Sistemul de Alimentare Cu Gaze_capitolul II _2011

PROPRIETĂȚILE GAZELOR

Capitolul II.Contextul general.

2. BAZE TEORETICE.

2.1. Gaze. Generalită i. Legile gazelor. Dinamica gazelor.ț

2.1.1.Gaze combustibile. Definiţii.

Prin gaze combustibile se înteleg, conform standard SR 3317:2003 gazele folosite în practicã în scopul arderii.

Dupã provenienta lor, gazele combustibile se împart în douã categorii: Gazele naturale (fig.1.), constituite din hidrocarburi saturate, cu continut

variabil de impuritãti - hidrogen sulfurat, azot etc., extrase din zãcãminte subterane si utilizate în stare brutã, sau dupã elimentarea impuritãtilor prin operatii simple de separare a fractiunilor solide si lichide;

Gaze artificiale (fig.2), produse prin prelucrarea combustibililor solizi inferiori.

Din punct de vedere tehnic si economic, prezintã interes, în special, gazele naturale libere, cunoscute si sub denumirea de gaz metan, datoritã continutului ridicat de metan: 98 99%.

Acest combustibil are avantajul cã este usor de extras si transportat si are o putere calorificã ridicatã - aproximativ 8125Kcal/m3, la temperatura de 15oC - fiind utilizat atât în instalatii individuale, cât si în centrale termice urbane sau industriale.

Figura 1

U. T. ”Gheorghe Asachi”, Iași-Facultatea de Construcții și Instalații| Victoria COTOROBAI


Figura 2

Gazele pot fi transportate până la punctele de consum: în diferite moduri:

o sisteme de transport si distribuţie prin reţele de conducte, o transportul prin intermediul recipientelor

la diferite presiunii pot servi în diferite scopuri:ș

o la încălzire şi preparare apa caldă;o la diferite procese tehnologice.

O categorie aparte o constituie: gazele naturale lichefiate (GNL) , gaze naturale care in urma unor procese specifice

sunt aduse in stare lichida si stocate in recipienti speciali. gazele naturale comprimate pentru vehicule (GNCV), gaze naturale stocate in

butelii prin comprimare la 200-250 bari, in scopul utilizarii drept combustibili pentru vehicule cu motoare termice.

gaze petroliere lichefiate (GPL), un amestec de hidrocarburi cu continut de peste 90% in volum al unei hidrocarburi aciclice nesaturate, alta decat etilena si propilena sau unul dintre izomerii sai izolati.

3.Proprietăţile generale ale gazelor

3.1.Noţiunea de gaz ideal şi gaz real

Cea mai simplă stare a materiei este starea gazoasă care se caracterizează prin faptul că umple orice vas pe care-l ocupă.

Din punctul de vedere al compoziţiei gazelor se disting două cazuri distincte: gaze pure şi amestecuri de gaze.

Pentru a descrie gazele s-au conceput două modele i anume: modelul gazelor idealeș şi modelul gazelor reale.



”Gazul ideal”/”perfect” este: o noţiune termodinamică abstractă; constituit din particule fără structură şi fără dimensiuni.

Este defint ca: ansamblul de molecule (sau atomi) care pot fi asimilate cu puncte materiale ce posedă masă, au dimensiuni neglijabile, care se află în continuă mişcare dezordonată, haotică, şi între care nu există forţe intermoleculare de atracţie şi respingere.

Se caracterizează prin: volumul său V -spaţiul ocupat de o probă de gaz este volumul său V; numărul de

molecule se exprimă cantitatea de substanţă (numărul de moli) n; presiunea p şi temperatura T.Starea fizică a unei probe se caracterizează prin proprietăţile sale fizice; două probe ale unei aceleiaşi substanţe care au aceleaşi proprietăţi fizice sunt în aceeaşi stare.Starea unui gaz pur poate fi specificată prin valorile a trei parametri de stare independenţi (presiune, temperatură, volum, densitate, cantitate de substanţă, număr de molecule, ş.a.m.d.).Starea unui gaz oarecare este specificată de regulă prin valorile a trei sau patru parametri de stare.nu toţi parametrii de stare sunt independenţi

Din punct de vedere fizic gazul ideal se poate caracteriza prin:

Ecuaţia termică de stare care descrie un gaz la presiuni prin: funcţia implicită care corelează presiunea, volumul şi temperatura unei anumite

cantităţi de gaz:

f (p,V,T)=0 (Ecuație 1)

corespunde numai unei stări de echilibru, pentru care presiunea şi temperatura au valori diferite, uniforme în toată masa, deci:nu se poate aplica decât unei substanţe omogene şi izotrope (cu aceleaşi proprietăţi pe orice direcţie).

• este valabilă în cazul limită, când P→0.

Ecuaţia de stare a gazului ideal pentru n moli de substanţă este:

pV=nRT=cmRT (Ecua ie ț 2)

unde, R este o constantă comună pentru toate gazele, numită constanta universală a gazelor perfecte/ ideale care are valoarea:

R= pVT=

101325Nm2 ∙ 22,41 ∙103 m3

mol273,15 K

=8.314 [J /mol ∙ K ]

sau:

– R=0,0820 [l·atm·mol-1·K-1]

– R=83,14 [cm3 bar·mol-1·K-1]

– R=1,98717 [cal mol-1·K-1]



cu notaţiile: - K-temperatura în grade Kelvin, - mol-numărul de moli, - J-joule, - atm-atmosfera în scară manometrică.

Presiunea p se defineşte ca fiind forţa raportată la unitatea de suprafaţă. Un sistem format din două gaze separate printr-un perete mobil este în echilibru mecanic dacă presiunile celor două gaze sunt egale, p1=p2 (figura.3.):

[p1,V1,T1] [p2,V2,T2]

Figura 3Unitatea în S.I. pentru presiune este pascalul (Pa):1 Pa = 1 N/m2

Mai sunt folosite bar, atmosfera (atm) şi torr:

1 bar = 105 Pa; 1 atm = 101325 Pa; 1 atm = 760 torr = 760 mmHg.

Temperatura T este o mărime de stare intensivă ce măsoară starea termică a sistemului dată de agitaţia termică a moleculelor.

Conceptul de temperatură provine din observaţia că o variaţie în starea fizică (ex. volum) poate avea loc când două obiecte sunt în contact unul cu celălalt (fier înroşit în apă). O variaţie de stare se interpretează ca un transfer de energie sub formă de căldură de la un obiect la altul.

Temperatura este proprietatea care indică direcţia de transfer a energiei (fig.4) ;

dacă energia trece de la A la B spunem că A are temperatură mai mare decât B ( ⇒direcţia transferului de energie). ;

dacă nu are loc nici o schimbare când cele două obiecte A şi B sunt în contact termic atunci se spune că A şi B sunt în echilibru termic.

A[p1,V1,T1] (T1>T2) B[p2,V2,T2]A[p1,V1,T1] (T1>T2) B[p2,V2,T2]A[p1,V1,T1] (T1=T2) B[p2,V2,T2]

Figura 4

Starea de echilibrul termic a gazelor ideale este tranzitivă,această caracteristică fiind formulată prin Principiul „0” al termodinamicii: dacă A este în echilibru termic cu B şi B este în echilibru termic cu C atunci şi C este în echilibru termic cu A1,2.

Legile gazelor ideale

Experimental s-a studiat evolu ia gazelor pe parcursul a diferitelor transformări deț stare. Observa iile au fost exprimate prin rela iile de evolu ie cunoscute sub denumireaț ț ț de ”Legile gazelor ideale” (tab. 1.).

(Boyle-Mariotte): pV = const. (pentru n = const. şi T = const.)(Gay-Lussac): V = T·const. (pentru n = const. şi p = const.)

1 Principiul stă la baza construcţiei termometrului: acesta indică variaţia temperaturii prin intermediul variaţiei unei proprietăţi fizice, cum este dilatarea în lungime a unei coloane de mercur.2 Scara Celsius împarte variaţia proprietăţii fizice observate de la starea de echilibrul a sistemului „apă+gheaţă” până la starea de echilibrul a sistemului „apă la fierbere” în 100 de diviziuni, numite grade Celsius şi notate °C. Scara Celsius este identică cu scara Kelvin7 (scara termodinamică de temperatură) iar relaţia între valorile temperaturilor pe cele două scări este dată de: T[K]=t[°C]+273.15.



(Charles): p = T·const. (pentru n = const. şi V = const.)(Avogadro): V = n·const. (pentru p = const. şi T = const.)

Cele patru observaţii experimentale prezentate mai sus, pot fi combinate într-o singură expresie, cunoscută sub denumirea de Legea generală a gazelor ideale:

pV = nT·const. (2.6)

Constanta s-a obţinut experimental, pentru toate gazele ce respectă modelul gazului perfect, se notează cu R, iar expresia devine:

pV = nRT (2.7)

Ecuaţia gazelor ideale este o ecuaţie de stare aproximativă pentru orice gaz.

Ecuaţia devine cu atât mai exactă cu cât presiunea gazului se apropie mai mult de 0 (atunci gazul se apropie de modelul gazului ideal).

Suprafaţa reprezentată în tabelul 1 , Figura 8 este o diagramă a presiunii unei cantităţi fixe de gaz perfect reprezentată în funcţie de volumul său şi de temperatura termodinamică conform ecuaţiei prezentate.

Tabelul 1. Legile gazelor ideale

Legea Boyle- Mariotte3 Legea Gay-Lussac Legea Charles4 Legea lui Avogadro105

n = const. ; T=const. n = const. ; p=const.; n = const. ; V=const.; p=const.; T=const.p·V = const. V/T = const. p/T = const. V/n = const.

”la presiune şi temperatură date, volumele molareVm ale tuturor gazelor sunt aproximativ aceleaşi iar pentru gazul ideal sunt identice”p1V = 104

p2V = 2·104,p3V = 3·104

V1/T = 10-3

V2/T = 2·10-3

V3/T = 3·10-3

p1/T = 100p2/V = 200 p3/V = 300

Figura 5 Figura 6 Figura 7Legea generală a gazelor ideale

pV = nT·const.

Fig. 8. Suprafaţa stărilor posibile ale unui gaz ideal, ob inută prin reprezentarea în Compaq Visual ț

3 Robert Boyle, în16614 Explicaţia moleculară a legii lui Charles : prin ridicarea temperaturii unui gaz creşte viteza medie a moleculelor sale, acestea se ciocnesc mai frecvent de pereţii vasului au astfel un impact mai puternic, creşte presiunea efectuată de moleculele gazului asupra acestora.5 „volume egale de gaz la aceeaşi presiune şi temperatură conţin acelaşi număr de molecule”.



Fortran a ecua iei pV/T = 308 (domeniile de varia ieț ț : V∈[1,5.5], T∈[100,325], p∈[5.6·103,105])

Legea lui DaltonLa amestecurile de gaze care nu reacţionează între ele proprietăţile amestecului se manifestă prin ecuaţii similare cu cele ale unui singur gaz, deoarece fiecare gaz respectă legea generală.În secolul 19, John Dalton a formulat această caracteristică prin legea:Presiunea exercitată de un amestec de gaze ideale este suma presiunilor exercitate de gazele individuale dacă fiecare ar ocupa singur acelaşi volum.

Presiunea exercitată de un gaz j, dacă ar ocupa singur volumul vasului şi s-ar comporta ideal se numeşte presiune parţială a gazului. Formula de calcul a legii lui Dalton pentru un amestec de gaze J cu j componenţi este:p = Σj∈Jpj (2.10)

”Gazul real” se abate de la starea ipotetică ideală.

Ecuaţia de stare a gazului real se diferen iază de ecuaţia de stare a gazului ideal țdatorită:

• interacţiunii moleculelor ce apar la valori finite ale presiunii: respingerea care apare la o apropiere foarte mare a moleculelor de gaz; atracţia intermoleculară.

În literatura de specialitate a fost propus un număr relativ mare de ecuaţii de stare pentru gazele reale. Pentru stududiul gazelor combustibile prezintă interes:

a. Ecuaţia de stare cu factor de neidealitate

pV=ZRT (Ecuație 3)

unde Z este factorul de neidealitate/factor de compresibilitate.

Z este definit de ecuaţia de stare (pentru un mol de gaz):

Pentru calcularea lui Z se poate utiliza şi formula empirică propusă

Z=1+PT¿Ecuație 4)

b. Ecuaţia Van der Waals

Este cea mai cunoscută ecuaţie de stare pentru gazele reale.

A fost propusă de Van der Waals în anul 1872 sub forma:

(P + a/V2)(V − b) = RT (Ecuație 5)

în care coeficienţii a şi b au valorile următoare:

• a=2764

×R2×T c

2

Pc

nRT

• b=R T c

8 Pc



unde :

Tc temperatura critică şi

Pc presiunea critică.

În prezent există relaţii mai exacte.

Ecuaţia (5) este utilă pentru calcule rapide, estimative.

Pentru n moli de gaz, ecuaţia (5) devine:

(P+ an2

V 2 ) ( v−nb )=nRT (Ecua ie ț 6)

a. Ecuaţia Redlich-Kwong A fost propusă iniţial în 1949 de Redlich şi Kwong sub forma:

P= RTv−b

− a

T 0,5V (V +b)¿Ecua ie ț 7)

Unde:

• a=0,4275R2T c

2,5

Pc

• b=0,08664R Tc

Pc

O altă formă a ecuaţiei (7) este:

Z=PVRT= V

V−b−A

bV +b

F ¿Ecua ie 8)ț

Cu coeficienţii:

• A=[3(21/3-1)2]-1=4,934 • b=0,08664R Tc

Pc• F=T r−1,5

b. Ecuaţii de stare cu coeficienţi de virial Leyda a propus o ecuaţie pentru corelarea datelor experimentale P-V-T de forma:

Z=PVRT=1+

B2

V+

B3

V 2+…(Ecuație 8)

sau:

Z=PVRT=1+A2 P+A3 P2+…¿Ecuație 9)

Ecuaţia poartă denumirea de ecuaţia Holborn-Otto, cu coeficienţii de virial. Coeficien ii sunt legaţi prin relaţiile:ț

• B2=RT A2

• B3=R2 T2(A3+A22)



3.2 Punct critic. Mărimi pseudocritice.

Reprezentarea grafică (figura 3.), cu ajutorul unor curbe izoterme a variaţiei presiunii gazului în funcţie de volum, la diferite temperaturi, pentru gaze reale pune în eviden ă o porţiune orizontală a izotermelor unde presiunea rămâne constantă, în timpț ce volumul se micşorează, porţiune care corespunde lichefierii gazului. Punctul din dreapta al fiecărei porţiuni orizontale reprezintă începutul condensării, iar cel din stânga terminarea condensării.

Temperatura critică – reprezintă temperatura pentru care porţiunea orizontală a izotermei se reduce la un punct. La temperaturi superioare temperaturii critice, gazul nu se mai condensează, el rămâne gaz permanent.

Coordonatele punctului critic sunt: • temperatura critică, Tc; • presiunea critică, Pc; • volumul molar critic, Vc.

Punctul critic reprezintă cea mai înaltă temperatură şi presiune la care mai este posibilă coexistenţa în echilibru a fazelor de vapori şi de lichid.

Fig. 3. I –lichid; II –vapori umezi; III –vapori supraîncălziţi; IV –gaz necondensabil; C -punctul critic.

Amestecuri de gaze-mărimi pseudocritice

Există gaze care sunt formate din amestecuri de doi sau mai mulţi componenţi. La acestea, starea critică nu mai coincide cu cea mai înaltă temperatură şi cea mai

înaltă presiune la care cele două faze pot coexista în echilibru. La amestecuri, şi în special la amestecul de hidrocarburi, pe lângă punctul critic

real, se mai ia în consideraţie şi punctul pseudocritic, necesar în corelarea mai exactă a proprietăţilor fizice cu temperatura şi presiunea redusă.

În figura 4. se prezintă punctul critic şi pseudocritic (Tyn M.T.): Punctele a şi b reprezintă punctele critice ale componenţilor care formează

amestecul; • C – punctul pseudocritic;• C– punctul critic real al amestecului şi se găseşte la intersecţia dintre curbele de

presiune de vapori ale amestecului, corespunzătoare la 0% şi la 100% vaporizate



În figura 4, se prezintă punctul critic şi pseudocritic al unui amestec de două hidrocarburi. A şi B reprezintă curbele de presiune de vapori ale hidrocarburilor respective dintr-un amestec, iar curba D, reprezintă presiunea medie molară de vapori a amestecului, iar a şi b reprezintă valorile critice ale hidrocarburilor care formează amestecul.

Pentru calculul mărimilor pseudocritice se folosesc relaţiile:

– Temperatura pseudocritică (Tcm):

T cm=∑i

y iT ci¿Ecua ie ț 10)

– Presiunea pseudocritică (Pcm):

Pcm=R∑i

( y¿¿ i¿Zci)Tcm

∑i

( y¿¿ i¿V ci)¿¿¿¿¿Ecua ie ț 11)

Figura 4

3.3 Compresibilitatea gazelor

Starea ideală a gazelor este reprezentată prin relaţia Clapeyron:

pV=nRT (Ecua ie ț 12)

Factorul care ţine seama de neidealitatea gazelor se numeşte factor de compresibilitate şi exprimă raportul dintre volumul gazului şi volumul calculat din ecuaţia de stare a gazelor ideale:

Z= pVRT¿Ecua ie ț 13)



în care: • V – volumul molar; • T – temperatura absolută; • R – constanta universală a gazelor.

Pentru gazele ideale, Z=1 pentru gazele reale Z<1, exceptând cazurile substanţelor cu valori mari pentru Tr şi Pr. Factorul de compresibilitate se reprezintă adesea ca o funcţie de Tr şi Pr:

Z=f(Tr, Pr)

Pentru această ecuaţie s-au ridicat diagrame de către diferiţi autori, diagrame ce pot servi la determinarea cu uşurinţă a factorului de compresibilitate.

V ir=V

R T c

Pc

(Ecua ie ț 14)

Cunoscând Tc şi Pc (temperatura şi presiunea critică), pentru un fluid, este posibilă estimarea proprietăţilor volumetrice ale fluidului, precum şi variaţia acestora cu temperatura şi presiunea.

În afara ecuaţiei care ia în consideraţie temperatura şi presiunea, se introduce un al treilea parametru, factorul acentric .Valoarea =0 arată sfericitatea gazului ideal. ω ωAtunci când apar deviaţii de la sfericitate, >0. ω

În acest context, rezultă că toate moleculele cu acelaşi factor acentric au aceeaşi funcţie: Z=f(Tr, Pr).

Înlocuind funcţia cu o expresie lineară s-a obţinut ecuaţia :

Z=Z (0)(T r , P r¿+ω z (1 ) (T r , P r )¿Ecuație 15)

În figura 5 se determină factorul de compresibilitate Z, Z(0) reprezentând

valoarea obţinută pentru moleculele sferice, iar Z(1) corecţia care ţine seama de nesfericitate:



Figura 5Notaţii: T, Tc – temperatura, temperatura critică, K; p– presiunea, bar; V– volumul molar, cm3/mol; Vc– volumul critic, cm3/mol; R – constanta universală a gazelor;

– factor acentric; ωZ– factorul de compresibilitate, Pc– presiunea critică, bar

Coeficientul de compresibilitate , se defineşte în relaţia variaţiei volumului, la βtemperatură constantă:

dV=- Vdp (β Ecua ie ț 16)

Semnul minus arată că la o creştere a volumului gazului, are loc o scădere a presiunii acestuia, şi invers. Coeficientul de elasticitate este definit ca inversul lui : β

E=1/ (β Ecua ie ț 17)

Pentru lichide, este foarte mic ( =5,12x10β β -10m2/N), iar pentru gaze, este foarte βmare, gazele fiind fluide compresibile, comportarea lor fiind dată de ecuaţia de stare.

În anumite situaţii, gazele pot fi considerate aproximativ incompresibile, pentru valori ale criteriului Mach, Ma<0,3.

5. Difuzia în gaze şi difuzia liberă la presiuni joase

Difuzia este un fenomen de transport spontan, produs de inegalitatea de concentraţie în masa unui fluid (lichid sau gaz).



În regim staţionar, cantitatea de masă dM care difuzează în timpul dt prin suprafaţa A datorită gradientului de concentraţie dc/dx este:

dM=−DAdcdx

dt ¿Ecua ie ț 18)

În această relaţie, D este coeficientul de difuzie, o mărime ce depinde de natura fluidului şi de condiţiile de stare ale sistemului. Unitatea de măsură a coeficientului de difuzie este (m2/s).

În funcţie de numărul fluidelor existente în sistem, există mai multe forme ale coeficientului de difuzie:

-coeficient de autodifuzie la diluţie infinită (D0BA) a componentului B în A pur; -coeficientul de difuzie (DAA) a componentului A în A pur; -coeficient de difuzie mutuală (DBA) a componentului B într-un

amestec de A şi B, respectiv (D1n) a componentului 1 într-un amestec de n componente. Până în prezent nu au putut fi stabilite corelaţii între DEE şi D0AB sau între DAA şi D0BA . Din punct de vedere al mecanismului, difuzia în gaze poate fi de trei feluri:

difuzie liberă; difuzie Knudsen; difuzie în regim intermediar.

Difuzia liberă are loc prin ciocniri între molecule, în număr mult mai mare decât ciocnirile moleculelor cu peretele vasului care conţine gazul. Acest regim de difuzie corespunde presiunilor uzuale, când drumul liber mijlociu este mult mai mic decât dimensiunile vasului.

Difuzia Knudsen are loc în condiţiile în care drumul liber mijlociu este de acelaşi ordin de mărime cu dimensiunile recipientului (de exemplu: la presiuni foarte scăzute sau la trecerea gazului prin materiale poroase).

Între cele două limite se găseşte regimul de difuzie intermediară. În cele ce urmează se vor discuta numai relaţiile de calcul pentru coeficienţii de difuzie liberă.

Difuzia liberă în gaze la presiuni joase Coeficienţii de autodifuzie ai gazelor la presiune atmosferică pot fi calculaţi cu

ecuaţiile Stiel-Thodos : – pentru Tr ≤1,5:

DAA=4 ,6× 10−7 M 0 , 5 Pc3 ,3

y T c

16

(1 , 391T r−0 ,381)2/3Ecua ie ț 19

– pentru Tr>1,5:

DAA=4 ,6× 10−7 M 0 , 5 Pc3 ,3

y T c

16

T r7 /8

Ecua ie ț 20

în care: • Pc, (bar); • , (kg/mγ 3); • DAA, (m2/s).



Dacă se cunoaşte vâscozitatea gazului la temperatura T, se poate utiliza ecuaţia Chapman-Enskog :

DAA=1 ,32 ×10−4 RTMpAEcua ie ț 21

în care: ηa, (P); DAA,(m2/s).

3.5 Densitatea gazelor pure şi a amestecurilor de gaze

Componenţi puri Densitatea absolută a gazelor şi vaporilor reprezintă masa volumică, considerată în condiţii normale (0ºC şi 760 mm Hg). Cunoscând masa moleculară a gazului:

ρ= M22,41

, kg/N m3 Ecua ie 22ț

Variaţia densităţii cu temperatura şi presiunea pentru gazele ideale se determină din ecuaţia gazelor:

pV= GM

RT Ecua ie 23ț

GV=ρ=Mp

RT Ecua ie 24ț

Ecuaţia se poate aplica pentru gazele ideale şi pentru cele reale, până la valori ale presiunii de p= 3 bari. Pentru gazele reale se introduce şi factorul de compresibilitate Z:

ρ=MP

ZRTEcua ț ie25

Densitatea amestecurilor de gaze

Se foloseşte una din ecuaţiile anterioare, pe baza masei moleculare a amestecului şi coeficientul de compresibilitate pentru amestec:

ρ=M amP

Zm RTEcua ț ie 26

Masa amestecului este:

M am=∑i=1

i=n

M ixi Ecuaț ie 27

M am=∑i=1

i=n

gi

∑i=1

i=n gi

M i

Ecua ț ie28

în care gi – greutăţile diverşilor componenţi din amestec;



Zm=∑i=1

i=n

z ixi Ecua ț ie 29

3.6 Vâscozitatea gazelor În interiorul fluidelor apar eforturi tangenţiale la interfaţa care separă două porţiuni de

fluid, atunci când straturile sale, vecine cu elementul de suprafaţă, au o mişcare relativă de alunecare unul faţă de altul. Vâscozitatea este o funcţie de stare a fluidului şi este definită ca o forţă de forfecare pe unitatea de suprafaţă.

Din masa unui fluid se delimitează un paralelipiped ale cărui feţe paralele A şi A’ sunt situate la distanţa y, având aria A (figura 6). Acest paralelipiped se deformează sub Δacţiunea unei forţe F, forţă tangenţială, astfel încât faţa A se deformează cu o viteză W mai Δmare decât viteza cu care se deplasează faţa A’:

F=A∆ W∆ y

Ecua ț ie 30

Fig.6

¿ ∆ W∆ y

Ecua ț ie 31

unde este factor de proporţionalitate sau coeficient de vâscozitate dinamică. Această ηrelaţie exprimă legea lui Newton de proporţionalitate între efortul unitar tangenţial şi gradientul de viteză:

||=|σy|= tensiune∗lungime

vitez ă=|M||¿| Ecua ț ie32

Unitatea de viscozitate, în sistemul internaţional, este 1kg/m·s=N·s/m2; se mai utilizează şi 1g/cm·s=1P=102cP=103mP=106 P (1P-1 Poise). μ

Fluiditatea este inversul vâscozităţii dinamice : Ф η

¿ 1 Ecua ț ie 33

Coeficientul de vâscozitate cinematică se defineşte prin relaţia:

¿ρ

Ecua ț ie 34

Când un gaz este supus la o forţă de forfecare astfel încât apare o mişcare în masă, moleculele au în orice punct vectorul vitezei întregii mase adăugat la vectorul întâmplător de viteză. Deşi teoria proprietăţilor de transport în gaze este relativ simplă, totuşi este destul de complicat de stabilit o ecuaţie care să poată fi utilizată direct de calculul vâscozităţii. Dacă gazul este tratat într-un mod mai simplu, este posibil a se stabili relaţiile generale între vâscozitate, temperatură, presiune şi forma moleculelor. Pentru calcule mai riguroase este necesar să se aplice anumiţi factori de corecţie. Se presupune un model



elementar, la care nu se iau în consideraţie interacţiunile moleculare, moleculele fiind de forma unor sfere rigide cu diametrul , masa „m” şi mişcându-se întâmplător cu viteza v. Înσ interiorul gazului există o similitudine între cele trei forme de transport, difuzie (D), vâscozitate ( ) şi conductivitate termică ( ) η λ

Fluxul demas ă=−Dmd ni

dz=−L

3∙

d ρi

dzEcuaț ie35

Fluxul de frecare internă=−d v y

dz=−L

3∙mn

d v y

dzEcuaț ie36

Fluxul deenergie=−dTdz=−L

3∙ Cn

dTdz

Ecua ț ie 37

Aceste ecuaţii definesc coeficienţii de transport D, , ; n esteη λ numărul de molecule. Dacă viteza este proporţională cu (R·T/M)1/2 şi drumul liber mediu cu (nσ2)-1, expresia coeficientului de vâscozitate dinamică va fi:

¿mρ L

3=(const .)∙

T12 M

12

σ2 Ecua ț ie 38

Unde: M este greutatea moleculară g/mol; T – temperatura, K; – diametrul sferei rigide.σ Această relaţie arată dependenţa coeficientului de transport de

temperatură, masă şi diametrul moleculei. Relaţii similare se scriu şi pentru difuzia şi conductivitatea termică. Pentru vâscozitate, valoarea constantei este de 26,69:

¿26,69 ∙T

12 M

12

σ2 Ecuaț ie39

În realitate, între molecule există forţe de interacţiune care trebuie luate în consideraţie. Aceasta se face pe baza cunoscutei teorii Chapman-Enskog, introducând potenţialul de energie (r). ψ

Luând în consideraţie forţele de interacţiune, relaţia anterioară devine:

¿26,69 ∙TM

12

σ2 Ecua ț ie 39

în care Ων este integrala de ciocniri moleculare.

3.7 Căldura specifică a gazelor reale şi ideale

Variaţia căldurii sensibile implică o variaţie de temperatură a sistemului fără schimbarea stării de agregare. Pentru intervale mici de temperatură căldura este proporţională cu temperatura, conform ecuaţiei calorimetrice:

dQ = cMdt (Ecua ia40)ț

în care: - M este cantitatea de materie (în kg sau moli); -c este un factor de proporţionalitate, caracteristic fiecărei substanţe, numit „căldură

specifică” (dacă M este dat în kilograme) sau „căldură molară” (dacă M este dat în moli).



Pentru a determina căldura cedată sau absorbită de un corp în intervalul de temperatură [t1, t2], trebuie să se integreze ecuaţia anterioară:

Q=∮t 1

t 2

cMdt (Ecuaț ie 41)

Căldurile specifice şi molare sunt funcţii neliniare de temperatură, astfel că, în calculele practice este preferabil să se înlocuiască integrala (1.44) cu o relaţie mai simplă:

Q=|cm|t1

t2 M (t 2−t1)Ecua ț ie 42

În care |cm|t1

t2 este căldura specifică medie în intervalul [t1,t2]. Ecuaţia sa de definiţie, dedusă din relaţiile () şi () este:

|cm|t1

t2=∫t 1

t 2

cdt

(t 2−t 1)Ecua ț ie 43

Integrala se poate rezolva cunoscând funcţia după care căldura specifică variază cu temperatura.

Căldura specifică a gazelor ideale Energia calorică Q, necesară încălzirii unui gaz este egală cu creşterea energiei

interne U, plus lucrul mecanic executat de sistem pentru creşterea volumului V, la presiunea p a sistemului, adică:

dQ=dU+pdV (1.44)

Când variaţia de volum este nulă, de exemplu atunci când încălzirea se face la volum constant, într-un vas închis, căldura specifică, numită în acest caz, „căldura specifică la volum constant” este:

c0=( dQ

dt )=dUdt

Ecuaț ie 45

Dacă încălzirea se face la presiune constantă, în calcule se va utiliza „căldura specifică la presiune constantă”:

c p0=( dQ

dt )p=dUdt+ p

ddt=[ d (U+pV )

dt ]p

Ecuaț ie 46

şi notând cu U+pv=H entalpia gazului, rezultă că:

c p0=( dH

dt )p Ecua ț ie 47

O mărime importantă în diverse calcule termodinamice este raportul:



¿c p

0

c0 1Ecua ț ie 48

Din ecuaţia gazelor ideale pV=RT se deduce prin diferenţiere, la presiune constantă că:

pdV=RdT (Ecua ie 49)ț

de unde, împreună cu ecuaţiile anterioare rezultă că:

c p0−c

0=pdVdt=R Ecua ț ie 49

Pe baza teoriei cinetice a gazelor ideale s-au calculat căldurile specifice şi raportul lor , γcorelaţia între c p

0 şi c

0 fiind dată în tabelul următor:

c p0 c

0 γ

cal/molºC J/molºC cal/molºC J/molºC Gaze monoatomice 5 /2 R ≈ 5 20,9 3/ 2 R ≈ 3 12,5 5/3 ≈ 1,6ξGaze biatomice 7 /2 R ≈ 7 29,3 5 /2 R ≈ 5 20,9 7/5 ≈ 1,4ξGaze triatomice 8/ 2 R ≈ 8 33,5 6/ 2 R ≈6 25,2 8/6 ≈1,33ξ

Tabelul 1

În calculele tehnice, pentru vaporii substanţelor organice care au o temperatură suficient de ridicatăşi p<4 bar, se poate utiliza căldura specifică

pentru starea de gaz ideal c p0 fără a se introduce erori substanţiale.

Căldura specifică a gazelor reale

Capitolul a prezentat metodele de determinare a căldurii specifice pentru gaze pure în stare de gaz ideal. Căldura specifică a gazelor pure reale se poate exprima în funcţie de căldura specifică a gazului în stare ideală cu relaţia:

c p=cp0+∆ c p Ecua ț ie 50

unde: Δcp – este căldura specifică reziduală;

c p0

– căldura specifică a gazului în stare ideală. Căldura specifică reziduală se poate exprima pentru un gaz de compoziţie cunoscută, la presiune constantă astfel:

∆ cp=T∫0

(2 PT2 )dV−

T (PT )2

V

( PV )T

−R

Ecua ț ie 51

sauc p−cp

0=(∆ cp )(0 )+(∆ c p )

(1 ) Ecua ț ie 52

3.8 Conductivitatea termică şi entropia



Conductivitatea termică exprimă fluxul de căldură într-un mediu omogen, raportat la unitatea de timp şi de suprafaţă perpendiculară pe direcţia de flux, precum şi la gradientul de temperatură. Conductivitatea termică este dată de relaţia:

qx=dtdx

Ecua ț ie 53

unde: qx este fluxul de căldură pe direcţia x; t – temperatura; x – distanţa. Conductivitatea

termică este o constantă fizică specifică naturii şi stării de agregare a fiecărei substanţe. Unităţile consacrate sunt: kcal/m·h·K, W/m·K 6

În funcţie de valorile conductivităţii termice, substanţele se pot clasifica în: materiale izolante: =0,023÷0,12W/m·K=0,02÷0,1 kcal/m·h·grd λ materiale de construcţie: =0,58÷3,5W/m·K=0,5÷3,0 kcal/m·h·grd λ metale: =8,72÷458W/m·K=7,5÷394 kcal/m·h·grd. λConductivitatea termică prezintă importanţă în studiul fenomenelor de transmisie a

căldurii. Conductivitatea termică se poate determina experimental prin metode bazate pe măsurarea efectului termic. În lipsa datelor experimentale, se pot folosi unele relaţii de calcul stabilite pe baze teoretice şi prin metode statistice.

Conductivitatea termică a gazelor ideale Conductivitatea termică a gazelor ideale poate fi determinată cu o relaţie de forma:

¿Lcn

3=constant ă ∙

T12

M122

Ecua ț ie 54

unde: v – viteza medie a moleculei de gaz; L – distanţa liberă medie între 2 molecule; cv – capacitatea calorică la volum constant; n – numărul de atomi din moleculă. Această ecuaţie nu este satisfăcătoare deoarece nu ţine seama de întreaga energie înmagazinată în moleculă. Pentru gaze monoatomice, care nu au libertate de vibraţie sau rotaţie, s-a ajuns la următoarea relaţie:

¿2,63 ∙10−23 ∙(T /M)

12

2∙

Ecuaț ie55

unde: M este masa moleculară, kg/mol;

Ω – o integrală de coliziune, adimensională.

Pentru gaze monoatomice Ω=1, moleculele acestora fiind considerate

sfere rigide. În urma studiului energiilor moleculare s-a ajuns la concluzia că pentru gazele monoatomice numărul Prandtl se poate exprima sub forma:

6 Transformările uzuale sunt:

W/m·K·0,5778=Btu/h·ft·ºF W/m·K·0,86=kcal/m·h·K

W/m·K·2,388·10-3

=cal/cm·s·K Btu/h·ft·

ºF·1,731=W/m·K Kcal/m·h·K·1,163=W/m·K

cal/cm·s·K·418,7=W/m·K



N Pr=CP

∙ M=2,5

Ecua ț ie 56

unde: =Cγ P/Cv. Pentru gaze monoatomice are de obicei valoarea 5/3 iar γ NPr≈2/3, valoare foarte apropiată de cea determinată experimental. Aceste considerente au condus la o relaţie mai simplă pentru determinarea conductivităţii termice pentru gaze monoatomice:

∙ M

C=2,5 Ecuaț ie57

Relaţia este cunoscută sub denumirea de Factor Eucken. Această relaţie nu este aplicabilă la gaze poliatomice în care forţele de interacţiune moleculară sunt complexe. Luând în considerare energiile de translaţie precum şi energia internă a moleculei, pentru gazele poliatomice se poate utiliza relaţia:

∙ M

C=1,32+

1,77C

R

=1,32+1,77

CP

R−1

Ecua ț ie 58

O altă mărime des folosită este entropia.

Expresia dS = (1/T)dQ , adică raportul dintre cantitatea de căldură schimbată

într-o transformare infinitezimalăşi temperatura la care decurge schimbul, defineşte funcţia de stare, numită entropia S. Astfel, variaţia finită de entropie între două stări 1→2 este:

S2−S1=∆ S=∮1

2dQT

Ecua ț ie 59

Entropia unui sistem la echilibru este egală cu suma entropiilor părţilor componente. În sisteme izolate, entropia creşte în toate procesele naturale (ireversibile). În cazul proceselor izoterme-izobare reversibile, de tipul tranziţie de fază (vaporizare, condensare, topire) variaţia entropiei este:

S2−S1=∆ S= ∆ HT

Ecuaț ie59

În cazul proceselor izobare reversibile (încălzire, răcire, etc.) în care dQ=CPdT, variaţia entropiei este:

S2−S1=∆ S=∮1

2 CP dT

TEcua ț ie 60

Dacă se cunoaşte o relaţie polinominală pentru CP de tipul:

CP= a + bT + cT 2 + ..... (Ecua ț ie 61)

se obţine variaţia entropiei sub forma:



∆ S=alnT 2

T 1

+b (T 2−T 1 )+c2(T 2

2−T12)+…Ecuaț ie61

Entropia standard a substanţelor complexe

Entropia standard (ST0

) reprezintă entropia elementelor sau a substanţelor

complexe considerate în stare de gaz ideal la 1 atmosferăşi temperatura T. Dacă se cunoaşte S0 la o temperatură T1, atunci se poate calcula S0 la altă temperatură T2 cu relaţia:

ST 2

0 =ST1

0 +∮T 1

T 2 CP

TdT Ecuaț ie 62

3.9. Puterea calorifică inferioarăşi superioară

Cantitatea de căldură eliberată la arderea unei unităţi de volum (greutate) de combustibil se

numeşte putere calorifică. Puterea calorifică se măsoară în: [kcal/mol]; [kcal/kg]; [J/kg]; [J/m3];

[kcal/m2] Puterea calorifică se determină experimental prin metode calorimetrice (cu bomba calorimetrică). Atunci când puterea calorifică nu poate fi determinată experimental, se poate estima prin metode de calcul. Puterea calorifică superioară (Qs) la presiune constantă reprezintă căldura dezvoltată prin arderea unei unităţi de masă (volum) de gaz aflat la aceeaşi temperaturăşi presiune cu aerul de combustie şi gazele de ardere – apa conţinută în gaz şi cea rezultată prin ardere fiind în stare lichidă. Puterea calorică inferioară (Qi) la presiune constantă reprezintă căldura dezvoltată prin arderea unei unităţi de masă (volum) de gaz aflat la aceeaşi temperaturăşi presiune cu aerul de combustie şi gazele de ardere, apa conţinută în gaz şi cea rezultată prin ardere fiind în stare de vapori.

Pentru estimarea puterii calorice a combustibililor gazoşi se folosesc relaţii empirice în funcţie de masa moleculară :

Qs=(0,5M+1,57)·103, kcal/m3 gaz la 0ºC (Ecua ț ie63)

Qi=(0,47M+1,03)·103, kcal/m3 gaz la 0ºC (Ecua ț ie 64)

Pentru hidrocarburi olefinice, puterea calorifică superioarăşi inferioară este:

Qs=(0,496+1,1)·10-3, kcal/m3gaz la 0ºC (Ecua ț ie 65)

Qi=(0,463M+1,04)·10-3, kcal/m3gaz la 0ºC sau: Qi=Qs-(6a+54H) (Ecua ț ie 66)

M–masa moleculară a combustibilului gazos; a–conţinutul de apă în gaz, %; H–conţinutul de hidrogen în gaz.

3.10. Limitele de explozie ale gazelor şi ale amestecurilor



Limitele de explozie inferioarăşi superioară delimitează domeniul în care se produce explozia unui gaz inflamabil, aflat în amestec cu aerul, la apariţia unei scântei. Se exprimă în procente volum de gaz inflamabil în amestec cu aerul. Limitele de explozie prezintă o importanţă deosebită în industria chimicăşi petrochimică; cunoscând limitele de explozie pentru un anumit gaz, pot fi stabilite măsurile ce se impun pentru operarea instalaţiilor în siguranţă.

Limitele de explozie ale componenţilor Limitele de explozie în oxigen şi în aer, la temperaturăşi presiune normală pot fi calculate în funcţie de numărul de atomi de oxigen necesari pentru arderea unei molecule de combustibil. Limita inferioară de explozie:

Li=1

A−1100 Ecua ț ie 67

pentru gaze sau vapori în oxigen, şi

Li=1∙ 100

4,85(A−1)Ecua ț ie 68

pentru gaze sau vapori în aer. Limita superioară de explozie:

– pentru gaze sau vapori în oxigen:

Ls=4 ∙100

AEcua ț ie69

– pentru gaze sau vapori în aer:

Ls=4 ∙1004,85 A

Ecua ț ie70

unde: A este numărul de atomi de oxigen necesari arderii unei molecule de combustibil (la dioxid de carbon şi apă).

Limitele de explozie ale amestecurilor Limita inferioară de explozie pentru un amestec se poate determina în funcţie de compoziţia molară a amestecului, cu relaţia:

Liam= 1

∑i=1

n yi

Lii

Ecua ț ie71

în care: yi este fracţia molară a componentului i din amestec. Limitele de explozie variază cu presiunea, intervalul în care poate avea loc explozia crescând odată cu creşterea presiunii. Limitele de explozie sunt modificate şi de prezenţa în amestec a unor gaze inerte (azot, bioxid de carbon) şi anume ambele limite sunt mărite concomitent cu reducerea domeniului în care se poate produce explozia. Acest lucru se datorează scăderii concentraţiei de oxigen din amestec. La concentraţii crescute de gaz inert şi anume, la un raport mare de gaz inert faţă de gazul inflamabil explozia nu se mai produce.

3.11. Temperatura de inflamabilitate



Substanţele organice, pure sau amestecurile lor, pot degaja prin evaporare, la temperaturi inferioare punctului normal de fierbere, vapori care, împreună cu aerul înconjurător, formează, în anumite condiţii, amestecuri explozive.

Temperatura la care o substanţă poate degaja suficienţi vapori astfel ca, în amestec cu aer şi în prezenţa unei flăcări, să facă explozie se numeşte „temperatura de inflamabilitate” a substanţei respective.

Determinarea experimentală a temperaturii de inflamabilitate se efectuează cu aparatura şi în condiţiile precizate de STAS 32-80 „Determinarea punctului de inflamabilitate în vas închis Abel-Pensky”.

În lipsa datelor experimentale, temperatura de inflamabilitate a unei substanţe pure, pentru care se cunoaşte curba presiunii de vapori, se poate calcula cu relaţia :

M ∙ Pi =785,3 torr Ecuaț ie72

în care M este greutatea moleculară a substanţei,

Pi - presiunea de vapori

vcorespunzătoare temperaturii de inflamabilitate, (torr).

Faptul că, în general, valoarea calculată cu relaţia anterioară este ceva mai mică decât cea experimentală, asigură o marjă de siguranţă în proiectare. Pentru amestecuri cu compoziţia cunoscută se recomandă relaţia:

∑i

M i ∙ x i ∙ Pii=785,3 torr Ecuaț ie73

în care: xi este fracţia molară a componentului i în amestec.

Determinarea temperaturii de inflamabilitate se face prin încercări succesive, astfel: se presupune o temperatură ti, din curbele de presiune de

vapori ale componenţilor amestecului se citesc Pvii

la temperatura ti; valorile Mi, xi şi Pvii

se

introduc în relaţia anterioară.

Dacă suma obţinută este diferită de 785,3 torr, se presupune altă temperatură ti şi se reia calculul. Pentru hidrocarburi (pure sau fracţii) se pot obţine rezultate bune cu relaţia următoare: i −3 ⋅

1/Ti =−0,024209 + 2,84947 /Tf + 3,4254 ⋅10-3 lnTf (Ecua ț ie 74)

în care: Ti este temperatura de inflamabilitate, K, iar Tf – temperatura normală de fierbere.

3.12. Proprietăţile principale ale gazelor naturale combustibile

Proprietăţile fizice principale ale gazelor naturale combustibile, de care trebuie să se ţină seama la proiectarea, execuţia, exploatarea şi întreţinerea acestor instalaţii, sunt următoarele: presiunea, temperatura, densitatea, vâscozitatea şi puterea calorifică.



3.3.1. Stări de referinţă pentru gazele combustibile naturale Parametrii de stare ai gazelor naturale combustibile se exprimă la o anumită stare de

referinţă, care poate fi: starea normală fizică, starea normală tehnicăşi starea de referinţă standard.

Starea normală fizică, notată cu indicele N, are următoarele caracteristici: temperatura normală fizică, tN = 0°C (sau TN = 273,15 K ); presiunea normală fizică, pN = 101325 N/m2 = 1,01325 bar.

Starea normală tehnică, notată cu indicele n, este caracterizată prin: temperatura normală tehnică, tn = 20°C(sau Tn = 293,15K); presiunea normală tehnică, pn = 98066 N/m2 = 0,98066 bar.

Pentru instalaţiile de gaze combustibile naturale, se consideră că temperatura de 15°C este aproape egală cu media temperaturilor anuale la care gazele trec prin contoare şi de aceea se foloseşte starea de referinţă standard, notată cu indicele s, definită prin:

temperatura standard, ts = 15°C (sau Ts = 288,15 K ); presiunea standard egală cu presiunea normală fizică, ps = pN .

3.3.2. Treptele de presiuni în instalaţiile de gaze combustibile naturale

Presiunea gazelor combustibile naturale în zăcămintele subterane este variabilă, astfel că, după captare şi tratare sunt comprimate cu compresoare de gaze în sistemul de transport şi distribuţie.

Datorită necesităţilor de transport şi de utilizare, presiunea gazelor în diverse părţi ale reţelelor are valori diferite, numite trepte de presiuni.

Prin treaptă de presiune se înţelege intervalul cuprins între limitele maximăşi respectiv minimă, a presiunilor admise în reţelele şi instalaţiile de utilizare a gazelor combustibile naturale.

Treptele de presiuni utilizate sunt: presiune înaltă, peste 6 bari; presiune medie,

între 6 şi 2,00 bari, pentru conducte de oţel; între 4 şi 2 bar, pentru conducte din polietilenă;

presiune redusă, între 2 şi 0,05 bari; presiune joasă, sub 0,05 bari.

Valorile treptelor de presiuni au fost stabilite avându-se în vedere: siguranţa în funcţionare a sistemului de alimentare cu gaze, caracteristicile funcţionale ale regulatoarelor de presiune, debitmetrelor (contoarelor) şi aparatelor de reglaj şi automatizare; presiunile de utilizare a arzătoarelor şi a altor aparate care funcţionează cu gaze combustibile naturale.

Treptele de presiuni delimitează diferite părţi componente ale unui sistem de alimentare cu gaze combustibile naturale.

3.3.3. Densitatea gazelor combustibile naturale

Densitatea (masa volumică) reprezintă masa unităţii de volum de gaz omogen,ρ în condiţii determinate de temperaturăşi presiune şi se exprimă prin relaţia:



ρ=m[kg /m3]Ecua ț ie 75

Pentru domeniile uzuale de presiuni şi temperaturi de utilizare, gazele naturale combustibile se supun legilor gazelor perfecte. În aceste condiţii şi ţinând seama că densităţile gazelor sunt date în tabele la starea normală fizică, determinarea densităţii ρ a gazului la o stare oarecare (p,T), se face cunoscând densitatea ρN la starea normală, se face cu ajutorul relaţiei:

ρ=ρn

T N

pN

∙pT[kg /m3]Ecua ț ie 75

În tabelul următor sunt date valorile densităţii gazului metan pentru câteva temperaturi, la presiune normală:

T[K] 273,15 283,15 288,15 293,15 313,15 323,15 333,15 373,15[kg/ρ

m2]0,716 0,691 0,679 0,667 0,624 0,605 0,587 0,524

Tabelul 2

În practica de dimensionare a conductelor de gaze combustibile naturale se foloseşte mărimea numită densitatea relativă δ a gazului în raport cu aerul, definită ca raportul între densitatea a unui anumit volum de gaz şi densitatea aceluiaşi volum deρ aer a, în aceleaşi condiţii de temperaturăşi presiune: ρ

δ= ρρa

Ecua ț ie 76

gazul şi aerul fiind considerate gaze ideale. Densitatea relativă a unui gaz este o mărime adimensională. La starea de referinţă normală fizică, densitatea aerului este

ρa N=1,293kg

m3 astfel că, densitatea gazului va fi ρN=1,293kg

m3 . ρδ

3.5. Vâscozitatea gazelor combustibile naturale

Vâscozitatea gazului intervine când abaterile gazului real de la modelul de calcul al gazului ideal sunt importante.

În calcule se utilizează coeficientul cinematic de vâscozitate [mυ 2/s] definit ca raportul dintre coeficientul dinamic de vâscozitate şi densitatea a gazului: μ ρ

¿ρ

Ecua ț ie77

Vâscozitatea gazului variază cu temperatura şi presiunea:

= ν f (p,T ) (Ecua ț ie 78)

3.3.5. Calitatea gazelor naturale

Se efectuează determinări de laborator pentru stabilirea următoarelor elemente: compoziţia chimică, puterea calorifică inferioarăşi superioară, determinarea hidrogenului sulfurat, a sulfului mercaptanic şi implicit a sulfului total, punctul de rouă, astfel:

a) Compoziţia chimică a gazelor naturale, respectiv densitatea relativă se determină cu ajutorul gaz-cromatografului de laborator şi/sau cu gaz-cromatograful de linie, conform



legislaţiei în vigoare. b) Puterea calorifică inferioarăşi superioară a gazelor naturale livrate se

calculează pe baza compoziţiei chimice determinate cu ajutorul cromatografului de laborator la condiţiile metrului cub, în conformitate cu prescripţiile standardului ISO 6976.

Buletinele de analiză vor fi transmise Serviciului Calitate Gaze a STGN. Gazele etalon utilizate la calibrarea gaz-cromatografelor se vor livra în recipiente însoţite de certificate de calitate.

c) Determinarea hidrogenului sulfurat, a sulfului mercaptanic şi implicit a sulfului total se face tot cu ajutorul gaz-cromatografelor de laborator.

Determinarea conţinutului de mercaptan în gazele naturale se poate efectua şi cu ajutorul analizoarelor cu senzori specifici.

d) Punctul de rouă se determină cu ajutorul unor aparate specializate (analizoare) cu senzor specific. Determinările vor fi efectuate lunar sau trimestrial în prezenţa şi cu acordul părţilor, iar la punctele cu probleme, ori de câte ori este nevoie. Cererile pentru determinări suplimentare se întocmesc în scris, cu justificarea solicitării.

Determinările vor fi efectuate la condiţiile de presiune şi temperatură din punctul de predare/preluare comercială. Furnizorul va asigura un punct de rouă al apei de cel puţin –5°C, la presiunea de livrare, urmând ca într-o perioada de 24 luni, la punctele de predare/preluare comercială unde această condiţie nu este îndeplinită, să-şi monteze echipamente de uscare a gazelor naturale care să asigure –15 °C la presiunea din punctul de predare/preluare comercială.

Calitatea unui gaz natural este definită prin compoziţia sa şi prin următoarele proprietăţi fizice: componente principale: putere calorifică, indice Wobbe; componente minore: densitate, factor de compresibilitate; urme de constituenţi: densitate relativă, punct de rouă (preluat din SR ISO 13686,

pct. 3.6). Pentru analiza gazului se prelevează probe, operaţiunea trebuind efectuată în

conformitate cu SR ISO 10715 – Gaz natural – Prelevare de probe, iar punctele de prelevare vor fi cele amplasate pe sistemul de măsurare. În cazul în care prelevarea probelor se face în scopul soluţionării divergenţelor, atunci aceasta trebuie să fie efectuată în prezenţa reprezentanţilor părţilor.

5. Arderea gazelor naturale combustibile

5.1 Generalităţi Procesul de ardere este o oxidare intensă a substanţelor combustibile, însoţită de

degajare de căldurăşi emisie de lumină. Elementele care participă la procesul arderii se numesc reactanţi iar cele care rezultă sunt produşii arderii în care constituenţii principali sunt gazele de ardere. Elementele chimice care prin ardere dezvoltă căldurăşi emit lumină sunt carbonul, hidrogenul şi sulful. Emisia de lumină, într-un proces de ardere, se realizează frecvent prin flacără. După valorile vitezei de propagare v a frontului de ardere se disting trei procese de ardere: deflagraţia, v < 30 m/s; detonaţia 30 < v < 200 m/s; explozia, v > 200 m/s. În mod uzual, în instalaţiile de ardere a gazelor combustibile naturale se utilizează deflagraţia. Arderea unui combustibil se produce în două stadii: aprinderea şi arderea propriu-zisă.

Procesul de aprindere se caracterizează printr-o perioadă iniţială, când prin reacţia de oxidare lentă se acumulează energie termică însoţită de ridicarea temperaturii. În această



perioadă, combustibilul şi oxigenul trebuie să fie aduşi într-o stare de agitaţie moleculară care să asigure contactul între moleculele lor şi, în felul acesta, posibilitatea reacţiilor necesare arderii. Când se ajunge la un anumit nivel de temperatură, reacţia se accelerează brusc şi se transformă în ardere propriu-zisă. Pentru ca arderea să poată continua, cantitatea de căldură degajată trebuie să fie suficientă pentru a aduce în stare de reacţie o cantitate, cel puţin egală, de amestec din imediata vecinătate.

Arderea este un fenomen exotermic de oxidare care se caracterizează prin necesitatea unui aport termic din exterior în faza iniţialăşi care se desfăşoară, în continuare, în condiţii naturale, fără aport termic din exterior.

În consecinţă, rezultă că arderea se va produce atunci când temperatura va atinge un anumit punct, numit punct de aprindere, amestecul gaz combustibil – oxigen va fi între anumite limite, iar viteza de ardere va avea o anumită valoare.

5.2. Temperatura de aprindere Temperatura până la care trebuie încălzit un gaz combustibil pentru a se aprinde se

numeşte temperatură de aprindere. Ea este o caracteristică specifică fiecărui gaz. În general, temperatura de aprindere este mai coborâtă la arderea în oxigen pur

(uscat), decât la arderea în aer sau oxigen umed. Azotul, umiditatea, gazele inerte, impurităţile din gazul combustibil împiedică contactul dintre moleculele gazului şi moleculele de oxigen şi temperatura de aprindere este necesar să fie mai mare decât în oxigen pur (tabelul 1.3).

Temperaturile de aprindere ale câtorva gaze combustibile

Gazul combustibil În aer atmosferic În oxigen uscat Denumirea Simbolul [K] 0C [K] 0CHidrogen Oxid de carbon Gaz metan Acetilenă Etilenă Etan Propan Butan

H2 CO CH4 C2H2 C2H4 C2H6 C3H8 C4H10

843 883 923 608 813 793 753 733

570 610 650 335 540 520 480 460

833 863 808 568 758 -743 553

560 590 535 295 485 -470 280

Tabelul 3

În mod practic, aducerea gazului la temperatura de aprindere se realizează printr-o scânteie sau cu o flacără, astfel încât în punctul unde atinge masa amestecului gaz-oxigen, îl încălzeşte până la această temperatură.

5.3.Limite de amestec

Dacă volumul mic de gaz aprins iniţial nu poate degaja o cantitate suficientă de căldură încât să aducă în starea de ardere gazul din imediata lui vecinătate, arderea nu poate avea loc. Aceasta se poate întâmpla fie din cauză că este prea puţin gaz în amestecul gaz-oxigen, fie că este prea mult gaz şi prea puţin oxigen.

Proporţia minimă de gaz, în procente de volum, în amestecul gaz combustibil-aer pentru care arderea poate avea loc se numeşte limită inferioară de amestec, iar proporţia maximă de gaz, limită superioară de amestec.

Limita de amestec pentru arderea câtorva gaze combustibile, la temperatura şi presiunea normală (în % volum), sunt prezentate în tabelul următor:



În afara

limitelor de amestec, arderea nu poate avea loc, chiar dacă sa făcut aprinderea cu aport de căldură din afara sistemului.

5.4. Viteza de ardere În procesul arderii există o perioadă iniţială, numită perioadă de iniţiere, în care

reacţia dintre gaz şi oxigen are loc lent, cu o viteză mică, pentru ca apoi la atingerea temperaturii de aprindere viteza să crească brusc, reacţia să devină intensă. Această reacţie violentă face ca în punctele iniţiale unde s-a aprins amestecul să aibă loc o degajare violentă de căldură ,care va aduce în stare de ardere volumele de gaz învecinat, făcând ca arderea să se propage în tot volumul.

Deci, propagarea flăcării în amestecul de gaz combustibil-aer are loc ca rezultat al propagării căldurii prin conducţie de la produse calde de ardere la amestecul învecinat. O asemenea ardere este normală.

Viteza cu care un volum mic de gaz aduce în stare de ardere amestecul din vecinătatea lui poartă denumirea de viteză de propagare a arderii sau viteză de ardere.

Viteza de ardere depinde de compoziţia gazului, concentraţia lui în amestec, de temperatură, presiune, conductibilitatea termică a amestecului, precum şi de căldura specifică medie.

Viteza maximă de ardere se stinge atunci când, după ardere, în gazele arse nu mai rămâne nici gaz combustibil nici oxigen.

Vitezele maxime de ardere în aer pentru câteva gaze combustibile (la 0,098 MN/m2 şi 293 K) sunt prezentate în tabelul 1.5.

Gazul combustibil Viteza maximă de ardere [cm/s]

Concentraţia de gaz pentru obţinerea vitezei maxime [% volum]

Denumirea Simbolul

Hidrogen Oxid de carbon Gaz metan Acetilenă Etilenă Etan Propan Butan

H2 CO

CH4 C2H2 C2H4 C2H6 C3H8

C4H10

267 41,5 37

131 63 45 41 37

42 43 10

10,2 7

6,3 4,2 3,3

Tabelul 5

Pentru amestecuri de gaze combustibile, ca viteză de ardere, se consideră media vitezelor de ardere ale componentelor.


Gazul combustibil Limita în aer Limita în oxigen Denumirea Simbolul Inferioară Superioară Inferioară Superioară Hidrogen Oxid de carbon Gaz metan Acetilenă Etilenă Etan Propan Butan

H2 CO CH4 C2H2 C2H4 C2H6 C3H8 C4H10

4,0 12,5 5,1 2,3 3,0 3,0 2,1 1,7

74,2 74,0 15,0 81,0 33,5 14,0 9,3 8,4

4,0 15,5 5,0 2,8 3,0 3,9 2,2 1,8

94,0 94,0 65,0 93,0 80,0 50,5 45,0 40,0

Tabelul 4


5.5. Autoaprinderea şi explozia

Amestecul de gaz combustibil se poate autoaprinde, fără vreo intervenţie din exterior, prin simpla încălzire până la o anumită temperatură. Temperatura la care amestecul se autoaprinde se numeşte temperatură de autoaprindere.

Temperaturile de autoaprindere şi limitele de explozie pentru câteva gaze combustibile sunt prezentate în tabelul următor:

Gazul combustibil Temperatura de autoaprindere

Limita de explozie [% volum în aer]

Denumirea Simbolul [K] [°C] Inferioară Superioară Hidrogen Oxid de carbon Gaz metan Acetilenă Etilenă Etan Propan Butan

H2

CO CH4

C2H2

C2H4

C2H6

C3H8

C4H10

843 878 923 578 723 743 719 703

570 605 650 305 450 470 446 430

4,15 12,80 5,00 2,40 3,10 3,00 1,50 1,60

75,00 75,00 16,00 82,00 32,00 15,00 9,50 8,50

Tabelul 6

5.6. Arderea completă, arderea incompletă

Se numeşte completă, arderea în care toate elementele combustibile, precum şi compuşii lor care ard s-au oxidat complet, conform ecuaţiilor teoretice de ardere. Când gazele arse sunt considerate la temperatura de referinţă (273 sau 288 K), vaporii de apă sunt condensaţi, volumul lor este neglijabil, comparativ cu cel ocupat în stare de gaz. În acest caz, gazele de ardere sunt considerate ca fiind compuse numai din CO2 şi N2 .

În practică, se ajunge foarte rar la o ardere completă. În funcţie de condiţiile de presiune, temperaturăşi conţinutul amestecului, o parte din compuşi rămân în stadii intermediare, rezultând compuşi care ar mai putea arde. O asemenea ardere este denumită incompletă, fiind caracterizată în special prin apariţia oxidului de carbon (CO) în gazele de ardere. Combinarea dintre gazele combustibile şi oxigen fiind foarte violentă, în gazele de ardere nu se găseşte gaz combustibil complet nears, chiar dacă condiţiile de ardere nu sunt complet îndeplinite.

Fiind evacuate incomplet oxidate, o parte din componentele combustibile ale gazului nu sunt complet valorificate, eliminându-se odată cu ele cantitatea de căldură nedezvoltată.

Principalele cauze care duc la arderea incompletă sunt: aer insuficient sau repartizat neuniform; nerealizarea condiţiilor de ardere pentru o parte din componenţiicombustibilului; impurităţi ale gazului combustibil sau ale aerului; construcţia necorespunzătoare a arzătoarelor; neglijenţe în reglarea, urmărirea şi controlul arderii.

3.5. Proprietăţi ale gazelor petroliere lichefiate-GPL

Prin gaze petroliere lichefiate, prescurtat GPL, se înţeleg acele produse petroliere care sunt constituite din amestecuri variabile de hidrocarburi gazoase (etan, metan, butan) şi care în condiţii ambiante, sunt în stare de vapori, dar pot fi uşor lichefiate. În România, prin gaz petrolier lichefiat – notat prescurtat GPL şi comercializat sub denumirea de ARAGAZ – se înţelege produsul petrolier constituit din amestec de butan (minim 90%) şi propan (maxim



9%). Denumirea de ARAGAZ este o denumire comercialăşi provine din prescurtarea

numelui Astra Română Gaz, a gazului petrolier lichefiat (GPL) cu caracteristicile definite în STAS 66-78, conţinând, în principal max 12% C3 şi min. 87% C4, cu presiunea de vapori de max. 7,5 bar/500 C. În conformitate cu prescripţiilor ISCIR, amestecurile de hidrocarburi C1

– C4 sunt încadrate în mai multe categorii după presiunea de vapori şi masa volumicăşi anume : amestecuri de tip A, Ao, B şi C.

Aceste amestecuri au următoarele proprietăţi: – amestecul de tip A: la 700C are o tensiune de vapori ce nu depăşeşte 11 bari şi la 500 C o masă volumică nu mai mică de 0,525 Kg/l; – amestecul de tip Ao: la 700 C are o tensiune de vapori ce nu depăşeşte 16 bari şi la 500 C o masă volumică nu mai mică de 0,495 Kg/l;În comerţ, aceste amestecuri (A şi Ao) se numesc, în mod curent, butan (comercial). – amestecul de tip B: la 700C are o tensiune de vapori ce nu depăşeşte 26 bari şi la 500C o masă volumică nu mai mică de 0,450 Kg/l; – amestecul de tip C: la 700 C are o tensiune de vapori ce nu depăşeşte 31 bari şi la 500C o masă volumică nu mai mică de 0,440 Kg/l. Amestecurile de hidrocarburi B şi C sunt denumite comercial propan.

În momentul lichefierii gazelor, volumul se reduce considerabil, determinând depozitarea şi manevrarea uşoară a acestora. Un volum mic de GPL conţine un volum considerabil de energie termică potenţială. In momentul utilizării, GPL poate reveni în starea sa de vapori, pentru a fi utilizat de client ca un combustibil gazos.

Moduri de obţinere a GPL-ului GPL-gazele petroliere lichefiate se obţin atât din gazele naturale propriuzise, din gazele de

sondăşi cele asociate, cât şi din gazele de rafinărie. Gazele naturale propriu-zise se extrag din zăcăminte gazeifere şi conţin cantităţi

variabile de metan, etan, propan şi butan. Gazele de sondă şi cele asociate provin din zăcămintele de ţiţei şi conţin cantităţi

variabile de hidrocarburi gazoase (metan, etan, propan, butan) cât şi hidrocarburi lichide (pentan, hexan, heptan, octan).

Gazele de rafinărie se obţin în instalaţiile de distilare atmosferică a ţiţeiului sau în instalaţiile de prelucrare distructivăşi în special din procesele termice şi termo catalitice (reformarea, cracarea, coxarea etc.), de prelucrare a diferitelor fracţiuni petroliere provenite din ţiţei. 4.Separarea sistemelor eterogene

Sistemele eterogene sunt amestecuri de doi sau mai multi componenti aflati in stare de agregare diferita. Acestea sunt formate din doua sua mai multe faze: o faza dispersa, denumita si faza discontinua divizata in faza continua denumita si faza dispersanta.

Starea fizica a unui sistem eterogen este determinata de starea de agregare a fazei continue. Sistemele eterogene fluide sunt prezentate in tabelul

Tabelul 7. Sisteme eterogeneFaza continua Faza discontinua Sistemul eterogen

Gaz Lichid Ceata Solid Praf, fum

Lichid Gaz Spuma

Lichid Emulsie Solid Suspensie



Sisteme de tipul celor prezentate in tabelul rezulta dintr-o serie de operatii ale unor tehnologii de fabricatie si, cel mai adesea, este necesara separarea fazelor, fie pentru valorificarea componentilor, cand acestia prezinta utilitate, fie in scopul purificarii mediului de dispersie de particulele dispersate in acesta. Pentru separarea fazelor unui sistem eterogen se folosesc diverse operatii care apartin uneia dintre urmatoarele metode: actiunea diferentiata a unor forte asupra fazelor sistemului ( forta gravitationala,

centrifuga, inertiala, electrica, etc ); retinerea fazei discontinue prin modificarea fortelor de suprafata; retinerea fazei discontinue pe suprafata si in porii unui material poros, care permite

trecerea numai a fazei continue ( filtrare ).

Principalele metode de separare a unor sisteme eterogene sunt prezentate in tabelul . Alegerea metodei si a utilajului de separare depinde de proprietatile sistemului eterogen: viteza de sedimentare, dimensiunile fazei discontinue, starea de agregare si debitul fazei continue, concentratia fazei discontinue, etc.

In multe dintre operatiile de separare fenomenul care sta la baza realizarii operatiei este sedimentarea. Sedimentarea consta in depunerea particulelor fazei discontinue la baza sau pe peretii utilajelor de separare, sub actiunea diferentiata asupra fazelor a unei forte exterioare, care poate fi: forta gravitationala, centrifuga, forta de inertie sau cea creata de un camp electric. Daca depunerea particulelor se face fara ca acestea sa interactioneze intre ele ( ciocniri, aglomerari, etc ) se realizeaza o sedimentare libera. Practic, lipsa interactiunilor este intalnitala la sistemele eterogene in care concentratia fazei discontinue este discontinue este redusa. In cazul unor sisteme eterogene in care concentratia fazei discontinue este mare, particulele interactioneaza intre ele in timpul sedimentarii, iar fluxul fazei continue care se deplaseaza in sens contrar particulelor este seminificativ, in comparatie cu sedimentarea libera. Aceste fenomene determina ca viteza de sedimentare sa fie mai mica in cazul acestor sisteme eterogene si de aceea se spune ca in acest caz are loc o sedimentare franata.

Sedimentarea libera

Pentru a stabili viteza cu care are loc sedimentarea particulelor in sisteme eterogene in care nu se manifesta interactiuni intre particule ( sedimentare libera ), se considera o particula a fazei disperse (o particula solida, o picatura de lichid sau o bula de gaz). Asupra acesteia actioneaza urmatoarele forte: o forta exterioara, Fe, forta de plutire

(forta arhimedica), Fp, si o forta de rezistenta, Fr, (fig. 7.). In functie de relatia dintre

densitatea fazei discontinue, ρD si densitatea fazei continue, ρC se intalnesc urmatoarele situatii:

Tabelul 8Sistemul eterogen Metoda de separarePraf Separare uscata

Separare umeda Filtrare Separare electrica Separare sonica

Suspensie Decantare



FiltrareCentrifugare

a. Cand, ρD> ρC, atunci si Fe > Fp , iar rezultanta fortelor este orientata in sensul de

actiune al fortei exterioare ceea ce face ca particula sa se deplaseze in aceeasi directie; b. Cand, ρD < ρC , si Fe < Fp, iar rezultanta fortelor este orientata in sensul de actiune al

fortei de plutire si particula se deplaseaza in aceasta directie; c. Cand, ρD = ρC , atunci si Fe= Fp, ceea ce face ca particula sa nu se deplaseze in nici o

directie si deci in acest caz nu se poate realiza separarea sistemului eterogen (forta exterioara nu actioneaza diferentiat asupra fazelor sistemului ).

Sedimentarea are loc numai in cazul in care, ρD> ρC,. In aceste conditii, particula se deplaseaza cu viteza uniform accelerata pe directia de actiune a fortei rezultante:

m ∙dvd t=Fe−Fp−Fr Ecua ț ie79

unde: Fe=ma

F p=mρD

∙ a

F r=∙ A ∙V 2

2∙ ρc

v, este viteza particulei, m, este masa particulei, a, este acceleratia fortei exterioare, , este coeficientul de rezistenta la curgerea in jurul unui

corp imersat in fluid, A, este aria proiectiei conturului particulei pe un plan

perpendicular pe directia ei de deplasare. Prin urmare, relatia (79), in forma explicitata, devine:

m ∙dvdt=ma− m

ρD

∙ a−∙ A ∙V 2

2∙ ρc Ecuaț ie80

Dupa punerea in miscare a particulei, singura forta variabila este forta de rezistenta, a carei valoare creste cu patratul vitezei.

La o anumita valoare a vitezei particulei, forta de rezistenta egaleaza rezultanta fortelor ( F – F ), astfel incat:

F e−Fp−F r=0 Ecua ț ie81Ceea ce inseamna ca: , deci, . Prin urmare din acest moment particula se deplaseaza, in continuare, cu viteza constanta, v=v0,

denumita viteza de sedimentare libera, iar relatia (80), devine:

ma− mρD

∙ ρc a−∙ A ∙V 2

2∙ ρc=0 Ecua ț ie82

Dupa impartirea relatiei (82) prin, m, si regruparea termenilor, rezulta:ρD−ρc

ρD

∙ a−∙Am

∙V 0

2


Daca forta exterioara este gravitatia, atunci a = g, iar daca forta exterioara este forta centrifuga, a = . Dacă, raportul dintre forta centrifuga si forta gravitationala se notat cu, k și se definește prin notiunea de factor de separare:


Fig. 7.


k=F c

Fg

=m ∙ω2 ∙ Rm∙ g

=ω2 ∙ Rg

Ecuaț ie84

acceleratia centrifuga, poate fi exprimata in functie de acceleratia gravitationala. In aceste conditii se poate considera cazul general cand forta exterioara este forta centrifuga:ρD−ρc

ρD

∙ k ∙ g−∙Am

∙V 0

2


Ecuatia (85) are avantajul ca atunci cand k=1, este valabila pentru camp gravitational, iar pentru k>1, este valabila la sedimentarea in camp centrifug. Din relatia (85) se exprima viteza de sedimentare libera:

V 0=√ 2 ∙m ∙(ρD−ρ c)∙ k ∙ g

∙ A ∙ρD ∙ ρc

Ecua ț ie86

Pentru particolele sferice

2 ∙ mA ∙ ρD

=2∙

π d3

6π d2

4

=43

d

și relația 86 devine:

V 0=√ 4 ∙ d ∙(ρD− ρc) ∙ k ∙ g

3 ∙ ρc

Ecua ț ie87

Coeficientul de rezistenta, ξ, se determina in functie de valoarea criteriului Reynolds, calculat cu relatia:

ℜ=ρc V 0 dc

Dependenta lui, ξ, de Re se modifica pentru doua valori critice ale lui Reynolds si anume la Re = 2 si la Re = 500. Dependenta Re = f(ξ), pentru particule sferice netede, este prezentata in fig.8. O metodă de calcul a vitezei de sedimentare libera constă în incercari succesive, care presupune adoptarea unui domeniu de sedimentare, pentru care se calculeaza viteza, folosind relatia corespunzatoare, Re = f(ξ). Dupa calcularea vitezei de sedimentare se calculeaza Reynolds pentru a verifica daca valoarea acestuia corespunde domeniului adoptat. De exemplu, daca se adopta domeniul lui Stokes, atunci:

¿ 24ℜ=

24c

V 0c d∙=0

Care înlocit în relația, conduce la:

V 0=d2 ∙(ρD−ρ c)∙ k ∙ g

18 ∙c



Fig.8.Viteza de sedimentare libera poate fi determinata si din ecuatii criteriale, care dau relatia dintre Reynolds si Arhimede. Pentru a stabili forma acestor ecuatii se procedeaza astfel: se ridica la patrat relatia (87), obtinandu-se:

V 02=

4 ∙ d ∙(ρD−ρc) ∙ k ∙ g3∙ ρc

Ecua ț ie88

Pe de alta parte, din expresia lui Reynolds, rezulta:

ℜ2=ρ c

2V 02 d2

c2 , din care:V 0

2=ℜ2c

2

ρ c2d2

Rezulta:ℜ2c

2

ρc2 d2 =

4 ∙ d ∙(ρD−ρc) ∙ k ∙ g3∙ ρc

De unde:

ℜ2=4 ∙ d3 ∙( ρD−ρc) ∙ ρc ∙ k ∙ g

3 ∙c

Dar, criteriul lui Arhimede are expresia :

ℜ2=43

k ∙ A r Ecua ț ie89

Pentru sedimentare in camp gravitational ( k=1), relatia (89) ia forma:

Ar=34ℜ2

Prin urmare, pentru valorile critice Re = 2 si Re = 500, corespund urmatoarele valori critice ale criteriului Arhimede:



din care

Sau

Utilizarea ecuatiilor criteriale se face astfel: se calculeaza valoarea criteriului Arhimede si in functie de aceasta se stabileste domeniul de sedimentare. In functie de domeniu se alege ecuatia criteriala corespunzatoare din care se calculeaza Reynolds, apoi din expresia lui Reynolds se calculeaza viteza de sedimentare libera. Pentru determinarea diametrului particulelor care sedimenteaza cu o anumita viteza s-a introdus criteriul lui Liascenko, definit astfel:

Fig.9.

Relatia dintre Liascenko, Arhimede si Reynolds este data sub forma unor grafice, de forma celor din fig.9., prezentate in manualele de specialitate. Daca se impune viteza de sedimentare, se calculeaza Liascenko, si din grafic se citeste valoarea corespunzatoare a lui Arhimede, din care se calculeaza diametrul particulelor, Curba (1) se refera la dependenta Re = f(Ar), pentru particule sferice, iar curba (2) da relatia Li = f(Ar), tot pentru particule sferice. Curbele (3), (4), (5) dau relatia Li = f(Ar) pentru particule de alte forme decat cea sferica.



5.Metodologia de dimensionare

5.1. Noţiuni teoretice.

5.1.1. Relaţii generale pentru dimensionarea conductelor de transport şi distribuţia gazelor.

- Ecuaţia de continutate.

Debitul masic QM de gaz este constant prin orice secşiune A a conductei.

Principala caracteristicã a curgerii gazelor prin conducte, o constituie expansiunea acestora, ca urmare reducerii presiunii în lungul conductei, datoritã pierderilor lineare şi locale de sarcinã.

În condiţiile mişcãrii permanente şi uniforme, în proces izoterm, ecuaţia de continutate QM =.v.A. = const., cînd A=constant ia forma particularã:

Deci, în conducte de diametru constant, viteza gazului creşte în sensul curgerii, prin expandare 2 < 1.

În consecinţã,

-Ecuaţia de stare fizică a gazului.

Relaţia de dependenţã a densitãţii gazelor de presiune şi temperaturã, pentru unitatea de masă este:

unde:

R – este constanta gazului [j/kg.K] T – temperatura absolută [K].

Pentru curgere izotermã, se poate scrie:

de unde:



şi deci:

reprezentând o altã formã de exprimare a ecuaţiei de continuitate.

- Ecuaţia energiei

Aplicarea ecuaţiei lui Bernoulli fluidelor compresibile şi vâscoase, conduce la urmãtoarea lege de variaţie a presiunii în lungul curentului:

în care poartã numele de coeficient de frecare şi este in funcţie de condiţiile curgerii exprimate prin criteriul Reynolds, respectiv de rugozitatea conductei. Variaţia presiunii pe unitate de lungime este o mãrime negativã.

5.1.2. Capacitatea de transport a conductelor

Capacitatea de transport a conductelor funcţionând în regim cu volum variabil

Considerând o conductã de lungime L şi

diametru D, la care curgerea se produce sub

influenţa ecartului de presiune p1 - p2 (fig.11) se

poate scrie ecuaţia pierderilor de sarcinã în

funcţie de parametrii de stare ai gazului din

secţiunea iniţialã. Introducând densitatea şi

viteza cu relaţiile stabilite anterior,

şi

se obţine:

Integrând între 0 şi L, respectiv p1 şi p2, rezultã:


Fig. 11


sau:

Înlocuind viteza în funcţie de debit,

şi considerând ca stare de referinţã starea normalã, se obţine:

de unde:

Dacã în relaţie se introduc:

- debitul de calcul în condiţii standard (p = 1,013 bara = 101326 N/m2 şi T =

288,15 K) în m3/h;

- presiunile absolute p1 şi p2 la extremitãţile tronsonului, în bari absoluţi (bara) şi

- densitatea relativã a gazului, ,

se obţine formula finalã pentru dimensionarea conductelor funcţionânde cu volum variabil de

presiune redusã şi medie:

în care: T în K, L în Km, D în cm. şi Q în m3/h.

Pentru calculul coeficientului de frecare se recomandã utilizarea relaţiei lui Colebrook-

White:



unde, pentru Re se poate utiliza valoarea 2230Q/D, cu debitul în m3/h şi diametrul în cm., iar

rugozitatea absolutã, cu valoarea 0,05cm.

Introducând în relaţia debitului pentru conducte de înaltã presiune,

relaţia debitului se poate pune sub forma:

Pentru a evidenţia modul în care influenţeazã asupra capacitãţii de transport,

parametrii geometrici şi hidrodinamici - diametru, lungime, presiune - se observã cã relaţia

finalã poate fi explicitatã în raport cu parametrul de interes, ca variabilã şi constantã care îi

include pe ceilalţi:

influența diametrului:

influența lungimii conductei:

influența presiunilor la extremitățile tronsonului:



Relaţiile anterioare prezintã importanţã pentru verificarea posibilitãţilor de

modificare ale unor instalaţii existente în anumite condiţii impuse. De asemenea, din relaţia

finalã a capacitãţii de transport, pusã sub forma:

se poate determina debitul maxim posibil, teoretic, pentru condiţia p2 0:

Determinarea valorii presiunii medii, între douã secţiuni cu parametri cunoscuţi

Din analiza ecuaţiei de continuitate se constatã cã în cazul

fluidelor compresibile, presiunile nu variazã linear în lungul

curentului. In consecinţã, valoarea medie se determinã prin

integrarea expresiei care reprezintã legea de variaţie a presiunii

(fig.12).

Exprimând debitul în funcţie de presiunile extreme ale trosoanelor 1 - x şi x - 2

şi respectiv,

şi egalând, din condiţia de continuitate, rezultã:


Fig. 12


respectiv,

Deci presiunea medie va fi:

ceea ce mai poate fi pus sub una din formele:

Capacitatea de transport a conductelor func]ionând în regim cu volum constant de gaz.

În cazul în care diferenţa presiunilor de la extremitãţile tronsonului de calcul este

micã, deci expandarea neglijabilã, gazul poate fi considerat ca un fluid incompresibil,

indiferent de regimul presiunii de lucru, şi în consecinţã viteza v şi densitatea se acceptã cu

valori constante.

Aceastã aproximaţie este cu atât mai bunã cu cât raportul p1/p2 se apropie mai mult

de 1, respectiv cu cât raportul dintre cãderea de presiune între secţiunile de calcul şi

presiunea absolutã şi medie a gazelor este mai mic.

În aceste condiţii, considerând presiunea medie în conductã cu valoarea:



şi exprimând în funcţie de aceasta relaţia obţinutã în condiţiile curgerii reale prin integrarea

legii de variaţie a presiunii.

se obţine:

de unde:

Introducând densitatea relativã a gazului şi exprimâmnd debitul în condiţii

standard, cu temperatura în K, diametrul în cm., lungimea în Km şi presiunile p1 şi p2 în bari

absoluţi, se obţine forma uzualã a relaţiei pentru calculul conductelor de presiune

intermediarã şi joasã:

Relaţiile debitului capabil al conductelor pentru transportul gazelor în regim de

curgere cu volum variabil şi respectiv constant au fost transpuse în nomograme de calcul şi

tabele, reproduse în normativul pentru proiectarea instalaţiilor de gaze, I- 6.

5.1.3.Influenţa forţei ascensionale.

O conductã verticalã de înãlţime h, care are la bazã presiunea relativã (mãsuratã în

raport cu atmosfera) p1, va avea la vârf presiunea relativã p2.

în care şi a sunt greutãţile specifice ale gazului şi respectiv aerului.

Dacã < a, atunci p2 > p1, iar diferenţa (a - )h constituie forţa ascesorialã a

gazelor.



Pentru instalaţiile de joasã presiune din clãdiri înalte, la dimensionare trebuie sã se ţinã

seama de efectul forţei ascensionale, utilizând disponibilul de presiune datorat acesteia pentru

transportul debitelor prin coloane.

5.1.4.Calculul pierderilor totale de sarcinã

Dimensionarea conductelor pentreu transportul sau distribuţia gazelor naturale se

face considerând presiunile p1 şi p2 cunoscute.

Întrucât diametrele adoptate (în limitele diametrelor nominalizate) diferã de cele mai

multe ori de diametrele rezultate din calcul, este necesar sã se determine pierderile efective de

sarcinã şi valoarea realã a presiunii în secţiunea finalã.

Pierderile totale de sarcinã se compun din pierderi lineare şi locale, care se calculeazã

cu relaţiile cunoscute la curgerea lichidelor.

unde:

- pierderile lineare:

- pierderile locale:

În mod practic, pierderile locale de sarcinã se echivaleazã cu pierderile lineare

corespunzãtoare unei lungimi echivalente de conductã cu acelaşi diametru. În consecinţã,

lungimea de calcul a fiecãrui tronson se considerã egalã cu suma lungimilor efectivã şi

echivalentã:

Lungimea echivalentã rezultã prin egalarea pierderilor locale de sarcinã cu pierderile

lineare de pe conducta echivalentã:



de unde:

Pierderea totalã de sarcinã rezultã în consecinţã:

şi trebuie sã fie mai micã decât diferenţa de presiune disponibilã:

5.2.Dimensionarea instalaţiilor de distribuţie si utilizare

5.2.1.Determinarea debitelor de calcul

Pentru dimensionarea instalaţiilor de gaze naturale este necesar sã se cunoascã debitele

de calcul, care se stabilesc în raport cu destinaţia instalaţiei, ţinând seama de debitele

nominale ale aparatelor de utilizare şi de simultaneitatea funcţionãrii acestora.

Debitul nominal este cantitatea de gaz la stare normalã, consumatã de un aparat de

utilizare pentru ardere cu randament optim. Este indicat de producãtori pentru fiecare tip de

aparat, la presiunea standardizatã de consum - 200 mm.col.apã.

Instalaţii de utilizare pentru încãlzire

Debitul de calcul se stabileşte pentru încãrcarea maximã a instalaţiei, adicã cu toate

aparatele de consum în funcţiune la debite maxime:

în care Qni - reprezintã debitul nominal al unui aparat.

Instalatii de alimentare cu gaze la bucatarii in locuinte dotate cu incalzire centrala

Debitul de calcul se determina in functie de debitele nominale ale aparatelor de

utilizare, tinând seama de simultaneitatea functionarii, exprimata prin factorul de incarcare,

stabilit in functie de numarul; apartamentelor deservite:



in care Qni -este debitul nominal al aparatului, în Nm3/h, considerat pentru bucãtãrii în

blocuri cu valoarea de 0,72Nm3/h.ap., iar Fi - factorul de încãrcare se calculeazã cu relatia:

determinatã prin prelucrãri statistice ale unor mãsurãtori reale.

În Normele tehnice de proiectare a sistemelor de alimentare cu gaze combustibile ,

valorile factorului de încãrcare si a debitelor de calcul sunt precizate în functie de numãrul

de apartamente:

Tabel 1

Nr. ap. F Debite în Nm 3 /h Total De calcul

0 1 2 3 1 2 3 4 51020406080

1,00,550,540,530,520,490,440,390,360,34

0,721,442,162,883,607,2014,428,843,257,6

0,720,801,201,501,803,506,3011,215,619,6

Instalatii de utilizare industralã

Pentru instalatiile industriale si care deservesc dotãri social-culturale, debitul de calcul se determinã în functie de debitele nominale ale aparatelor si agregatelor, tinând seama de regimul de functionare al acestora si simultaneitatea consumurilor:

Debitele de calcul stabilite cu relatiile precizate anterior se folosesc pentru dimensionarea bransamentelor interioare de utilizare. Pentru retelele de distributie, debitele se calculeazã în mod asemãnãtor, tinând seama de totalitatea consumatorilor deserviti în perspectivã si de simultaienitatea consumurilor.



5.2.2. Stabilirea cãderilor de presiune

Pentru calculul de dimensionare si verificare a instalatiilor este necesar sã se stabileascã cãderile de presiune maxim admisibile.

În cazul instalatiilor si retelelor care alimenteazã direct aparate de utilizare (presiune joasã sau intermediarã), fãrã regulator de presiune, cãderea de presiune p, este limitatã de valoarea fluctuatiei maxime de presiune admisã la aparatele de utilizare si prescrisã prin standardul de fabircatie.

De regulã, se acceptã variatii de debit fatã de debitul nominal de ordinul 10%.

Exprimând debitul arzãtorului în functie de viteza de iesire a gazului prin orificiul acestuia:

si

rezultã:

sau

respectiv:

si deci:

O altã conditie ce trebuie satisfãcutã în acest caz se referã la vitezele limitã între care este asiguratã stabilirea arderii, respectiv, nu existã pericolul de rupere sau de întoarcere a flãcãrii. Aceste valori sunt functie de diametrul orificiului arzãtorului si pentru diametrul maxim de 60 mm, sunt de 17 m/s, viteza maximã la ruperea flãcãrii si respectiv 12 m/s, viteza minimã la întoarcerea flãcãrii.

de unde se deduce:



si

Sau:

Căderile de presiune

Căderea de presiune pentru dimensionarea unei conducte, se stabileşte cu relaţia

P = P1 - P2

în care:

P1 este presiunea absolută minimă disponibilă, în bar, la intrarea în conductă;

P2 este presiunea absolută minimă necesară, în bar, la ieşirea din conductă majorata cu 10% pentru compensarea unor factori imprevizibili.

Modalităţi de stabilire a căderilor de presiune pentru dimensionarea conductelor sunt prezentate în figurie de mai jos.

Căderile de presiune stabilite trebuie sa acoperă toate pierderile liniare şi locale.

Pentru reţelele de distribuţie existente, presiunea disponibilă P1 se precizează de operatorul SD.

În cazul unor extinderi ale reţelelor de distribuţie de presiune joasă care alimentează aparatele consumatoare de combustibili gazoşi, cu presiunea nominală de 20 mbar, căderea totală de presiune pentru dimensionarea reţelei de distribuţie şi a instalaţiei de utilizare este de 10 mbar, cu condiţia ca la ieşirea din staţia sau postul de reglare să se menţină presiunea de 30 mbar.

Pentru reţeaua de distribuţie care funcţionează la presiune joasă, inclusiv branşamentul, se consideră căderea de presiune de 5 mbar, diferenţa de 5 mbar fiind necesară dimensionării conductelor instalaţiei de utilizare, inclusiv contorul.

În instalaţiile de utilizare cu presiune joasă, pentru dimensionarea coloanelor se are în vedere creşterea disponibilului de presiune datorită forţei ascensionale a gazelor naturale.



Disponibilul de presiune produs de forţa ascensională se obţine calculând produsul între valoarea indicată în Tabelul 4 şi înălţimea la care se montează punctul de consum, măsurată de la nivelul regulatorului de presiune.

Tabelul 4 - Disponibilul de presiune produs de forţa ascensională în funcţie de înălţimea punctului de consum faţă de nivelul regulatorului de presiune

Altitudinea locaţiei regulatorului de presiune,

în m

Disponibilul de presiune produs de forţa ascensională în funcţie de înălţimea punctului de consum faţă de nivelul regulatorului de presiune,

în mbar/ m0 0.054

100 0.052200 0.051300 0.050400 0.049500 0.047600 0.046700 0.045800 0.043900 0.042

1000 0.0411100 0.0401200 0.039

Cãderile de presiune admisibile în retelele exterioare de distributie sunt precizate în functie de regimul de presiuni, dupã cum urmeazã:

Pentru retelele de distributie de joasã presiune, (fig.13)

Caderea totalã de presiune pentru dimensionarea retelei de distributie si instalatiei de utilizare este de 100 mm.col.apã, cu conditia ca la iesirea din statia de reglare sã se mentinã presiunea de 300 mm.col.apã.

Pentru retea si bransament se va consuma cãderea de presiune de 50 mm.col.apã, diferenta de 50 mm.col.apã fiind afectatã instalatiei de utilizare.

Pentru retele de distributie de presiune redusã si medie (fig. 13)

Cãderea de presiune pentru ramificatii si bransamente se stabileste ca diferentã între

presiunea disponobilã în punctul de racord , si presiunea necesarã înaintea regulatorului

de la capãtul branssamentului . Pentru retelele existente, aceasta se precizeazã de cãtre intreptinderea de distributie a gazelor.


Tabel 2Presiunea P1 p2 pmax

retelei Bari/mm.col.apã

Joasã

Redusã

Medie


Fig.13. Caderi admisibile de presiune in retelele de gaz: a- de presiune medie;

b - de presiune redusa cu regulator de debit mic la consumator;

c - de presiune redusa cu regulator de tip industrial la capat.

unde:

1. Statie de predare;

2. Statie de reglare de sector;

3. Post de reglare;

4. Statie de reglare la consumator.

6 Stabilirea debitelor de calcul.



Debitele de calcul se determină în funcţie de necesarul de consum şi de factorii de simultaneitate specifici astfel:

a) pentru conductele de distribuţie se prevăd debitele pentru o etapă de perspectivă, în funcţie de:

dezvoltarea zonelor ce vor fi alimentate, pe baza planurilor de urbanism; eventuala modificare a densităţii consumatorilor; schimbările de amplasament ale unor consumatori importanţi; realizarea de noi construcţii în zonă; schimbarea destinaţiei unor construcţii.

b) pentru branşamentele şi instalaţiile de utilizare ale agenţilor economici, societăţilor şi instituţiilor social-culturale, se prevede debitul instalat şi debitul ce poate fi instalat în perspectivă în instalaţiile de utilizare;

c) pentru branşamentele şi instalaţiile de utilizare ale consumatorilor casnici se prevede debitul simultan al tuturor aparatelor consumatoare de combustibili gazoşi din instalaţiile de utilizare; valoarea coeficienţilor de simultaneitate pentru bucătării este dată în Tabelul 3.

Coeficientul de simultaneitate pentru instalaţiile de încălzire centrală este 1.

Tabelul 3 - VALORILE COEFICIENŢILOR DE SIMULTANEITATE PENTRU BUCĂTĂRII Numărul de

apartamenteCoeficientul de simultaneitate

Numărul de apartamente

Coeficientul de simultaneitate

1 1,00 36 0,402 0,81 40 0,393 0,71 44 0,384 0,65 48 0,385 0,62 52 0,376 0,59 56 0,378 0,55 60 0,36

10 0,53 64 0,3612 0,51 68 0,3516 0,47 72 0,3520 0,45 76 0,3524 0,43 80 0,3428 0,42 Peste 80 0,3432 0,41

Determinarea debitelor de calcul se face diferit dupã cum este vorba de un sistem de distribuţie, de o reţea de distribuţie într-un ansamblu sistematizat, de un branşament sau de o instalaţie de utilizare.

În reţelele de repartiţie şi în ramurile principale ale reţelelor de distribuţie, adicã în acele pãrţi din reţea care sunt susceptibile a fi solicitate peste capacitatea determinatã la un moment dat, trebuie avute în vedere toate dezvoltãrile de debit posibile în perspectivã adicã acelea care pot apãrea într-un interval de timp determinat, de regulã, egal cu viaţa prescrisã a conductei, la noi cel puţin 20 ani pentru reţelele realizate din conducte de oţel şi mai mare pentru reşelele de conducte din PE . Trebuie avute în vedere sistematizarea şi dezvoltarea



viitoare a zonelor deservite, posibilitatea mãririi densitãţii şi modificarea regimului de înalţime a construcţiilor existente etc.

Pentru determinarea debitelor de gaz se foloseşte fie calculul analitic, fie calculul pe bazã de indici.

În ambele cazuri trebuie ţinut seama, în funcţie de starea reţelei, şi de pierderile prin scãpãri.

În general se întâlnesc urmãtoarele tipuri de consumuri de gaze naturale:1) consumul pentru îcãlzit (locuinţe, spaţii cu alte destinaţii);2) consumuri pentru prepararea hranei (locuinţe, bucãtãrii colective);3) consumul pentru prepararea apei calde;4) consumuri pentru dotări şi scopuri comerciale;5) consumuri industriale.În timp ce consumurile industriale sunt, în general, caracterizate prin constanţã,

continuitate sau periodicitate, consumurile abonaţilor casnici se realizeazã, aproape integral, în aparate cu funcţionare discontinuã (maşini de gãtit, încãlzitoare de apã, aparate pentru înlãlzit etc.).

De aceea, consumul (simultan) instantaneu al unui grup de abonaţi casnici poate fi sensibil diferit de acela realizat ca medie orarã, sau medie zilnicã.

Stabilirea debitelor de calcul nu se face uniform, se calculeazã mai larg pentru osaturile sistemului de distribuţie, de funcţionarea cãrora depinde un mare numãr de consumatori, şi mai strâns pentru ramurile secundare şi cele periferice ale reţelelor de distribuţie.

Pentru instalaţii de utilizare se însumeazã debitele nominale ale aparatelor deja instalate sau care urmeazã a fi instalate (ţinând cont de regimul lor de funcţionare) şi se aplică factorii de încãrcare corespunzãtori tipului şi numãrului de aparate.

Debitele nominale ale aparatelor vor fi cele indicate de producãtor.

Pentru ansambluri de locuinţe prevãzute cu încãlzire centralã se recomandã folosirea indicelui de 34 MJ (8,1 Mcal/h.ap.), în medie, în care se cuprinde: prepararea apei calde, prepararea hranei, încãlzirea şi consumurile pentru dotãri.

În fondul vechi de locuinţe, pentru încãlzit, indicii variazã între 0,173 şi 0,34 MJ (0,04 0,08 Mcal.)/h.m3 construit în raport de poziţia localitãţii, tipul construcţiei, încãlzitului etc.

Indicii de consum unitar (pe apartament sau pe persoanã) sunt foarte diferiţi.

Pentru calcul se foloseşte debitul orar, deşi cele mai multe vârfuri au o duratã mult mai scurtã.

Dacã totalul consumului anual Qa s-ar desfãşura uniform, debitul zilnic ar trebui sã fie: Qz = Qa / 365.



Dat fiind cã pentru diverse feluri de utilizãri intervin fluctuaţii care, în medie se gãsesc, pentru consumul menajer (şi încãlzit), în jur de 4/1, între iarnã şi varã, dar care, în anumite situaţii pot ajunge la 7/1 ... 8/1, evident nu se pot folosi mediile orare.

În raport de cele arãtate, când în consum se gãseşte şi încãlzirea, debitul maxim zilnic ar putea fi obţinut din raportul Qz = Qa / 160. Adicã aceasta înseamnã:

La fel debitul orar mediu:

Raportul dintre consumul maxim orar şi consumul mediu orar variazã între 2,5 şi 40.

6 DIMENSIONAREA CONDUCTELOR SISTEMELOR DE ALIMENTARE CU GAZE NATURALE



Debite de calcul

5.1. Debitele de calcul se stabilesc în funcţie de necesarul de consum şi de factorii de simultaneitate specifici, avându-se în vedere următoarele:

a) pentru reţeaua de repartiţie şi pentru ramurile principale ale reţelei de distribuţie se prevăd debitele pentru o etapă de perspectivă, în funcţie de:

- dezvoltarea zonelor ce vor fi alimentate, pe baza planurilor de urbanism;

- eventuala modificare a densităţii consumatorilor;

- schimbările de amplasament ale unor consumatori importanţi.

b) pentru ramurile secundare ale reţelei de distribuţie, se prevede debitul instalat al aparatelor de utilizare existente şi al acelora ce pot fi instalate în viitor, ţinând seama de:

- realizarea de noi construcţii în zonă;

- schimbarea destinaţiei unor construcţii.

c) pentru branşamentele şi instalaţiile de utilizare ale agenţilor economici, societăţilor şi instituţiilor social-culturale, se prevede debitul instalat şi debitul ce poate fi instalat în perspectivă în instalaţiile de utilizare, în funcţie de:

- schimbarea tehnologiilor sau proceselor de utilizare;

- creşterea eficienţei sau randamentului aparatelor de utilizare.

d) pentru branşamentele şi instalaţiile de utilizare ale consumatorilor casnici se prevede debitul simultan al tuturor aparatelor din instalaţiile de utilizare; valoarea coeficienţilor de simultaneitate pentru bucătăriile clădirilor de locuit este dată în tabelul 1.

Coeficientul de simultaneitate pentru încălzire centrală este 1.

Tabelul 1

VALORILE COEFICIENŢILOR DE SIMULTANEITATE PENTRU BUCĂTĂRIILE CLĂDIRILOR DE LOCUINŢE





1 1.00 36 0.40

2 0.81 40 0.39

3 0.71 44 0.38

4 0.65 48 0.38

5 0.62 52 0.37

6 0.59 56 0.37



8 0.55 60 0.36

10 0.53 64 0.36

12 0.51 68 0.35

16 0.47 72 0.35

20 0.45 76 0.35

24 0.43 80 0.34

28 0.42 Peste 80 0.34

32 0.41

5.2. Debitul nominal al aparatelor de utilizare este cel indicat de fabrica producătoare. Date asupra debitelor nominale ale aparatelor de utilizare, care îndeplinesc cerinţele impuse de reglementările în vigoare, trebuie să fie prezentate în cartea tehnică a acestora.

Căderile de presiune

5.3. Căderea de presiune pentru dimensionarea unei conducte, se stabileşte cu relaţia :

(1)

în care:

P1 este presiunea absolută minimă disponibilă la intrarea în conductă, exprimată în bar.

P2 este presiunea absolută minimă necesară la ieşirea din conductă majorată cu 10% pentru compensarea unor factori imprevizibili, exprimată în bar. În fig. 4, fig. 5 şi fig. 6, se exemplifică modul de stabilire a căderilor de presiune pentru dimensionarea conductelor.

5.4. Căderile de presiune, stabilite conform punctului 5.3. acoperă toate pierderile de sarcină, liniare şi locale.

5.5. Pentru reţelele de distribuţie existente, presiunea disponibilă P1 se precizează de operatorul sistemului de distribuţie a gazelor naturale la cererea proiectantului.

5.6. În cazul unor extinderi ale reţelelor de distribuţie de presiune joasă existentă, care alimentează aparatele de utilizare cu presiunea nominală de 20 mbar, căderea totală de presiune pentru dimensionarea reţelei de distribuţie şi a instalaţiei de utilizare este de 10 mbar, cu condiţia ca la ieşirea din staţia sau postul de reglare să se menţină presiunea de 30 mbar.

5.7. Pentru reţeaua de distribuţie, inclusiv branşamentul, se consideră căderea de presiune de 5 mbar, diferenţa de 5 mbar fiind necesară dimensionării conductelor instalaţiei de utilizare, inclusiv contorul.

5.8. În instalaţiile de utilizare cu presiune joasă, din clădiri cu înălţime de peste 10 m pentru dimensionarea coloanelor, se ţine seama şi de creşterea disponibilului de presiune datorită forţei ascensionale a gazelor naturale.

Cuantumul creşterii disponibilului de presiune provocat de forţa ascensională se obţine făcând produsul între valoarea indicată în tabelul 2 şi înălţimea la care se montează punctul de consum, măsurată de la nivelul regulatorului de presiune.


mk:@MSITStore:E:%5Cfostupc%5Cfostue%5Cauditmai2006%5Ccodrfl%5Cpentru%20audit%5CINSTALATII.chm::/gaze/HtmlFig/008.htm




Determinarea diametrelor conductelor

5.9. Diametrul conductelor se determină pe criteriul asigurării debitelor nominale de gaz şi a presiunii minime necesare la aparatul de utilizare a gazelor naturale pentru toţi consumatorii.

5.10. Diametrul conductelor de presiune medie sau presiune redusă se stabileşte cu relaţia:

sau [cm] (2)

în care:

D este diametrul interior al conductei, [cm];

Qcs este debitul de calcul la starea de referinţă standard (la P = 1,013 bar şi T = 288,15 K)[m3/h];

P1 este presiunea absolută la începutul tronsonului [bar];

P2 este presiunea absolută la sfârşitul tronsonului [bar];

T este temperatura gazelor, [K];

L este lungimea tronsonului respectiv, [km];

= 0.554, densitatea relativă a gazelor faţă de densitatea aerului;

este coeficientul de pierdere liniară de sarcină (adimensional), ce se determină în funcţie de Re şi k/D;

k = 0,05 cm, este rugozitatea conductelor de oţel;

k = 0.007 cm, este rugozitatea conductelor de polietilenă;

Tabelul 2

VALORILE DISPONIBILULUI SUPLIMENTAR DE PRESIUNE DAT DE FORŢA ASCENSIONALĂ, ÎN FUNCŢIE DE ÎNĂLŢIMEA PUNCTULUI DE

CONSUM FAŢĂ DE NIVELUL REGULATORULUI DE PRESIUNE

Altitudinea locului unde se montează regulatorul de presiune [m]

Disponibilul suplimentar de presiune dat de forţa ascensională în funcţie de

înălţimea punctului de consum, fată de nivelul regulatorului de presiune

[mbar/1m]

0 0.054

100 0.052

200 0.051

300 0.050



400 0.049

500 0.047

600 0.046

700 0.045

800 0.043

900 0.042

1000 0.041

1100 0.040

1200 0.039

Re este numărul adimensional Reynolds, calculat cu relaţiile:

sau (3)

în care:

w - viteza gazului în conductă [m/s];

D - diametrul interior al conductei [m];

v - coeficientul de vâscozitate cinematică [m2/s];

Qcs - are semnificaţia de la relaţia (2).

Valoarea coeficientului este:

- pentru Re<2300: (4)

- pentru 2300<Re<23D/k: (5)

- pentru 23D/k<Re<560D/k: (6)

- pentru Re>560D/k: (7).

5.11. Diametrul conductelor de presiune joasă se determină cu relaţia:



[cm]

în care:

L este lungimea de calcul a conductei, [m]; ea cuprinde lungimea fizică a tronsonului considerat la care se adaugă lungimile echivalente ale rezistenţelor locale.

(P) este căderea de presiune disponibilă pe tronsonul considerat, [mbar].

Celelalte notaţii au aceleaşi semnificaţii şi unităţi de măsură ca în relaţia (2).

Pentru instalaţiile uzuale din clădiri de locuit, lungimea de calcul se poate considera egală cu (1,1 ... 1,2) lungimea fizică a conductei.

Lungimile echivalente ale rezistenţelor locale pentru dimensionarea conductelor de distribuţie gaze naturale la presiune joasă se obţin din tabelul 3.

Tabelul 3

LUNGIMILE ECHIVALENTE [m] PENTRU REZISTENŢELE LOCAL

Diametrul

[in]; [cm]

Rezistenţa locală

Robinet cu trecere

completă

Alte tipuri de robinete

CoturiTeuri în direcţia

derivaţiei

3/8 (1,250) 0.05 - 0.02 0.40

1/2 1575 0.06 - 0.05 0.60

3/4 2125 0.08 - 0.08 0.83

1 2700 0.11 - 0.12 1.08

1 ¼ 3575 0.14 - 0.14 1.43

1 ½ 4125 0.17 - 0.26 1.68

2 5200 0.22 - 0.42 2.00

2 ½ 5680 - 0.32 0.65 2.80

3 8050 - 0.40 0.92 3.70

4 10550 - 0.50 1.45 5.00

5 13100 - 0.70 2.20 6..60

6 15600 - 0.80 0.28 8.40

8 20300 - 1.20 4.00 12.00



10 25300 - 1.50 5.40 1600

12 30500 - 2.00 6.70 20.00

14 35300 - 2.50 8.00 25.00

15 40200 - 3.00 9.70 29.00

20 (50,200) - 4.00 12.60 39.00

5.12. Dimensionarea conductelor se face pe fiecare tronson cu debit constant, folosind relaţiile indicate la art. 5.10 şi 5.11.

Tronsoanele cu debit variabil ale conductelor principale, se dimensionează la debit constant, conform schemei de mai jos. Această schemă de calcul se foloseşte doar în cazul branşamentelor cu debite mici în raport cu debitul de tranzit.

Date de calcul Model de calcul

5.13. În cazul reţelelor de presiune medie sau redusă, dimensionarea şi/sau verificarea diametrelor se face folosind nomogramele din anexa 1.1 şi anexa 1.2.

5.14. În cazul reţelelor de presiune joasă, dimensionarea şi verificarea diametrelor conductelor din oţel se poate face folosind datele din tabelul nr. 4.1., considerând că volumul gazului este constant.

5.15. În cazul reţelelor de presiune joasă, dimensionarea şi verificarea diametrelor conductelor din polietilenă se poate face folosind datele din tabelul nr. 4.2., considerând că volumul gazului este constant.

5.16. Diametrele minime admise pentru conducte subterane:

- branşamente şi instalaţii de utilizare, minim 1'' pentru conducte de oţel, respectiv Dn 32 mm pentru conducte de polietilenă;

- conducte de distribuţie, de regulă, minim 2'' pentru conducte de oţel, respectiv Dn 40 mm pentru conducte de polietilenă.





5.17. Viteza maximă admisă a gazelor (calculată în secţiunea aval), în conducte este:

- 20 [m/s] pentru conducte supraterane;

- 40 [m/s] pentru conducte subterane.

5.18. Viteza maximă admisă a gazelor naturale în panouri, colectoare şi conducte de ocolire ale claviaturilor de reglare şi măsurare din staţii şi posturi de reglare este de 20 [m/s].



Debitul de calcul Qcs, [m3/h] pentru conducte din oţel, pentru gaze de joasă presiune (T = 288,15 K; = 0,554)1,575 2,125 2,7 3,57 4,12 5,25 6,8 8,05 10,4 13,1 15,2 20,3 20,7 25,3 30,5 35,3

1/2 3/4 1 1 ¼ 1 ½ 2 2 ½ 3 4 5 6 8 8 10 12 14

0,05 0,16 0,41 1,26 2,24 4,2 7,9 12,7 25,5 47,9 71,7 157 165 284 468 692

0,10 0,38 0,83 2,53 2,94 5,7 11,7 18,6 37,4 70,0 104 228 240 411 577 1000

0,14 0,42 1,24 2,82 3,04 7,2 14,7 23,9 46,7 87,1 138 273 298 509 839 1237

0,19 0,63 1,65 3,11 4,34 8,5 17,2 27,2 54,5 101 151 329 347 593 975 1438

0,24 0,77 2,07 3,40 4,92 9,6 19,4 30,7 61,5 114 170 370 390 666 1096 1615

0,29 0,95 2,48 3,69 5,44 10,6 21,4 33,9 67,8 126 188 408 429 733 1205 1775

0,33 1,11 2,54 3,99 5,92 12,3 23,3 36,8 73,6 136 203 442 465 794 1305 1923

0,38 1,27 2,60 4,30 6,38 12,4 25,0 39,6 79,0 146 218 474 499 851 1399 2060

0,43 1,43 2,66 4,59 6,80 13,2 26,7 42,1 84,1 155 232 504 531 905 1486 2189

0,48 1,59 2,72 4,86 7,20 14,0 28,2 44,6 88,4 165 245 532 561 956 1570 2312

0,96 1,80 3,29 7,09 10,48 20,3 40,8 64,3 127 237 352 762 802 1362 2242 3299

1,44 2,19 4,10 8,91 13,01 25,1 50,5 79,5 158 292 435 938 988 1682 2758 4057

1,48 2,48 4,79 10,27 15,16 29,2 58,7 92,3 183 339 504 1087 1145 1948 3194 4697

1,52 2,79 5,39 11,55 17,05 32,8 65,9 103 205 380 565 1219 1284 2183 3578 5261

1,56 3,08 5,94 12,72 18,78 36,1 72,5 113 226 416 620 1338 1409 2395 3925 5771

1,60 3,35 6,45 13,79 20,34 39,1 78,5 123 244 452 671 1447 1524 2591 4244 6239

1,64 3,59 6,92 14,79 21,81 41,9 81,1 132 251 484 719 1589 1631 2772 4541 6876

1,68 3,82 7,36 15,73 23,19 44,6 89,3 140 278 514 763 1644 1731 2943 4820 7086

1,77 4,04 7,78 16,61 24,49 47,1 94,3 148 293 542 805 1734 1826 3104 5084 7473

1,96 4,45 8,56 18,24 26,92 51,7 103 162 322 595 884 1903 2003 3405 5575 8195

2,12 4,83 9,28 19,80 29,43 56,0 112 176 348 644 959 2057 2166 3881 6027 8858

2,28 5,18 9,95 21,22 31,24 60,0 120 188 373 689 1023 2201 2318 3938 6448 9475

2,42 5,51 10,58 22,25 33,20 63,7 127 200 396 732 1088 2336 2460 4179 6842 10055

2,58 5,82 11,17 23,91 35,05 67,3 134 211 418 772 1145 2464 2595 4408 7216 10604

2,69 6,12 11,74 25,01 36,61 70,6 141 221 438 810 1202 2586 2723 4625 7571 11125

2,82 6,46 12,28 26,16 38,50 73,9 147 231 458 846 1258 2702 2845 4833 7911 11624

2,94 6,67 12,80 27,26 40,11 76,9 153 241 477 892 1303 2813 2962 5032 8236 12102

3,06 6,96 13,30 28,32 41,68 79,9 159 250 496 916 1358 2921 3075 5223 8550 12562

3,17 7,19 13,78 29,34 43,85 82,8 165 259 513 940 1408 3024 2184 5408 8852 13006

Regim laminar Regim turbulent prepatratic

Regim instabil Regim turbulent rugos



Debitul de calcul Q, [m3/h] pentru conducte din polietilenă, pentru gaze de joasă presiune (T = 288 K; = 0,554)

H

mbar/m

20 25 32 40 50 63 75 90110

125 140 160 180 200 225 250 280 315 355 400 450 500 560 630Desxt[mm]

14 19 2632,6

40,8

51,4

61,2

73,6

90102,2

114,4

130,8

147,2

163,6

184204,4

229257,6

290,4

327,2

368 409 458515,

4Di[mm]

0,0010,04

0,12

0,40

0,97

2,3 4,2 6,510,9

19,0

27,0

36,8

53,0

73,2

97,6

134 179 243 334 462 637 873116

0157

1215

5

0,0020,07

0,23

0,78

1,9 3,3 6,1 9,916,4

28,5

40,3

54,9

79,0

109 145 199 265 360 494 682 940128

8170

9231

3317

1

0,0030,10

0,34

1,2 2,3 4,2 7,712,5

20,8

36,0

51,0

69,3

99,7

137 183 251 333 453 621 857118

0161

6214

3289

9386

1

0,0040,14

0,45

1,5 2,7 4,8 9,114,8

24,5

42,5

60,1

81,7

117 162 215 295 392 532 730 107138

6189

7244

1329

1450

2

0,0050,17

0,56

1,9 3 5,510,4

16,8

27,9

48,3

68,3

92,8

133 184 244 335 445 603 827114

1157

0207

6274

9371

3507

9

0,0060,20

0,66

2,2 3,4 6,111,6

18,7

31,0

53,7

75,8

103 148 204 271 371 493 668 916122

3167

7229

2303

5409

8560

3

0,0070,23

0,77

2,5 3,6 6,712,7

20,5

33,9

58,6

82,8

112 161 222 295 405 537 729 967132

7182

3249

2329

8445

3608

7

0,0080,27

0,88

2,2 3,9 7,313,7

22,1

36,6

63,3

89,3

121 174 239 318 437 579 759103

7142

7196

0267

8354

5478

4653

9

0,0090,30

0,98

2,8 4,2 7,814,7

23,7

39,2

67,7

95,5

130 186 256 340 466 598 808110

5152

1208

9285

4377

7509

6696

5

0,010,33

1,1 3,0 4,5 8,315,6

25,2

41,6

71,9

101 138 198 272 361 495 632 855117

1161

0221

1302

0399

7539

3736

9

0,020,65

1,6 3,6 6,712,4

23,3

37,5

61,9

107

150 195 279 383 508 695 920124

5170

2233

9320

8437

8578

8780

310653

0,030,96

2,0 4,5 8,515,7

29,4

47,3

77,9

128

180 244 349 478 633 866114

5154

8211

5290

4398

2543

1717

6966

913194

0,04 1 2,3 5,410,0

18,5

34,7

55,4

87,3

150

211 285 407 558 739101

0133

5180

5246

5338

4463

7632

2835

211250

15346

0,05 1,1 2,6 6,111,4

21,0

39,2

60,0

98,6

169

238 321 459 629 833113

8150

4203

2277

4380

8521

7711

1939

112646

17247

0,06 1,3 2,9 6,812,7

23,4

41,5

66,4

109

187

262 355 507 694 918125

4165

7223

9300

5419

2574

2782

510333

13912

18968

0,07 1,4 3,1 7,513,8

24,3

45,1

72,2

119

203

285 385 550 753 997136

1179

8242

9331

4454

7622

7848

411200

15077

20554

0,08 1,5 3,4 8,115,0

26,0

48,6

77,7

127

218

306 414 591 809107

0146

1193

0260

6355

6487

7667

8909

712008

16163

22031

0,09 1,6 3,6 8,615,9

27,8

51,8

82,8

136

233

326 441 629 861113

9155

5205

4277

3378

3518

8710

2967

412768

17184

23420

0,10 1,7 3,9 9,216,0

29,4

54,9

87,7

144

246

345 466 666 911120

5164

4217

1293

1399

8548

2750

410220

13488

18150

24735

0,12 1,9 4,3 10,1

17,7

32,5

60,6

96,8

159

271

381 514 733 1003

1327

1810

2390

3225

4398

6030

8252

11237

14827

19950

27182



0,14 2,0 4,710,5

19,3

35,4

65,9

10,5

172

295

413 558 796108

8143

9196

3259

1349

6476

7653

4894

112173

16061

21606

29435

0,16 2,2 5,111,3

20,8

38,1

70,8

113

185

316

444 599 854116

7154

4210

5277

9374

9511

1700

4958

313046

17209

23148

31533

0,18 2,4 5,312,0

22,2

40,6

75,5

120

197

337

472 637 909124

2164

2223

9295

5398

6543

4744

610187

13865

18289

24598

33504

0,20 2,5 5,412,7

23,5

43,0

79,9

127

209

356

499 673 960131

3173

5236

6312

2421

1574

0786

510758

14641

19311

25970

35370

0,22 2,7 5,713,4

24,7

45,3

84,1

134

219

375

525 708101

0138

0182

4248

7328

1442

5603

1826

311301

15380

20283

27276

37145

0,24 2,8 6,014,1

25,9

47,4

88,1

141

230

392

550 741105

7144

4190

9260

2343

3463

0630

9864

311821

16085

21212

28524

38842

0,26 2,9 6,314,7

27,1

49,5

92,0

147

240

409

574 773110

2150

6199

0271

3357

9482

6657

6900

812319

16762

22104

29721

40470

0,28 2,9 6,515,3

28,2

51,6

95,7

153

249

426

596 804114

6156

6206

9282

0371

9551

5683

3936

012799

17414

22962

30873

42037

0,30 3,0 6,815,9

29,3

53,5

99,3

158

259

441

618 834118

8162

3214

5292

3385

5519

8708

1969

913262

18043

23791

31985

43549

Regim laminar Regim turbulent prepatratic

Regim instabil


Sistemul de Alimentare Cu Gaze_capitolul II _2011

Documents

Transcript of Sistemul de Alimentare Cu Gaze_capitolul II _2011