca urmare a arderii complete n condiii stoechiometrice a unui kilogram de combustibil rezult un amestec de gaze, care formeaz produsele arderii. Acest amestec este format din CO2, obinut din arderea a c kg C, din vapori de ap provenii din arderea a h kg H2 i din umiditatea de constituie a combustibilului u (se neglijeaz umiditatea coninut de aerul introdus n procesul arderii), din SO2, obinut din arderea a s kg S i din N2, care provine din aerul minim necesar arderii i din combustibil, n. n condiiile unei arderi reale (>1), produsele de ardere vor conine i excesul de aer .

Dac volumele componenilor se obin la starea fizic normal, atunci conform legii lui Amagat, suma acestor volume reprezint volumul amestecului aflat n aceeai stare.

Volumul gazelor de ardere este:

Volumele pariale ale gazelor componente din produsele de ardere se calculeaz cu urmtoarele relaii:

Masa gazelor rezultate din arderea unui kilogram de combustibil este format din masele componenilor amestecului:

n care, densitile componenilor amestecului de gaze de ardere la starea fizic normal se obin din relaia:

,

i n care i reprezint masa molar a componentului i, iar VMN = 22,414 m3N/kmol - volumul molar al gazului n stare normal.

Arderea complet a combustibililor gazoi

Se consider 1 m3N de combustibil gazos.

Ecuaiile arderii

Arderea monoxidului de carbon:Pe baza reaciei chimice stoechiometrice de ardere a monoxidului de carbon se pot scrie pentru arderea a co m3N CO, coninui de 1 m3N combustibil gazos urmtoarele ecuaii:

Arderea hidrogenului:

Arderea hidrogenului sulfurat:

Arderea hidrocarburilor:

Volumul de oxigen i de aer necesar arderii

Oxigenul minim necesar arderii unui metru cub normal de combustibil gazos se obine prin nsumarea oxigenului necesar arderii a co m3N CO, h m3N H2, h2s m3N H2S i a cmhn m3N CmHn, din care se scade oxigenul din combustibil. Astfel, volumul teoretic de oxigen necesar arderii complete a 1 m3N de combustibil gazos este:

Pentru combustibilii gazoi se recomand =1,11,3.

Produsele arderii

Ca urmare a arderii complete n condiii stoechiometrice a unui metru cub de combustibil gazos, se obine un volum de gaze de ardere care se calculeaz cu relaia:

Volumele pariale ale gazelor componente din produsele de ardere se calculeaz astfel:

Masa produselor de ardere se calculeaz n mod similar ca n cazul combustibililor solizi i lichizi.

Temperatura de ardere

Temperatura de ardere reprezint temperatura gazelor rezultate n urma unui proces stabilizat de ardere a unui combustibil. Se poate determina analitic dac se aplic legea conservrii energiei ntr-un proces de ardere care se desfoar ntr-o camer de ardere.

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

,

n care:

Qi reprezint puterea caloric inferioar a combustibilului

Qpar i Qprc sunt pierderile de cldur din procesul arderii, datorate unei arderi imperfecte din punct de vedere chimic i mecanic, respectiv pierderile de cldur n mediul nconjurtor, raportate la unitatea de combustibil

Qsc, Qsaer, Qg reprezint cldura sensibil a combustibilului, respectiv a aerului, la intrare n camera de ardere i cldura sensibil a gazelor rezultate din arderea unitii de cantitate de combustibil, la ieirea din camera de ardere.

Dac se consider pierderile relative de cldur din procesul arderii i prin transmisie n mediul exterior, i , i dac se adopt temperatura de referin 0 oC, atunci ecuaia de bilan devine:

Se definete randamentul termic al procesului de ardere, . Volumul gazelor de ardere se exprim prin relaia . Prin urmare, temperatura de ardere devine:

Temperatura de ardere crete o dat cu creterea puterii calorice inferioare a combustibilului, cu gradul lui de prenclzire i cu gradul de prenclzire al aerului, i scade o dat cu creterea coeficientului de exces de aer.

n cazul particular, n care se neglijeaz pierderile de cldur n mediul exterior (qpar= qprc=0), cnd arderea este perfect (ar1) i cnd arderea se desfoar cu aerul minim necesar (=1), atunci se obine temperatura teoretic de ardere:

Cldura specific volumic la presiune constant a gazelor de ardere se poate determina n funcie de participaiile volumice i de cldurile specifice volumice medii la p=const. ale gazelor componente sau n funcie de numrul de kilomoli i de cldurile specifice molare medii la p=const., corespunztoare unei temperaturi cuprinse n intervalul 0 oCtg, care se obine prin ncercri succesive.

sau

Pentru a elimina inconvenientul care rezult din aplicarea metodei ncercrilor succesive, se poate utiliza o metod grafic.

Aplicaii

1. S se efectueze calculul arderii crbunelui cu compoziia: 82% C, 5% H2O, 2% H2, 1% O2 i 10 % cenu. Crbunele este ars cu un coeficient de exces de aer de 1,2.

2. S se efectueze calculul arderii gazului natural cu urmtoarea compoziie: 65% CH4, 8% H2, 18% N2, 3% O2 i 6% CO2. Gazul arde complet cu cantitatea stoechiometric de aer.

Bilanul termic al procesului de ardere

_1031774647.unknown

_1031933948.unknown

_1031941778.unknown

_1033798306.unknown

_1397840769.unknown

_1430071220.unknown

_1397841976.unknown

_1033798320.unknown

_1397234469.unknown

_1033798315.unknown

_1031945585.unknown

_1031985735.unknown

_1032103407.unknown

_1033798293.unknown

_1032104118.unknown

_1032021752.unknown

_1031946291.unknown

_1031946410.unknown

_1031946107.unknown

_1031944019.unknown

_1031945540.unknown

_1031941985.unknown

_1031936022.unknown

_1031937541.unknown

_1031941467.unknown

_1031936725.unknown

_1031934081.unknown

_1031934173.unknown

_1031934019.unknown

_1031851591.unknown

_1031933505.unknown

_1031933761.unknown

_1031933821.unknown

_1031933575.unknown

_1031933341.unknown

_1031933376.unknown

_1031931490.unknown

_1031932357.unknown

_1031851757.unknown

_1031845982.unknown

_1031849881.unknown

_1031851417.unknown

_1031846395.unknown

_1031777233.unknown

_1031777256.unknown

_1031777185.unknown

_1031766047.unknown

_1031773985.unknown

_1031774433.unknown

_1031774510.unknown

_1031774178.unknown

_1031766633.unknown

_1031773875.unknown

_1031766282.unknown

_1031687093.unknown

_1031763894.unknown

_1031763936.unknown

_1031687293.unknown

_1031674711.unknown

_1031677274.unknown

_1031603013.unknown